NO312490B1 - Strömforsyning til mikrofon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en krets til forsterkning, behandling av analoge signaler og A/D-omforming av signaler fra en mikrofon som beskrevet i innledningen til patentkrav 1.

Det er kjent innen mikrofon- og audioteknologi å integrere D/A-omforming og mikrofonforsterkning i én enhet, slik at samplingspunktet flyttes så nær mikrofonen som mulig, og derved redusere signalforvrengning, støy og brumming som kan oppstå med lange signalbaner. For å redusere støypulser er det kjent fra patentsøknad GB-A-2 2 93 740 å bygge A/D-omformere og mikrofonstrømforsyninger på samme kretskort, hvor mikrofonstrømtilførselen virker med pulsmodulasjon ved en frekvens som er utledet fra samplingsfrekvensen i A/D-omformeren. Denne patentsøknad danner grunnlaget for den to-delte form på patentkrav 1.

Når det gjelder en lang rekke bærbare produkter innen tele-kommunikasjon, video og audiometrikk, så vel som høreapparat-er og annen mikroelektronikk, spiller utstyrets vekt og fysiske dimensjoner en viktig rolle for utstyrets anvendelses-områder og markedsførbarhet.

Strømforbruket hører typisk til blant de viktige faktorer som sammen med den relevante batteriteknologi er bestemmende nettopp for vekten og de fysiske dimensjoner til det bærbare utstyr. Derfor er det i mange sammenhenger avgjørende at det gjøres forsøk på å redusere strømforbruket så mye som mulig.

Med aktive mikrofoner slik som elektretmikrofoner blir disse vanligvis forsynt med konstant strøm som er i størrelsesorden 100 - 600 uA. For de ovennevnte anvendelser utgjør dette et høyt strømforbruk. Det er derfor et prinsipielt formål med den herværende oppfinnelse å redusere strømforbruket.

Dette oppnås med oppfinnelsen som beskrevet i patentkrav 1.

Ifølge oppfinnelsen som beskrevet i patentkrav 2-4, oppnås et sterkt redusert strømforbruk ved at mikrofonkoplingen er forsynt med strømpulser av så kort varighet at mikrofonstrøm-men når en brukbar verdi. Strømforbruket i en slik kopling er typisk bare 0,01 - 0,03 uA pr. driftssyklus.

Ifølge oppfinnelsen som beskrevet i patentkrav 5, oppnås en særlig fordelaktig kopling ved at sammenkoplingen av mikrofonen og forsterkeren i én enhet muliggjør et høyt signal/støy-forhold.

Under henvisning til figurene vil oppfinnelsen bli beskrevet nærmere i nedenstående, hvor Fig. 1 viser et prinsippdiagram over kretsen;

Fig. 2 viser et utførelseseksempel av oppfinnelsen, og

Fig. 3 viser signalsekvensene for kretsen ifølge oppfinnelsen.

I prinsippskjemaet, fig. 1, er det vist en elektretmikrofon som for eksempel kan ha en øvre grensefrekvens på omtrent 15 kHz. Denne øvre grensefrekvens kan også ligge nærmere den maksimale grensefrekvens for det hørbare område hvis en mikrofon av høy kvalitet blir benyttet. Mikrofonen kan beskyt-tes med et tynt beskyttelsesnett, slik som et tynt lag av skummateriale, som imidlertid vil redusere mikrofonmembranens øvre grensefrekvens.

Membranen i en elektretmikrofon omfatter en variabel kondensator som endrer seg avhengig av det akustiske signal som mikrofonen utsettes for. Ved fremstillingen av elektretmikrofo-nen forsynes membranen med en permanent ladning som kan holde seg uforandret i flere år. Det likeverdige diagram for en elektretmikrofon kan således betraktes som et batteri i serie med en variabel kondensator.

I prinsippskjemaet, fig. 1, omfatter en mikrofonenhet, MCU, en slik elektretmikrofon og en transistor TMIC, som er plassert fysisk nær membranen og er forbundet med membranens terminaler. Transistoren TMIC kan med fordel være en J-FET-transistor på grunn av denne type transistors ideelle uende-lig høye inngangsimpedans. Små signaler fra signalkilder med høy utgangsimpedans kan hermed forsterkes for videre signalbehandling.

For registrering av membranbevegelsen er det ifølge oppfinnelsen beskrevet en spenningsgenerator og eventuelt en strøm-generator som skal forsyne transistoren TMIC i mikrofonen og den påfølgende signalbehandling med elektrisk energi. Fig. 1 viser en spenningsgenerator og en strømgenerator som er likeverdige med en ikke-ideell impedans parallellkoplet med en konstant-strøm-generator. Denne strømtilførsel har betegnel-sen SPL.

Formålet med de ovennevnte generatorer er å forsyne transistoren TMIC med en konstant driftsstrøm som er valgt i overensstemmelse med transistorens spesifikasjoner for optimal virkemåte.

En membranbøyning over en gitt tid vil gi opphav til en viss spenning over mikrofonmembranens terminaler, hvilket vil føre til en strøm som er proporsjonal med membranbøyningen, gjennom transistoren TMIC.

Den konstante driftsstrøm blir således modulert gjennom det akustisk deriverte signal, slik at strømmen gjennom TMIC va-rierer rundt den konstante driftsstrøm. Det er denne konstante driftsstrøm som ønskes redusert gjennom oppfinnelsen.

Av kostnadsmessige årsaker kan strømgeneratoren i ovennevnte kopling utelates. Dette alternativ vil imidlertid resultere i et lavere signal/støy-forhold av den grunn at transistoren ikke virker under ideelle forhold.

Ifølge oppfinnelsen blir transistoren TMIC forsynt med strøm via en elektrisk bryter Ml som styres av en digital styringskrets CTU via signalet MIC.PWR. Denne bryter, Ml, åpnes og stenges ved periodiske mellomrom av T og er aktiv i tiden ti. Spenningen Umic fra mikrofonen forsyner en samplingskondensa-tor C5 via den elektriske bryter M2, som er aktiv i tiden t2 og styres av signalet MIC.SMPL fra styringskretsen CTU. Dette signal omformes til digitalverdier av en etterfølgende samplingskrets (ikke vist) som synkront med Ml og M2 ér virksom ved samplingsfrekvensen l/T.

Samplingsfrekvensen eller Nyquist-frekvensen kan velges på vanlig måte til å være i det minste det dobbelte av den øn-skede øvre grensefrekvens for lydsignalet. Sampling kan også utføres på tradisjonell måte med oversampling for å redusere negative effekter av filtrering av de høyere harmoniske bi-drag fra samplingsprosessen.

Det er også mulig for samplingsprosessen å gjennomføres med en krets som virker analogt.

Tidssekvensen for signalene MIC.PWR og MIC.SMPL er vist på fig. 3: Tiden ti, hvor Ml leder strømmen til transistoren TMIC, er betraktelig kortere enn tidsperioden T og er valgt å være av tilstrekkelig lengde til at UmiC når en brukbar verdi. Mikro-fonforsterkeren blir således forsynt med relativt korte pulser sett i sammenligning med samplingstiden T.

Innenfor tiden ti er utgangssignalet fra mikrofonen mer eller mindre konstant sett i forhold til variasjonene innenfor tiden T, og en viss verdi høyere eller lavere enn ved siste sampel. Denne signalendring vil nå være opphav til en endring i strømmen gjennom transistoren TMIC.

Siden mikrofon/transistor-koplingen MIC/TMIC i praksis inne-holder parasittkapasitanser over terminalene, kan strømmen gjennom transistoren ikke stige raskere enn den hastighet som disse kapasitanser kan lades og utlades med. UmiC følger således en ladnings- eller utladningssekvens som konvergerer asymptotisk mot en verdi som er proporsjonal med endringen i den gitte membranbøyning i forhold til det siste sampel.

En typisk sekvens for UmiC er således vist på fig. 3.

Størrelsen på signalet UmiC angitt med de stiplede linjer på fig. 3 avhenger således av lydsignalets amplitude over en gitt tid.

Samplingskretsen leser Umic så seint som mulig innenfor tiden ti, av den grunn at UmiC har det beste signal/støy-forhold på

slutten av ti. Usmpi er således aktivt i et vindu med varighe-ten t2 sett fra bakre flanke av den aktive del av tilførsels-pulsen ti styrt av Ml. Tiden t2 er kortere enn ti og kan, avhengig av den hastighet som C5 lades med, velges å være betydelig kortere enn ti.

Umic kan ansees å være mer eller mindre konstant innenfor tiden t2, og samplingskondensatorens C5 ladning i tiden t2 kan anslås av en RC-krets, i hvilken krets R kan variere fra 500 ohm - 5 kohm, siden den elektriske bryters M2 resistans er ubetydelig. Typiske verdier for tidskonstanten som gjelder i løpet av t2, vil da være 0,05 - 0,5 jas når C5 er på 100 pF.

Samplingskondensatoren C5 vil således lades eller utlades ved den ovennevnte tidskonstant som gjelder i løpet av t2 fra den foregående sampelverdi mot et nivå som asymptotisk nærmer seg spenningen over mikrofonmembranen på et gitt tidspunkt. Denne spenning, Usmpi, sees på fig. 3.

Hvor kort ti kan settes i praksis, vil avhenge av hvor lavt

signal/støyforhold som kan godtas for Umic, hvilket blant an-net må velges i overensstemmelse med de parasittkapasitanser som oppstår i mikrofontransistoren TMIC, og med nøyaktigheten i samplingsprosessen og den generelle bruk. Det har vist seg i praksis at en begynnelse av samplingspulsen (M2) allerede ved ti - t2 tilsvarende den dobbelte tidskonstant (2 RC gir exp(-2RC/RC) = 0,86) gir brukbare verdier. Typiske verdier for ti kan ligge på 0,2 - 3,0 |as.

Hvis det for eksempel er ønskelig å overføre et lydsignal på opp til 20 kHz, og det brukes en samplingsfrekvens på 44 kHz (T = 23 |is) , sees det at de lave verdier for ti og t2 angitt ovenfor vil gi opphav til en vesentlig besparelse i strøm.

Talesignaler kan overføres med akseptable resultater ved en samplingsf rekvens på f .eks. 10 kHz (T = 100 [ is) , og i dette tilfelle er det innlysende at strømbesparelsen er enda større for den pulserte mikrofonkrets.

På fig. 2 sees et utførelseseksempel hvor strømgeneratoren på fig. 1 er konfigurert med en driftsforsterker OPI som tilba-kekopler signalet Usmpi gjennom en elektrisk bryter Ml til en transistors Tl base som i sin tur forsyner en mikrofonenhet MCU (ikke vist på fig. 2) som kopler strøm til terminalen

MIC.IND.

'Driftsforsterkeren er forbundet med motstandene R4, R5 og R6 og kondensatoren C3, som fjerner eventuell støy fra OPI.

Transistoren Tl er forspent via motstandsnettet RI og R2.

Utgangssignalet fra mikrofonenheten kan dempes via en kondensator som vist ved Cl, for å unngå at eventuelle frekvensbi-drag over halve samplingsfrekvensen blir ledet videre til samplingskretsen.

Signalet fra mikrofonen UmiC mates via den elektriske bryter M2 som i praksis er forbundet med små parasittkapasitanser, frem til samplingskondensatoren C5, via hvilken det er koplet en etterfølgende analog/digital-omformerkrets med eventuell begrenserkrets.

Ml og M2 styres via signalene Micpwr og Micsmpi av en styringskrets CTU for å virke som beskrevet ovenfor og synkront med samplingskretsen SMPL.

Formålet med koplingen på fig. 2 er å justere eller tilpasse strømmen gjennom mikrofonen, slik at det oppnås en egnet gjennomsnittsverdi for spenningen over C5. Spenningen over C5 styres i overensstemmelse med det justerbare nivå Vbias, slik at TMIC i mikrofonen virker ved et optimalisert driftspunkt.

Den herværende oppfinnelse er naturligvis ikke begrenset bare til elektretmikrofoner som beskrevet i utførelseseksemplet. Oppfinnelsen kan med fordel brukes til andre typer aktive mikrofoner, slik som kondensatormikrofoner med ekstern strøm-kilde og piezofølsomme halvledermikrofoner. På lignende måte kan andre typer halvlederkomponenter benyttes i stedet for J-FET-transistorer.

En begrenserkrets kan settes inn i signalbanen før samplingskretsen. Ifølge oppfinnelsen kan disse kretselementer på lignende måte virke ved sampling og derved ytterligere redusere strømforbruket.

Komponentlisten for kretsen på fig. 2:

Claims (5)

1. Krets til forsterking av signaler fra en mikrofonenhet (MCU) , omfattende en strømtilførsel (SPL) som forsyner mikrofonenheten (MCU) med elektrisk energi i form av pulser, en samplingskrets til omforming av mikrofonsignalet, hvor samp-lingen utføres ved en samplingsfrekvens på l/T, karakterisert ved at•strømtilførselen (SPL) overfører energi til mikrofonenheten (MCU) i form av pulser med en aktiv pulstid ti, og ved at samplingskretsen leser mikrofonsignalet i et vindu med varighet t2 regnet ut fra den bakre flanke av den aktive del av tilførselspulsen, hvor ti er mindre enn tidsrommet T, hvilket tilsvarer samplingsfrekvensen l/T, og hvor t2 er mindre enn ti.

2. Krets til forsterking av signaler fra en mikrofonenhet i overensstemmelse med krav 1, karakterisert ved at ti er minst 10 ganger mindre enn tidsrommet T.

3. Krets til forsterking av signaler fra en mikrofon ifølge krav 1, karakterisert ved at t2 er minst 10 ganger mindre enn ti.

4. Krets i overensstemmelse med krav 1, karakterisert ved at ti er omtrent 0,2 til 3,0 (as, t2 er omtrent 0,05 til 0,5 [ is.

5. Krets til forsterking av signaler fra en mikrofon ifølge krav 1, karakterisert ved at mikrof onenheten (MCU) omfatter en mikrofon (MIC) og en transistor (TMIC) hvis ene terminal er forbundet direkte med og plassert nær mikrofonen (MIC), hvorved transistoren (TMIC) blir forsynt med strøm gjennom en første bryter (Ml) som kopler til strømmen fra strømtilførselen (SPL) i tidsrommet ti, og hvorved et ut-gangssignal som forsterkes i transistoren (TMIC) overføres til en etterfølgende samplingskrets gjennom en andre bryter (M2) som er stengt i tidsrommet t2, og hvorved bryterne (Ml, M2) blir styrt av en styringskrets (CTU).