200920161 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於一種放大來自麥克風之一輸入信號之 電聲轉換器。更具體言之，本發明係關於一種防止對大音 里之輸入持續截波之電聲轉換器。 主張2007年6月I3曰申請之日本專利申請案第2〇〇7_ - 156203號之優先權，該案内容以引用方式併入本文中。 【先前技術】 ( 為更加完整地描述本發明所適用之技術領域，下文中所 有在本發明中加以引用或利用之專利、專利申請案、專利 公告、科學論文等等，該案之全文將以引用方式併入本文 中。 一口 +禾審查專利中請案，第—公告第2GG3_259479號揭 不了 一傳統麥克風器#，其#由根據一音源之音量調整該 几器件之放大器之增益，由此自動校正靈敏度。圖 為方▲塊圖，其繪具有電容麥克風之傳統麥克風器 4之組態。-電容麥克風Cmic經調適用以引起歸因於一輸 :::而小電容變化，同時藉由一高阻抗偏壓於該電 谷麥克風CMIC’藉此產生與該㈣成比例之電麼變化。透 :::為：阻抗轉換器之場效應電晶體㈣之源極獲取電壓 -叙人:效應電晶體服具有—間極，其被麵合至 之放:器^C1與—高電阻^。隨後藉由—增益為20 dB 放大該電„化’因此產生一輸出信號— 在以傳統之麥克風器件中，該放大器"A"具有一 _2〇犯 129402.doc 200920161 之臨限輸入，其相對應於該放大器，，A”之未失真之輸出最 大振幅。t該場效應電晶體之該輸出之該振幅超過大音量 下之臨限輸入時，該振幅將在該放大器，，A"中被截波，且 該放大器”A"產生失真之輸出信號〇ut。 當減少該放大器”八”之該增益以防止該應變⑽_時， 正常情況下該輸出信號之振幅也會減少，因此使得該信雜 比惡化。以上所描述之文獻建議改變該麥克風之放大器之 該增益’而不考慮大音量下之截波問題。如果該麥克風器 件能夠防止該截波，則不再需要在以後之設計過程中考慮 該措施，因此使該電聲轉換器之設計簡單化。 〜 由於以上内容，需要設計—種改進之電聲轉換器對熟悉 此項技術者來說非常明顯。本發明可滿足此項技術中之此 而要及其他而要’其對熟悉此項技術者來說非常明顯。 【發明内容】 因此，本發明之最初目的係為提供一電聲轉換器。 本發明之另-目的係為提供—電聲轉化器，其可作為一 放大器整合之麥克風器件，其可將小音量充分放大為電壓 變化’且可防止該大音量之截波。 根據本發明之-第-態樣，_電聲轉換器可包含，作不 限於—單一封裝、一提供在該單一封裝中之麥克風、一提 供在該單-封裝中之放All與—提供在該單—封裝中之控 制器。該麥克風將一聲壓轉換為_ ^ ± „ 电唬。該放大器將該 :克：之該電信號放大。該放大器經組態以允許調整該增 JB2· 參考該放大器之^一輸出作缺办、、住 出仏唬位準，該控制器控制該放 129402.doc 200920161 大器之S亥增益，以便防止該輸出信號被截波。 該麥克風、該放大器與該控制器被整合於該單一封裝 中，其被用於該電聲轉換器。參考該放大器之一輸出信號 位準，該控制器控制該放大器之增益，以便防止該放大器 之該輸出信號被截波。該電聲轉換器操作一放大器整合之 麥克風器件，其可將該輸入之小音量放大至足夠大，也可 防止將輸入之大音量之該輸出信號截波。
在二例子中，該電聲轉換器還可包含一阻抗轉換器， 其安裝於該單一封裝中。該阻抗轉換器被插入於該麥克風 與該放大器之間。該阻抗轉換器減少了該麥克風之輸出阻 抗0 _在一些例子中，該控制器還可包含第一與第二比較器。 該第t匕較器比較該放大器之該輸出信號之電位與一第一 電位豸第—電位對應於造成該輪出信號截波之上臨限 值。該第二比較器比較該放大器之該輪出信號之電位與一 第電位該第一電位對應於造成該輸出信號截波之下臨 限值。當該放大器之該輸出信號之電位高於該第一電位或 低於D亥第一電位時，基於該第一比較器與該第二比較器所 作出之比較結果’該控制器減少該放大器之該增益。 當該放大器之該輪出信號之振幅报大時，減少該放大器 之該增益以防止該放大哭夕兮认 大态之該輸出信號截波。當該放大器 之該輸出信號之振幅不大時’不減少該放大器之該增益， 從而允許該放大器執行足夠之放大。 在一些例子中，該單— 早封裝還可包含一半導體晶片，在 129402.doc 200920161 該半導體晶片上具有該麥克風、該放大器及該控制器。 在一些例子中，藉由一電容麥克風'一動態線圈麥克風 與一駐極體（electret)電容麥克風中之一個可實現該麥克 風。 在一些例子中’ 一半導體封裝可實現該單一封裝。 以下細節描述，配合附圖，闡述本發明之該實施例，從 中體現之本發明之這些及那些目的、特徵、方面與優勢將 為熟悉此項技術者瞭解。
【實施方式】 現將參考圖式描述本發明所挑選之實施例。熟悉此項技 術者應瞭解，本發明之該等實施例之以下描述僅用於闡 述，而非限制本發明於附屬請求項與其之等同物所定義之 内容。 圖1為-方塊圖’其根據本發明之一第一較佳實施例說 明-麥克風器件之組態…麥克風器件丨作為一電聲轉換 器，其將-聲壓轉換為一電信號，且放大該電信號用於輸 出。一單-半導體封裝⑴可實現該麥克風器们。該單一 半導體封裝111可包含，但不限於-麥克風單元10、一放 :二-類比對數位轉換器3〇與—輕合電容器。。即該 耦人：早疋10、該放大器2°、該類比對數位轉換器30與該 耦s電谷器C2整合於該單一半 單，包含，但不限於一二體 ㈣。該放大器2。可包含，不=CM:U與-阻抗轉 …控制電路22。該麥克風單不於—電壓控制放大器 克几早凡10通過該耦合電容器C2 129402.doc 200920161 連接至該放Alf2G°該麥克風單該放大器20鱼該類 比對數位轉換器30各連接至一電源電壓線、與一 GND。 在該麥克風單元10令，該電容麥克風CMIC 11接收一聲壓 輸入。該聲麼造成電容麥克風CW 11之電容變化。該電容 麥克風cMIC 11根據該輸入聲壓產生一電壓信號。該阻抗轉 換IU2將該電壓信號進行阻抗轉換。該阻抗轉換所得之電 信號經由該耦合電容器02傳遞至該放大器20。在該放大器 中，該控制電路22控制該電壓控制放大器21之增益。該電 壓控制放大器21將該阻抗轉換所得之電信號放大，因此產 生作為一類比信號之一放大的電壓信號。該放大之電壓信 號被傳遞至該類比對數位轉換器3〇。該類比對數位轉換器 30將該放大之電壓信號從類比信號轉換為數位信號。該數 位信號隨後被傳遞至下一級電路，其未被闡述。對該單一 封裝可做一修正，即將該類比對數位轉換器30從該單一封 裝上除去，使得作為該類比信號之該放大之電壓信號被傳 遞至該下一級電路，其未被闡述。 較佳地，該麥克風單元1〇可由一微機械技術形成，比如 微電子機械系統（MEMS)。在一些例子中，該微麥克風單 兀1〇與該放大器20可形成於該相同之半導體晶片上，比如 一石夕晶片。在其他例子中，該麥克風單元1〇與該放大器2〇 可形成於該不同之半導體晶片上，比如該等矽晶片。在其 他例子中，該麥克風單元1〇，該放大器2〇與該類比對數位 轉換器30可形成於該相同之半導體晶片上，比如一矽晶 129402.doc 200920161 片。在其他例子中，該麥克風單元10，和該放大器20與該 類比對數位轉換器30可形成於該不同之半導體晶片上，比 如該等矽晶片。該半導體晶片被安裝於該單一半導體封裝 111之上，其使尺寸減小。一金屬封裝或一印刷電路板 (PCB)可實現該單一半導體封裝ιη。該麥克風器件1可模 組化為一單一不可缺少之功能模組，其中該電容麥克風 cMIC 11之一聲音採集器被揭示。圖2為一示意性視圖，其 說明該麥克風器件1之一單一不可缺少之功能模組。該麥 克風器件1之設計可獨立於怎樣設計任何隨耦器器件之問 題，其可經由一導線連接至該麥克風器件丨。其使該麥克 風器件1之設計簡單化。 圖3為一電路圖，其說明了該麥克風器件丨中之一麥克風 單元10與一放大器20之組態。如上所述，該麥克風單元⑺ 包含該電容麥克風CMIC 11。該麥克風單元1〇包含一電荷泵 121，其提高一電源電壓Vl=3 v至一升壓電壓Vh=i2 V。 當一接地電壓GND被運用至該電容麥克風Cmic丨丨時，該升 壓電壓VH=12 V通過一高阻抗Rb也被運用至該電容麥克風 Cmic u。因此，該電容麥克風cMIC u受該升壓電壓Vp12 V偏壓。該麥克風10還包含—耦合電容器C1、一高阻抗心 與一阻抗轉換器場效應電晶體FET。該阻抗轉換器場效應B 電曰曰體FET具有一閘極，其被連接至該高阻抗&與該耦合 電容器C1。- uv之偏壓BIAS被運用至該高阻抗。 該輸入聲壓造成該電容麥克風CMIC 11之輕微電容變化。 藉由該電容變化與該偏壓造成之該電容器電荷該電容麥 129402.doc 200920161 克風CMIC 11使該電壓變化與該聲壓成比例。該電壓變化作 為該阻抗轉換器場效應電晶體FET之一輸出電壓信號被獲 取。該阻抗轉換器場效應電晶體FET可被使用，以減少該 電谷麥克風Cmic 11之輸出阻抗。 如上所述’該放大器20包含該電壓控制放大器21與該控 制電路22，其可控制該電壓控制放大器21之該增益。該電 壓控制放大器21經調適用以具有一從20 dB至0 dB之增益 變化範圍。根據一通過該電壓控制放大器21之一控制端子 Ctrl之輸入信號之該電壓位準，該增益變化。通過控制端 子Ctrl提高該輸入信號之電壓位準，將降低該放大程度。 通過控制端子Ctrl降低該輸入信號之電壓位準，將增強該 放大程度。例如，輸入0V至該控制端子Ctrl，可獲取一 + 20 dB之增益。該電壓控制放大器21還具有一驅動端子 Vdd ’其可接收3 v之驅動電壓，且一接地端子gND接地。 該控制電路22包含第一與第二比較器Compl、ComP2、 一或閘221與一時間常數電路220。該第一比較器（：〇〇11)1與 該第二比較器Comp2接收該電壓控制放大器21之輸出信號 VCAout。該第一比較器Compl比較該輸出信號vcAout與 一第一臨限電壓。該第一臨限電壓低於該電源電壓、=3 ν’其差值為VP=0.5 V。當該輸出信號vcAout超過該第— 臨限電壓時，該第一比較器Comp 1輸出該高位準。該第一 比較器Compl偵測該電壓控制放大器21之該輸出信號 VCAout之該較高值。該第二比較器c〇mp2比較該輸出信號 VCAout與一第二臨限電壓。該第二臨限電壓高於該接地 129402.doc 200920161 電壓GND，其差值為Vn=〇 5 v。當該輸出信號VCA〇uU& 於該第二臨限電壓時，該第二比較器c〇mp2輸出該高位 準。該第二比較器Comp2偵測該電壓控制放大器21之該輸 出信號VCAout之該較低值。 當該電壓控制放大器21之該輸出信號VCA〇m被截波 時’ VL-VP被認為是該較高電壓位準。當該電壓控制放大 器21之該輪出信號VCA〇ut被截波時，Vn被認為是該較低 電壓位準。該第一比較器c〇mpl與該第二比較器c〇mp2之 第一與第二輸出信號被作為失真檢測信號使用。 圖4為一圖表，其說明：來自一電壓控制放大器21之輸 出信號VCAout之波形；來自該第一比較器“以…與該第二 比較器ComP2之第一與第二輸出信號之波形；以及來自該 或閘之一輸出信號〇R〇m之波形。當該輸出信號VCA〇ut超 過VL-Vp時，該第一比較器c〇mpl輸出"高"。當該輸出信號 VCAout低於VL-VP時，該第一比較器c〇mpl輸出，，低π。當 該輸出信號vcAom低於gnd+Vn時，該第二比較器c〇mp2 輸出"高’·。當該第一比較器Comp i與該第二比較器c〇mp2 中至少一個輸出"高"時，該或閘輸出"高,，。 回顧圖3，該時間常數電路22〇通過一個二極體D被連接 至該或閘221。該時間常數電路22〇亦被連接至該電壓控制 放大态21之該控制端子CtH。使用該時間常數電路22〇以將 來自該或閘2 21之該數位輸出信號〇 R 〇 u t轉換為一類比信 號’該類比信號係用以控制該電壓控制放大器21。該時間 常數電路220包含-電容叫及阻抗r』Rb。該阻抗^被 129402.doc •12· 200920161 串聯至該電容ncT。該阻亦被串聯至該電容器Ct，假 設該等阻抗RA#RB互相並聯。隨後，該時間常數電路咖 允許個別設定用於升高之一時間常數及用於降低之另一時 間常數。綠純較高於該阻抗RA。在這種情況下，該輸 出信號ORout之升高取決於由該阻抗、與該電容器Ct給定 之該時間常數’且該輸出信號〇R〇ut之降低取決於由該阻 抗Rb與該電容叫給定之其他時間f數。對該時間常數電 路220可做-修改，藉由—對電容器與阻抗之—常規電路 組態實現該時間常數電路220。 基於該第一比較器Compl與該第二比較器c〇mp2之輸出 信號，控制該電壓控制放大器21之該增益。當大音量被持 續輸入至該麥克風時，該電壓控制放大器21 制使得該電壓控制放大器21之該輸出信號VCAqi；= = 振巾田相對應於（VL-Vp)-VN，例如，（3-0.5)-0,5=2 V。 圖5為一視圖，其說明越過根據本發明之實施例的圖丄所 示麥克風器件中之該麥克風cMIC之距離進入該電壓控制放 大器21之輸入信號與來自該電壓控制放大器以之輸出信號 VCA〇ut之振幅之變化。圖6為一視圖，其說明越過圖7所 示之該傳統麥克風器件之該麥克風Cmic之距離進入該放大 器"A”之輸人信號與來自該放大器”A”之輸出信號〇加之振 幅之變化。圖5與圖6顯示了當該麥克風Cmic之距離改變， 但該聲壓保持恆定時，輸入至該電壓控制放大器U之—輸 入信號之振幅[c]及自該電壓控制放大器21輸出之一輪出 號VC Aout之振幅[D]。 129402.doc -13- 200920161 如圖5所*，當該麥克風Cmic之該距離較遠，且該輸入 信號之振幅[C]為0.0625 Vpp時，該輸出信號之該振幅[d] 為0.625 VPP ’且該或閘221之該輸出信號〇R〇ut為低位 準。該電壓控制放大器21之增益最大可至+2〇仙。該電壓 控制放大器21之放大程度為足夠的。因為該輸入信號較 小’甚至獲取該最大增益，該輸出信號未失真。
如圖6所示，當該麥克風Cmic之該距離較遠，且該輸入 之振幅[C]為0.0625 Vpp時，該輸出信號之該振幅[D] 為0.625 Vpp。該電壓控制放大器八之增益最大可至+2〇 dB。δ亥電壓控制放大器a之放大程度為足夠的。因為該輸 入信號較小，甚至獲取該最大增益，該輸出信號未失真。 參考圖5，當該麥克風cMIC之該距離接近一聲源，且該 輸入信號之該振幅[C]為0.125 Vpp時’該輸出信號之該振 幅[D]為1.25 Vpp，且該或閘221之該輸出信號〇R〇ut為低 位準。固定該電壓控制放大器21之增益為+2〇 dB。該電壓 控制放大器21之放大程度為足夠的。因為該輸入信號較 小’甚至獲取該最大增益，該輸出信號未失真。 參考圖6，當該麥克風Cmic之該距離接近—聲源，且該 輸入信號之該振幅[C]為0.125 Vpp時’該輸出信號之該振 幅[D]為1.25 Vpp。該電壓控制放大器a之增益最大可至 + 20 dB。該電壓控制放大器A之放大程度為足夠的。因為 該輸入信號較小，甚至獲取該最大增益，該輸出信號未失 真。 參考圖5，當該麥克風CMIC之該距離接近—聲源，且該 129402.doc •14· 200920161 輸入信號之該振幅[C]為0.25 VDD砗，堆 VPP日f，調筇該電壓控制放大 器21之增益為+18 dB，使得該鹼*产。去 付通翰出化唬之該振幅[D]為2
Vpp ’因此獲取該未失真之輸出信號。 參考圖6,當該麥克風CMIe之該距離接近—聲源，且該 輸入信號之該振幅[C]為〇·25 Vpp0f，且固定該放大器入之 增益為+20 dB時，該輪出彳古梦> 4 γ ® 1〇就之該振幅[D]被截波為2
Vpp，因此該輸出信號失真。 參考圖5 "亥麥克風之該距離進一步接近該聲 源，且該輸入信號之該振幅[c]為〇·5 Vpp時，調節該電壓 控制放大器21之增益為+12 dB，蚀；ί曰^r认 ~ IZdh}’使仔該輸出信號之該振幅 剛2VPP’因此獲取該未失真之輸出信號。 參考圖6 β該麥克風之該距離接近該聲源，且該 輸入信號之該振幅丨C1 λ η v π± 阳卜』為0.5 Vpp時，且固定該放大器八之 增益為+2 0 dB時，該輪φ产一 輸出#波之該振幅[D]被較大截波為2
Vpp，因此該輸出信號較大失真。 參考圖5 ’田該麥克風Cmic之該距離進一步接近該聲 '原且該輸入仏號之該振幅⑺為i Vpp時，調節該電壓控 制放大器2 1之増益為+6 1 〇 dB，使侍该輸出信號之該振幅[D] 為2VPP ’因此獲取該未失真之輸出信號。 多考圖w 4麥克風Cmig之該距離接近該聲源，且該 輸入佗號之該振幅[。]為i v卯時，且固定該放大器A之增 益為+2〇 dB時，兮給山&上 ^輸出k號之該振幅[D]被較大截波為2 Vpp，因此該輸出信號較大失真。 田/辜壓幸乂大時，調節或減少該電壓控制放大器21之增 129402.doc 200920161 ^^ °亥電壓控制放大器21之輸出信號無任何實際應 '隻P使該麥克風cmic之該距離較大改變，無任何應變之 該阿。口質輸出信號將被獲取。因為該電壓控制放大器Η之 增益為即時調節，該麥克風器件】可被運用至一麥克風， 用於音頻採集，其在安靜與非安靜狀態中具有廣泛動態範 圍，比如一通話麥克風。 本發明不僅可被運用至上述電容麥克風；用於電容谓 測；還可被運用至任何類型之麥克風，比如一動力線圈麥 克風與一電子電容麥克風。 雖然本發明之較佳之實施例已被描述與說明，應瞭解其 為本發明之示範例，且不被認為有限制之意。在不背離^ 發明之精神與範圍之前提下’可做添加、刪除、替代與其 他修正。因此’本發明不被認為被先前之描述所限制二 其僅為該附屬請求項之該範圍所限制。 【圖式簡單說明】 以下參閱之隨附圖式構成原始揭示之一部分： 圖1係一方塊圖，其說明根據本發明之一第—較 例之—麥克風器件之組態； 。圊2係-示意性視圖，其說明圖W示該麥克風器件之一 單一不可缺少之功能模組； 圖3係一電路圖，其說明圖1所示該麥克風器件中之一來 克風與一放大器之組態； 麥 圖4係-圖表，其說明一電壓控制放大器之 波形，該第一與第二比較器之第一 13儿之 '、弟一輸出信號之波 129402.doc • 16 - 200920161 形’與圖1所示該麥克風器件中一或問之—輪出信號之波 圖5係一視圖’其根據本發明之實施例，說明越過該麥 克η之距離，忒電壓控制放大器之輸入信號與輸出信號之 該振幅之變化； ° ; 圖6係一視圖，其根據先前技術，說明越過該麥克風之 離°玄放大益之輪入信號與輸出信號之該振幅之變化.及
克Π一方塊圖，其說明具有—電容麥克風之-傳統麥 見風器件之組態。 【主要元件符號說明】 1 麥克風器件 10 麥克風單元 11 電容麥克風 12 阻抗轉換器 20 放大器 21 電壓控制放大器 22 控制電路 30 類比對數位轉換器 111 半導體封裝 121 電荷泵 220 時間常數電路 221 或閘 129402.doc •17-