WO2012107270A1 - Mikrofonanordnung - Google Patents

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WO2012107270A1
WO2012107270A1 PCT/EP2012/050978 EP2012050978W WO2012107270A1 WO 2012107270 A1 WO2012107270 A1 WO 2012107270A1 EP 2012050978 W EP2012050978 W EP 2012050978W WO 2012107270 A1 WO2012107270 A1 WO 2012107270A1
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WO
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voltage
charge pump
microphone
microphone arrangement
vclfs
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PCT/EP2012/050978
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French (fr)
Inventor
Pirmin Rombach
Daifi Haoues SASSENE
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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Publication of WO2012107270A1 publication Critical patent/WO2012107270A1/de
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/007—Protection circuits for transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
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    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the invention relates to a microphone arrangement which has a transducer for converting acoustic signals into electrical signals and accordingly can be used as a microphone.
  • MEMS microphones can be used in mobile phones. Here it is crucial that the MEMS microphone is ready for use immediately after switching on. Start-up times of less than 50 ms are desired.
  • a transducer in a MEMS microphone has a capacitive element, wherein a voltage is applied between a fixed and a movable electrode.
  • this voltage should be established as quickly as possible. Furthermore, this voltage may be higher than the voltage from a battery to
  • WO 2009/135815 A1 describes a charge pump that can be connected to an electro-acoustic transducer in a MEMS microphone.
  • the circuit described here is designed such that, if too much voltage is generated by the charge pump, a current in a controllable
  • a microphone arrangement which comprises a charge pump which generates a DC voltage, a converter which converts acoustic signals into electrical signals and which is connected to the charge pump, and a control unit which activates the charge pump and which adjusts the DC voltage generated by the charge pump , having .
  • a charge pump is an electrical circuit to which an input voltage can be applied and the one
  • a charge pump may comprise diodes.
  • the control unit makes it possible according to the invention to set the DC voltage generated by the charge pump.
  • the control unit may measure the magnitude of the input voltage applied to the charge pump and / or the frequency, can be switched with the switch in the charge pump, vary. If a higher input voltage is applied, this leads to a higher output voltage of the
  • the maximum voltage that can be generated by the charge pump is greater than the optimum
  • the optimum operating voltage VBIAS is the voltage for which the converter is designed.
  • the charge pump can first generate a maximum amount that can be generated
  • DC voltage can be generated, which ensures that the voltage applied to the converter voltage is built up very quickly.
  • the DC voltage generated by the charge pump can be reduced to an amount that is less than that
  • Amount of the maximum DC voltage that can be generated In this way, the time for applying the voltage to the converter can be minimized.
  • the converter is for optimum operating voltage V B IAS
  • the charge pump preferably generates a DC voltage which corresponds to this voltage V B IAS.
  • the optimum operating voltage of the converter is essentially due to the geometry, the material properties and an impressed mechanical preload of the two
  • Control unit to control the charge pump.
  • These include a continuous feedback circuit, a one-shot feedback circuit, and a time-based circuit.
  • the microphone assembly may further include a voltage divider, a
  • the voltage divider may be linked to the path that connects the charge pump to the converter.
  • the voltage divider may be, for example, a series connection of diodes or a series connection of capacitors.
  • the voltage divider may comprise a plurality of diodes connected in series and further a plurality of capacitors connected in series, wherein the diodes are arranged in a first path and the capacitors are arranged in a second path which is connected in parallel to the first path.
  • the reference voltage source can generate a DC voltage with a fixed amount. This DC voltage
  • the voltage divider provides a voltage that is proportional to the voltage currently being generated by the charge pump.
  • the differential amplifier outputs a signal which is proportional to the difference between the voltage currently generated by the charge pump and the optimum operating voltage V B IAS.
  • the output signal of the differential amplifier can be applied to the control unit. Accordingly receives the Control unit via the differential amplifier constantly feedback, which indicates whether the voltage generated by the charge pump is too high or too low.
  • the control unit can continuously adjust the voltage generated by the charge pump according to this feedback. For this purpose, the control unit regulates the level of the input voltage of the charge pump and / or the frequency with which the charge pump is operated. A higher input voltage leads to a higher output voltage. Increasing the frequency of the charge pump reduces the rise time.
  • Reference voltage source and the differential amplifier further on a trigger.
  • the two inputs of the differential amplifier can be connected to the voltage divider and the
  • the differential amplifier generates a signal which is proportional to the difference between the voltage currently applied to the microphone and the optimum operating voltage. This signal is output at the output of the differential amplifier and this output can be connected to the trigger.
  • the trigger can be connected to the control unit and to at least one switch.
  • connection path of charge pump and converter In an open state, the switch decouples the voltage divider from the charge pump and the converter.
  • the trigger opens the switch as soon as the signal generated by the differential amplifier reaches a threshold. This reaching of the threshold value coincides with the transition from the first phase, in which a maximum DC voltage is generated by the charge pump, to a second phase, wherein in the second phase of the
  • Charge pump is generated a DC voltage which is smaller than the maximum of the charge pump can be generated
  • the control unit is also with the
  • Trigger connected and provides the charge pump
  • a time-based circuit is selected. This may have means for measuring the time that has elapsed since the microphone arrangement was switched on. Preferably, the means for time measurement are connected to the control unit. After a predetermined time, the control unit reduces the voltage generated by the charge pump from a maximum value to a value less than the maximum value and
  • V B IAS preferably equal to V B IAS.
  • charge pump and the converter may be interconnected via a high impedance circuit.
  • This High impedance circuit can be a pair cross-coupled
  • the oppositely connected diodes have an impedance in the range of ⁇ on operation of the microphone. This will ensure that the
  • Capacitor of the converter can not be discharged during operation and therefore remains at a constant charge.
  • the converter may be further connected to a path in which a capacitor is connected in series with an amplifier. Through this path can be an electrical signal that the
  • Converter has converted from an acoustic signal, be forwarded to an input and output unit of the microphone array.
  • the transducer has a fixed electrode and a movable electrode, such as a membrane.
  • the charge pump generates a voltage that is applied between these two electrodes.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a
  • Figure 2 shows a second embodiment of a
  • FIG. 3 shows the second exemplary embodiment in one
  • FIG. 4 shows a second variant of the second exemplary embodiment in a first state.
  • FIG. 5 shows the second variant in a second state.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the invention
  • microphone assembly M It is a circuit with continuous feedback.
  • the microphone arrangement M has a transducer WA, which converts acoustic signals into electrical signals.
  • This converter WA has a capacitor with a fixed and a movable electrode. A bias voltage is applied between the two electrodes.
  • the capacitor is designed for an optimum operating voltage V B IAS.
  • the microphone arrangement M has a charge pump LP. It can be a Dickson Charge Pump.
  • the charge pump LP is connected via a two-phase clock 2PC to a voltage source SQ, which has a
  • the charge pump LP and the converter WA are connected to one another via a first path PI.
  • the input of the charge pump LP is connected to the two-phase clock 2PC, which in turn is connected to a variable clock level and frequency shifter VCLFS.
  • the variable clock level and frequency shifter VCLFS forms the
  • the output signal of the variable clock level and frequency shifter VCLFS is passed as an input signal to the two-phase clock 2PC.
  • the two-phase clock 2PC now generates a signal that is used to control the
  • Charge pump LP is used.
  • the signal strength and frequency of this signal are controlled by the output signal of the Variable Clock Level and Frequency Shifter VCLFS
  • the two-phase clock is 2PC with a
  • the charge pump LP is designed such that it generates an output voltage that is greater than the applied input voltage.
  • the output voltage may be greater than that generated by a battery
  • VCLFS Supply voltage of the microphone assembly M.
  • the amount of output voltage generated by the charge pump LP is determined by the variable clock level and frequency shifter VCLFS. If the signal of the variable clock level and frequency shifter VCLFS is increased in amplitude or in frequency, this leads to a higher output voltage.
  • the voltage output from the charge pump LP is applied to a first electrode of the converter WA.
  • the second electrode of the converter WA is connected to the voltage source SQ. Accordingly, the second electrode of the transducer WA is at a lower voltage level and a potential difference arises between the two electrodes of the transducer WA. This makes it possible to determine a change in capacitance of the converter WA.
  • the charge pump LP is connected via two oppositely connected diodes Dl, D2 to the converter.
  • the first path PI splits into two parallel subpaths UPI, UP2, wherein in each subpath UPI, UP2 each one of the two opposite diodes Dl, D2
  • the first path PI which connects the converter WA and the charge pump LP, also has three nodes K1, K2, K3.
  • the second path P2 is connected to an input and output port I / O of the microphone arrangement M.
  • the second node K2 is connected to a third path P3, which has a voltage divider ST.
  • Series connection of diodes may also be a series connection of capacitors.
  • a second capacitor C2 is arranged in a fourth path P4.
  • the fourth path P4 is connected to the node K2 of the first path.
  • the second capacitor C2 is used for filtering a high-frequency
  • the third and fourth paths P3, P4 are also linked to each other via a common node K4 and connected to ground.
  • the voltage divider ST is connected to a first input of a differential amplifier DV.
  • the second input of the differential amplifier DV is connected to a reference voltage source RSQ.
  • the reference voltage source RSQ generates a constant DC voltage which is at the optimum
  • the differential amplifier DV further has an output.
  • the signal that is output at this output is proportional to the difference between the two voltages, each at an input of the differential amplifier DV
  • the voltage applied to the first input of the differential amplifier DV is proportional to the voltage currently generated at the charge pump LP.
  • the second input is a voltage proportional to the optimum operating voltage VBIAS. Accordingly, the output signal of the differential amplifier DV indicates by what value the currently generated voltage is from the optimum
  • Output voltage indicates whether the currently generated voltage or the optimal operating voltage is greater in magnitude.
  • the output of the differential amplifier DV is in turn connected to the variable clock level and frequency shifter VCLFS. Accordingly, the differential amplifier DV inputs
  • VCLFS variable clock level and frequency shifter
  • V B IAS / SO is the amplitude and the output signal of the variable clock level and frequency shifter VCLFS increases and thus the voltage of the
  • Charge pump LP increased. Conversely, by lowering the amplitude and also the voltage of the charge pump LP can be reduced.
  • the operating point of the microphone assembly M is in a current-voltage characteristic in a flat plateau.
  • the microphone assembly M operates in a stable
  • Figure 2 shows a second embodiment of
  • Differential amplifier DV is not directly connected to the variable clock level and frequency shifter VCLFS, but is connected to a trigger TRI. Furthermore, the
  • the third path P3 is a first switch Sl between the diodes of the voltage divider ST and the node K2, the third path P3 and the first path PI connected to each other, arranged.
  • the second switch S2 is arranged between the diodes of the voltage divider ST and the further node K4 connecting the third path to the ground and the fourth path.
  • the trigger TRI is connected to the two switches Sl, S2 and serves as a control element for the two switches Sl, S2. Accordingly, the trigger TRI can open and close the switches Sl, S2. Furthermore, the trigger TRI is connected to the variable clock level and frequency shifter VCLFS.
  • the output signal of the differential amplifier DV is in turn proportional to the difference between the voltage currently generated by the charge pump and the optimum one
  • the trigger TRI derives the output signal of the
  • Differential amplifier DV further to the variable clock level and frequency shifter VCLFS on. This in turn controls the output voltage of the charge pump LP.
  • the charge pump LP generates the maximum possible DC voltage for charging the capacitor of the
  • V B IAS / SO If the instantaneous voltage corresponds to the optimum operating voltage V B IAS / SO, the trigger TRI opens the switches S 1, S 2. At the same time, the variable clock level and frequency shifter VCLFS regulates the output voltage of the Charge pump LP to a lower level, namely the optimum voltage V B IAS ⁇
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment shown in FIG. 2 in the second phase with opened switches S 1, S 2.
  • the third path P3 which has the voltage divider ST, is decoupled from the first path PI, which forms the connection of the charge pump LP and converter WA.
  • Figures 4 and 5 show a second variant of this
  • Microphone assembly M consists of a circuit that
  • the circuit has means for detecting the time since the microphone arrangement M was switched on.
  • the variable clock level and frequency shifter VCLFS drives the charge pump LP with a signal, the amplitude and / or frequency of the signal depending on the time.
  • a first phase after L switching on the
  • Microphone arrangement M a maximum output voltage of the charge pump LP is generated. After a fixed time, the output voltage of the charge pump LP is reduced to the value of the optimum operating voltage VBIAS.
  • the time-based method has the advantage that the circuit is significantly simplified.
  • a feedback loop can be omitted.
  • circuits shown in the first and second embodiments with continuous or one-time feedback have the advantage that the charge pump LP can be controlled more targeted and stable.
  • Manufacturing tolerances of the individual components can be compensated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrofonanordnung (M), die eine Ladungspumpe (LP), die eine Gleichspannung erzeugt, einen Wandler (WA), der akustische Signale in elektrische Signale umwandelt und der mit der Ladungspumpe (LP) verbunden ist, und eine Steuereinheit (VCLFS), die die Ladungspumpe (LP) ansteuert und die die von der Ladungspumpe (LP) erzeugt Gleichspannung einstellt, aufweist.

Description

Beschreibung
Mikrofonanordnung
Die Erfindung betrifft eine Mikrofonanordnung, die einen Wandler zum Umwandeln von akustischen Signalen in elektrische Signale aufweist und dementsprechend als Mikrofon genutzt werden kann.
MEMS-Mikrofone können in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Hier ist es entscheidend, dass das MEMS-Mikrofon unmittelbar nach dem Einschalten betriebsbereit ist. Start-Up-Zeiten von weniger als 50 ms werden angestrebt.
Ein Wandler in einem MEMS-Mikrofon weist ein kapazitives Element auf, wobei eine Spannung zwischen einer festen und einer beweglichen Elektrode angelegt wird. Nach dem
Einschalten des Mikrofons soll diese Spannung möglichst schnell aufgebaut werden. Ferner kann diese Spannung höher sein als die Spannung, die von einer Batterie zur
Spannungsversorgung des Mobiltelefons erzeugt wird. Aus diesem Grund werden so genannte Ladungspumpen eingesetzt, die die gewünschte Spannung zwischen den Elektroden des Wandlers anlegen .
WO 2009/135815 AI beschreibt eine Ladungspumpe, die mit einem elektro-akustischen Wandler in einem MEMS-Mikrofon verbunden werden kann. Die hier beschriebene Schaltung ist derart ausgestaltet, dass, falls von der Ladungspumpe eine zu große Spannung erzeugt wird, ein Strom in eine regelbare
Stromquelle abfließt und die Ladungspumpe nicht ihre
nominelle Spannung erreicht. Die Schaltung zeigt jedoch Spannungsschwankungen am Ausgang, da der Arbeitspunkt der Ladungspumpe auf einer Strom-Spannungs-Flanke liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, eine
Mikrofonanordnung bereitzustellen, die stabiler ist und bei der die an dem Wandler anliegende Spannung innerhalb kurzer Zeit stabil aufgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrofonanordnung mit den
Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Mikrofonanordnung vorgeschlagen, die eine Ladungspumpe, die eine Gleichspannung erzeugt, einen Wandler, der akustische Signale in elektrische Signale umwandelt und der mit der Ladungspumpe verbunden ist, und eine Steuereinheit, die die Ladungspumpe ansteuert und die die von der Ladungspumpe erzeugte Gleichspannung einstellt, aufweist .
Eine Ladungspumpe ist eine elektrische Schaltung, an die eine Eingangsspannung angelegt werden kann und die eine
elektrische Ausgangsspannung erzeugt, die höher ist als die Eingangsspannung, wobei die Eingangs- und die
Ausgangsspannung Gleichspannungen sind. Bei einer
Ladungspumpe wird die Ausgangsspannung mit Hilfe von
Kondensatoren und durch periodisches Umschalten von Schaltern erzeugt. Ferner kann eine Ladungspumpe Dioden aufweisen.
Die Steuereinheit ermöglicht es, erfindungsgemäß die von der Ladungspumpe erzeugte Gleichspannung einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit die Höhe der Eingangsspannung, die an die Ladungspumpe angelegt wird, und/oder die Frequenz, mit der Schalter in der Ladungspumpe umgeschaltet werden, variieren. Wird eine höhere Eingangsspannung angelegt, so führt dies zu einer höheren Ausgangsspannung der
Ladungspumpe. Wird die Frequenz des Umschaltens in der
Ladungspumpe erhöht, wird dadurch eine Anstiegszeit, in der die Spannung in der Ladungspumpe aufgebaut wird, verringert.
In einer Ausführung ist die von der Ladungspumpe maximal erzeugbare Gleichspannung größer als die optimale
Betriebsspannung des Wandlers. Die optimale Betriebsspannung VBIAS ist die Spannung, für die der Wandler ausgelegt ist.
Dementsprechend kann nach dem Einschalten des Mikrofons zunächst von der Ladungspumpe eine maximal erzeugbare
Gleichspannung erzeugt werden, die dafür sorgt, dass die an dem Wandler anliegende Spannung sehr schnell aufgebaut wird. In einer zweiten Phase nach dem Einschalten des Mikrofons kann die von der Ladungspumpe erzeugte Gleichspannung auf einen Betrag abgesenkt werden, der geringer ist als der
Betrag der maximal erzeugbaren Gleichspannung. Auf diese Weise kann die Zeit zum Anlegen der Spannung an den Wandler minimiert werden.
Der Wandler ist für eine optimale Betriebsspannung VBIAS
ausgelegt. Vorzugsweise erzeugt die Ladungspumpe in der zweiten Phase eine Gleichspannung, die dieser Spannung VBIAS entspricht. Die optimale Betriebsspannung des Wandlers ist im Wesentlichen durch die Geometrie, die Materialeigenschaften und eine eingeprägte mechanische Vorspannung der beiden
Elektroden vorgegeben.
Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, um über die
Steuereinheit die Ladungspumpe anzusteuern. Hierzu gehören eine Schaltung mit kontinuierlichem Feedback, eine Schaltung mit einmaligem Feedback und eine zeitbasierte Schaltung.
Für eine Schaltung mit kontinuierlichem Feedback kann die Mikrofonanordnung ferner einen Spannungsteiler, eine
Referenzspannungsquelle und einen Differenzverstärker aufweisen. Der Spannungsteiler kann mit dem Pfad verknüpft sein, der die Ladungspumpe mit dem Wandler verschaltet. Bei dem Spannungsteiler kann es sich beispielsweise um einen Reihenschaltung von Dioden oder eine Reihenschaltung von Kondensatoren handeln. Alternativ kann der Spannungsteiler eine mehrere in Reihe geschaltete Dioden und ferner mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, wobei die Dioden in einem ersten Pfad angeordnet sind und die Kondensatoren in einem zweiten Pfad angeordnet sind, der parallel zu dem ersten Pfad geschaltet ist.
Die Referenzspannungsquelle kann eine Gleichspannung mit einem festen Betrag erzeugen. Diese Gleichspannung
multipliziert mit einem Pumpfaktor stimmt mit der optimalen Betriebsspannung VBIAS des Wandlers überein.
Ferner kann der Differenzverstärker mit der
Referenzspannungsquelle und mit dem Spannungsteiler
verschaltet sein. Der Spannungsteiler liefert eine Spannung, die zu der momentan von der Ladungspumpe erzeugten Spannung proportional ist. Nunmehr gibt der Differenzverstärker ein Signal aus, das proportional zur Differenz zwischen der momentan von der Ladungspumpe erzeugten Spannung und der optimalen Betriebsspannung VBIAS ist.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers kann an die Steuereinheit angelegt werden. Dementsprechend erhält die Steuereinheit über den Differenzverstärker ständig ein Feedback, welches angibt, ob die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung zu hoch oder zu niedrig ist. Die Steuereinheit kann die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung entsprechend diesem Feedback kontinuierlich anpassen. Dazu regelt die Steuereinheit die Höhe der Eingangsspannung der Ladungspumpe und/oder die Frequenz, mit der die Ladungspumpe betrieben wird. Eine höhere Eingangsspannung führt zu einer höheren Ausgangsspannung. Wird die Frequenz der Ladungspumpe erhöht, so wird dadurch die Anstiegszeit verringert.
Für eine Schaltung mit einmaligem Feedback weist die
Mikrofonanordnung neben dem Spannungsteiler, der
Referenzspannungsquelle und dem Differenzverstärker ferner einen Trigger auf. Die zwei Eingänge des Differenzverstärker können mit dem Spannungsteiler und der
Referenzspannungsquelle verbunden sein. Dementsprechend erzeugt der Differenzverstärker ein Signal, das proportional zur Differenz zwischen der momentan am Mikrofon anliegenden Spannung und der optimalen Betriebsspannung ist. Dieses Signal wird am Ausgang des Differenzverstärkers ausgegeben und dieser Ausgang kann mit dem Trigger verbunden sein.
Des Weiteren kann der Trigger mit der Steuereinheit und mit zumindest einem Schalter verbunden sein. In einem
Ausführungsbeispiel verbindet der Schalter in einem
geschlossenen Zustand den Spannungsteiler mit dem
Verbindungspfad von Ladungspumpe und Wandler. In einem offenen Zustand entkoppelt der Schalter den Spannungsteiler von der Ladungspumpe und dem Wandler.
Ist der Spannungsteiler von der Ladungspumpe entkoppelt, so können keine Leckströme über den Spannungsteiler abfließen und die Ladungspumpe kann verlustarm betrieben werden. Im Gegensatz zur WO 2009/135815, bei der der Spannungsteiler stets mit der Ladungspumpe verschaltet ist, trägt hier der Spannungsteiler nicht zu Empfindlichkeitsschwankungen des Mikrofons bei. Auf diese Weise kann ein wesentlicher
Störmechanismus ausgeschlossen werden und ein stabiler
Betrieb der Mikrofonanordnung gewährleistet werden.
In einer Ausführung öffnet der Trigger den Schalter, sobald das vom Differenzverstärker erzeugte Signal einen Schwellwert erreicht. Dieses Erreichen des Schwellwerts stimmt mit dem Übergang von der ersten Phase, in der von der Ladungspumpe eine maximale Gleichspannung erzeugt wird, zu einer zweiten Phase überein, wobei in der zweiten Phase von der
Ladungspumpe eine Gleichspannung erzeugt wird, die kleiner ist als die maximale von der Ladungspumpe erzeugbare
Gleichspannung. Die Steuereinheit ist ebenfalls mit dem
Trigger verbunden und stellt die von der Ladungspumpe
erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Signal ein, das von dem Differenzverstärker über den Trigger ausgegeben wird.
Bei einer dritten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung wird eine zeitbasierte Schaltung gewählt. Diese kann Mittel zur Messung der Zeit aufweisen, die seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung vergangen ist. Vorzugsweise sind die Mittel zur Zeitmessung mit der Steuereinheit verbunden. Nach einer festgelegten Zeit reduziert die Steuereinheit die von der Ladungspumpe erzeugte Spannung von einem maximalen Wert auf einen Wert, der geringer ist als der Maximalwert und
vorzugsweise gleich VBIAS ist.
Ferner können die Ladungspumpe und der Wandler über einen Hochimpedanz-Schaltkreis miteinander verbunden sein. Dieser Hochimpedanz-Schaltkreis kann ein Paar kreuzgekoppelter
Dioden aufweisen. Die entgegengesetzt geschalteten Dioden weisen bei Betrieb des Mikrofons eine Impedanz im Bereich von ΤΩ auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der
Kondensator des Wandlers nicht im laufenden Betrieb entladen werden kann und daher mit einer konstanten Ladung verbleibt.
Der Wandler kann ferner mit einem Pfad verbunden sein, in dem ein Kondensator mit einem Verstärker in Reihe geschaltet ist. Über diesen Pfad kann ein elektrisches Signal, das der
Wandler aus einem akustischen Signal umgewandelt hat, an eine Ein- und Ausgabe-Einheit der Mikrofonanordnung weitergeleitet werden .
In einem Ausführungsbeispiel weist der Wandler eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode, beispielsweise eine Membran, auf. Die Ladungspumpe erzeugt eine Spannung, die zwischen diesen beiden Elektroden angelegt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung .
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung .
Figur 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel in einem
zweiten Zustand. Figur 4 zeigt eine zweite Variante des zweiten Ausführungsbeispiels in einem ersten Zustand. Figur 5 zeigt die zweite Variante in einem zweiten Zustand.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Mikrofonanordnung M. Es handelt sich dabei um eine Schaltung mit kontinuierlichem Feedback.
Die Mikrofonanordnung M weist einen Wandler WA auf, der akustische Signale in elektrische Signale umwandelt. Dieser Wandler WA weist einen Kondensator mit einer festen und einer beweglichen Elektrode auf. Zwischen den beiden Elektroden wird eine Vorspannung angelegt. Der Kondensator ist für eine optimale Betriebsspannung VBIAS ausgelegt.
Ferner weist die Mikrofonanordnung M eine Ladungspumpe LP auf. Dabei kann es sich um eine Dickson Charge Pump handeln. Die Ladungspumpe LP ist über eine Zwei-Phasen-Clock 2PC mit einer Spannungsquelle SQ verbunden, die eine
Versorgungsspannung liefert.
Die Ladungspumpe LP und der Wandler WA sind über einen ersten Pfad PI miteinander verbunden.
Der Eingang der Ladungspumpe LP ist mit der Zwei-Phasen-Clock 2PC verbunden, wobei diese wiederum mit einem variablen Clock Level and Frequency Shifter VCLFS verbunden ist. Der variable Clock Level und Frequency Shifter VCLFS bildet dabei die
Steuereinheit. Das Ausgabesignal des variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS wird als Eingabesignal an die Zwei-Phasen-Clock 2PC weitergegeben. Die Zwei-Phasen-Clock 2PC erzeugt nunmehr ein Signal, das zur Ansteuerung der
Ladungspumpe LP verwendet wird. Die Signalstärke und die Frequenz dieses Signals werden über das Ausgabesignal des variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS
eingestellt.
Des Weiteren ist die Zwei-Phasen-Clock 2PC mit einem
Oszillator OS verbunden. Die Ladungspumpe LP ist derart ausgestaltet, dass sie eine Ausgangsspannung erzeugt, die größer ist als die angelegte Eingangsspannung. Insbesondere kann die Ausgangsspannung größer sein als die von einer Batterie erzeugte
Versorgungsspannung der Mikrofonanordnung M. Der Betrag der Ausgangsspannung, die von der Ladungspumpe LP erzeugt wird, wird bestimmt durch den variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS. Wird das Signal des variablen Clock Level und Frequency Shifters VCLFS in der Amplitude oder der Frequenz erhöht, so führt dies zu einer größeren Ausgangsspannung.
Die von der Ladungspumpe LP ausgegebene Spannung wird an eine erste Elektrode des Wandler WA angelegt. Die zweite Elektrode des Wandlers WA ist mit der Spannungsquelle SQ verbunden. Dementsprechend liegt die zweite Elektrode des Wandlers WA auf einem niedrigeren Spannungsniveau und zwischen den beiden Elektroden des Wandlers WA entsteht eine Potentialdifferenz. Dies ermöglicht es, eine Kapazitätsänderung des Wandlers WA zu ermitteln. Die Ladungspumpe LP ist über zwei entgegengesetzt geschaltete Dioden Dl, D2 mit dem Wandler verschaltet. Der erste Pfad PI spaltet sich in zwei parallele Unterpfade UPI, UP2 auf, wobei in jedem Unterpfad UPI, UP2 jeweils eine der beiden entgegengesetzt zueinander geschalteten Dioden Dl, D2
angeordnet ist. Diese beiden Unterpfade UPI, UP2 bilden ein Hochimpedanzelement, dessen Impedanz im Gleichgewichtszustand im Bereich von Teraohm liegt. So wird sichergestellt, dass der Wandler WA nicht entladen wird und dass zwischen
Ladungspumpe LP und Wandler WA nahezu kein Strom fließt.
Der erste Pfad PI, der den Wandler WA und die Ladungspumpe LP miteinander verbindet, weist darüber hinaus drei Knoten Kl, K2, K3 auf.
Von dem ersten Knoten Kl zweigt ein zweiter Pfad P2 ab, in dem ein Kopplungskondensator Cl und ein Verstärker VER in Reihe geschaltet sind. Der zweite Pfad P2 ist mit einem Ein- und Ausgabe-Port I/O der Mikrofonanordnung M verbunden.
Der zweite Knoten K2 ist mit einem dritten Pfad P3 verbunden, der einen Spannungsteiler ST aufweist. Bei dem
Spannungsteiler ST handelt es sich hier um eine
Reihenschaltung von Dioden. Alternativ kann es sich auch um eine Reihenschaltung von Kondensatoren handeln.
Parallel zu dem Spannungsteiler ist ein zweiter Kondensator C2 in einem vierten Pfad P4 angeordnet. Der vierte Pfad P4 ist mit dem Knoten K2 des ersten Pfads verbunden. Der zweite Kondensator C2 dient zum Filtern eines hochfrequenten
Spannungsanteils, der von der Ladungspumpe herrührt.
Der dritte und der vierte Pfad P3, P4 sind ferner über einen gemeinsamen Knoten K4 miteinander verknüpft und mit Masse verbunden . Der Spannungsteiler ST ist mit einem ersten Eingang eines Differenzverstärkers DV verbunden. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers DV ist mit einer Referenzspannungsquelle RSQ verbunden. Die Referenzspannungsquelle RSQ erzeugt eine konstante Gleichspannung, die zu der optimalen
Betriebsspannung VBIAS des Wandlers proportional ist.
Der Differenzverstärker DV weist ferner einen Ausgang auf. Das Signal, das an diesem Ausgang ausgegeben wird, ist proportional zu der Differenz der beiden Spannungen, die jeweils an einem Eingang des Differenzverstärkers DV
anliegen .
Über dem Spannungsteiler ST liegt an dem ersten Eingang des Differenzverstärkers DV die Spannung an, die proportional ist zu der an der Ladungspumpe LP momentan erzeugen Spannung. An dem zweiten Eingang liegt eine der optimalen Betriebsspannung VBIAS proportionale Spannung an. Dementsprechend gibt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV an, um welchen Wert die momentan erzeugte Spannung von der optimale
Betriebsspannung VBIAS abweicht. Das Vorzeichen der
Ausgangsspannung gibt an, ob die momentan erzeugte Spannung oder die optimale Betriebsspannung betragsmäßig größer ist.
Der Ausgang des Differenzverstärkers DV ist wiederum mit dem variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS verbunden. Dementsprechend liefert der Differenzverstärker DV ein
Feedback an den variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS. Dieser passt nunmehr sein Ausgangssignal derart an, dass die von der Ladungspumpe LP erzeugte Spannung an die Referenzspannung angepasst wird. Ist beispielsweise die von der Ladungspumpe LP erzeugte Spannung kleiner als die
gewünschte optimale Spannung VBIAS / SO wird die Amplitude und des Ausgangssignals des variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS erhöht und somit wird die Spannung der
Ladungspumpe LP erhöht. Umgekehrt kann durch eine Absenkung der Amplitude und auch die Spannung der Ladungspumpe LP verringert werden.
Während des Betriebs der Mikrofonanordnung M wird diese
Anpassung kontinuierlich wiederholt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die von der Ladungspumpe LP erzeugte Ausgangsspannung der optimale Betriebsspannung VBIAS entspricht .
Über den Spannungsteiler ST sowie den zweiten Kondensator C2 fließt nahezu kein Strom. Auf diese Weise wird
sichergestellt, dass die Ladungspumpe LP hochimpedant
betrieben werden kann. Dementsprechend liegt der Arbeitspunkt der Mikrofonanordnung M in einer Strom-Spannungs- Charakteristik in einem flachen Plateau. Damit arbeitet die Mikrofonanordnung M in einem stabilen
Empfindlichkeitsbereich.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Hierbei handelt es sich um eine
Schaltung mit einmaligem Feedback. Im Gegensatz zu der in Figur 1 gezeigten Schaltung ist der Ausgang des
Differenzverstärkers DV nicht unmittelbar mit dem variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS verbunden, sondern ist mit einem Trigger TRI verbunden. Ferner weist die
Schaltung zwei Schalter Sl, S2 auf, die in dem dritten Pfad P3 angeordnet sind, in dem der Spannungsteiler angeordnet ist. In dem dritten Pfad P3 ist ein erster Schalter Sl zwischen den Dioden des Spannungsteilers ST und dem Knoten K2, der den dritten Pfad P3 und den ersten Pfad PI miteinander verbindet, angeordnet. Der zweite Schalter S2 zwischen den Dioden des Spannungsteilers ST und dem weiteren Knoten K4, der den dritten Pfad mit der Erdung und dem vierten Pfad verbindet, angeordnet.
Der Trigger TRI ist mit den beiden Schaltern Sl, S2 verbunden und dient als Steuerelement für die beiden Schalter Sl, S2. Dementsprechend kann der Trigger TRI die Schalter Sl, S2 öffnen und schließen. Ferner ist der Trigger TRI mit dem variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS verbunden.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers DV ist wiederum proportional zu der Differenz zwischen der momentan von der Ladungspumpe erzeugten Spannung und der optimalen
Betriebsspannung VBIAS · Überschreitet dieses Ausgangssignal einen vorher festgelegten Grenzwert, so öffnet der Trigger TRI die beiden Schalter Sl, S2. Typischerweise ist dieser Grenzwert dann erreicht, wenn die beiden Spannungen gleich sind .
Der Trigger TRI leitet das Ausgangssignal des
Differenzverstärkers DV ferner an den variablen Clock Level und Frequency Shifter VCLFS weiter. Dieser steuert wiederum die Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP.
In einer ersten Phase nach dem Einschalten der
Mikrofonanordnung M erzeugt die Ladungspumpe LP die maximal mögliche Gleichspannung zum Laden des Kondensators des
Wandlers WA. Entspricht nun die momentane Spannung der optimale Betriebsspannung VBIAS / SO öffnet der Trigger TRI die Schalter Sl, S2. Gleichzeitig reguliert der variable Clock Level und Frequency Shifter VCLFS die Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP auf ein niedrigeres Niveau, nämlich dem der optimalen Spannung VBIAS ·
Figur 3 zeigt das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel in der zweiten Phase mit geöffneten Schaltern Sl, S2.
Nunmehr ist der dritte Pfad P3, der den Spannungsteiler ST aufweist, von dem ersten Pfad PI, der die Verbindung von Ladungspumpe LP und Wandler WA bildet, entkoppelt.
Dementsprechend kann kein Strom über den Spannungsteiler ST abfließen und die Ladung des Wandlers WA beeinflussen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine zweite Variante dieser
Schaltung mit einmaligem Feedback. Hierbei wird der
Spannungsteiler ST, der in der ersten Variante eine
Reihenschaltung von Dioden aufweist, ersetzt durch einen Spannungsteiler ST, der eine Reihenschaltung von
Kondensatoren aufweist. Das Funktionsprinzip der Schaltung entspricht dem Funktionsprinzip, das bereits im Zusammenhang mit Figur 2 und 3 erläutert wurde.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung der
Mikrofonanordnung M besteht aus einer Schaltung, die
vollkommen auf Feedback verzichtet und statt dessen eine zeitbasierte Methode verwendet. Eine solche Schaltung ist in den Figuren nicht dargestellt. Bei der zeitbasierten Methode weist die Schaltung Mittel zum Erfassen der Zeit seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung M auf. Der variable Clock Level und Frequency Shifter VCLFS steuert die Ladungspumpe LP mit einem Signal an, wobei Amplitude und/oder Frequenz des Signals von der Zeit abhängen. In einer ersten Phase nach de: L Einschalten der
Mikrofonanordnung M wird eine maximale Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP erzeugt. Nach einer fest vorgegebenen Zeit wird die Ausgangsspannung der Ladungspumpe LP auf den Wert der optimale Betriebsspannung VBIAS reduziert.
Die zeitbasierte Methode hat den Vorteil, dass die Schaltung deutlich vereinfacht wird. Auf eine Feedback-Schleife kann verzichtet werden.
Die im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gezeigten Schaltungen mit kontinuierlichem oder einmaligem Feedback weisen den Vorteil auf, dass die Ladungspumpe LP gezielter und stabiler angesteuert werden kann. Eventuelle
Fertigungstoleranzen der einzelnen Bauelemente können ausgeglichen werden.
Alle drei Ausführungen zeichnen sich durch ein schnelles und stabiles Aufbauen der Spannung an dem Wandler WA aus.
Bezugs zeichenliste
M Mikrofonanordnung
WA Wandler
LP Ladungspumpe
SQ Spannungsquelle
VCLFS variable Clock Level und Frequenz Shifter
2PC Zwei-Phasen Clock
OS Oszillator
Dl, D2 Diode
P1-P4 erster - vierter Pfad
K1-K4 Knoten
UPI, UP2 - Unterpfad
Cl KoppeIkondensator
C2 zweiter Kondensator
VER Verstärker
I/O Ein- und Ausgabe-Port
ST Spannungsteiler
DV DifferenzVerstärker
RSQ Referenzspannungsquelle
TRI Trigger
Sl, S2 Schalter

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofonanordnung (M) , aufweisend:
- eine Ladungspumpe (LP) , die eine Gleichspannung
erzeugt,
- einen Wandler (WA) , der akustische Signale in
elektrische Signale umwandelt und der mit der
Ladungspumpe (LP) verbunden ist, und
- eine Steuereinheit (VCLFS), die die Ladungspumpe (LP) ansteuert und die die von der Ladungspumpe (LP) erzeugt Gleichspannung einstellt.
2. Mikrofonanordnug gemäß Anspruch 1,
bei der die Steuereinheit (VCLFS) die Eingangsspannung der Ladungspumpe (LP) und/oder die Frequenz, mit der die
Ladungspumpe (LP) angesteuert wird, regelt.
3. Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 1 oder 2,
bei der die von der Ladungspumpe (LP) maximal erzeugbare Gleichspannung größer ist als die optimale
Betriebsspannung des Wandlers (WA) .
4. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Steuereinheit (VCLFS) den Betrag und/oder die Frequenz einer an die Ladungspumpe (LP) angelegten
Spannung variieren kann.
5. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (VCLFS) die Ladungspumpe (LP) in einer ersten Phase nach dem Einschalten des Mikrofons derart ansteuert, dass die Ladungspumpe (LP) eine maximale Gleichspannung erzeugt.
6. Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 5,
wobei die Steuereinheit (VCLFS) die Ladungspumpe (LP) in einer zweiten Phase nach der ersten Phase derart ansteuert, dass die Ladungspumpe (LP) eine
Gleichspannung erzeugt, deren Betrag geringer ist als der Betrag der maximalen Gleichspannung.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis ( ferner aufweisend
- einen Spannungsteiler (ST) , der mit der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) verschaltet ist,
- eine Referenzspannungsquelle (RSQ) , die
Gleichspannung mit einem festen Betrag erzeugt, und
- einen Differenzverstärker (DV) mit zwei Eingängen, der ein Signal ausgibt, das proportion zur Differenz der an den beiden Eingängen anliegenden Spannung ist wobei der erste Eingang mit dem Spannungsteiler (ST) der zweite Eingang mit der Referenzspannungsquelle (RSQ) und ein Ausgang mit der Steuereinheit (VCLFS) verbunden sind.
Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ferner aufweisend
- einen Spannungsteiler (ST) , der mit der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) verschaltet ist,
- eine Referenzspannungsquelle (RSQ) , die
Gleichspannung mit einem festen Betrag erzeugt,
- einen Trigger (TRI), der mit der Steuereinheit
(VCLFS) und einem Schalter (Sl) verbunden ist, wobei der Schalter (Sl) in einem geschlossenen Zustand den Spannungsteiler (ST) mit der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) verschaltet und in einem offenen Zustand den Spannungsteiler (ST) von der Ladungspumpe (LP) und dem Wandler (WA) entkoppelt, und
- einen Differenzverstärker (DV) mit zwei Eingängen, der ein Signal ausgibt, das proportion zur Differenz der an den beiden Eingängen anliegenden Spannung ist, wobei der erste Eingang mit dem Spannungsteiler (ST) , der zweite Eingang mit der Referenzspannungsquelle (RSQ) und ein Ausgang mit dem Trigger (TRI) verbunden sind .
9. Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 8,
wobei der Trigger (TRI) den Schalter (Sl) öffnet, wenn das vom Differenzverstärker (DV) erzeugte Signal einen Schwellwert erreicht.
10. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Steuereinheit (VCLFS) die von der Ladungspumpe (LP) erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Signal einstellt, das von dem Differenzverstärker (DV)
ausgegeben wird.
11. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10,
wobei der Spannungsteiler (ST) mehrere in Reihe
geschaltete Dioden aufweist.
12. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10,
wobei der Spannungsteiler (ST) mehrere in Reihe
geschaltete Kondensatoren aufweist.
13. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Spannungsteiler (ST) eine mehrere in Reihe geschaltete Dioden und ferner mehrere in Reihe
geschaltete Kondensatoren aufweist, wobei die Dioden in einem ersten Pfad angeordnet sind und die Kondensatoren in einem zweiten Pfad angeordnet sind, der parallel zu dem ersten Pfad geschaltet ist.
14. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend
- Mittel zur Messung der Zeit seit dem Einschalten der
Mikrofonanordnung (M) , wobei die Mittel zur Messung der Zeit mit der Steuereinheit (VCLFS) verbunden sind.
15. Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 14,
wobei die Steuereinheit (VCLFS) die von der Ladungspumpe
(LP) erzeugte Spannung in Abhängigkeit von dem Zeit seit dem Einschalten der Mikrofonanordnung (M) einstellt.
16. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15,
wobei die Ladungspumpe (LP) und der Wandler (WA) über einen Hochimpedanz-Schaltkreis (UPI, UP2) miteinander verbunden sind. 17. Mikrofonanordnung (M) gemäß Anspruch 16,
wobei der Hochimpedanz-Schaltkreis (UPI, UP2) ein Paar kreuzgekoppelter Dioden (Dl, D2 ) aufweist.
18. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17,
wobei der Wandler (WA) ferner mit einem Kondensator (Cl) und einem Verstärker (VER) verschaltet ist. Mikrofonanordnung (M) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17,
wobei der Wandler (WA) eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode aufweist, und
wobei die von der Ladungspumpe (LP) erzeugte Spannung zwischen diesen beiden Elektroden angelegt wird.
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