專利名稱：麥克風(fēng)的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及麥克風(fēng)的控制。
背景技術(shù)：
揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)本質(zhì)上包括可移動(dòng)膜片或者其他部件，所述其他部件提供聲壓波與電信號之間的轉(zhuǎn)換。眾所周知的是應(yīng)當(dāng)不是簡單地通過輸入信號驅(qū)動(dòng)的方式控制揚(yáng)聲器的輸出。例如，造成揚(yáng)聲器失效的ー個(gè)重要原因是機(jī)械缺陷，當(dāng)移位所述揚(yáng)聲器膜片超過某個(gè)極限時(shí)出現(xiàn)所述機(jī)械缺陷，所述極限通常由制造商提供。超過這個(gè)位移極限會(huì)立刻損壞所述揚(yáng)聲器，或者可以顯著地減少其預(yù)期使用壽命。
存在若干方法來限制揚(yáng)聲器膜片的移位，例如通過利用可變截止濾波器(高通或者其他)處理所述輸入信號，經(jīng)由前饋或者反饋控制回路控制所述濾波器的特性。對于麥克風(fēng)出現(xiàn)類似的問題。麥克風(fēng)正在從典型的模擬麥克風(fēng)發(fā)展到數(shù)字麥克風(fēng)模塊。這些麥克風(fēng)模塊典型地由以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)エ藝制造的傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。所述ADC(典型地Σ -Δ轉(zhuǎn)換器)的輸出是向基帶處理器輸出所述數(shù)據(jù)的PDM(脈沖密度調(diào)制)流。正常的聲級(acoustic level)處在大約94dBSPL(聲壓IpA)。來自所述麥克風(fēng)傳感器的電壓在94dBSPL下是5mV。所述模塊所需的信噪比典型地是61dB。這意味著64dB用于所述傳感器以及64dB用于所述ADC。在所述ADC輸入處的等效噪聲級別是3 μ V。所述麥克風(fēng)傳感器的輸出電壓可以高達(dá)IOOmV,其對應(yīng)于120dBSPL。那么所述ADC的動(dòng)態(tài)范圍需要是90dB。對于在搖滾音樂會(huì)期間進(jìn)行的錄音，靠近所述音樂會(huì)揚(yáng)聲器的非常高的聲壓使所述模塊過載。因此，當(dāng)以后列出(listing afterwards)時(shí)所述錄音失真。在可能發(fā)生機(jī)械損壞之前，所述MEMS傳感器本身能夠處理高達(dá)HOdBSPL的聲壓。然而，所述ADC不能提供所需的信噪比，因而是最薄弱的環(huán)節(jié)。當(dāng)存在背景噪聲，特別是風(fēng)噪聲時(shí)，可能發(fā)生高聲壓級別。這種風(fēng)噪聲還將造成所述ADC的限幅(clipping)。由于所述信號是失真并且非線性的，不能夠無失真地實(shí)現(xiàn)以后在噪聲消除器中去除所述噪聲。本發(fā)明涉及所述ADC的這ー過載(限幅)問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種如權(quán)利要求I所述的麥克風(fēng)電路。本發(fā)明通過基于所述ADC的限幅提供可變衰減(variable attenuation)來使能所述最大聲壓的擴(kuò)展。限幅的早期檢測是可能的，使得可以發(fā)生快速啟奏(fast attack)。所述可變衰減器包括可變輸入負(fù)載，用于在ADC沒有限幅之前減少所述輸入信號。
所述可變輸入負(fù)載包括可變電容。然后這個(gè)可變電容可以與所述麥克風(fēng)本身的電容串聯(lián)，使得形成可變電容分壓器(capacitor divider)電路。所述可變電容可以包括在所述麥克風(fēng)輸出與控制端之間并聯(lián)的電容器陣列，其中所述陣列的電容器可獨(dú)立地切換進(jìn)或者切換出所述并聯(lián)電路。例如，所述可變電容可以包括ニ進(jìn)制加權(quán)電容器陣列。所述控制電路可以包括計(jì)數(shù)器，控制所述計(jì)數(shù)器響應(yīng)于限幅檢測信號和非限幅檢測信號之一而増大，并且響應(yīng)于所述限幅檢測信號和所述非限幅檢測信號中的另ー個(gè)而減小。因此，當(dāng)存在限幅時(shí)，表示所述ADC已經(jīng)達(dá)到其極限并且所述輸入聲壓意味著要求信號衰減，改變計(jì)數(shù)器，使得所述電容器網(wǎng)絡(luò)配置改變。只有當(dāng)所述限幅已經(jīng)停止時(shí)，所述電容器網(wǎng)絡(luò)配置才恢復(fù)其以前的狀態(tài)。這樣提供了一種簡單的控制方案。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以包括具有脈沖密度調(diào)制輸出的I位Σ -Λ轉(zhuǎn)換器。然后，限 幅檢測可以基于所述脈沖密度調(diào)制信號達(dá)到閾值。例如，所述閾值可以包括在給定長度的位流中Is的給定比例。本發(fā)明還提供一種如權(quán)利要求7所述的處理麥克風(fēng)輸出信號的方法。


現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，其中圖I示出了第一已知的麥克風(fēng)電路；圖2示出了第一已知的麥克風(fēng)電路；圖3示出了本發(fā)明的麥克風(fēng)電路的示例；以及圖4用于解釋在圖3的電路中所采用的控制方案。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種擴(kuò)展在麥克風(fēng)電路中ADC的動(dòng)態(tài)范圍的方法。存在若干種已知的方式來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。第一示例如圖I所示。在所述ADC 12的輸入處提供可編程增益放大器(PGA) 10 (例如以IdB的步長從O至20dB的衰減可編程)。所述可編程放大器處理由放大器13放大的麥克風(fēng)11的信號?；鶐?BB)處理器14或者其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所述控制，并且所述PGA 10被設(shè)置成適當(dāng)?shù)姆糯舐始墑e。缺點(diǎn)是所述BB處理器14確定所述啟動(dòng)時(shí)間(attacktime)并且是緩慢的。另外，需要補(bǔ)償所述PGA(ldB步長)的増益，否則在所述PGA的切換期間將會(huì)聽見咔嗒聲。為了克服所述咔嗒聲問題，也可能提供兩個(gè)ADC。在圖2中示出了ー對ADC的結(jié)構(gòu)。所述標(biāo)準(zhǔn)ADC 12a處理IOOmVrms。所述第二 ADC 12b處理IVrms (20dB以上)。所述兩個(gè)路徑具有不同的増益。因此，存在與與所述BB處理器14耦合的兩個(gè)數(shù)據(jù)流(例如PDM流)。所述BB處理器需要執(zhí)行ー些后處理來將所述兩個(gè)流組合成一個(gè)不失真信號。從ー個(gè)流切換到另ー個(gè)流可以非?？觳⑶以谒鯞B處理器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。需要注意匹配所述兩個(gè)流。所述兩個(gè)ADC的每ー個(gè)均具有按照電壓參考源22a、22b形式的控制電路，用于在所述差分ADC轉(zhuǎn)換器的ー個(gè)輸入上設(shè)置電壓；以及在所述ADC輸入端之間的高阻抗元件24a,24b0在所示的示例中，包括兩個(gè)背靠背ニ極管。這些ニ極管不導(dǎo)通，因?yàn)閬碜运鳆溈孙L(fēng)的輸入電壓為IOOmV的數(shù)量級并且因此低于所述ニ極管的導(dǎo)通閾值。它們可以被不同的高阻抗元件替代。每個(gè)ADC電路均具有恒定的増益。對于兩個(gè)路徑的不同増益可以由所述電容器28a、28b實(shí)現(xiàn)，所述電容器用所述麥克風(fēng)的電容定義電容分壓器網(wǎng)絡(luò)。也可以使用壓縮/解壓系統(tǒng)。然后，所述麥克風(fēng)模塊壓縮所述信號，使得它適合所述ADC的動(dòng)態(tài)范圍。在所述BB處理器中，需要所述反函數(shù)(inverse function),并且所述反函數(shù)解壓所述信號以便重新產(chǎn)生不失真的音頻信號。這些解決方案的缺點(diǎn)是所述BB處理器需要實(shí)現(xiàn)所述麥克風(fēng)模塊的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展。在所有情況下，所述輸入信號需要被放大或者衰減。這意味著，在所述基帶控制器中需要專門的控制算法。因?yàn)樗隹刂圃谒鳆溈孙L(fēng)模塊的外部發(fā)生，時(shí)間滯后可以導(dǎo)致做出適用于所述麥克風(fēng)電路特性的所需修改。所述BB處理器也將需要具有擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍,所述動(dòng)態(tài)范圍與所述麥克風(fēng)電路的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍 相對應(yīng)。本發(fā)明基于ー種方法，其中所述麥克風(fēng)模塊本身實(shí)現(xiàn)所述麥克風(fēng)增益的設(shè)置。本發(fā)明提供了一種麥克風(fēng)電路，其中所述限幅檢測電路檢測何時(shí)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出已經(jīng)達(dá)到閾值?；谒鱿薹鶛z測電路輸出來控制可變衰減器，優(yōu)選地以與所述麥克風(fēng)相關(guān)聯(lián)的可變輸入負(fù)載的形式。因此所述反饋是基于所述ADC輸出電平，并且可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)信號的處理，無需所述信號的基帶處理，它可以簡單地基于所述ADC輸出的狀態(tài)。結(jié)果，可以在所述麥克風(fēng)模塊內(nèi)并且在所述基帶處理之前實(shí)現(xiàn)所述反饋路徑。因此，用于提供反饋控制的檢測信號直接在所述ADC的輸出處。由于采樣頻率高，檢測限幅事件之前的延遲是非常低的。同樣地，所述啟動(dòng)時(shí)間可以是快的。如在上面所述的系統(tǒng)中，需要放大或者衰減?？梢哉J(rèn)為所述麥克風(fēng)具有電容器的電氣特性。所述有效數(shù)值在3pF的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施方法中，通過加載(可編程)電容器來衰減來自所述麥克風(fēng)傳感器的信號。圖3示出了本發(fā)明所述麥克風(fēng)電路的示例。按照與參考圖2所解釋的相同的方式驅(qū)動(dòng)所述ADC，在所述參考輸入與所述麥克風(fēng)模擬輸入之間具有參考電壓源和高阻杭。將所述ADC 12的輸出提供給限幅檢測電路30。限幅意味著所述數(shù)字輸出已經(jīng)達(dá)到閾值，使得所述ADC在其優(yōu)選工作范圍的極限。這種限幅可以位于或者接近所述ADC的最大數(shù)字輸出。然而，在達(dá)到這個(gè)最大值之前，所述ADC的信噪比可以下降，并且因此可以將所述閾值設(shè)置得較低，例如為所述最大數(shù)字輸出的70-90%。所述限幅檢測用于引起所述麥克風(fēng)信號的衰減。衰減控制単元32產(chǎn)生所要求的控制信號?？梢园凑赵S多不同的方式實(shí)現(xiàn)所述衰減，包括如圖I所示的可編程放大器，但是所述衰減直接受控于所述ADC 12的輸出。然而，在如圖3所示的優(yōu)選實(shí)施方法中，提供了可變輸入負(fù)載。在圖3中這被實(shí)現(xiàn)為ニ進(jìn)制加權(quán)電容衰減器，包括電容器-開關(guān)單元34a、34b、34c、34d 的陣列。
所述電容器陣列在所述麥克風(fēng)11的輸出與控制端(地)之間是并聯(lián)的。所述陣列的電容器可以通過相關(guān)聯(lián)的開關(guān)獨(dú)立地切換進(jìn)或者切換出所述并聯(lián)電路。如果需要實(shí)現(xiàn)20dB的最大衰減，所述總電容需要大約是所述麥克風(fēng)電容的10倍的數(shù)值。在3pF麥克風(fēng)的示例中，需要30pF的最大電容。使用ニ進(jìn)制加權(quán)功能，對于8位衰減器，可以將所述電容器設(shè)置為大約16pF、8pF、4pF、2pF、lpF、0. 5pF、0. 25pF和O. 125pF。當(dāng)將所述電容器都關(guān)斷時(shí)，所述衰減最大。圖4示出了所述衰減作為代碼的函數(shù)，所述代碼用于上述8位控制系統(tǒng)。通過向上/向下計(jì)時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)所述衰減器控制。在一個(gè)示例中，代碼O可以表示沒有衰減并且代碼255表示最大衰減。只要所述限幅檢測是有效的，所述計(jì)數(shù)器就向上計(jì)數(shù)。這以快速的方式(啟動(dòng))完 成并且所述速度可以是可編程的。作為示例，可以使用可編程遞加值O. 04,0. 08或者O. 16。當(dāng)沒有檢測到限幅吋，所述計(jì)數(shù)器緩慢地向下計(jì)數(shù)，作為示例，使用可編程遞減值
O.04e-3、0. 08e-3或者O. 16e_3，即比對于所述限幅檢測信號的響應(yīng)慢1000倍的因子。然而，所述計(jì)數(shù)器運(yùn)行在與所述ADC相同的時(shí)鐘上，所以它計(jì)數(shù)非?？臁Ｋ鲇?jì)數(shù)器可被實(shí)現(xiàn)為真實(shí)的向上/向下計(jì)數(shù)器，或被實(shí)現(xiàn)為積分器的形式。所述限幅檢測器具有所述ADC輸出作為輸入。ADC的類型典型地是I位Σ -Λ轉(zhuǎn)換器。所述輸出是I位數(shù)據(jù)的PDM流。對于給定流長度的脈沖密度從0% (全“O”)變化達(dá)到100% (全“ I”)。在所述數(shù)據(jù)流的某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，“ I”的實(shí)際個(gè)數(shù)與“ I ”的最大個(gè)數(shù)之間的比值用作閾值，并且確定所述輸入信號的實(shí)際數(shù)值。例如，對于10位的數(shù)據(jù)流，如果從所述ADC接收到3個(gè)邏輯“I”數(shù)值，它意味著對所述最大值的30%的數(shù)值進(jìn)行編碼。UiE-AADC的最大不失真輸出電平是在70% -80%的范圍內(nèi)，使得限幅檢測器可以基于用8個(gè)“I”數(shù)值的閾值(最大輸出的80%)對10位流中的“ I”進(jìn)行計(jì)數(shù)。然后所述限幅檢測信號變成有效的，并且因此所述衰減器控制減小了所述ADC的輸入信號。由于所述限幅檢測作用于所述ADC輸出并且通過檢查10位，可以在所述ADC的10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)找到限幅檢測。典型的時(shí)鐘頻率是在3MHz的范圍內(nèi)。這導(dǎo)致大約3ys(10Xl/f)的檢測時(shí)間。本發(fā)明可以用在數(shù)字麥克風(fēng)模塊中，其中需要増加的動(dòng)態(tài)范圍來處理高負(fù)載事件，例如超過120dBSPL。所述基帶處理器不要求這種擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍，并且同樣地可以無需修改地使用這種標(biāo)準(zhǔn)基帶處理器。如果在所述基帶處理器內(nèi)部需要擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍或者如果需要恒定的増益(如在回聲消除器中)，由所述衰減器實(shí)現(xiàn)的反函數(shù)可以在所述基帶處理器中實(shí)現(xiàn)。這不要求復(fù)雜的反饋或者前饋路徑就可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鱿薹鶛z測功能是基于所述PDM流的，所述PDM流在所述麥克風(fēng)模塊以及所述基帶處理器中都是可獲得的。已經(jīng)參考一位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器描述了本發(fā)明。然而，可以用其他轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)所述ADC限幅檢測，諸如多位Σ -Δ轉(zhuǎn)換器、多級噪音整形技術(shù)(mash)和尼奎斯特(nyquist)ADC?；谠讴`個(gè)輸入具有參考電壓的差分ADC示出了靜態(tài)增益控制。然而，其他控制或者偏置方案可以與本發(fā)明的衰減控制組合?？梢杂貌煌目勺冐?fù)載替換所述電容器陣列，例如不是純電容負(fù)載，只要結(jié)果是在通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理之前衰減所述麥克風(fēng)信號。上述電容數(shù)值只是作為示例，并且本發(fā)明可應(yīng)用于不同的麥克風(fēng)設(shè)計(jì)。本發(fā)明的概念是使用所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電平作為參數(shù)，所述參數(shù)控制所述麥克風(fēng)電輸出信號的 衰減函數(shù)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解各種修改。
權(quán)利要求
1.一種麥克風(fēng)電路，包括 麥克風(fēng)(11); 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)，位于麥克風(fēng)輸出處； 限幅檢測電路(30)，用于檢測何時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出已經(jīng)達(dá)到閾值； 可變電容(34a、34b、34c、34d)，用作與所述麥克風(fēng)(11)相關(guān)聯(lián)的可變輸入負(fù)載；以及 控制電路(32)，用于基于限幅檢測電路輸出控制所述可變電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電路，其中所述可變?nèi)萜靼ㄔ谒鳆溈孙L(fēng)輸出與控制端之間并聯(lián)的電容器陣列(34a，34b，34c, 34d)，其中所述陣列的電容器可獨(dú)立地切換進(jìn)或者切換出并聯(lián)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述可變電容包括ニ進(jìn)制加權(quán)電容器陣列(34a、34b、34c、34d)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電路，其中所述控制電路(32)包括計(jì)數(shù)器，控制所述計(jì)數(shù)器響應(yīng)于限幅檢測信號和非限幅檢測信號之一而增大計(jì)數(shù)，并且響應(yīng)于所述限幅檢測信號和所述非限幅檢測信號中的另ー個(gè)而減小計(jì)數(shù)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電路，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)包括具有脈沖密度調(diào)制輸出的I位Σ -Λ轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中基于所述脈沖密度調(diào)制信號達(dá)到閾值進(jìn)行限幅檢測。
7.—種處理麥克風(fēng)輸出信號的方法,包括 使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)將所述麥克風(fēng)(11)的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 通過檢測所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器(12)的輸出何時(shí)已經(jīng)達(dá)到閾值來實(shí)現(xiàn)限幅檢測； 基于所述限幅檢測來控制可變電容(34a、34b、34c、34d)，所述可變電容用作與所述麥克風(fēng)(11)相關(guān)聯(lián)的可變輸入負(fù)載。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述可變電容包括并聯(lián)電容器(34a、34b、34c、34d)的陣列，并且控制所述可變輸入負(fù)載包括將所述陣列的電容器獨(dú)立地切換進(jìn)或者切換出電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中所述控制包括操作計(jì)數(shù)器，控制所述計(jì)數(shù)器響應(yīng)于限幅檢測信號和非限幅檢測信號之一而增大計(jì)數(shù)，并且響應(yīng)于所述限幅檢測信號和所述非限幅檢測信號中的另ー個(gè)而減小計(jì)數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換包括使用具有脈沖密度調(diào)制輸出的I位Σ -Δ轉(zhuǎn)換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中基于所述脈沖密度調(diào)制信號達(dá)到閾值進(jìn)行限幅檢測。
全文摘要
一種麥克風(fēng)電路具有限幅檢測電路(30)，所述限幅檢測電路檢測何時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，12)輸出已經(jīng)達(dá)到閾值。基于所述限幅檢測電路輸出控制可變電容(34a，34b，34c，34d)，所述可變電容用作與所述麥克風(fēng)(11)有關(guān)的可變輸入負(fù)載。因此所述反饋基于所述ADC輸出電平，并且可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)信號的處理，無需所述信號的基帶處理，它可以簡單地基于所述ADC輸出的狀態(tài)。
文檔編號H04R3/00GK102845079SQ201180013788
公開日2012年12月26日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者哈恩·M·斯胡爾曼斯 申請人:Nxp股份有限公司