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1、(10)申请公布号 CN 102845079 A (43)申请公布日 2012.12.26 C N 1 0 2 8 4 5 0 7 9 A *CN102845079A* (21)申请号 201180013788.4 (22)申请日 2011.03.16 10156808.7 2010.03.17 EP H04R 3/00(2006.01) H03M 3/02(2006.01) (71)申请人 NXP股份有限公司 地址荷兰艾恩德霍芬 (72)发明人哈恩M斯胡尔曼斯 (74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人王波波 (54) 发明名称 麦克风的控制 (57) 摘要 一种。
2、麦克风电路具有限幅检测电路(30)，所 述限幅检测电路检测何时模数转换器(ADC，12) 输出已经达到阈值。基于所述限幅检测电路输出 控制可变电容(34a，34b，34c，34d)，所述可变电 容用作与所述麦克风(11)有关的可变输入负载。 因此所述反馈基于所述ADC输出电平，并且可以 实现这个信号的处理，无需所述信号的基带处理， 它可以简单地基于所述ADC输出的状态。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.09.13 (86)PCT申请的申请数据 PCT/IB2011/051104 2011.03.16 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/114300 EN。
3、 2011.09.22 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种麦克风电路，包括： 麦克风(11)； 模数转换器(12)，位于麦克风输出处； 限幅检测电路(30)，用于检测何时模数转换器输出已经达到阈值； 可变电容(34a、34b、34c、34d)，用作与所述麦克风(11)相关联的可变输入负载；以及 控制电路(32)，用于基于限幅检测电路输出控制所述可变电容。 2.根据权利要求1所述的电路，其中所述可变容器包括在所述麦克风输出与控制端之 间并。
4、联的电容器阵列(34a，34b，34c，34d)，其中所述阵列的电容器可独立地切换进或者切 换出并联电路。 3.根据权利要求2所述的电路，其中所述可变电容包括二进制加权电容器阵列(34a、 34b、34c、34d)。 4.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中所述控制电路(32)包括计数器，控制 所述计数器响应于限幅检测信号和非限幅检测信号之一而增大计数，并且响应于所述限幅 检测信号和所述非限幅检测信号中的另一个而减小计数。 5.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中所述模数转换器(12)包括具有脉冲 密度调制输出的1位-转换器。 6.根据权利要求5所述的电路，其中基于所述脉冲密度调制信号。
5、达到阈值进行限幅检 测。 7.一种处理麦克风输出信号的方法，包括： 使用模数转换器(12)将所述麦克风(11)的模拟输出信号转换成数字信号； 通过检测所述模数转换器(12)的输出何时已经达到阈值来实现限幅检测； 基于所述限幅检测来控制可变电容(34a、34b、34c、34d)，所述可变电容用作与所述麦 克风(11)相关联的可变输入负载。 8.根据权利要求7所述的方法，其中所述可变电容包括并联电容器(34a、34b、34c、 34d)的阵列，并且控制所述可变输入负载包括将所述阵列的电容器独立地切换进或者切换 出电路。 9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述控制包括操作计数器，控制所述计数器响。
6、 应于限幅检测信号和非限幅检测信号之一而增大计数，并且响应于所述限幅检测信号和所 述非限幅检测信号中的另一个而减小计数。 10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中所述转换包括使用具有脉冲密度调 制输出的1位-转换器。 11.根据权利要求10所述的方法，其中基于所述脉冲密度调制信号达到阈值进行限幅 检测。 权 利 要 求 书CN 102845079 A 1/5页 3 麦克风的控制 技术领域 0001 本发明涉及麦克风的控制。 背景技术 0002 扬声器和麦克风本质上包括可移动膜片或者其他部件，所述其他部件提供声压波 与电信号之间的转换。 0003 众所周知的是应当不是简单地通过输入信号驱。
7、动的方式控制扬声器的输出。例 如，造成扬声器失效的一个重要原因是机械缺陷，当移位所述扬声器膜片超过某个极限时 出现所述机械缺陷，所述极限通常由制造商提供。超过这个位移极限会立刻损坏所述扬声 器，或者可以显著地减少其预期使用寿命。 0004 存在若干方法来限制扬声器膜片的移位，例如通过利用可变截止滤波器(高通或 者其他)处理所述输入信号，经由前馈或者反馈控制回路控制所述滤波器的特性。 0005 对于麦克风出现类似的问题。麦克风正在从典型的模拟麦克风发展到数字麦克 风模块。这些麦克风模块典型地由以微机电系统(MEMS)工艺制造的传感器和模数转换 器(ADC)组成。所述ADC(典型地-转换器)的输出。
8、是向基带处理器输出所述数据的 PDM(脉冲密度调制)流。 0006 正常的声级(acoustic level)处在大约94dBSPL(声压1pA)。来自所述麦克风传 感器的电压在94dBSPL下是5mV。所述模块所需的信噪比典型地是61dB。这意味着64dB 用于所述传感器以及64dB用于所述ADC。在所述ADC输入处的等效噪声级别是3V。 0007 所述麦克风传感器的输出电压可以高达100mV，其对应于120dBSPL。那么所述ADC 的动态范围需要是90dB。 0008 对于在摇滚音乐会期间进行的录音，靠近所述音乐会扬声器的非常高的声压使所 述模块过载。因此，当以后列出(listing a。
9、fterwards)时所述录音失真。在可能发生机械 损坏之前，所述MEMS传感器本身能够处理高达140dBSPL的声压。然而，所述ADC不能提供 所需的信噪比，因而是最薄弱的环节。 0009 当存在背景噪声，特别是风噪声时，可能发生高声压级别。这种风噪声还将造成所 述ADC的限幅(clipping)。由于所述信号是失真并且非线性的，不能够无失真地实现以后 在噪声消除器中去除所述噪声。 0010 本发明涉及所述ADC的这一过载(限幅)问题。 发明内容 0011 根据本发明，提供了一种如权利要求1所述的麦克风电路。 0012 本发明通过基于所述ADC的限幅提供可变衰减(variable atten。
10、uation)来使能 所述最大声压的扩展。限幅的早期检测是可能的，使得可以发生快速启奏(fast attack)。 0013 所述可变衰减器包括可变输入负载，用于在ADC没有限幅之前减少所述输入信 号。 说 明 书CN 102845079 A 2/5页 4 0014 所述可变输入负载包括可变电容。然后这个可变电容可以与所述麦克风本身的电 容串联，使得形成可变电容分压器(capacitor divider)电路。 0015 所述可变电容可以包括在所述麦克风输出与控制端之间并联的电容器阵列，其中 所述阵列的电容器可独立地切换进或者切换出所述并联电路。例如，所述可变电容可以包 括二进制加权电容器阵列。
11、。 0016 所述控制电路可以包括计数器，控制所述计数器响应于限幅检测信号和非限幅检 测信号之一而增大，并且响应于所述限幅检测信号和所述非限幅检测信号中的另一个而减 小。因此，当存在限幅时，表示所述ADC已经达到其极限并且所述输入声压意味着要求信号 衰减，改变计数器，使得所述电容器网络配置改变。只有当所述限幅已经停止时，所述电容 器网络配置才恢复其以前的状态。这样提供了一种简单的控制方案。 0017 所述模数转换器可以包括具有脉冲密度调制输出的1位-转换器。然后，限 幅检测可以基于所述脉冲密度调制信号达到阈值。例如，所述阈值可以包括在给定长度的 位流中1s的给定比例。 0018 本发明还提供一。
12、种如权利要求7所述的处理麦克风输出信号的方法。 附图说明 0019 现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中： 0020 图1示出了第一已知的麦克风电路； 0021 图2示出了第一已知的麦克风电路； 0022 图3示出了本发明的麦克风电路的示例；以及 0023 图4用于解释在图3的电路中所采用的控制方案。 具体实施方式 0024 本发明涉及一种扩展在麦克风电路中ADC的动态范围的方法。 0025 存在若干种已知的方式来扩展动态范围。 0026 第一示例如图1所示。在所述ADC 12的输入处提供可编程增益放大器 (PGA)10(例如以1dB的步长从0至20dB的衰减可编程)。所述可编程放大器处理。
13、由放大器 13放大的麦克风11的信号。基带(BB)处理器14或者其他子系统实现所述控制，并且所述 PGA 10被设置成适当的放大率级别。缺点是所述BB处理器14确定所述启动时间(attack time)并且是缓慢的。另外，需要补偿所述PGA(1dB步长)的增益，否则在所述PGA的切换 期间将会听见咔嗒声。 0027 为了克服所述咔嗒声问题，也可能提供两个ADC。在图2中示出了一对ADC的结 构。所述标准ADC 12a处理100mVrms。所述第二ADC 12b处理1Vrms(20dB以上)。所述 两个路径具有不同的增益。因此，存在与与所述BB处理器14耦合的两个数据流(例如PDM 流)。所述B。
14、B处理器需要执行一些后处理来将所述两个流组合成一个不失真信号。从一个 流切换到另一个流可以非常快并且在所述BB处理器的内部实现。需要注意匹配所述两个 流。 0028 所述两个ADC的每一个均具有：按照电压参考源22a、22b形式的控制电路，用于 在所述差分ADC转换器的一个输入上设置电压；以及在所述ADC输入端之间的高阻抗元件 说 明 书CN 102845079 A 3/5页 5 24a、24b。在所示的示例中，包括两个背靠背二极管。这些二极管不导通，因为来自所述麦 克风的输入电压为100mV的数量级并且因此低于所述二极管的导通阈值。它们可以被不同 的高阻抗元件替代。每个ADC电路均具有恒定的。
15、增益。 0029 对于两个路径的不同增益可以由所述电容器28a、28b实现，所述电容器用所述麦 克风的电容定义电容分压器网络。 0030 也可以使用压缩/解压系统。然后，所述麦克风模块压缩所述信号，使得它适合所 述ADC的动态范围。在所述BB处理器中，需要所述反函数(inverse function)，并且所述 反函数解压所述信号以便重新产生不失真的音频信号。 0031 这些解决方案的缺点是所述BB处理器需要实现所述麦克风模块的动态范围扩 展。在所有情况下，所述输入信号需要被放大或者衰减。 0032 这意味着，在所述基带控制器中需要专门的控制算法。因为所述控制在所述麦克 风模块的外部发生，时间。
16、滞后可以导致做出适用于所述麦克风电路特性的所需修改。所述 BB处理器也将需要具有扩展的动态范围，所述动态范围与所述麦克风电路的扩展动态范围 相对应。 0033 本发明基于一种方法，其中所述麦克风模块本身实现所述麦克风增益的设置。 0034 本发明提供了一种麦克风电路，其中所述限幅检测电路检测何时所述模数转换器 输出已经达到阈值。基于所述限幅检测电路输出来控制可变衰减器，优选地以与所述麦克 风相关联的可变输入负载的形式。因此所述反馈是基于所述ADC输出电平，并且可以实现 这个信号的处理，无需所述信号的基带处理，它可以简单地基于所述ADC输出的状态。结 果，可以在所述麦克风模块内并且在所述基带处理。
17、之前实现所述反馈路径。因此，用于提供 反馈控制的检测信号直接在所述ADC的输出处。 0035 由于采样频率高，检测限幅事件之前的延迟是非常低的。同样地，所述启动时间可 以是快的。 0036 如在上面所述的系统中，需要放大或者衰减。可以认为所述麦克风具有电容器的 电气特性。所述有效数值在3pF的范围内。在本发明的一个优选实施方法中，通过加载(可 编程)电容器来衰减来自所述麦克风传感器的信号。 0037 图3示出了本发明所述麦克风电路的示例。 0038 按照与参考图2所解释的相同的方式驱动所述ADC，在所述参考输入与所述麦克 风模拟输入之间具有参考电压源和高阻抗。 0039 将所述ADC 12的输。
18、出提供给限幅检测电路30。限幅意味着所述数字输出已经达 到阈值，使得所述ADC在其优选工作范围的极限。这种限幅可以位于或者接近所述ADC的 最大数字输出。然而，在达到这个最大值之前，所述ADC的信噪比可以下降，并且因此可以 将所述阈值设置得较低，例如为所述最大数字输出的70-90。 0040 所述限幅检测用于引起所述麦克风信号的衰减。衰减控制单元32产生所要求的 控制信号。 0041 可以按照许多不同的方式实现所述衰减，包括如图1所示的可编程放大器，但是 所述衰减直接受控于所述ADC 12的输出。然而，在如图3所示的优选实施方法中，提供了 可变输入负载。在图3中这被实现为二进制加权电容衰减器，。
19、包括电容器-开关单元34a、 34b、34c、34d的阵列。 说 明 书CN 102845079 A 4/5页 6 0042 所述电容器阵列在所述麦克风11的输出与控制端(地)之间是并联的。所述阵 列的电容器可以通过相关联的开关独立地切换进或者切换出所述并联电路。 0043 如果需要实现20dB的最大衰减，所述总电容需要大约是所述麦克风电容的10倍 的数值。在3pF麦克风的示例中，需要30pF的最大电容。使用二进制加权功能，对于8位 衰减器，可以将所述电容器设置为大约16pF、8pF、4pF、2pF、1pF、0.5pF、0.25pF和0.125pF。 当将所述电容器都关断时，所述衰减最大。 0。
20、044 图4示出了所述衰减作为代码的函数，所述代码用于上述8位控制系统。 0045 通过向上/向下计时器可以实现所述衰减器控制。在一个示例中，代码0可以表 示没有衰减并且代码255表示最大衰减。 0046 只要所述限幅检测是有效的，所述计数器就向上计数。这以快速的方式(启动)完 成并且所述速度可以是可编程的。作为示例，可以使用可编程递加值0.04、0.08或者0.16。 0047 当没有检测到限幅时，所述计数器缓慢地向下计数，作为示例，使用可编程递减值 0.04e-3、0.08e-3或者0.16e-3，即比对于所述限幅检测信号的响应慢1000倍的因子。然 而，所述计数器运行在与所述ADC相同的。
21、时钟上，所以它计数非常快。所述计数器可被实现 为真实的向上/向下计数器，或被实现为积分器的形式。 0048 所述限幅检测器具有所述ADC输出作为输入。 0049 ADC的类型典型地是1位-转换器。所述输出是1位数据的PDM流。对于给 定流长度的脉冲密度从0(全“0”)变化达到100(全“1”)。在所述数据流的某个时 间范围内，“1”的实际个数与“1”的最大个数之间的比值用作阈值，并且确定所述输入信号 的实际数值。例如，对于10位的数据流，如果从所述ADC接收到3个逻辑“1”数值，它意味 着对所述最大值的30的数值进行编码。 0050 1位-ADC的最大不失真输出电平是在70-80的范围内，使得。
22、限幅检测器 可以基于用8个“1”数值的阈值(最大输出的80)对10位流中的“1”进行计数。然后 所述限幅检测信号变成有效的，并且因此所述衰减器控制减小了所述ADC的输入信号。由 于所述限幅检测作用于所述ADC输出并且通过检查10位，可以在所述ADC的10个时钟周 期内找到限幅检测。典型的时钟频率是在3MHz的范围内。这导致大约3s(101/f)的 检测时间。 0051 本发明可以用在数字麦克风模块中，其中需要增加的动态范围来处理高负载事 件，例如超过120dBSPL。所述基带处理器不要求这种扩展的动态范围，并且同样地可以无需 修改地使用这种标准基带处理器。 0052 如果在所述基带处理器内部需。
23、要扩展的动态范围或者如果需要恒定的增益(如 在回声消除器中)，由所述衰减器实现的反函数可以在所述基带处理器中实现。这不要求复 杂的反馈或者前馈路径就可以实现，因为所述限幅检测功能是基于所述PDM流的，所述PDM 流在所述麦克风模块以及所述基带处理器中都是可获得的。 0053 已经参考一位-转换器描述了本发明。然而，可以用其他转换器实现所述ADC 限幅检测，诸如多位-转换器、多级噪音整形技术(mash)和尼奎斯特(nyquist)ADC。 0054 基于在一个输入具有参考电压的差分ADC示出了静态增益控制。然而，其他控制 或者偏置方案可以与本发明的衰减控制组合。 0055 可以用不同的可变负载替换所述电容器阵列，例如不是纯电容负载，只要结果是 说 明 书CN 102845079 A 5/5页 7 在通过所述模数转换器处理之前衰减所述麦克风信号。 0056 上述电容数值只是作为示例，并且本发明可应用于不同的麦克风设计。本发明的 概念是使用所述模数转换器的数字电平作为参数，所述参数控制所述麦克风电输出信号的 衰减函数。 0057 本领域普通技术人员应当理解各种修改。 说 明 书CN 102845079 A 1/2页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102845079 A 2/2页 9 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102845079 A 。