麦克风信号前置放大的集成电路、方法及芯片和电子设备.pdf

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1、10申请公布号CN102026062A43申请公布日20110420CN102026062ACN102026062A21申请号201010240618722申请日20100730H04R3/00200601H03F1/32200601H03F1/2620060171申请人炬力集成电路设计有限公司地址519085广东省珠海市唐家湾镇哈工大路1号15栋1单元1号72发明人吕连国熊江74专利代理机构上海明成云知识产权代理有限公司31232代理人成春荣竺云54发明名称麦克风信号前置放大的集成电路、方法及芯片和电子设备57摘要本发明涉及电子电路，公开了一种麦克风信号前置放大的集成电路、方法及芯片和电子设。

2、备。本发明中，麦克风直接接到IC的麦克风输入针脚。通过IC内部的电流采样模块对麦克风输入信号进行电流采样，由直流失调消除模块对经电流采样后的信号进行直流失调的消除并输出，由前置放大模块对直流失调消除模块输出的信号进行放大。本发明可省掉IC外部的所有元件和电源及电源开关，有效提高麦克风输入信号的信噪比、降低非线性失真，并且可以在IC内部将麦克风的前置放大完全关断，以降低功耗。51INTCL19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2页说明书7页附图4页CN102026077A1/2页21一种麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，包含麦克风输入针脚，用于接收麦克风输入的电流信号。

3、，所述麦克风输入针脚直接连接麦克风正极；电流采样模块，用于对所述麦克风输入针脚输出的电流信号进行电流采样，输出经电流采样后的信号，并且经电流采样模块后输出的信号为电压信号或电流信号；直流失调消除模块，用于对所述电流采样模块输出的信号进行直流失调的消除；前置放大模块，用于对所述直流失调消除模块输出的信号进行放大。2根据权利要求1所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述电流采样模块通过电流镜对所述麦克风输入针脚输出的电流信号进行电流采样，将所述麦克风输入针脚输出的电流信号进行K倍的比例缩小。3根据权利要求2所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述电流镜采用共源共栅电流镜。4。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述电流采样模块还用于在输出经电流采样后的信号之前，将经电流采样后的信号变换为电压信号，所述电流采样模块输出的信号为所述变换后的电压信号；所述直流失调消除模块进行的直流失调的消除，为失调电压的消除；所述直流失调消除模块通过超低通滤波器、2个金属氧化物半导体MOS晶体管构成的负反馈环，完成所述失调电压的消除。5根据权利要求4所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述超低通滤波器为MOSFETC滤波器或跨导电容GMC滤波器或LOGDOMAIN滤波器。6根据权利要求4所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所。

5、述超低通滤波器的带宽控制在预定的人耳不敏感的超低频带内。7根据权利要求1至3中任一项所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述直流失调消除模块进行的直流失调的消除，为对经过电流采样模块输出的电流的直流分量的消除；所述直流失调消除模块通过将所述电流采样模块输出的信号经过一个高通滤波器，完成所述的电流直流分量的消除；或者，所述直流失调消除模块通过将所述电流采样模块输出的电流信号减去该输出的电流信号经过低通滤波器处理后的电流信号，完成所述电流流分量的消除。8根据权利要求7所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述高通滤波器为基于电流域的LOGDOMAIN滤波器。9根据权利要求7所。

6、述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述低通滤波器为基于电流域的LOGDOMAIN滤波器。10根据权利要求7所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述前置放大模块在对所述直流失调消除模块输出的信号进行放大时，将所述直流失调消除模块输出的信号经过电流电压转换器，实现将电流信号转换为电压信号和信号的放大功能。11根据权利要求10所述的麦克风信号前置放大的集成电路，其特征在于，所述电流电压转换器通过电阻1、电阻2和运算放大器组成的反相放大器实现。权利要求书CN102026062ACN102026077A2/2页312一种麦克风信号前置放大的方法，其特征在于，包含以下步骤直接对由麦。

7、克风输入的电流信号进行电流采样；对经所述电流采样后的信号进行直流失调的消除；将经直流失调消除后的信号进行放大。13一种芯片，其特征在于，所述芯片包含权利要求1所述的麦克风信号前置放大的集成电路。14一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包含权利要求1所述的麦克风信号前置放大的集成电路。权利要求书CN102026062ACN102026077A1/7页4麦克风信号前置放大的集成电路、方法及芯片和电子设备技术领域0001本发明涉及电子电路，特别涉及麦克风前置放大的集成化技术。背景技术0002麦克风，学名为传声器，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。二十世纪，麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电。

8、感、电容式转换，大量新的麦克风技术逐渐发展起来，这其中包括铝带、动圈等麦克风，以及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风。0003在针对电流输入、类似驻极式电容麦克风的应用方案中，传统的应用方案如图1所示。麦克风将声压信号转换为一个直流电流信号加上一个交变的电流信号。上拉电阻R直接将电流转化成电压信号，电压信号再经过一个隔直电容C1耦合到IC集成电路内部的前置放大器输入端。0004然而，上述应用方案存在以下问题00051IC内部实际上是对电压信号进行采样，需要一个低噪声的外接电源VMIC，低噪声要求一个旁路电容C2以滤除噪声，并且因低功耗要求需要S1进行开关切换；如果此电源来自于IC，那么需要。

9、一个独立的PIN脚针脚和一个旁路电容；00062需要一个电阻R进行直流偏置和微弱放大的作用；00073需要一个隔直电容C1以确定IC内部的工作点；00084由于A点的小信号放大倍数较小，内部需要高倍数的放大，对运算放大器的噪声提出严苛的要求，导致IC面积的增加和功耗的增加；00095麦克风的正端直接就是微弱放大的输出端，麦克风内部的JFET结型场效应管的沟道长度调制效应会引起非线性失真问题。发明内容0010本发明的目的在于提供一种麦克风信号前置放大的集成电路、方法及芯片和电子设备，省去IC外部的所有元件和电源及电源开关，并且能够有效提高麦克风输入信号的信噪比、降低非线性失真。0011为解决上述。

10、技术问题，本发明的实施方式提供了一种麦克风信号前置放大的集成电路，包含0012麦克风输入针脚，用于接收麦克风输入的电流信号，麦克风输入针脚直接连接麦克风正极；0013电流采样模块，用于对麦克风输入针脚输出的电流信号进行电流采样，输出经电流采样后的信号，并且经电流采样模块后输出的信号为电压信号或电流信号；0014直流失调消除模块，用于对电流采样模块输出的信号进行直流失调的消除；0015前置放大模块，用于对直流失调消除模块输出的信号进行放大。0016本发明的实施方式还提供了一种麦克风信号前置放大的方法，包含以下步骤说明书CN102026062ACN102026077A2/7页50017直接对由麦克。

11、风输入的电流信号进行电流采样；0018对经电流采样后的信号进行直流失调的消除；0019将经直流失调消除后的信号进行放大。0020本发明的实施方式还提供了一种芯片，该芯片包含上述麦克风信号前置放大的集成电路。0021本发明的实施方式还提供了一种电子设备，该电子设备包含上述麦克风信号前置放大的集成电路。0022本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于0023在IC外部不需要任何附加的电源和无源元件，麦克风直接接到IC的麦克风输入针脚。通过IC内部的电流采样模块对麦克风输入信号进行电流采样，由直流失调消除模块对经电流采样后的信号进行直流失调的消除并输出，由前置放大模块对直流失调消除模块输出。

12、的信号进行放大。由于是将麦克风直接接到IC的麦克风输入针脚，因此可省掉IC外部的所有元件和电源及电源开关，在外部电源由IC内部提供的情况下进一步可以省掉IC的一个PIN脚和一个旁路电容。由于是对麦克风输入信号通过共源共栅电流镜进行电流采样而非电压采样，并且电流采样的小信号增益是传统方法的5倍以上，使得本发明能够有效提高麦克风输入信号的信噪比、降低非线性失真，并且可以在IC内部将麦克风的前置放大完全关断，以降低功耗。0024进一步地，电流采样模块通过电流镜对麦克风输入针脚输出的电流信号进行电流采样，将麦克风输入针脚输出的电流信号进行K倍的比例缩小，以达到降低功耗的目的。0025进一步地，电流镜可。

13、以采用共源共栅电流镜，以提高对电源的电源抑制比POWERSUPPLYREJECTIONRATIO，简称“PSRR”，降低麦克风咪头的沟道长度调制效应引起的谐波失真和增益误差。0026进一步地，对经电流采样后的信号进行的直流失调消除，可采用电压的方式实现，消除失调电压，也可采用电流的方式实现，消除电流的直流分量，使得本发明的实施方式可灵活实现。0027进一步地，失调电压的消除可通过超低通滤波器、MOS晶体管MP1、MOS晶体管MN1构成的负反馈环实现，该超低通滤波器的带宽控制在人耳不敏感的超低频带内，使得该反馈环只对接近直流的输入信号起作用，而对音频信号不起作用，从而将直流工作点确定在固定的电压。

14、VREF上，同时不影响正常音频信号的放大功能。0028进一步地，在针对电流的实现方式中，电流直流分量的消除可通过将电流采样模块输出的信号经过一个高通滤波器实现；或者，通过将原电流信号减去经过一个低通滤波器处理后的电流信号实现，使得消除直流电流分量的实现方式灵活多变。附图说明0029图1是根据现有技术中的针对电流输入、类似驻极式电容麦克风的应用方案示意图；0030图2是根据本发明第一实施方式的麦克风信号前置放大的集成电路结构示意图；说明书CN102026062ACN102026077A3/7页60031图3是根据本发明第一实施方式电路实现的示意图；0032图4是根据本发明第一实施方式中的具体基于。

15、GMC滤波器实现直流失调消除的示意图；0033图5是根据本发明第二实施方式中的直流失调消除通过电流实现的示意图；0034图6是根据本发明第二实施方式中的具体基于LOGDOMAIN高通滤波器实现直流失调消除的示意图；0035图7是根据本发明第三实施方式中的具体基于LOGDOMAIN低通滤波器实现直流失调消除的示意图；0036图8是根据本发明第四实施方式的麦克风信号前置放大的方法流程图；0037图9是根据本发明第五实施方式的麦克风信号前置放大的方法流程图。具体实施方式0038在以下的叙述中，为了更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下。

16、各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。0039为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。0040本发明第一实施方式涉及一种麦克风信号前置放大的集成电路，在该集成电路IC外部不需要任何附加的电源和无源元件，麦克风直接接到该IC的麦克风输入针脚MICINPIN上。如图2所示，该IC包含0041麦克风输入针脚，用于接收麦克风输入的电流信号，麦克风输入针脚直接连接麦克风正极。0042电流采样模块，用于对麦克风输入针脚输出的电流信号进行电流采样，并输出经电流采样后的信号。0043直流失调消除模块，用于对电流采样模块。

17、输出的信号进行直流失调的消除。0044前置放大模块，用于对直流失调消除模块输出的信号进行放大。0045具体地说，通过麦克风输入针脚接收到麦克风输入的电流信号后，由电流采样模块对该麦克风的电流信号进行电流采样，经电流采样后的A点电流包含直流电流IDC和交流电流IAC，即流过A点的电流为IAIDCIAC0046A点之后的电路的实现方式有两种，一种是电流实现方式，一种是电压实现方式，但无论哪种实现方式，都需要通过直流失调消除模块进行直流失调的消除。0047在本实施方式中，采用电压实现的方式，完成直流失调的消除。也就是说，电流采样模块在完成电流采样后，将采样后的电流信号变换为电压信号，即将流过A点的电。

18、流转换为电压信号VDCVAC，VDC与IC内部放大工作点VOP有一个失调电压VOS，即VDCVOPVOS，直流失调消除模块必须将电流采样模块输出的电压信号中的VOS消除。经过直流失调消除模块后，B点的电压为VBVOPVAC。使得后续的前置放大模块基于正常工作点就可以正常的进行小信号放大。0048具体地说，如图3所述，电流采样模块是通过电流镜来实现的，即通过电流镜对麦克风输入针脚接收到的电流信号进行电流采样，将接收到的电流信号进行K倍的比说明书CN102026062ACN102026077A4/7页7例缩小，以达到降低功耗的目的。其中，电流镜可采用共源共栅CASCODE电流镜，以提高信号转换对电。

19、源的PSRR，同时降低咪头的沟道长度调制效应引起的谐波失真和增益误差。此外，可以理解，在实际应用中，也可以采用其他类型的电流镜完成对电流信号的电流采样。0049缩小后的电流流过一个电阻R1，转换为电压信号OUT1，输出给直流失调消除模块。直流失调消除模块通过一个超低通滤波器LOWPASSFILTER，简称“LPF”及MOS晶体管MP1、MN1构成的负反馈环，完成失调电压VOS的消除。如图3所示，直流失调消除模块由一个超低通滤波器LPF及MP1、MN1构成，这样当OUT1点的直流电平增加时，VFB电压反馈会增加，MP1、MN1组成一个高增益的反相器，使OUT1点的直流电平降低，这个负反馈环路使O。

20、UT1点的直流电平固定在指定的工作点。0050需要说明的是，只要能满足噪声和成本要求，直流失调消除模块中的LPF可以采用任何架构的超低通滤波器实现，如MOSFETC滤波器，GMC滤波器或LOGDOMAIN滤波器。此外，可以理解，超低通滤波器也可以采用其他类型的滤波器，在此不一一例举。下面以GMC滤波器为例详细说明0051负反馈环由超低跨导的OTA运算跨导放大器LGMOP、补偿电容C1、MP1、MN1构成，如图4所示。咪头输入端栅端到OUT1的传输函数为0052005300540055F3DBGM，FBR1A0，LGMP0，LGMGM，FBR1GBWLGM00560057其中，GM，MIC为咪头。

21、的跨导，P0，LGM为LGMOP的主极点，A0，LGM为LGMOP的直流增益，GBWLGM为LGMOP的带宽，GM，FB为MP1、MN1跨导之和。0058从上式可以看出直流的衰减为音频带内的增益为截止频率为GM，FBR1GBWLGM。0059本领域技术人员可以理解，由LGMOP、补偿电容C1组成的超低通滤波器的带宽，由LGMOP的跨导和C1的电容决定，跨导越小，C1越大，带宽越低，但成本越高。说明书CN102026062ACN102026077A5/7页8在本实施方式中，将由LGMOP、补偿电容C1组成的超低通滤波器的带宽控制在预定的人耳不敏感的超低频带内，如控制在人耳不敏感的50HZ以下。这。

22、样该反馈环只对接近直流的输入信号起作用，而对正常的音频信号不起作用，因此能够将OUT1的直流工作点确定在固定的电压VREF上，同时不影响正常音频信号的放大功能。0060由于传统方案音频带内的增益为GM，MICR但传统方案中R的阻值比本实施方式中R1的阻值小得多，而在本实施方式中，通过合理调整比例因子K及R1电阻值，可以使OUT1点的增益达到传统方案IC外部放大增益的5倍以上。使本实施方式对电源VMIC、LGMOP、MP1、MN1及后续的PRE_AMP前置放大的噪声要求大大降低，对后续的PRE_AMP的放大增益要求也大大降低，从而大幅度降低了设计难度、IC面积成本及功耗。并可以提高麦克风输入的信。

23、噪比，降低非线性失真。而且，为降低功耗，本实施方式在IC内部可以将电路完全关断。0061另外，由于在IC外部不需要任何附加的电源和无源元件，是将麦克风直接接到IC的麦克风输入针脚，因此可省掉IC外部的所有元件和电源及电源开关，在外部电源由IC单独提供的情况下进一步可以省掉IC的一个PIN和一个旁路电容。0062本发明第二实施方式涉及一种麦克风信号前置放大的集成电路。第二实施方式与第一实施方式基本相同，区别主要在于0063在第一实施方式中，对经电流采样后的信号进行的直流失调消除，是采用电压的方式实现，消除失调电压，而在本实施方式中，对经电流采样后的信号进行的直流失调消除，是采用电流的方式实现，消。

24、除直流分量。因此在电流采样模块对麦克风的电流信号进行电流采样后，无需再转换为电压信号，直接输出经电流采样后的电流信号。0064由于在电流采样模块对麦克风的电流信号进行电流采样后，流过A点的电流为IAIDCIAC，而实际IC需要的只是IAC，因此必须将IDC消除。经过直流失调消除模块后，得到IC内部需要的IAC，即流过B点的电流为IAC。在此基础之上，后续的前置放大模块再进行小信号放大。前置放大模块在对直流失调消除模块输出的信号进行放大时，将直流失调消除模块输出的信号经过电流电压转换器，实现将电流信号转换为电压信号和信号的放大功能。该电流电压转换器通过电阻1、电阻2和运算放大器组成的反相放大器实。

25、现。0065具体地说，如图5所示，电流采样模块同样是通过电流镜来实现的，电流镜对输入电流进行K倍的比例缩小以降低功耗。缩小后的电流流过一个高通滤波器HIGHPASSFILTER，简称“HPF”，消掉直流分量IDC，只剩下小信号分量IAC，小信号分量IAC再通过前置放大模块中的一个电流电压转换器IVCONVERTER，转换为电压信号，同时进行放大。电流电压转换器IVCONVERTER可通过电阻1、电阻2和运算放大器组成的反相放大器实现如图6所示。0066由于LOGDOMAIN滤波器是在电流域处理信号的，恰好可以用在本电流实现方式中，因此，本实施方式中的高通滤波器可以为基于电流域的LOGDOMAI。

26、N滤波器，如图6所示，为了清楚区分图6中的电阻1与图4中的R1并非同一个电阻，图6中的电阻1以R1表示，咪头输入端栅端到VOUT的小信号增益为说明书CN102026062ACN102026077A6/7页900670068可见，咪头输入端栅端到VOUT的小信号增益与R1无关，但为了避免运算放大器的噪声被过大的放大，R1值不宜取得过小。0069此外，可以理解，在实际应用中，高通滤波器也可以采用其他类型的电流域滤波器，在此不一一例举。0070不难发现，对经电流采样后的信号进行的直流失调消除，可采用电压的方式实现，消除失调电压如第一实施方式，也可采用电流的方式实现，消除直流分量如第二实施方式，使得本。

27、发明的实施方式可灵活实现。0071本发明第三实施方式涉及一种麦克风信号前置放大的集成电路。第三实施方式与第二实施方式基本相同，区别主要在于0072在第二实施方式中，直流失调消除模块通过将电流采样模块输出的信号经过一个高通滤波器，完成直流分量的消除。然而在第三实施方式中，直流失调消除模块是通过将电流采样模块输出的信号减去该输出的信号经过低通滤波器处理后的电流信号，完成直流分量的消除。0073具体地说，如图7所示，将在第二实施方式中高通滤波器HPF实现的消除直流分量的功能，通过用原电流信号减去经过低通滤波器LPF处理后的电流信号来实现，其中的减法运算通过MN1/MN2组成的电流镜来实现。0074由。

28、于直流分量的消除可通过将电流采样模块输出的信号经过一个高通滤波器实现，也可以通过将原电流信号减去经过一个低通滤波器处理后的电流信号实现，使得消除直流分量的实现方式灵活多变。0075需要说明的是，上述各种实施方式中提到的各单元都是逻辑单元，在物理上，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现，这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的，这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明上述各种实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，这并不表明上述各种实施方式并不。

29、存在其它的单元。0076另外，值得一提的是，上述各种实施方式中的麦克风信号前置放大的集成电路也可以包含在芯片或电子设备中。0077本发明第四实施方式涉及一种麦克风信号前置放大的方法，具体流程如图8所示。0078在步骤810中，直接对由麦克风输入的电流信号进行电流采样。具体地说，无需任何附加的电源和无源元件，直接通过麦克风输入针脚接收麦克风输入的电流信号，对麦克风的电流信号进行电流采样而非电压采样。在进行电流采样时，通过电流镜对由麦克风输入的电流信号进行电流采样，将由麦克风输入的电流信号进行K倍的比例缩小。其中，电流镜可采用共源共栅电流镜。0079接着，在步骤820中，将经电流采样后的信号变换为。

30、电压信号，具体地，缩小后的电流流过一个电阻R1，转换为电压信号OUT1。说明书CN102026062ACN102026077A7/7页100080接着，在步骤830中，对转换后的电压信号进行直流失调的消除。在本实施方式中，进行的直流失调的消除，为失调电压的消除。具体地说，可通过超低通滤波器、MOS晶体管MP1、MOS晶体管MN1构成的负反馈环，完成失调电压的消除。其中，超低通滤波器的带宽需要控制在预定的人耳不敏感的超低频带内。0081接着，在步骤840中，将经直流失调消除后的信号进行放大。0082不难发现，本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。。

31、第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。0083本发明第五实施方式涉及一种麦克风信号前置放大的方法。第五实施方式与第四实施方式基本相同，区别主要在于0084在第四实施方式中，对经电流采样后的信号进行的直流失调消除，是采用电压的方式实现，消除失调电压，而在本实施方式中，对经电流采样后的信号进行的直流失调消除，是采用电流的方式实现，消除电流的直流分量，即无需将经电流采样后的信号变换为电压信号，直接对经电流采样后的信号直流失调消除，消除直流分量。0085本实施方式中，在进行直流失调的消除时，通。

32、过将电流采样后的信号经过一个高通滤波器，完成直流分量的消除。或者，在进行直流失调的消除时，通过将电流采样后的信号减去电流采样后的信号经过低通滤波器处理后的电流信号，完成直流分量的消除。0086具体流程如图9所示，在步骤910中，直接对由麦克风输入的电流信号进行电流采样。本步骤与步骤810相同，在此不再赘述。0087接着，在步骤920中，对经电流采样后的电流信号进行的直流分量的消除。比如说，可以将经电流采样后的电流信号经过一个高通滤波器，消掉直流分量；或者，可以将经电流采样后的电流信号减去该电流信号经过低通滤波器处理后的电流信号，实现直流分量的消除。0088接着，在步骤930中，对直流分量消除后。

33、的信号进行放大。具体可通过电流电压转换器，实现将消掉直流分量的电流信号转换为电压信号和信号的放大功能。0089不难发现，本实施方式是与第二或第三实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第二或第三实施方式互相配合实施。第二或第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二或第三实施方式中。0090虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。说明书CN102026062ACN102026077A1/4页11图1图2说明书附图CN102026062ACN102026077A2/4页12图3图4说明书附图CN102026062ACN102026077A3/4页13图5图6说明书附图CN102026062ACN102026077A4/4页14图7图8图9说明书附图CN102026062A。