專利名稱：一種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字助聽器麥克風讀出集成電路，而更詳細地涉及高精度的適用于助聽器微聲電系統(MEMS)麥克風傳感器的讀出集成電路。
背景技術：
隨著微聲電系統(MEMS)技術的不斷進步，微聲電助聽器麥克風傳感器應運而生，它具有體積小、功耗低、失真小和抗噪聲能力強等優點，其所對應的讀出電路成為エ業界研究的熱點。這種傳感器通常可等效為ー個較為理想的電壓源理想電壓源串上一個很小的電 阻。但麥克風微機電傳感器輸出的信號非常微弱，一般僅y V mV量級之間,這對讀出電路的設計提出了非常苛刻的要求。讀出電路的噪聲水平和精度決定了其所能檢測的最小信號幅度，所以低噪聲和高精度的讀出電路設計成為了實現讀出電路具有高精度的關鍵，尤其在數字助聽器需要非常低的電源電壓情況下。目前國際上麥克風讀出電路的模擬自動增益控制設計主要可分為模擬反饋控制運放前向開環增益，即模擬反饋控制運放偏置電流(參考瓊斯，馬丁內斯“ー種CMOS助聽器”，模擬集成電路和信號處理，21，163-172(1999);貝克‘ー種針對仿真耳的低功耗單環和雙環自動增益控制’，固態電路，SC-41 (9), pp. 1983-1996,2006)和模擬反饋控制可控MOS管等效電阻的柵源電壓(參考霍曼“一種低噪聲CMOS自動增益控制技木”，固態電路，SC-27(7)，pp. 974-981，1992 ;金淑永“ー種亞IV數字助聽器的高效前端模擬電路”，固態電路，SC-41 (4)，pp. 876-882,2006.)和電流模反饋控制MOS管跨導(參考格拉雷斯“低壓亞閾值指數放大與自動增益控制”，電路，器件與系統，Vol. 152,No. l,Feb 2005)兩種方案。而以上自動增益控制電路在模擬助聽器領域獲得廣泛的應用。但前者缺點在于其線性度會受到エ藝和電源電壓的限制，特別在電源電壓較低的情況下。模擬反饋的優點在于其信號具有較強的連續性。但模擬反饋的難點在于低電壓的運放輸出精度的實現。通常運放的放大倍數在模擬反饋的控制下已實現較理想的精度，而在集成電路中實現很高的精度是極其困難的，通常需要復雜的補償電路或者非常大的功耗。電流模反饋方式[5]的缺點在于運放本身沒有負反饋結構，從而系統對信號處理的精度較低。而數字助聽器又要求讀出電路具有非常好的讀出精度，這給讀出電路的設計提出了挑戰。
發明內容
本發明的目的是給出ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，可以用于數字助聽器的雙模自動増益控制讀出電路，其在用可控MOS管等效電阻控制增益的基礎上，在非壓縮狀態下由電阻陣列代替MOS管等效電阻，有效的解決了其非壓縮狀態下精度的問題；同時有效的解決了壓縮狀態下功耗較高的問題。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是—種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，用于助聽器的IV工作電源電壓；其包括可編程跨導運放,用于對麥克風MEMS輸出信號的放大；可編程跨導運放兩個輸入端分別同麥克風輸出端和地相連的兩個電容和電阻器件相連，構成對輸入信號的高通濾波；可編程跨導運放輸出端同輸入端相連的兩個電阻陣列單元，用于構成在非壓縮エ作狀態下可編程跨導運放對信號的放大；可編程跨導運放輸出端同輸入端相連的ー個MOS管等效電阻陣列單元，用于壓縮狀態下的自動增益控制；與電阻陣列単元和MOS管等效電阻単元相連的選擇開關；輸入端和輸出端連接包絡檢測電路輸出端和MOS管等效電阻陣列柵極的增益控 制電路，用于產生自動增益控制的電壓；輸入端和輸出端連接可編程跨導運放輸出端和增益控制單元輸入端的包絡檢測電路，用以對信號進行整流和濾波得到檢測可編程跨導運放輸出信號的能量。所述的雙模自動增益控制電路，其所述包絡檢測電路，采用濾波器級聯形式由電路中的1、2M0S管與電容C組成前端濾波電路，其兼有整流功能；4、5、6M0S管與電容Cl組成后端濾波電路。且1、2、6M0S管工作于亞閾值區。所述的雙模自動增益控制電路，其所述增益控制電路，通過運放ampl、2和管子Ml、2組成兩個負反饋回路實現功耗的自適應功能；且置管子M4于亞閾值區以提供ー個適用于控制MOS管等效電阻單元的控制電壓，從而實現在IV電源電壓下自動增益控制狀態下失真度的減小。本發明的電路適用于極低工作電源電壓(如，IV以下)，為便攜式數字助聽器提供了ー種低電壓，低功耗和高精度的讀出電路。同時，相應的發明了具有功耗自適應功能的增益控制電路，實現音量逐漸升高吋，其系統電路功耗的逐漸減小。以上電路在電源電壓IV以下，依然能正常工作。本發明提出了實現了自動控制増益在非壓縮工作狀態下高精度和功耗高效率檢測信號的方法和相應的在低電壓下工作的電路模塊。
圖I為本發明的ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路示意圖。圖中主要元件說明可編程跨導運放I第一隔離電容2第二隔離電容3第一輸入電阻4第二輸入電阻5第一電阻陣列6第二電阻陣列7選擇開關8MOS管等效電阻9包絡檢測電路10比較器11增益控制電路12圖2為本發明的ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路中工作于IV電源電壓以上的包絡檢測電路；圖3為本發明的ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路中工作于IV電源電壓以上的增益控制電路。
具體實施例方式本發明給出了ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，用于助聽器的IV工作電源電壓；其包括可編程跨導運放,用于對麥克風MEMS輸出信號的放大；可編程跨導運放兩個輸入端分別同麥克風輸出端和地相連的兩個電容和電阻器件相連，構成對輸入信號的高通濾波；可編程跨導運放輸出端同輸入端相連的兩個電阻陣列單元，用于構成在非壓縮エ作狀態下可編程跨導運放對信號的放大；可編程跨導運放輸出端同輸入端相連的ー個MOS管等效電阻陣列單元，用于壓縮 狀態下的自動增益控制；與電阻陣列単元和MOS管等效電阻単元相連的選擇開關；輸入端和輸出端連接包絡檢測電路輸出端和MOS管等效電阻陣列柵極的增益控制電路，用于產生自動增益控制的電壓；輸入端和輸出端連接可編程跨導運放輸出端和增益控制單元輸入端的包絡檢測電路，用以對信號進行整流和濾波得到檢測可編程跨導運放輸出信號的能量。其中包絡檢測電路，能夠實現不同的啟動時間和恢復時間，使自動增益控制電路對聲音信號的響應適應人耳的生理需要。本發明的雙模自動增益控制電路，是在音量逐漸增大的條件下，實現本身功耗減小的增益控制電路；同時提供一個適用于控制MOS管柵極，處于較高電位的兩個輸出控制電壓，以實現在IV電源電壓下自動增益控制狀態下失真度的減小。一種麥克風雙模自動增益控制電路，通過采用工作于低電源電壓的功耗高效率電路模塊和電阻陣列代替MOS管等效電阻的方式有效解決了現有技術中的功耗和非線性問題。本發明是由第一，ニ隔離電容和電阻器件2 5對麥克風直流信號進行高通，濾除麥克風直流信號，由可編程跨導運放電路I讀出麥克風微弱信號；比較器11比較包絡檢測電路10輸出的包絡信號和參考拐點閾值電壓，其比較結果確定選擇開關6的選取。當包絡檢測電路10檢測可編程跨導運放I輸出信號的包絡信號小于參考拐點閾值電壓時，系統電路工作于非壓縮工作狀態，選擇開關6選擇第一,ニ輸入電阻器件4,5和第一,ニ電阻陣列6，7作為反饋回路。當包絡檢測電路10檢測可編程跨導運放I輸出信號的包絡信號大于參考拐點閾值電壓時，系統電路工作于壓縮狀態，選擇開關6選擇MOS管等效電阻9作為反饋回路；同時增益控制電路12對包絡信號進行處理得到增益控制信號，此增益控制信號對MOS管等效電阻9的柵極電壓進行控制。該電路由于在非壓縮工作狀態下采用第一，ニ輸入電阻4，5和第一，ニ電阻陣列6，7代替MOS管等效電阻9的方式實現了低電源電壓下高精度的麥可風信號讀出，同時通過模擬反饋，控制MOS管等效電阻9柵極的方式實現了低電源電壓下的自動增益控制。圖I描述示范性的根據本發明實施的雙模自動增益控制電路。雙模自動增益控制電路分成以下幾個部分，包括可編程跨導運放(I)、將可編程跨導運放(I)第一和第二輸入端分別同麥克風輸出端和地相連的第一和第二電容和輸入電阻器件(2 5)、跨接于可編程跨導運放(I)第一輸入端和第二輸出端的第一電阻陣列出)、跨接于可編程跨導運放
(I)第二輸入端和第一輸出端的第二電阻陣列(7)、跨接于可編程跨導運放(I)輸入端和輸出端的MOS管等效電阻(9)、跨接于第一，ニ電阻陣列単元(4)和MOS管等效電阻(9)的選擇開關出)、輸出端和輸入端分別連接增益控制電路(12)輸入端和可編程跨導運放(I)輸出端的包絡檢測電路(10)、連接包絡檢測電路(10)輸出端和MOS管等效電阻(9)柵極的增益控制電路(12)、連接于包絡檢測電路(10)輸出端和選擇開關(6)之間的比較器(11)。在實際應用中，考慮較低的電源電壓和較低的功耗下，可編程跨導運放的輸出信號由包絡檢測電路對其進行包絡檢測(參考附圖2)。考慮此包絡檢測電路工作在低電源電壓狀態，此包絡檢測電路采用濾波器級聯形式，且1，2，6M0S管工作于亞閾值區13。由1，2M0S管與電容C組成前端濾波電路，其兼有整流功能；4，5，6M0S管與電容Cl組成后端濾波電路。由于設計前端濾波電路的截止頻率遠小于后端濾波電路。濾波器在大信號輸入吋，此濾波器的時間常數(壓縮時間)為
C VtT =-
IkI1隨后，大信號輸入變為小信號輸入時，4, 5,6M0S管關斷,則由后端濾波電路決定此濾波器的時間常數(恢復時間)為
C1Vt— "7_~
2 Af3由上述理論可知，包絡檢測電路可以實現不同的啟動和恢復時間.同時電路具有以下功能即輸入信號越大的情況下，輸出電壓Vwt則越小。在系統電路處于音量非壓縮和壓縮的工作狀態下時，包絡檢測電路的輸出信號由增益控制電路進行處理(參考附圖3)。包絡檢測電路的輸出信號Vpd或者壓縮拐點電壓Vth為此增益控制電路的輸入信號，V1和V2為輸出的控制信號，Vc是指數増益控制調整端。運放ampl，2和管子Ml，2組成兩個負反饋回路，由于電阻Rl與R2相等，這樣使管子Ml，M2和M5，M6的源漏電壓精確相等，提升電流的鏡像精度，從而大幅度提高增益控制電路的輸入電阻，因此，包絡檢測電路的輸出電壓Vpd或者是拐點電壓Vth可以直接加到增益控制電路的輸入端而不會產生衰減。高效增益控制電路的等效輸入電阻為 Rin = A* [r5// (R^r1)]其中A為運放ampl和管子Ml組成的負反饋回路開環增益，rl，5為Ml，5的漏極阻杭。在非壓縮工作狀態時，包絡電壓信號Vpd值大于拐點電壓VTH，此時Vth直接加到增益控制電路的輸入端。Ml，M2流過的電流為Icontrol =~—通過amp3和M4.組成的反饋回路使R3和R4間的節點電壓保持為Vc，由于R3和R4相等，所以兩個輸出電壓值分別為
Vlj2 = VC±VX由于R3，4，和Rl，2，相等，因此控制電路的差模電壓輸出為
權利要求
1.ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，用于助聽器的IV工作電源電壓；其特征在于，包括 可編程跨導運放，用于對麥克風MEMS輸出信號的放大； 可編程跨導運放兩個輸入端分別同麥克風輸出端和地相連的兩個電容和電阻器件相連，構成對輸入信號的高通濾波； 可編程跨導運放輸出端同輸入端相連的兩個電阻陣列單元，用于構成在非壓縮工作狀態下可編程跨導運放對信號的放大； 可編程跨導運放輸出端同輸入端相連的ー個MOS管等效電阻陣列單元，用于壓縮狀態下的自動增益控制； 與電阻陣列単元和MOS管等效電阻単元相連的選擇開關； 輸入端和輸出端連接包絡檢測電路輸出端和MOS管等效電阻陣列柵極的增益控制電路，用于產生自動增益控制的電壓； 輸入端和輸出端連接可編程跨導運放輸出端和增益控制單元輸入端的包絡檢測電路，用以對信號進行整流和濾波得到檢測可編程跨導運放輸出信號的能量。
2.根據權利要求I所述的雙模自動增益控制電路，其特征在于，所述包絡檢測電路，采用濾波器級聯形式由電路中的1、2M0S管與電容C組成前端濾波電路，其兼有整流功能；4、5、6M0S管與電容Cl組成后端濾波電路。且1、2、6M0S管工作于亞閾值區。
3.根據權利要求I所述的雙模自動增益控制電路，其特征在于，所述增益控制電路，通過運放ampl、2和管子Ml、2組成兩個負反饋回路實現功耗的自適應功能；且置管子M4于亞閾值區以提供一個適用于控制MOS管等效電阻単元的控制電壓，從而實現在IV電源電壓下自動增益控制狀態下失真度的減小。
全文摘要
本發明公開了一種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，涉及集成電路，包括可編程跨導運放、包絡檢測電路、增益控制電路、隔離電容、輸入電阻、電阻陣列、MOS管等效電阻、比較器和選擇開關。包絡檢測電路輸出信號和拐點閾值電壓比較結果決定電路的工作狀態在非壓縮工作狀態時，選擇開關選擇電阻陣列作為反饋回路放大麥克風輸出端的電壓信號減小電路的失真度；在壓縮工作狀態時，雙模自動增益控制電路啟用MOS管等效電阻作為反饋回路實現運放的自動增益控制。包絡檢測電路實現不同的啟動時間和恢復時間，增益控制電路實現在音量不同等級時功耗的有效利用。本發明用于助聽器，實現了極低電源電壓下高精度工作及控制電路功耗的高效率。
文檔編號H03G3/20GK102790594SQ20111012939
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月18日 優先權日2011年5月18日
發明者劉飛, 李凡陽, 楊海鋼 申請人:中國科學院電子學研究所