具有輸入濾波器的麥克風緩沖器電路的制作方法
【專利摘要】一種緩沖器包括緩沖部分、有源電阻器和控制部分。緩沖部分配置成從麥克風接收信號。有源電阻器連接到緩沖部分且控制部分連接到有源電阻器。控制部分配置成選擇性地使得有源電阻器有效或失效。當有源電阻器有效時，有源電阻器和麥克風的電容形成高通濾波器。高通濾波器對于過濾來自通過緩沖部分從麥克風接收的信號的噪聲是有效的。
【專利說明】具有輸入濾波器的麥克風緩沖器電路
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請在35U.S.C.§ 119(e)下要求2011年7月12日提交的名為“具有輸入濾波器的麥克風緩沖器電路”的美國臨時申請N0.61/506，715的優先權，此處通過引用其全部內
容以作參考。
【技術領域】
[0003]本申請涉及麥克風，且更具體而言，涉及與這些麥克風相關的緩沖器電路。
【背景技術】
[0004]各種類型的麥克風系統近年在各種應用中使用。這些系統中的麥克風典型地接收聲學能量且將該聲學能量轉換成電學電壓信號。該電壓信號通過其他應用進一步處理或用于其他目的。例如，在助聽器系統中，麥克風可以接收聲學能量，且將聲學能量轉換成電學電壓信號。電壓信號可以被放大器或其他信號處理電子電路放大或處理，且然后通過接收器向助聽器的用戶或佩戴者呈現為聲學能量。舉另一個具體示例，便攜式電話中的麥克風系統典型地接收聲音能量，將該能量轉換成電壓信號，且然后該電壓信號被進一步處理以被其他應用使用。麥克風也在其他應用和其他設備中使用。
[0005]數字聽力儀器技術中的最新進步明顯地改善了聽力障礙用戶的聆聽體驗。然而，繼續考慮的一個領 域涉及這些用戶在諸如可能由風導致的嘈雜室外聆聽條件中聆聽聲音。風可以形成干擾，使得聆聽者在聆聽他們希望聽到的聲音方面具有困難。原有方法經常嘗試減小或消除該問題，但是由于各種不同原因未能成功。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]為了更徹底地理解本公開，將參考下面的詳細描述和附圖，附圖中:
[0007]圖1包含根據本發明的各個實施方式的聲學系統的框圖；
[0008]圖2包含根據本發明的各個實施方式的緩沖器電路的一個示例的電路圖；
[0009]圖3包含根據本發明的各個實施方式的緩沖器電路的另一示例；
[0010]圖4包含示出根據本發明的各個實施方式，對于固定柵極電壓和接地源極電壓，增強NMOS晶體管的漏極電流與漏極電壓性能特征的關系的圖表。
[0011]本領域技術人員將意識到，圖中的元件用于簡單和清晰目的。還應當意識到，以指定發生順序描述或示意了某些動作和/或步驟，而本領域中技術人員應當理解實際并不需要這種相對于順序的特異性。還應當理解，除非此處提及了專門的意義，否則此處使用的術語和表達相對于其對應的各個查詢和研究領域具有依照這種術語和表達的普通意義。
【具體實施方式】
[0012]提供通過減小或消除風噪聲或其他類型的低頻干擾的影響改善聽力儀器的用戶的聆聽體驗的方法。提供高通濾波器(HPF)功能且該功能的部分合并到緩沖器電路中。這樣做，低頻干擾(例如，風導致的噪聲)自動地從感興趣的信號去除，而同時仍向用戶提供其他緩沖器功能。
[0013]在一個方面中，高通濾波器(HPF)網絡的至少一些部分直接合并到麥克風緩沖器電路中，從而減小風噪聲可能對聽力儀器(或其他)用戶的聆聽體驗質量造成的負面影響。在一個示例中，經由使用增強NMOS晶體管實現諸如風噪聲濾波器之類的這種高通濾波器的引入，該增強NMOS晶體管配置為“有源電阻器”，其漏極和源極端子連接在麥克風緩沖器輸入端子和電路中合適的DC電壓參考之間。
[0014]在很多這些方法中，用于“有源電阻器”的合適電學柵極端子偏置使得它設置設備的有效電阻為引入電學HPF功能的值。這進而直接在麥克風緩沖器電路的輸入端子處抑制了任意風噪聲的低頻內容。在一個優勢中，HPF網絡幫助防止緩沖器電路輸入端子被風噪聲干擾電學過載。在其他優勢中，此處描述的方法允許例如通過聽力儀器數字信號處理器(DSP)的下游信號處理，以容易去除在低頻的附加風噪聲，同時與原先麥克風相比(如上所述通常通過低頻風噪聲干擾過載)，在風噪聲干擾事件中維持這種改善的音頻信號質量。
[0015]在一些方面中，“有源電阻器”(例如增強NMOS晶體管)可以控制為提供固定或可調節電阻，且因此實施用于高通濾波器的固定、可變或可調節HPF截止(或轉角)頻率。在其他方面中，風噪聲濾波器可以經由控制信號開啟/關閉。開啟/關閉風噪聲濾波器特征的能力通常是有利的，因為用于“有源電阻器”的低電阻值(例如，將設置相對高的HPF截止頻率，其對于抑制風噪聲干擾是極其有效的)在不存在風噪聲干擾的靜態條件下將明顯地劣化緩沖器電路噪聲性能。因此，在不需要風噪聲濾波器特征時，在這些安靜條件下關閉風噪聲濾波器特征的能力改善了聽力儀器系統中的整體麥克風信噪比(SNR)性能。
[0016]應當意識到，盡管此處的描述涉及去除風噪聲，應當意識到，這些方法可以用于充分減小任意類型的低頻噪聲干擾，無論源是什么。
[0017]現在參考圖1，音頻系統100的一個示例包括麥克風102、緩沖器104、放大器106、控制器107和接收器108。功率例如從電池(未示出)或一些其他能量源提供到這些元件。
[0018]麥克風102可以是接收聲學能量且將該能量轉換成電學信號的任意麥克風(或換能器)。例如，麥克風102可以是駐極體麥克風,諸如是Knowles Electronics of Itasca,111出售的商業可得的FG3629麥克風。這種駐極體麥克風可以包括連接到FET(也未示出)的柵極的荷電板(未示出)。麥克風102可以包括膜件且可以包括微機電系統(MEMS)組件。
[0019]放大器106放大電學信號以被接收器108使用。例如,放大器106可以將信號從6dB放大到20dB。其他放大值是可行的。
[0020]控制器107向緩沖器104提供控制信號。例如，控制器107提供使得緩沖器104提供的高通濾波功能有效或失效的控制信號。
[0021]接收器108可以是諸如揚聲器的任意接收器設備。接收器108將放大器106放大的電學信號轉換成放大的聲音，例如，用于向用戶(例如，助聽器的佩戴者或一些電學處理應用)呈現。接收器和接收器功能的其他示例是可行的。
[0022]緩沖器104典型地降低麥克風換能器102呈現的阻抗。如果換能器阻抗不被降低，任意電壓信號可能變得被下游系統電子電路的裝載影響充分抑制且SNR可能減小到不希望的水平。在一個示例中，IOM歐姆的典型麥克風換能器阻抗在緩沖器輸出減小3個量級(例如減小到4K歐姆)。[0023]緩沖器104還在其輸入提供HPF功能(例如它包括HPF網絡的至少一些部分)且該HPF功能可以通過緩沖器中的“有源電阻器”實施。“有源電阻器”可以配置和控制為提供固定或可調節電阻，由此提供用于高通濾波器功能的固定或可變HPF截止頻率。在一些方面中，濾波器可以經由數字控制信號(例如來自于控制器107)開啟或關閉。開啟/關閉噪聲濾波器特征的能力通常是有利的，因為用于“有源電阻器”的低電阻值(例如，將在可聽聆聽帶中設置相對高的HPF截止頻率，但它還對于抑制風噪聲干擾是極其有效的)在不存在風噪聲干擾(即，因為濾波器提供的截止頻率處于可聽頻帶中)的安靜條件下可能明顯地劣化緩沖器電路噪聲性能。在這些安靜條件下關閉HPF特性的能力將由此在正常聆聽條件中(例如當不需要風噪聲濾波器特征時)改善聽力儀器系統中的整體麥克風SNR性能。
[0024]在圖1的系統的操作的一個示例中，在麥克風102接收聲學能量。例如，這種聲學能量可以是人類語言、音樂或任意其他聲音或聲音組合的形式。麥克風102將該能量轉換成電學信號，且將它傳遞到緩沖器。緩沖器104典型地降低麥克風102呈現的阻抗。緩沖器104還選擇性地提供HPF功能且緩沖器104提供的這種HPF功能去除了緩沖器104接收的信號中的干擾。更具體而言，緩沖器104配置成去除低于HPF截止或轉角頻率以下的信號干擾。如別處所述，該功能可以通過外部控制源例如通過控制器107有效或失效。緩沖器104然后將信號提供到放大信號的放大器106。該信號然后從放大器106發送到接收器108，信號在接收器108中被進一步處理。
[0025]現在參考圖2，描述了緩沖器電路200的一個示例。緩沖器電路200包括第一二極管(Dl) 202、第二二極管(D2) 204、電阻器207 (&)、第一晶體管(Ml) 206、第二晶體管(M2)208、第三晶體管(M3)210、開關212和電流源IBIAS214。在一個方面中，這些組件可以布置在也包括麥克風換能器的單個半導體/MEMS芯片上。電路的第一部分220提供緩沖功能(即，減小連接到Vin的麥克風換能器阻抗)、第二部分(包括晶體管208 (M2))在緩沖器輸入提供在HPF功能中使用的有效電阻；且第三部分222控制是否提供HPF功能。包含音頻內容的電學信號在Vin從麥克風接收且在Vwt輸出。
[0026]晶體管206 (Ml),208 (M2)和210 (M3)分別是耗盡NM0S、增強NMOS和增強NMOS晶體管，每一個具有指定尺寸。也可以使用其他類型的半導體設備或設備的組合。當在此使用時，術語晶體管“尺寸”表示諸如晶體管的溝道寬度、晶體管的溝道長度和倍數(即多少晶體管可以并聯連接以形成等價晶體管)之類的尺寸。其他參數也可以描述晶體管的尺寸。
[0027]圖2的電路被布置和選擇為提供適于電路的盡可能大的Ibias電流。Ibias被選擇為合適的值，因為當圖2的電路暴露于光時，光電流將在電路中被誘生且Ibias應當盡可能大，使得光電流的影響盡可能可忽略。在一個示例中，Ibias被選擇為介于InA和IOOnA之間的電流值。Ibias的其他值是可行的。
[0028]開關212在開關212斷開時使得電路的HPF功能有效。當開關212閉合時，HPF功能失效。開關212可以經由控制信號232通過控制器(在圖2中未示出)控制。在一個方面中，系統(助聽器系統)中的數字信號處理器監控低頻能量的大小。當該低頻能量到達特定閾值時，它將發送適當的控制信號以使得我們的風噪聲濾波器特征有效。一旦低頻能量降低到較低閾值以下，DSP將檢測風噪聲干擾被充分減弱且它使得HPF失效以允許正常的操作。
[0029]如上所述，晶體管208 (M2)配置成有源電阻器。當開關212閉合且晶體管210(M3)截止時，晶體管208 (M2)的電阻基本變成無限值，有效地在點231變成其連接中的開路阻抗。通過“HPF功能”且當在此使用時，意味著晶體管208 (M2)在緩沖器電路輸入提供電阻，且麥克風換能器的等價電容提供用于在輸入Vin提供(且隨后在Vwt輸出)的電學信號的高通濾波器且用于將這些信號抑制到通過該電阻和電容器確定的截止或轉角頻率以下。
[0030]當HPF功能有效(B卩，開關212斷開且晶體管210 (M3)有效)時，晶體管208 (M2)的電阻通過Ibias和晶體管210和212的尺寸設置。例如，晶體管210 (M3)和212 (M2)的溝道長度、溝道寬度和倍數可以被選擇以設置用于晶體管212 (M2)的特定電阻值。晶體管208 (M2)的有效電阻變成用于HPF功能的電阻。應當意識到，“有源電阻器”(晶體管208(M2))的源極端子可以連接到地或非接地電壓參考(VKEF)。用于二極管Dl和D2的下部公共端子(即，它們未連接到Vin的端子)將通常連接到與晶體管208 (M2)和210 (M3)的源極端子的電壓相同的偏置電壓。使用GND或Vkef的選擇通過電路設計者決定以允許用于緩沖器電路輸入設備206 (MD的最佳偏置條件。使用GND或Vkef的選擇通過電路設計者決定以允許用于緩沖器電路輸入設備206 (MD的最佳偏置條件。
[0031]如上所述，晶體管208 (M2)提供的有效電阻基于晶體管210 (M3)和212 (M2)的尺寸和偏置電流(Ibias)確定。該有效電阻值通過示出針對給定Ibias電流的晶體管208(M2)的漏極電流特性的曲線的斜率來量化，且一個示例在圖4中示出。在曲線的線性區域402中，晶體管208 (M2)用作電阻器且在非線性區域404中，晶體管208 (M2)用作電流源。曲線的斜率的數學倒數是晶體管208 (M2)的電阻。希望在線性區域402中操作晶體管208(M2)。應當意識到，改變控制晶體管208 (M2)的柵極電壓的Ibias電流改變晶體管208 (M2)的電阻。
[0032]在操作中，Ibias被設置且晶體管210 (M3)和208 (M2)的尺寸參數也被設置(例如二者可以在構建圖2的電路的設計和制造過程中設置為預定值)。設置這些參數針對晶體管208 (M2)配置特定柵極電壓，這進而配置晶體管208 (M2)以具有特定有效電阻。晶體管208 (M2)提供的電阻至少部分地設置用于HPF功能的HPF截止頻率。在Vin連接到圖2的電路的麥克風換能器的電容是HPF功能的電容。如上所述，開關212用于使得HPF功能有效或失效。
[0033]二極管202 (Dl)和204 (D2)針對緩沖器輸入晶體管206 (Ml)的柵極設置DC偏置電壓。電阻器207 (?)用于設置緩沖器電路中晶體管206 (Ml)的增益和DC偏置電流。典型地，電阻器207 (Rl)是22K歐姆，且晶體管206 (Ml)具有3.6um的溝道長度、IOOum的寬度和I的倍數。晶體管206 (MD的DC偏置電流典型地約為25uA，且緩沖器輸出阻抗約為4K歐姆。當HPF特征有效(即開關212斷開)時，晶體管208 (M2)例如將緩沖器輸入阻抗從10太歐姆減小到320M歐姆，這基本設置HPF轉角頻率處于音頻帶中且抑制來自麥克風換能器的低頻信號。當濾波器功能失效(即，開關212閉合)時，二極管202 (Dl)和204(D2)典型地將緩沖器輸入阻抗設置在10太歐姆且在緩沖器輸入沒有HPF功能有效，從而抑制來自麥克風換能器的任意信號。
[0034] 在一個示例中，上述方法用于配置晶體管208(M2)以具有320M歐姆的有效電阻且該值有效地抑制小于約500Hz的所有信號。在一個示例中且為了實現這些結果，Ibias(214)是InA，晶體管208 (M2)的溝道長度是5um，溝道寬度是20um，倍數是1，而晶體管210 (M3)的溝道長度是5um，溝道寬度是20um且倍數是10。用于這些參數的其他數值是可行的。[0035]在晶體管208 (M2)有效的一些應用中，晶體管208 (M2)的阻抗足夠低以提供音頻帶中的截止頻率(例如500Hz)。因為風或其他噪聲對于人類語音的可理解度不是問題，所以控制信號232用于在需要時(例如在存在風噪聲時)開啟HPF功能且在不需要時(當沒有風噪聲時)關閉該功能。本方法是可控的，因為HPF功能交替地開啟或關閉，且不是在所有時間都是開啟或關閉的。因而，本方法對于在需要時(例如當起風時)減小低頻噪聲干擾是有效的且能夠在不需要(例如無風時)時關閉。
[0036]現在參考圖3，描述緩沖器電路200的另一示例。緩沖器電路300包括第一二極管(Dl) 302、第二二極管(D2) 304、電阻器307 (&)、第一晶體管(Ml) 306、第二晶體管(M2)308、第三晶體管(M3) 310。在一個方面中，這些組件可以布置在也包括麥克風換能器的單個半導體/MEMS芯片上。在該芯片外部提供開關312和可調節電流源Ibias314。外部開關312控制是否提供HPF功能。電路320的第一部分提供緩沖功能(即，減小由連接到Vin的麥克風換能器提供的阻抗)；第二部分(包括晶體管308 (M2))在緩沖器輸入提供在HPF功能中使用的有源電阻；且第三部分322在開關312不使HPF功能失效時設置晶體管308 (M2)的有效電阻值的值。包含音頻內容的電學信號在Vin從麥克風換能器接收且在Vwt輸出。
[0037]晶體管306 (Ml),308 (M2)和310 (M3)分別是耗盡NM0S、增強NMOS和增強NMOS晶體管，每一個具有指定尺寸。也可以使用其他類型的設備或設備的組合。當在此使用時，術語晶體管“尺寸”表示諸如晶體管的溝道寬度、晶體管的溝道長度和倍數(即多少晶體管可以并聯連接以形成等價晶體管)之類的尺寸。其他參數也可以描述尺寸。
[0038]晶體管308 (M2)配置成有源電阻器。當HPF功能有效(即Ibias導通且開關312斷開)時，晶體管308的電 阻通過Ibias的值和晶體管310 (M3)和308 (M2)的尺寸設置。例如，晶體管310 (M3)和308 (M2)的溝道長度、溝道寬度和倍數可以被選擇。晶體管308 (M2)的有效電阻變成HPF功能的電阻。“有源電阻器”(晶體管308 (M2))和晶體管310 (M3)的源極端子可以連接到地或非接地電壓參考(VKEF)。用于二極管Dl和D2的下部公共端子(即，它們未連接到Vin的端子)將通常連接到與晶體管308 (M2)和310 (M3)的源極端子的電壓相同的偏置電壓。
[0039]在操作中，Ibias經由控制信號330通過控制器(在圖3中未示出)設置且晶體管310(M3)和308 (M2)的尺寸參數也被設置(例如，在構建圖3的電路的設計和制造過程中)。設置Ibias和這些參數針對晶體管308 (M2)配置特定柵極電壓，這進而為晶體管308 (M2)提供特定的有效電阻。晶體管308 (M2)提供的電阻至少部分地設置用于高通濾波器功能的HFP截止頻率，而換能器(連接到圖3的緩沖器電路300的輸入Vin)的電容是用于設置HPF功能的電容。
[0040]二極管302 (Dl)和304 (D2)針對緩沖器輸入晶體管306 (Ml)的柵極設置DC偏置電壓。電阻器307 (?)用于設置緩沖器電路中晶體管306 (Ml)的增益和DC偏置電流。典型地，電阻器307 (Rl)是22K歐姆，且晶體管306 (Ml)具有3.6um的溝道長度、IOOum的寬度和I的倍數。晶體管306 (MD的DC偏置電流典型地約為25uA，且緩沖器輸出阻抗約為4K歐姆。當HPF特征有效(即開關312斷開)時，晶體管308(M2)例如將緩沖器輸入阻抗從10太歐姆減小到320M歐姆，這基本設置HPF轉角頻率處于音頻帶中且抑制來自麥克風換能器的低頻信號。當HPF功能失效(Ibias關斷和/或開關312閉合)時，二極管302 (Dl)和304 (D2)典型地將緩沖器輸入阻抗設置在10太歐姆，且在緩沖器輸入沒有HPF功能是有效的，以抑制來自麥克風換能器的任意信號。
[0041]在一個示例中，晶體管308 (M2)是320M歐姆且這抑制了小于約500Hz的所有信號。在一個示例中，外部偏置電流Ibias (314)是InA，晶體管308 (M2)的溝道長度是5um，溝道寬度是20um，倍數是1，而晶體管310 (M3)的溝道長度是5um，溝道寬度是20um且倍數是10。用于這些參數的其他數值是可行的。
[0042]應當意識到，圖3的緩沖器為HPF提供也可以被外部激活或失效的可調節轉角頻率。HPF失效通過關斷Ibias (例如設置Ibias=O)和/或外部地控制開關以連接信號節點Vctri到地(例如通過閉合開關312)提供。開關312的致動和Ibias電流的調節可以通過控制器自動地控制。
[0043]在操作中，可調節Ibias電流314和開關312位于緩沖器芯片片外和麥克風外部。為了使得HPF功能失效，開關312應當經由控制信號332閉合以穩固地確保晶體管308 (M2)和晶體管310 (M3)失效(Ibias電流可以保留導通或關斷，因為它典型地是僅約InA的極小電流)。IBIAS314用于設置晶體管308 (M2)的柵極處的電壓，該電壓控制其有效電阻。該電壓是可調節的(通過調節電流Ibias的值)且當晶體管308 (M2)的柵極處的電壓變化時，晶體管308 (M2)的電阻改變。例如，IOOnA的Ibias值可以得出3M歐姆的晶體管308 (M2)的電阻。因此，當Ibias的值增加時，晶體管308 (M2)的有效電阻減小，且HPF轉角頻率也增加，這將導致風噪聲和/或其他低頻干擾的進一步抑制。
[0044]此處描述了本發明的優選實施方式，包括發明人知道的用于實施本發明的最佳模式。應當理解，所述實施方式僅是示例性的，且不應視為本發明的限制。
【權利要求】
1.一種緩沖器電路，該緩沖器電路包括: 緩沖部分，該緩沖部分配置成從麥克風接收信號； 有源電阻器，該有源電阻器連接到所述緩沖部分； 控制部分，該控制部分連接到所述有源電阻器，該控制部分配置成選擇性使得所述有源電阻器有效或失效； 使得當所述有源電阻器有效時，所述有源電阻器和所述麥克風的電容形成高通濾波器，該高通濾波器對于過濾來自通過所述緩沖部分從所述麥克風接收的所述信號的噪聲是有效的。
2.根據權利要求1所述的緩沖器電路，其中，當所述有源電阻器失效時，沒有由所述麥克風的元件形成高通濾波器。
3.根據權利要求1所述的緩沖器電路，其中，所述控制部分還包括控制所述有源電阻器的有效和失效的開關。
4.根據權利要求2所述的緩沖器電路，其中，所述開關選擇性地使得所述高通濾波器有效和失效。
5.根據權利要求1所述的緩沖器電路，其中，所述有源電阻器是NMOS晶體管。
6.—種聲學設備,該聲學設備包括: 麥克風； 緩沖器電路，該緩沖器電路連接到所述麥克風，該緩沖器電路包括: 緩沖部分，該緩沖部分配置成從所述麥克風接收信號； 有源電阻器，該有源電阻器連接到所述緩沖部分； 控制部分，該控制部分連接到所述有源電阻器，該控制部分配置成選擇性使得所述有源電阻器有效或失效； 使得當所述有源電阻器有效時，所述有源電阻器和所述麥克風的電容形成高通濾波器，該高通濾波器對于過濾來自通過所述緩沖部分從所述麥克風接收的所述信號的噪聲以及提供噪聲減小的信號是有效的。
7.根據權利要求6所述的聲學設備，其中，所述有源電阻器是NMOS晶體管。
8.根據權利要求6所述的聲學設備，所述聲學設備還包括連接到所述緩沖器電路的輸出的放大器，該放大器配置成接收所述噪聲減小的信號。
9.根據權利要求8所述的聲學設備，所述聲學設備還包括揚聲器，該揚聲器連接到所述放大器。
【文檔編號】H04R3/00GK103975607SQ201280044190
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年7月12日 優先權日:2011年7月12日
【發明者】S·E·波爾 申請人:美商樓氏電子有限公司