用于放大电容信号源提供的信号的系统和集成电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于放大电容信号源提供的信号的系统和集成电路。系统包括：可变增益放大器，包括被配置为耦接至所述电容信号源的输入节点；模数转换器，耦接至所述可变增益放大器的输出端；数字增益块，耦接至所述模数转换器的输出端；以及增益控制电路，被配置为测量耦合至所述可变增益放大器的模拟信号的振幅，根据第一增益函数调整所述可变增益放大器的第一增益，以及根据第二增益函数调整所述数字增益块的第二增益。
【专利说明】
用于放大电容信号源提供的信号的系统和集成电路
[0001] 本申请是申请日为2013年4月16日，申请号为201310132190.8,发明名称为"用于 高输入电容信号放大器的系统和方法"的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明总体设及半导体电路和方法，更具体地，设及用于低失真电容信号源的放 大器。
【背景技术】
[0003] 音频麦克风通常用于各种消费者应用中，例如，移动电话、数字录音机、个人计算 机和电话会议系统。特别地，批量生产的成本敏感应用中使用低成本驻极体电容传声器 化CM) "ECM麦克风通常包括安装在具有声孔和电输出端的小封装内的驻极体材料薄膜。驻 极体材料粘贴在隔膜上，或本身构成隔膜。大多数ECM麦克风还包括与目标应用，例如，移动 电话内的音频前端放大器对接的前置放大器。另一种麦克风是微电子机械系统(MEMS)麦克 风，可实施为直接蚀刻在集成电路上的压敏隔膜。
[0004] 环境声压级跨越非常大的动态范围。例如，人类听觉的阔值约为(WBS化，谈话的声 音约为60地SPL，而50m之外的喷气式飞机的声音约为140地S化。麦克风(例如，MEMS麦克风） 的隔膜能承受高强度声信号，并精确地将运些高强度声信号转换为电子信号，但对运种高 电平信号的处理较为困难。例如，优化许多音频麦克风放大器和前置放大器，W用于一个特 定动态范围。由此，运些系统可能无法在不产生严重失真的情况下处理整个音频范围。
【发明内容】
[0005] 根据实施方式，一种用于放大电容信号源提供的信号的系统，包括:可变增益放大 器，包括被配置为禪接至所述电容信号源的输入节点;模数转换器，禪接至所述可变增益放 大器的输出端;数字增益块，禪接至所述模数转换器的输出端；W及增益控制电路，被配置 为测量禪合至所述可变增益放大器的模拟信号的振幅，根据第一增益函数调整所述可变增 益放大器的第一增益，W及根据第二增益函数调整所述数字增益块的第二增益
[0006] 根据实施方式，一种用于放大电容信号源提供的信号的集成电路，所述集成电路 包括:信号放大器，包括被配置为禪接至所述电容信号源的输入节点；峰值检测器，禪接至 所述信号放大器的输出端;增益控制器，禪接至所述峰值检测器的输出端;可控衰减电路， 禪接至所述信号放大器的所述输入节点，并且禪合至所述增益控制器的第一增益控制信 号;模数转换器，禪接至所述信号放大器的输出端;数字滤波器，禪接至所述模数转换器的 输出端；W及增益系数控制块，禪接至所述数字滤波器并禪合至所述增益控制器的所述第 二增益控制信号，其中，所述增益控制器被配置为响应于所述电容信号源的增加的振幅增 加所述可控衰减电路的衰减或减少所述信号放大器的增益，并响应于所述电容信号源的增 加的振幅增加所述数字滤波器的增益。
[0007] 根据实施方式，一种方法包括:确定电容信号源提供的输入信号的振幅;基于确定 的振幅在模拟域内压缩输入信号，w形成压缩模拟信号;将压缩模拟信号转换为压缩数字 信号；W及，在数字域内解压数字信号，W形成解压数字信号。在实施方式中，压缩模拟信号 包括调整与电容信号源禪合的放大器的第一增益，解压数字信号包括调整数字处理块的第 一千尚兴 -曰 ΓΤΠ- 〇
[0008] 下文中的附图和说明对本发明的一个或多个实施方式的细节进行了阐述。根据说 明书、附图W及权利要求，本发明的其他特征、目标和优点将是显而易见的。
【附图说明】
[0009] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在将结合附图进行W下说明，在附图中：
[0010] 图la至图le示出了根据本发明实施方式的放大器集成电路；
[0011]图2a至图2c示出了根据另一实施方式的示例性放大器集成电路；
[001^ 图3曰至图3c示出了示例性过零检测器、示例性峰值检测器和示例性时序图；
[001引图4曰至图4d示出了示例性增益控制曲线；W及
[0014] 图5示出了示例性封装麦克风系统。
[0015] 不同图中的对应数字和符号基本表示对应部分，除非另有说明。绘制附图的目的 在于明确示出优选实施方式的相关方面，其并不一定按比例绘制。为了更明确地示出特定 实施方式，图号后可能会添加表示相同结构、材料或过程步骤的变化的字母。
【具体实施方式】
[0016] 下文将对当前优选实施方式的制造和使用进行详细说明。但是，应理解的是，本发 明提供的多个适用概念可在各种特定环境下实施。所述特定实施方式仅为制造和使用本发 明的特定方式的举例说明，并不限定本发明的范围。
[0017] 下文将就特定环境下的实施方式，即，用于诸如MEMS的电容信号源或驻极体电容 传声器化CM)的放大器对本发明进行说明。但是，本发明还可用于其他类型的电路和系统， 例如，音频系统、通信系统、传感器系统和连接到高阻抗信号源的其他系统。
[0018] 在实施方式中，通过在模拟域中压缩电容信号源的输出信号，对压缩信号进行模 数转换，随后在数字域中解压信号，放大器可保持诸如麦克风的电容信号源的较大动态范 围。通过进行压缩和解压，电容传感器或麦克风的总灵敏度可在其整个输出范围内保持恒 定。例如，在某些实施方式中，可达到140地S化的高声信号，同时将系统的总谐波失真保持 在10%W下。
[0019] 在某些实施方式中，通过衰减电容信号源的输出信号而实现电容信号源的输出信 号的压缩。在某些实施方式中，可实施前端衰减的控制和实施，例如，如2011年8月25日提交 的名称为"用于低失真电容信号源放大器的系统和方法"的共同待决申请13/217,890所述。 该申请的全部内容通过引用结合于此。例如，在一个实施方式中，可通过调整禪合至输入放 大器(禪合至电容信号源的输出端)的输入端的阻抗而对信号进行衰减。可通过控制禪合至 放大器的输入端的电容而调整输入电平。在另一个实施方式中，可通过控制禪合至放大器 的输入端的电阻而调整输入电平，使高通网络可调。可替代地，可在放大器的输入端使用其 他阻抗类型。在另外的实施方式中，可通过调整电容传感器的两个板之间的电压而控制输 入电平，从而调整电容传感器本身的声信号到电信号的增益。
[0020] 在某些实施方式中，使用峰值检测器在放大级的输出端感应麦克风或电容传感器 的信号电平。随后调整输入信号的振幅，直到放大级的输出小于峰值检测器确定的峰值。在 某些实施方式中，过零检测器检测到输入信号或放大输入信号的AC过零时调整输入信号的 振幅。可替代地，可使用其他电平或功率传感系统、电路或方法，例如，RMS或平均功率电平 检测器。
[0021] 图la示出了示例性放大器集成电路（IC)IOO,其被配置为禪合至MEMS麦克风102， MEMS麦克风102用虚线示出，W表示麦克风102并不一定包括在1C 100上。在某些实施方式 中，麦克风102还可包括在1C 100上，或包括在收容在同一封装内的单独模子(die)上。在替 代实施方式中，可使用诸如ECM麦克风的其他麦克风类型，或其他类型的电容传感器电路， 代替MEMS麦克风102。
[0022] 1C 100具有可变增益放大器106、模数转换器(A/DH08、可变数字增益块110、信号 检测和电平自适应块112、数字接口 114和偏压发生器104。可变增益放大器106具有放大 MEMS麦克风102的输出的一个或多个级，MEMS麦克风102通过输入引脚(pad) 116禪接至1C 100。在某些实施方式中，可实施可变增益放大器106的一部分，例如，如于2011年7月14日提 交的名称为"用于电容信号源放大器的系统和方法"的共同待决申请13/183,193所述。该申 请的全部内容通过引用结合于此。可替代地，可根据本领域中已知的技术实施可变增益放 大器106。在一个实施方式中，数字接口 114向输出引脚118输出麦克风信号的位流或脉冲宽 度调制表示。附加地和/或可替代地，向输出接口提供数字增益块110的多位输出，并/或将 其在内部使用。
[0023] 在一个实施方式中，信号检测和电平自适应块112测量可变增益放大器106的输出 端的振幅，并将增益控制信号GC巧日GC2作为测量振幅的函数而对其进行计算。可替代地，信 号检测和电平自适应块112可测量放大器106的信号输入的振幅。在某些实施方式中，响应 于电容信号源或麦克风102输出的振幅增加，信号检测和电平自适应块112减少可变增益放 大器106的增益。信号检测和电平自适应块112通过GC1减少可变增益放大器106的增益时， 可变数字增益块110的增益相应增加。通过响应于可变增益放大器106的增益减少而相应增 加数字增益块110的增益，麦克风系统的灵敏度在非常大的动态范围内都为线性。
[0024] 在某些实施方式中，对于达到预定阔值的输入电平，可变增益放大器106的增益和 数字增益块110的增益固定。超过该阔值时，压缩被应用于可变增益放大器106,扩展被应用 于数字增益块110。在一个实施方式中，该阔值被设定为约115地SPL。可替代地，可采用其 他阔值。在某些实施方式中，设置该阔值，W使用尽可能多的A/D转换器108的输入动态范 围，但不会对高信号电平下的A/D转换器108的输入进行限幅，和/或在高输入电平下造成过 大音频失真。在替代实施方式中，或在替代模式下，信号检测和电平自适应块112可被配置 为在低输入电平下在可变增益放大器106提供信号放大，并在数字增益块110提供压缩，W 进一步减少ADC的噪声贡献，并降低关于面积和电流消耗方面的系统设计要求。例如，通过 允许电容输入源102的噪声贡献，在较低输入电平下使用越高的增益削弱模数转换器108的 噪声贡献，可变增益放大器106的输入级变得越重要，从而降低较低输入电平下的输入相关 噪声电平。在实施方式中，可使用诸如西格玛-德尔塔A/D转换器的音频过采样数据转换器 实施模数转换器108。可替代地，可使用其他模数转换器架构。在一个实施方式中，模数转换 器108具有约1M化至约4M化的采样率，使用抽取滤波器，采样率降低到约8.33kHz至约 33.33曲z。数字接口 114在约IMHz至约4MHz的频率下提供位流或脉冲宽度调制输出。在替代 实施方式中，还可采用运些范围之外的采样率。数字输出118可用于驱动运些电路(包括，但 不限于）：抽取滤波器和其他后处理块。
[0025] 在使用MEMS麦克风的某些实施方式中，偏压发生器104为麦克风102本身在引脚 117提供偏压。在某些实施方式中，根据特定麦克风和系统实施方式，该偏压可在约3V和约 16V之间。可替代地，可采用其他电压范围。如果麦克风或传感器102不要求有偏压，或在其 他位置提供所需偏压，可省略偏压发生器104。应进一步理解的是，可使用替代实施方式中 的一个W上的部件和/或一个W上的1C实施1C 100上的部件。
[0026] 图化示出了信号检测和电平自适应块112的示例性实施。峰值检测器122检测可变 增益放大器106的输出端的峰值信号，控制器124根据峰值检测器122的输出经由增益控制 信号GC1控制可变增益放大器106的增益，并经由增益控制信号GC2控制数字增益块110的增 益。可使用数字字、脉冲调制信号或模拟信号(例如，电流或电压)实施增益控制信号GC1。增 益控制信号GC2实施为(例如)数字字或脉冲调制数字信号。
[0027] 图Ic示出了根据本发明实施方式的可变增益放大器106。可变增益放大器106包括 放大器128前面的衰减器126。在实施方式中，可使用可选择电容器阵列、可选择电阻器阵列 或其他有源或无源衰减器结构实施衰减器126。在实施方式中，可选择电阻器阵列可用于转 换电高通转移函数的转角频率，W提供可调衰减，其中，较低转角频率为电容传感器的电容 和1C 100的输入阻抗的函数。放大器128将单端输入信号127转换为差分输出信号化和Vn。 可使用共同待决申请13/183，193和13/217，890所述的电路，或使用本领域中已知的其他放 大器结构实施衰减器126和放大器128。可替代地，放大器128的增益还可由增益控制信号 GC1控制。
[0028] 图Id示出了用于在输入端实施可变增益的替代电路。此处，增益控制信号GC1控制 偏压发生器132,偏压发生器132向禪接放大器134的MEMS麦克风102提供偏压。在某些实施 方式中，MEMS麦克风102的增益与提供的偏压成正比。通过响应检测的峰值信号电压而改变 偏压，电容传感器的灵敏度改变，导致改变了放大器108的输入端的信号电平。可使用电荷 累前面的数模转换器(如共同待决申请13/217,890所述)或使用本领域中已知的其他电路、 系统或技术实施可变电压偏压发生器132。
[0029] 图le示出了数字增益块110和数字接口 114的示例实施方式。可使用数字滤波器 140和增益系数选择块142实施数字增益块110。在一个实施方式中，数字低通滤波器140接 收模数转换器108的单个位输出，执行数字低通滤波函数，并生成N位滤波数字输出信号。可 替代地，数字滤波器140可实施任何其他滤波函数，包括但不限于，带通和高通滤波函数。在 一个实施方式中，数字滤波器140生成8位信号;然而，也可采用其他分辨率。根据特定应用 及其规格，数字滤波器140可实施为有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)或其他 数字滤波器类型。增益系数块142根据增益控制信号GC2选择滤波系数，例如，Z域滤波系数。 在一个实施方式中，数字低通滤波器140为具有可调转移函数144和约IMHz和约4MHz之间的 采样率的二阶滤波器。可替代地，也可使用其他滤波器阶数、采样率和转移函数。数字低通 滤波器140还可包括用于A/D转换器108的抽取滤波器。
[0030] 在实施方式中，使用数字噪音整形器146实施数字接口 114。可使用诸如具有约 IMHz和约4MHz之间的采样率的5阶反馈结构的西格玛-德尔塔（Σ-Δ)0/Α实施数字噪音整 形器146。可替代地，还可使用其他结构。在实施方式中，数字增益块110和数字接口 114被配 置为具有比模数转换器108低的噪底。在某些实施方式中，该噪底至少比模数转换器108的 噪底低20地;但是，根据特定应用及其规格，可使用其他余量。
[0031] 图2a示出了根据本发明实施方式的1C 200。在某些实施方式中，可使用1C 200的 部件实施图la所示的1C 100的功能。在实施方式中，1C 200经由放大器输入脚244和偏压脚 248连接到MEMS麦克风202或其他类型的电容传感器。可使用衰减器272、前置放大器206和 放大器208实施可变增益放大器278。放大器208对放大器206的输出端进行单端到差分的转 换。通过将放大器206的单端输出转换为差分信号，生成的信号更难受到干扰，例如，电源干 扰的影响。在放大器206已经生成差分输出信号的实施方式中，放大器208可省略。正峰值检 测器210和负峰值检测器212分别由放大器208的输出端260和262驱动。在实施方式中，正负 峰值检测器210和212将其峰值保持有限的一段时间，例如，约lOys至约1ms。毫无疑问，也可 将峰值保持该范围之外的其他时间段。可替代地，正负峰值检测器210和212可具有差分输 入，代替单端输入。
[0032] 在实施方式中，由使用(例如)可选择电容器和输入电阻器的可选择输入阻抗或输 入信号分离器实施衰减器272。解码器270基于数字信号256生成衰减器272的开关选择信 号，在某些实施方式中，还可用于改变放大器206的增益。可替代地，可使用其他衰减器结 构。
[0033] 放大器206的输入可由电压源231和串联电阻器233代表的偏压发生器235偏压。在 实施方式中，可使用本领域中已知的偏压技术实施该偏压发生器。
[0034] 过零检测器214禪接至放大器206的输出端。在实施方式中，过零检测器214的输出 用于确保衰减器的开关设置或信号增益仅在检测到过零时变化，从而减少改变输入衰减器 设置期间的可闻失真。可替代地，过零检测器214的输入端可禪接到信号链中的其他点，例 如，到差分转换器208的单端的输出端。在本发明的另外的替代实施方式中，过零检测器214 可省略。
[0035] 差分比较器216将正峰值检测器210和负峰值检测器212与固定阔值Vnmax和Vlmin 相比较。在实施方式中，运些固定阔值被设定为与约114地S化和约118地S化之间的等量输 入压力对应。运些阔值的绝对值取决于麦克风的灵敏度、封装特性、偏压条件和其他因素。 可替代地，可使用与其他声压范围对应的阔值。还可使用可调阔值提供可调或可变换增益 曲线。
[0036] 在实施方式中，所述系统可被配置为通过引入第二差分阔值电平提供增加的增 益，W降低声压电平。此处，放大器增益增加，使信号始终高于第一阔值电平但低于第二阔 值电平。在一个实例中，较低阔值电平可被设定为与约-15(18!^的40(：输出电平对应，较高阔 值电平可被设定为与约-12dBK的ADC输出电平对应。根据特定系统、其规格和ADC的特定设 计，可使用其他阔值电平。
[0037] 可使用施密特触发器实施比较器216,但是，在替代实施方式中，可使用其他比较 器类型。在图2a所示的实施方式中，使用差分实施方式实施比较器216,其中，将到差分转换 块208的单端的差分输出直接与正峰值检测器210中存储的最大正差分信号和负峰值检测 器212中存储的最大负差分信号相比较。
[0038] 比较器216的输出生成峰值检测信号264,其通过"与"Π 222与过零检测器的输出 进行"与"运算。应理解的是，逻辑口 222为可W本领域中已知的各种方式实施的逻辑函数的 举例说明。
[0039] "与"Π 的输出（代表在检测的过零区的检测峰值)被禪接到加法/减法计数器224 的输入端。在实施方式中，如有检测峰值，加法/减法计数器224递增，如无检测峰值，加法/ 减法计数器224递减。加法/减法计数器的递减下降到限定限值(与衰减器272被配置为不提 供衰减的情况对应）。如果比较器216始终指示输入信号低于阔值电平，则实现运一点。在某 些实施方式中，倒计数所需的时间大于正计数。在实施方式中，正计数率和倒计数率可编 程。正计数率和倒计数率可选择为在不产生可闻伪声的范围内的值。例如，在某些实施方式 中，所述正计数率和倒计数率被选择为约50化和200Hz之间。可替代地，可使用该范围之外 的其他正计数率和倒计数率。
[0040] 查找表化UT)226被禪接到加法/减法计数器的输出端。在实施方式中，LUT 226输 出η位数字字256,所述η位数字字256由解码器270和数字解压块276解码。在实施方式中，η 位数字字256为8位;然而，根据特定实施方式及其规格，可使用其他位宽度。可替代地，LUT 226可输出对解码器270和数字解压块276具有不同位宽度的两个单独字。
[0041] 可使用西格玛-德尔塔A/D转换器实施A/D转换器274,可使用数字噪音整形器前面 的可调系数数字滤波器实施数字解压块276，如上文中图le的实施方式所述。可替代地，可 使用其他转换器和可变增益架构。在实施方式中，数字解压块276向输出脚280提供单个位 位流输出。
[0042] 在实施方式中，电压源236、电阻器238和低通滤波器240代表的偏压发生器234在 引脚248上输出用于麦克风202的偏压。可使用（例如）电荷累和/或本领域中已知的其他技 术实施偏压发生器234。在实施方式中，在衰减器设置变化期间，对转角频率为mHz至化范围 的低通滤波器通过开关242进行分路。对低通滤波器240进行分路使麦克风202的偏压在衰 减器272的设置变化之后快速稳定。
[0043] 图化示出与电容信号源202有关的放大器206和208的示例实施方式。MEMS装置202 禪接至第一级放大器206,第一级放大器206进一步禪接至第二级208。衰减器272与第一级 放大器206的输入端244并联禪合。第一级放大器206具有基于晶体管Ml和电容器C11和C22 的增益增强源跟随电路，第二级放大器208具有电容反馈配置方式的全差分放大器260。 MEMS装置202通过电压源Vmic、麦克风电容Cmic和寄生电容Cp建模。在实施方式中，MEMS装 置202由与电阻器RB串联的电压源VB偏压，电阻器RB的电阻在G Ω范围内。电阻器RB和电容 器C22形成对来自电压源VB的噪声进行滤波的低通滤波器。可替代地，根据特定系统及其规 格，RB可采用较低电阻值。
[0044] 在实施方式中，偏压装置VB、RB、第一级206和第二级208设置在同一集成电路(1C) 200上，MEMS麦克风202经由连接垫244和248连接到1C 200。可替代地，MEMS麦克风202还可 设置在与第一级206和第二级208相同的1C 200上，运种情况下，MEMS麦克风202的端子可在 内部禪接至第一级206和偏压电阻器RB。
[0045] 在实施方式中，MEMS麦克风202的一个端子禪接至晶体管Ml的口，另一个端子禪接 至电容器C11和C22和电阻器RB。晶体管Ml与电容器C11和C22的组合形成增益增强源跟随电 路。在施方式中，Ml被配置为源跟随或电压跟随装置，其中，晶体管Ml的栅极上的信号在晶 体管Ml的源极缓冲。由于晶体管Ml的栅极与晶体管Ml的源极之间存在最小相移，晶体管Ml 对电压Vmic具有增强效果。在实施方式中，第一级206相对于Vmic的增益约为G1 = 1+C11/ C22,忽略Cmic、寄生电容Cp、Ml的跨导和其他寄生分量的影响。在实施方式中，G1被设定为 在约0地和约20地之间。可替代地，根据特定系统及其规格，G1可采用其他值。
[0046] 在实施方式中，Ml经由电流源IB在阔下范围内偏压，W减少热噪声和闪变噪声。在 某些实施方式中，在阔下范围内对Ml进行偏压在电流消耗与热/闪变噪声之间提供了良好 平衡。另外，装置Ml设有较大面积，W进一步减少闪变噪声。
[0047] 在实施方式中，第二级208包括差分放大器260,电容器C3P、C3N、C4P和C4N形成电 容反馈网络。第二级208的电压增益为约C3/C4。在实施方式中，第二级208的增益被设在约 0地和约20地之间；然而，还可使用该范围之外的增益。使用高电阻反馈电阻器RFB对放大器 260的输入进行偏压。在某些实施方式中，电阻器WB处于GQ范围内。可替代地，根据特定应 用及其规格，可使用较低电阻值。在一个实施方式中，使用串联禪合的二极管接法M0S实施 电阻器RFB。通过使用二极管接法晶体管，如果放大器260的输入偏压开始偏移，二极管接法 晶体管导电，从而使临时DC反馈通路将放大器260的输入保持在适当偏压下。
[0048] 在实施方式中，放大器260实施为具有共模反馈的全差分运算跨导放大器(0TA)， 但是，在替代实施方式中，可使用其他放大器架构，包括但不限于对称放大器、折叠共源共 栅放大器、仪表放大器和米勒放大器。
[0049]在实施方式中，由于与端子248和244上的输入信号同相的第一级206的输出端的 C11的相反端的驱动实现了较低阻抗，电容器尺寸Cmic的影响与放大器电路内存在的电容 器相比大大降低。输入转角频率可通过在Ml的栅极对偏压网络建模的电容Cmic和附加输入 电阻Ri限定。在实施方式中，Ri在约lOGQ和约1T Ω之间。可替代地，Ri还可处于该范围之 夕K在某些实施方式中，图2b所示的实施方式可实现具有较小传感器电容值的良好噪声特 性。
[0化0] 在一个实施方式中，Cmic的值约为3.3pF，第一级放大器206的增益为约1，第二级 放大器208的增益为约5,3地低转角频率约为20化，3地高转角频率约为100曲Z。此处，输出 负载电容器化限制了放大器208的带宽，可作为连接到第二级208的输出端的A/D转换器274 (图2a)的抗混叠滤波器。在替代实施方式中，对于高带宽系统，或不要求进行滤波的系统， 上转角频率可高得多，例如，200曲Z。
[0051 ] 在实施方式中，可通过增加 C3P和C3N减少第二级208的热噪声。由于第二级208由 第一级206缓冲，电容C3P和C3N的增加不直接加载MEMS麦克风202的输出。在某些实施方式 中，所述电路可被配置为使得第一级206实现最大增益，例如，6地，第二级208用于进行信号 模式转换，例如，将单端信号转换为差分信号。第二级208还可用于灵敏度自适应，因为第一 级206可能无法单独提供30地。
[0052] 图2c示出了放大器206和208的另一个实施方式，其中，增益控制信号GC1通过调整 C1UC22和/或Ri的值控制放大器206的增益。
[0053] 图3a示出了可用于实施图2a中的过零检测器214的示例性过零电路300。过零电路 300的输入信号用与DC电压源303串联的AC电压源301代表。低通滤波器302对输入信号进行 滤波，求和点306从输入信号的未滤波版本中减去低通滤波输入信号。在实施方式中，低通 滤波器302的转角频率在约ImHz和约10化之间的范围。可替代地，根据特定应用及其规格， 可使用其他转角频率。低通滤波器302和306的组合起高通网络的作用，高通网络可过滤DC 偏压W及低频漂移。比较器304将求和点的输出与地电压或基准电压相比较。Vsig改变极性 时，由此激活信号Zdet。在实施方式中，可使用本领域中已知的电路拓扑结构实施过零检测 器。在某些实施方式中，使用施密特触发器实施比较器304。
[0054] 图3b示出了可用于实施图2a中的峰值检测器210和212的示例性峰值检测电路 310。使用在相位为斬期间起作用的开关312在电容器314上对输入电压Vin进行采样。缓冲 在电容器314上采样的电压的放大器316的输出经由开关318在电容器320上采样。比较器 322将缓冲放大器316的输出与电容器320上的采样电压相比较，W提供峰值电压V输訓直。在 相位为化期间，对比较器322进行采样，在相位輕和比较器322的输出V麵盤均为正值时，开 关318起作用。在实施方式中，可使用(例如)本领域中已知的开关电容器电路技术实施电路 310。图3c示出了非重叠相位化和带2的示例性时序图。在实施方式中，可使用本领域中已知 的技术产生相位化和化。
[0055] 图4a至图4d示出了可使用示例性系统，例如，图la所示的100和图2a所示的系统 200实施的示例性增益曲线。图4a示出了示例性增益电平对声级输入的图示。曲线402表示 输入可变增益放大器的增益，曲线404表示数字增益块的增益。虚线406表示阔值电平，若超 过阔值电平，对输入可变增益放大器进行压缩，对数字增益块进行解压。根据图4a，对于达 到约115地S化的输入声压级，输入可变增益放大器被设定为具有约10地的增益，数字增益 块被设定为具有约-20地的增益。在该声压级W上时，输入声压级每增加1地，将输入可变增 益放大器的增益减少1地。由此，超过阔值406时，输入声压级每增加1地，数字解压块的增益 增加1地。应理解的是，图4a的解压曲线仅为多种可能增益曲线的一个示例。在本发明的替 代实施方式中，根据使用的特定麦克风或电容传感器，初始增益和阔值可有所不同。
[0化6]图4b示出了对94地S化下的灵敏度为-36地V的MEMS麦克风施加图4a的增益曲线 时产生的系统灵敏度。曲线410表示地全刻度(FS)下的系统灵敏度对输入声压级。如从图4a 可W看出的，在对前端施加10地增益，对A/D转换器后面的数字增益控制块施加-20地增益 的范围内，94地S化下的系统总灵敏度约为-46地FS。
[0057]图4c示出了根据一个替代实施方式的增益电平对声级输入的图示。曲线414表示 输入可变增益放大器的增益，曲线412表示数字增益块的增益。根据图4c，随着输入声压级 降低（向下扩展到较低输入电平），所述输入可变增益放大器提供增加的增益，而数字增益 块随着输入声压级的降低提供对应减少的增益。图4d中的曲线416表示与图4c中的增益曲 线对应的系统增益响应。在实施方式中，如果低输入电平下的增加增益(称为可变增益放大 器的输入)可降低A/D转换器的噪声，或者，如果达到相同噪声电平，ADC的较高噪声贡献可 能导致ADC的面积较小，电流消耗较少。
[005引在本发明的某些实施方式中，各个增益曲线可选择或可编程，W支持不同麦克风 和不同声环境。例如，在一个实施方式中，图4a和4c所示的增益曲线可选择性地在相同系统 中实施。在另外的实施方式中，增益曲线可使用多个区域。例如，输入放大器可具有增益根 据输入振幅或声压级的降低而增加的低振幅区域、增益恒定的中振幅区域，W及增益根据 输入振幅的增加而减少的高输入压缩区域。在该实施方式中，数字增益块可具有随着输入 增益曲线的对应增加而增加的补充增益曲线。在另一个实施方式中，可变增益输入放大器 增益曲线可与数字增益块不匹配，W提供进行压缩和/或解压的生成的系统增益曲线。
[0059]图5示出示例性封装麦克风放大系统500,其包括经由焊线510禪接至示例性麦克 风接口模子516的MEMS麦克风模子514。麦克风接口模子516可包括如上述实施方式所述的 电路。在一个实施方式中，麦克风接口模子516的位流输出通过焊线512禪接至引线框和/或 封装引脚508 dMEMS麦克风模子514和麦克风接口模子516设置在衬底506上，衬底506上安装 有外壳502。声孔504使声能到达MEMS麦克风模子514。在替代实施方式中，MEMS麦克风模子 514和麦克风接口模子516可在单个模子上实施。
[0060] 根据实施方式，一种方法包括:确定电容信号源提供的输入信号的振幅;基于确定 的振幅在模拟域内压缩输入信号，W形成压缩模拟信号;将压缩模拟信号转换为压缩数字 信号；W及，在数字域内解压数字信号，W形成解压数字信号。在实施方式中，压缩模拟信号 包括调整禪接至电容信号源的放大器的第一增益，解压数字信号包括调整数字处理块的第 二增益。在某些实施方式中，调整放大器的第一增益包括调整禪接至电容信号源的输出端 的可控阻抗。
[0061] 在实施方式中，调整放大器的第一增益包括将第一增益设定为与确定的振幅成反 比，调整数字信号处理块的第二增益包括将第二增益设定为与确定的振幅成正比。如果确 定的振幅小于第一阔值振幅，放大器的第一增益和数字信号处理块的第二增益可恒定。在 某些实施方式中，调整放大器的第一增益包括将第一增益设定为与高于第一阔值振幅的确 定的振幅成反比，调整数字信号处理块的第二增益包括将第二增益设定为与高于第一阔值 振幅的确定的振幅成正比。
[0062] 在实施方式中，所述数字信号处理块包括数字滤波器，调整第二增益包括调整数 字滤波器的滤波系数。在实施方式中，所述方法可进一步包括:将解压信号转换为单个位流 信号。运可包括使用数字噪音整形器。在某些实施方式中，确定输入信号的振幅包括放大或 缓冲电容信号源提供的信号W形成放大信号，W及检测放大信号的峰值电压。
[0063] 根据另一实施方式，用于放大电容信号源提供的信号的系统包括可变增益放大 器、模数转换器、数字增益块和增益控制电路。可变增益放大器包括被配置为禪接至电容信 号源的输入节点。模数转换器禪接至可变增益放大器的输出端，所述数字增益块禪接至模 数转换器的输出端。增益控制块被配置为测量禪接至可变增益放大器的模拟信号的振幅， 根据第一增益函数调整可变增益放大器的第一增益，并根据第二增益函数调整数字增益块 的第二增益。在某些实施方式中，可变增益放大器包括可变增益放大器的增益小于一的增 益设置。
[0064] 在实施方式中，第一增益函数将第一增益限定为与电容信号源提供的信号的振幅 成反比的值，第二增益函数将第二增益限定为与电容信号源提供的信号的振幅成正比的 值。在另一实施方式中，第一增益函数将第一增益限定为与高于第一阔值的电容信号源提 供的信号的振幅成反比，所述第二增益函数将第二增益限定为与高于第一阔值的电容信号 源提供的信号的振幅成正比。第一增益函数可进一步将第一增益限定为第一阔值W下的恒 量，第二增益函数可进一步将第二增益限定为第一阔值W下的恒量。
[0065] 在某些实施方式中，所述系统还包括电容信号源，其可为MEMS麦克风或其他类型 的麦克风。在某些实施方式中，所述系统还包括禪接到数字增益块的输出端的数字噪音整 形器。数字噪音整形器可包括一位的位流输出。在某些实施方式中，数字增益块包括数字滤 波器，增益控制电路被配置为通过调整数字滤波器的滤波系数而调整第二增益。在实施方 式中，可变增益放大器、模数转换器和增益控制电路设置在集成电路上。
[0066] 根据另一实施方式，用于放大电容信号源提供的信号的集成电路，包括:信号放大 器，具有被配置为禪接至电容信号源的输入节点；峰值检测器，禪接至信号放大器的输出 端;增益控制器，禪接至峰值检测器的输出端，W及可控衰减电路，禪接至信号放大器的输 入节点和增益控制器的第一增益控制信号。在某些实施方式中，信号放大器可具有小于一 的增益。所述集成电路进一步包括:模数转换器，禪接至信号放大器的输出端;数字滤波器， 禪接至模数转换器的输出端，W及增益系数控制块，禪接至数字滤波器，禪合增益控制器的 第二增益控制信号。所述增益控制器可被配置为响应于电容信号源的振幅增加，增加可控 衰减电路的衰减或减少信号放大器的增益，并响应于电容信号源的振幅增加，增加数字滤 波器的增益。可用西格玛-德尔塔模数转换器实施模数转换器。
[0067] 在实施方式中，增益控制器被配置为在位于电容信号源的输出端的信号高于第一 阔值振幅时增加可控衰减电路的衰减并增加数字滤波器的增益。
[0068] 在实施方式中，可控衰减电路包括:多个电容器；W及多个开关，禪接在多个电容 器与信号放大器的输入端之间，使多个开关可由增益控制器控制。在某些实施方式中，可控 衰减电路包括信号放大器的可控输入阻抗。
[0069] 示例性系统的优点包括在不向系统中引入高非线性的情况下处理高声输入信号。 例如，在一个实施方式中，对于声输入电平为140地S化的MEMS麦克风可实现小于10%的总 谐波失真(THD)。示例性系统的另一个优点包括在不消耗大量电流和娃面积的情况下具有 非常高的同等动态范围。由于高输入电平由于前端放大器的信号压缩而没有达到A/D转换 器的输入，对于较低声输入电平，模数转换器的设计可优化。通过在较低输入电平下提供较 高增益，可在低输入电平下实现良好噪声特性，其中主要噪声来源为麦克风和输入放大器。
[0070] 尽管已经参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但该描述并非旨在被理解为 具有限制性。本领域的技术人员参照本描述，对本发明的示例性实施方式W及其他实施方 式进行各种修改和组合将是显而易见的。因此，旨在所附权利要求包含任何运种变型或实 施方式。
【主权项】
1. 一种用于放大电容信号源提供的信号的系统，所述系统包括： 可变增益放大器，包括被配置为耦接至所述电容信号源的输入节点； 模数转换器，耦接至所述可变增益放大器的输出端； 数字增益块，耦接至所述模数转换器的输出端；以及 增益控制电路，被配置为 测量耦合至所述可变增益放大器的模拟信号的振幅， 根据第一增益函数调整所述可变增益放大器的第一增益，以及 根据第二增益函数调整所述数字增益块的第二增益。2. 根据权利要求1所述的系统，其中： 所述第一增益函数将所述第一增益限定为与所述电容信号源提供的信号的振幅成反 比， 所述第二增益函数将所述第二增益限定为与所述电容信号源提供的信号的振幅成正 比。3. 根据权利要求1所述的系统，其中： 所述第一增益函数将所述第一增益限定为与高于第一阈值的所述电容信号源提供的 信号的振幅成反比， 所述第二增益函数将所述第二增益限定为与高于所述第一阈值的所述电容信号源提 供的信号的振幅成正比。4. 根据权利要求3所述的系统，其中： 所述第一增益函数进一步将所述第一增益限定为低于所述第一阈值的恒定值；以及 所述第二增益函数进一步将所述第二增益限定为低于所述第一阈值的恒定值。5. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括所述电容信号源。6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述电容信号源包括MEMS麦克风。7. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括耦接至所述数字增益块的输出端的数字噪 音整形器。8. 根据权利要求7所述的系统，其中，所述数字噪音整形器包括一位位流输出端。9. 根据权利要求1所述的系统，其中： 所述数字增益块包括数字滤波器；以及 所述增益控制电路被配置为通过调整所述数字滤波器的滤波系数而调整所述第二增 益。10. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变增益放大器、所述模数转换器以及所述 增益控制电路被设置在集成电路上。11. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述可变增益放大器包括所述可变增益放大器 的所述增益小于1的增益设置。12. -种用于放大电容信号源提供的信号的集成电路，所述集成电路包括： 信号放大器，包括被配置为耦接至所述电容信号源的输入节点； 峰值检测器，耦接至所述信号放大器的输出端； 增益控制器，耦接至所述峰值检测器的输出端； 可控衰减电路，耦接至所述信号放大器的所述输入节点，并且耦合至所述增益控制器 的第一增益控制信号； 模数转换器，耦接至所述信号放大器的输出端； 数字滤波器，耦接至所述模数转换器的输出端；以及 增益系数控制块，耦接至所述数字滤波器并耦合至所述增益控制器的第二增益控制信 号，其中，所述增益控制器被配置为响应于所述电容信号源的增加的振幅增加所述可控衰 减电路的衰减或减少所述信号放大器的增益，并响应于所述电容信号源的增加的振幅增加 所述数字滤波器的增益。13. 根据权利要求12所述的集成电路，其中，所述增益控制器被配置为在所述电容信号 源的输出端的信号高于第一阈值振幅时增加所述可控衰减电路的衰减并增加所述数字滤 波器的增益。14. 根据权利要求12所述的集成电路，其中，所述模数转换器包括西格玛-德尔塔模数 转换器。15. 根据权利要求12所述的集成电路，其中，所述可控衰减电路包括： 多个电容器；以及 多个开关，耦接在所述多个电容器与所述信号放大器的所述输入端之间，所述多个开 关可由所述增益控制器控制。16. 根据权利要求12所述的集成电路，其中，所述可控衰减电路向所述信号放大器提供 可控输入阻抗。17. 根据权利要求12所述的集成电路，其中，所述信号放大器包括小于1的增益。
【文档编号】H03G7/00GK106059509SQ201610367683
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2013年4月16日
【发明人】迈克尔·克罗普菲奇, 乔斯·路易斯·塞巴洛斯
【申请人】英飞凌科技股份有限公司