降低麦克风电路中的噪声的方法与流程

1.本发明涉及具有输入/输出电路的计算设备。更具体而言，本发明涉及例如用于诸如计算设备的声卡之类的音频处理电路中的电源噪声控制。


背景技术：

2.随着时间的推移，图形卡和芯片对计算设备而言的重要性已增加。为了满足这些增长的需求，图形芯片和卡制造商至少每年提供展现出提高的性能的新一代图形硬件。随着性能的这种总体提高，功率需求也同样提高。为了满足这种对功率的增加的需求，至少部分地由于从诸如pci/e总线之类的主板总线可获得的功率不足，计算机制造商已经提供了外部电力连接器。
3.随着这些高端图形卡，消费者也已经对音频性能产生了很高的期望。不幸的是，这些高性能图形卡的较高功耗也伴随着增加的电源噪声。消费者在许多情况下结合高性能图形卡使用音频。一个示例包括在线交互式游戏，其中音频可用于与多玩家环境中的其他玩家通信。在另一示例中，消费者可能想要例如在使用诸如“twitch”之类的服务时提供对其游戏比赛的流传输的视频的评论。在这些和其他情况下，清晰的语音通信是重要的。
4.用于提供语音通信的麦克风放大器和前置放大器具有非常高的增益，例如20-40db的增益。由电源引入的任何噪声也将被麦克风放大器放大。典型的解决方案包括更多的电源滤波器、使用具有高电源抑制比(psrr)特性的放大器以及更好的地平面，仅举几个示例。但是，给定在用于语音通信的麦克风放大器中使用的高增益，这些解决方案通常不足以将噪声降低到高端产品可接受的水平。需要一种方法来降低这种电源噪声，以使得非常弱的麦克风信号可以经历高放大，并且仍然在放大器输出处提供清晰的语音通信信号。


技术实现要素：

5.为了实现上述目的，本发明在各种实施例中提供了一种与诸如膝上型计算机或智能电话或台式计算机之类的计算设备一起使用的音频处理系统。该系统包括隔离块，其被配置为接收包括正电压和第一接地参考的供电信号，该隔离块被配置为通过在其输出处提供正输出电压和第二接地参考来降低供电信号中存在的电源噪声，第二接地参考与第一接地参考隔离。音频处理系统还包括麦克风前置放大器电路，其被配置有接收麦克风信号的一个输入、处于第二接地参考的第二输入、以及输出信号。还包括数字信号处理器块，其被配置为接收麦克风前置放大器输出信号，将其转换为数字格式，并将数字化的麦克风前置放大器输出信号传送到计算设备。在一个实施例中，隔离块包括开关电路和变压器。在这种应用中，变压器用于将电源地与其他系统地隔离，并提供隔离的低噪声电源。
6.在又一实施例中，音频处理系统还包括连接在麦克风前置放大器和数字信号处理器块之间的差分放大器。差分放大器被配置为从麦克风前置放大器输出信号中去除共模噪声。
附图说明
7.图1是示出用于与计算机一起使用的传统麦克风放大器的图。
8.图2是示出根据本发明实施例的用于与计算设备一起使用的具有噪声隔离电路的麦克风放大器电路的框图。
9.图3是示出根据本发明一些实施例的在存在轻加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的图。
10.图4是示出根据本发明一些实施例的在存在轻加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的另一视图的图。
11.图5是示出根据本发明一些实施例的在存在重加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的图。
12.图6是示出根据本发明一些实施例的在存在重加载图形卡的情况下的示例电源噪声降低的另一视图的图。
具体实施方式
13.现在将详细参考本发明的优选实施例。在附图中示出优选实施例的示例。虽然将结合这些优选实施例来描述本发明，但是将理解，不旨在将本发明限于此类优选实施例。相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等同方案。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，没有详细描述公知的机制，以免不必要地使本发明难以理解。
14.在本文中应当注意，贯穿各个附图，相同的附图标记表示相同的部件。本文示出和描述的各种附图用于示出本发明的各种特征。就特定特征在一个附图中而没有在另一个附图中示出而言，除非另有指示或在结构固有地禁止结合该特征的情况下，否则应当理解，那些特征可以适于被包括在其他附图中表示的实施例中，如同它们在那些附图中被完全示出一样。除非另有说明，否则附图不一定按比例绘制。附图中提供的任何尺寸不是为了限制本发明的范围，而仅仅是说明性的。
15.更多的使用由计算机电源提供的外部电力连接器而不是可从诸如pcie总线之类的计算机总线源获得的电源，导致了对噪声的关注增加。pcie总线是高速串行计算机扩展总线标准。它通常用作用于计算机图形卡、硬盘驱动器和wi-fi硬件模块等的主板接口。由电源引入的噪声通常可以被描述为电源电压纹波(ripple)。它被定义为叠加在电源的输出轨上的不需要的ac电压。纹波主要由电源上的加载引起。在一个常见的示例中，这种“加载”来自图形卡，该图形卡以非恒定的方式汲取电流，例如当逐帧地呈现复杂场景时。这种非恒定加载y引起所汲取的电流发生变化。即使在使用地平面时，变化的电流也会由于电源线上的电阻(其不是零欧姆)而将其自身表现为纹波电压。这也可能是由于当连接到同一电源轨的设备被加电或关闭时的功率浪涌(surge)和跌落(dip)。
16.为了使电压纹波噪声降到最小并防止其被麦克风前置放大器和/或差分放大器级放大，在电源和麦克风前置放大器/放大器之间引入隔离电路。为了比较，图1中示出了传统的麦克风放大器与典型的电源轨，而图2中示出了例示本发明的一个实施例的经修改电路。即，图1是示出用于与计算机一起使用的传统麦克风放大器100的图。图2是示出根据本发明
实施例的用于与计算设备一起使用的具有噪声隔离电路的麦克风放大器电路的框图。
17.图1所示的典型的电源轨从诸如pcie电力插座102之类的电源连接器获得其电力。示出的正供电信号106表现出相当大的纹波噪声。在图1的传统情况下，负电源轨104是用于电力插座102、麦克风前置放大器108、数字信号处理器112和计算机总线(例如，pcie总线)114的公共地。虽然希望将干净的语音通信信号引入dsp 112以生成供计算设备(例如，计算机)使用的数字化话筒信号，但是此处电源纹波噪声成为了问题。由于提供给来自麦克风110的信号的高放大，将发生失真。这被认为是连接在一起的地(即，“公共”地)的症状。在这些电路中，电源轨上的非恒定加载将导致电压纹波出现在电路板上的不同点处的“地”上：即麦克风前置放大器的地和声卡上的adc的地将具有一些电压差。这些电压差本身表现为噪声，并且将与麦克风信号耦合在一起，由麦克风前置放大器/放大器放大，并且被发送到adc。
18.当使用如本发明的实施例中所公开的隔离电源时，麦克风前置放大器的地与主电源隔离，因此不具有由非恒定负载引起的电压差。这允许将低噪声隔离电力提供给麦克风电路以用于语音通信。
19.图2示出了用于声卡或音频放大系统200的重新设计的电源轨，以产生低噪声隔离电力，来防止来自麦克风路径(即，麦克风放大器电路)中的噪声的放大的失真。应当注意，为了说明的目的，所示的电连接对应于插入台式计算机中的声卡，但是本发明的特征同样适用于电源纹波电压带来成问题的噪声问题的其他环境。即，本发明的特征同样适用于笔记本/膝上型计算机、智能电话以及需要在产生干净的输出信号之前降低电源纹波的大体上任何电路。本发明的实施例非常适于提供干净的经放大语音信号，例如对于由模数转换器(adc)数字化以进行进一步音频处理所必需的那些信号。
20.如图2所示，pcie电力插座102向麦克风音频放大电路供电。通常，计算机电源向计算机主板供电，从而为各个插槽或总线供电。在快速pci(pci express)标准的情况下，主电力连接器为诸如视频卡之类的设备提供的电力最高可达pcie x16插槽的限制(对于一个版本是最大75瓦)。但是该标准也定义了辅助电力连接器(例如，配置用于连接到电力插座102的pci express电力连接器)，其能够直接从电源向图形卡输送额外的电力。该特征的一个主要目的是适应高性能图形卡。从计算设备250可获得的辅助电力203通常处于12v，并且由于在说明书中其他部分详细描述的原因而“有噪声”。通过辅助电力连接器可获得的电力可以处于其他电压，包括但不限于5v。
21.将隔离电路210插入，而不是将该有噪声的电力直接施加到麦克风前置放大器电路208。这将麦克风前置放大器的地206与电源的地204隔离，带来隔离的低噪声电源，并因此提供施加到前置放大器208的“干净”(在这种情况下为12v)电压205。
22.在优选实施例中，隔离电路210包括开关电路212、变压器214和整流器块215。在一个实施例中，开关电路和变压器214以推挽式配置连接。在该实施例中，开关电路包括控制ic，以调节开关频率和占空比，后者值用于控制电压。在一个实施例中，开关电路是推挽式配置，例如，一对异相操作的开关在变压器的初级侧产生ac电压。该ac电压被耦合到变压器的次级侧，并被整流成dc电压。
23.在优选实施例中，开关电路和推挽式配置不用于改变施加到隔离电路210的输入的电源电压的标称值，而是用于将麦克风前置放大器电源205和地206与输入电源203和地
204隔离。这产生低噪声隔离电力，并减少从麦克风前置放大器208输出的麦克风信号中的失真量。图5和图6中示出了来自隔离块的噪声衰减改进，其示出了当图形卡带负载运行时的改进，例如在前置放大器208的输出处的差分麦克风信号223。在开关电路中，高开关频率设计通常带来较小的变压器和较低的输出纹波，并且由于这些原因，在本发明的一个实施例中是优选的。
24.在优选设计中，开关电路控制具有单独的初级和次级绕组的变压器，以实现从输入到输出的隔离。在该实施例中，开关ic将12v dc转换为ac，然后耦合到变压器的次级绕组，然后整流回12v dc。例如通过选择l和c值，可以微调开关电路，以减少音频带或其谐波中的任何潜在开关噪声。对于非限制性示例，在一个实施例中，将开关频率选择为高于500khz。
25.麦克风前置放大器208优选地是能够放大微弱语音信号的高增益放大器。放大器增益优选在20-43db或更高的范围内。它被示为包括具有单个输入的运算放大器224，但也可以包括其他放大器配置。在一些实施例中，将差分放大器227添加到麦克风前置放大器的输出以用于附加的噪声控制。在麦克风前置放大器206的情况下，可以使用运算放大器(但不是必需的)来放大麦克风信号。图2仅示出了连接到放大器的运算放大器输入之一，使用“反相”或“非反相”输入端子来放大单个输入信号，而另一输入接地。由于标准运算放大器具有反相和非反相两个输入，所以我们还可以同时将麦克风信号连接到这两个输入，从而产生被称为差分放大器的另一常见类型的运算放大器电路。所得到的输出电压将与两个输入电压信号之间的“差”成比例，并且非常适于降低共模噪声。
26.具体地，差分放大器227从麦克风前置放大器208获取差分麦克风信号223，并且由于差分放大的性质，降低了共模噪声，导致在差分放大器输出信号225处反射的进一步的麦克风噪声降低。应当注意，尽管图2示出了具有2个输入的放大器227，但是本发明的其他实施例被构造为具有用作第二级放大但仅具有单个输入的放大器227。麦克风本身可以是单端的，但是可以通过改变麦克风或运算放大器连接的方式来实现差分麦克风信号。然后，将该干净信号施加到dsp 112的模数转换器块116，从而产生施加到计算机总线114的干净数字化麦克风信号，以供计算机250使用。电源的地204被示为与变压器214的次级侧的第二接地参考206隔离。该第二接地参考206也代表用于麦克风前置放大器的地206，但也与计算机总线接地211(即第三接地参考)隔离。计算机总线接地参考也代表dsp112和差分放大器227。差分放大器的地与dsp 112的地相同，以使得adc将正确的麦克风信号转换到数字域。
27.图3是示出根据本发明一些实施例的在存在轻加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的图。图4是示出根据本发明一些实施例的在存在轻加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的另一视图的图。图3和4示出了当图形卡没有带负载运行时所呈现的噪声改善的采样结果。在这种情况下，存在的噪声主要是共模噪声的函数。在几个实施例中，声卡输入和输出由外部音频控制模块(acm)访问。例如，acm可以通过电线访问，有时长度为6英尺左右，并且可以包括显示器、麦克风前置放大器输入和耳机输出。在提供便利的同时，该模块可能导致增大的噪声，尤其是共模噪声。适当地放置差分放大器227以处理该噪声。
28.尽管此处未示出，但诸如卡200之类的计算机音频卡还将具有用于常规音频信号，即非麦克风信号的音频放大电路。由于这些音频电路的放大因子远小于针对麦克风前置放大器所描述的100
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(40db)，因此作为电源纹波产生的电源噪声不成问题，并且不需要被隔
离。
29.图5是示出根据本发明一些实施例的在存在重加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的图。图6是示出根据本发明一些实施例的在存在加载图形卡的情况下的采样电源噪声降低的另一视图的图。图5中示波器迹线502与迹线504的对比示出了使用本发明的各种实施例的隔离块的麦克风噪声改进。具体地，通过使用隔离块210将由辅助电力连接器(102)提供的12v电源电压与麦克风前置放大器208隔离，被示为高达1伏特峰峰间电压的电源纹波电压被显著降低。对所示电源波纹电压的频率的良好估计是在音频范围内，此处估计在大约1khz，但是这可以根据应用而变化。
30.上面已经描述了本发明的各种实施例，典型地具有连接到电源轨的隔离电路，所述电路至少包括在电源和放大电路之间提供隔离的变压器。应当注意，本发明不限于具有变压器的隔离电路。本发明的范围旨在进一步覆盖隔离块中的电路将电源地与音频放大器电路地隔离并且更具体地与麦克风放大器电路隔离的任何环境。在图2所示的实施例中，开关网络和变压器用于地的隔离，而从输入到输出的电压没有任何变化。即，在一个实施例中，本发明仅将隔离块用于隔离目的。在其他实施例中，隔离块210的开关电路、变压器和整流器块另外用于电压转换。对于非限制性示例，电压转换可以是12v至12v、12v至5v、5v至12v，或者简单地部件规格内的任何电压至任何电压。
31.通过使用隔离电路，基本上消除了音频范围纹波，以提供来自麦克风前置放大器的干净输出和到dsp的干净信号。隔离电路或块使用隔离的开关电源来使电源与麦克风前置放大器解耦。通过在差分驱动模式中应用麦克风信号，我们还减少了由其他源引入的共模噪声。结果，本发明的各种实施例提供了更好的用户体验。由所描述的噪声隔离和降低特征提供的优点包括在不使用外部混频器的情况下的清晰的语音通信。
32.尽管为了清楚理解的目的已经相当详细地描述了前述发明，但是显然在所附权利要求的范围内可以实施某些改变和修改。因此，本发明的实施例应被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围及其等同内进行修改。