CN103248983B - 电容信号源的pcm接口的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容信号源的PCM接口的***和方法。根据实施方式，一种方法包括：放大由麦克风提供的信号，从而形成放大信号。该方法还包括将放大信号转换成基于频率的信号，该基于频率的信号的频率取决于放大信号的振幅。基于频率的信号转换成脉冲编码调制比特流。

Description

电容信号源的PCM接口的***和方法
技术领域
本发明整体涉及半导体电路和方法，更具体地，涉及针对电容信号源的脉冲编码调制(PCM)。
背景技术
音频麦克风通常用于多种消费类应用，例如移动电话、数字音频录制器、个人计算机、和电话会议***。特别地，低成本驻极体电容式麦克风(ECM)用于大规模生产的成本敏感的应用。ECM麦克风通常包括驻极体材料的薄膜，其安装在具有声音端口端子和电输出端子的小封装中。驻极体材料附着至振动膜或由振动膜本身组成。大多数ECM麦克风还包括可以接口至目标应用(例如移动电话)中的音频前端放大器的前置放大器。另一种类型的麦克风是微型机电***(MEMS)麦克风，其可以实现为压敏式膜件，其中压敏式膜件可以直接蚀刻到集成电路中。
在MEMS麦克风以小形状系数(例如智能手机或平板电脑)封装实现的应用中，使用利用最少引脚的音频接口。一个这种接口是脉冲编码调制接口(PCM)，其产生具有与MEMS麦克风感测的音频信号成比例的脉冲宽度或脉冲密度的PCM信号。小形状系数应用还通常是低功率的、对于功率消耗敏感的电池操作设备。为了维持长的电池寿命，最小化MEMS麦克风的功率消耗和其插板层次音频接口，从而保持电池寿命。
发明内容
根据实施方式，一种方法：包括对麦克风所提供的信号进行放大，从而形成放大信号。该方法还包括将放大信号转换成频率取决于放大信号的振幅的、基于频率的信号。该基于频率的信号转换成脉冲编码调制比特流。
在下面的附图和说明书中阐述本发明的一个或多个实施方式的详情。根据说明书、附图、和权利要求，本发明的其他特征、目标、和优势将变得显而易见。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其优点，现在结合附图参考下面的说明书，在附图中：
图1a至图1b示出了根据本发明的实施方式的麦克风接口***；
图2a至图2d示出了用于示例性麦克风接口***的压控振荡器；
图3a至图3d示出了用于示例性麦克风接口***的频率至PCM转换器；
图4a至图4b示出了根据本发明的另一实施方式的麦克风接口***；
图5a至图5c示出了用于示例性***的电压时间转换器；
图6a至图6b示出了用于示例性***的时间至PCM转换器；以及
图7示出了示例性麦克风模块。
具体实施方式
下面详细地讨论目前优选实施方式的形成和使用。然而，应当理解，本发明提供了能够在多种具体环境中实现的许多适用发明的概念。所讨论的具体实施方式仅仅是形成和使用本发明的说明性的具体方式，而非限制本发明的保护范围。
将关于特定上下文中的实施方式描述本发明，也就是针对电容信号源(例如MEMS或驻极体电容式麦克风(ECM))的接口***和方法。然而，本发明还可应用于其他类型的电路和***，例如音频***、通信***、传感器***、和接口至高阻抗信号源的其他***。
图1a示出了被配置为耦接至MEMS麦克风102的示例性集成电路(IC)100，其中，该MEMS麦克风以虚线示出以表明麦克风102不必包含在IC 100上。然而，在某些实施方式中，麦克风102也可以包含在IC 100上。在替换实施方式中，代替MEMS麦克风102，可以使用其他麦克风类型，例如ECM麦克风、或其他类型的电容传感器电路。
IC 100具有放大器106、电压-频率转换器108、和频率-PCM转换器110。放大器106具有一个或多个级，对经由输入垫114耦接至IC 100的MEMS麦克风102的输出进行放大。在某些实施方式中，放大器106可以实施为，例如，于2011年7月14日提交的题为System and Method forCapacitive Signal Source Amplifier的共同审理申请号13/183,193中所描述的，该申请全部结合于此作为参考。可替换地，可以根据本领域中已知的技术实现放大器106。
在某些实施方式中，例如在利用MEMS麦克风的实施方式中，偏压生成器104在引脚116处为麦克风102自身提供偏置电压。在某些实施方式中，取决于特定的麦克风和***实现方式，该偏置电压可以在大约3V和60V之间。可替换地，可以使用其他电压范围。在进一步的实施方式中，如果麦克风或传感器102不需要偏置电压或如果在其他某处提供所需的偏置电压，那么可以省略偏压生成器104。应当进一步理解，在可替换实施方式中，可以利用不只一个部件和/或不只一个IC实现IC 100上的部件。
电压-频率转换器将放大器106的输出电压120转换为频率信号118，频率-PCM转换器110将频率信号118转换成PCM信号，用于在端口112进行传输。在某些实施方式中，频率信号118是数字脉冲信号，该信号具有与放大器106的输出电压120成正比或成反比的频率，如图1b中所示。可替换地，信号118可以是可变频率正弦曲线、方波、或频率基于放大器106的输出电压120的其他波形。在进一步可替换实施方式中，电压-频率转换器108可以生成脉冲密度调制波形，其具有与放大器106的输出电压120成正比或成反比的脉冲密度。
电压-频率转换器108可以由如图2a中所示的压控振荡器109实现。VCO 109可以利用本领域中已知的电路和方法实现，例如，利用环形振荡器、张弛振荡器、或其他类型的振荡器。在某些实施方式中，VCO 109的输入和/或输出可以是差分信号。举例来说，图2b示出了具有可以在示例性***实现方式中使用的多个倒相级的CMOS环形振荡器202。例如，通过改变电源电压VDD可以控制环形振荡器202的频率。
图2c示出了可用于实现示例性电压-频率转换器的、利用三个电流饥饿型的倒相级212、214和216的环形振荡器220。可替换地，可以使用更多或更少级。环形振荡器220的频率与施加至NMOS器件N208的电压VCTRL成比例。随着N208的栅极上的电压增加，通过晶体管N208、P206、P204、和N210的电流相应地增加。增加的电流经由晶体管N212、P212、N214、P214、N216和P216镜像至倒相级212、214、和216，因而增加振荡器220的频率。
在可替换实施方式中，张弛振荡电路230可以用于实现示例性电压-频率转换器。张弛振荡器230具有以生成锯齿信号235的积分器结构耦接的运算放大器232和电容器C234。振荡器230还具有监控运算放大器232的输出并生成频率调制脉冲信号236的比较器234。振荡器230的频率取决于施加至运算放大器232的输入端的电压Vc。晶体管Q238在某些实施方式中可以实现为CMOS器件。应当理解，图2a至图2d中描述的VCO电路仅仅是可以用于实现示例性***的许多类型的振荡器的特定实例。
在实施方式中，利用如图3a中所示的Σ-Δ转换器111可以实现频率-PCM转换器110。利用本领域中各种已知的Σ-Δ转换器电路和方法可以实现Σ-Δ转换器111。
在示例性频率-PCM转换器中，通过对给定参考时间内输出信号的零交叉点进行计数可以获得信息测量。该计数结果与该给定参考时间内的平均频率成正比。这种测量还可以量化信息，从而生成具有整数个零交叉点的计数。在某些实施方式中，通过以高功率消耗为代价对测量量化误差的数字化转换器选择高振荡频率和/或通过利用附加时间来降低该量化误差。在一个实施方式中，通过应用噪声整形技术节省功率，同时保持“较大”量化误差。实现该特性的一个方法是确保对零交叉点进行的计数不会在任何时刻停止，而是在固定时刻瞬间估计计数器值，因此频率随时间的输出是两个连续计数器值的差。该方法提供了一阶量化噪声整形。
图3b示出了根据另一实施方式的频率-PCM转换器302。代替利用单个计数器估计VCO的单个输出，使用环形振荡器304的多相性质。在实施方式中，通过将所有环形振荡器输出的连续状态加载到寄存器306和308，估计环形振荡器304的多个输出。由异或门310生成这些采样的振荡器状态的差并利用求和312节点进行求和。两个采样状态(由异或函数生成)的差与瞬时频率成正比。而且，一阶噪声整形该量化误差。应当理解，图3b的电路只是可以用于示例性***的许多可能的示例性频率-PCM转换器的一个实例。
在实施方式中，频率-PCM转换器110的输出是如图1a中所示的单个比特脉冲编码调制信号112。在本发明的可替换实施方式中，通过利用时钟信号对频率调制信号118进行采样来实现频率-PCM转换器110，并执行数字信号调节从而生成PCM信号112。在另一个实施方式中，来自频率-PCM转换器110的反馈信号可以耦接至麦克风，从而提高***性能。
图3c示出了根据本发明的另一个实施方式的频率-PCM转换器320，其中，数字Σ-Δ噪声整形器用于将多比特数字数据转换成单比特数字数据。频率-电压转换器320具有异步计数器322、取样器324、差分块326、和串行器块328。在实施方式中，差分块326的输出是n比特多比特输出。串行器块328可以利用数字Σ-Δ转换器实现。此时，VCO模拟数字转换的结果可以是多比特数据流。
在进一步的实施方式中，利用反馈结构内的基于电压/频率的ADC实现频率-PCM转换器。在该实施方式中，将频率测量块的多比特输出串行化为一位输出流，然后将其反馈到模拟输入端。差提供给模拟滤波器，模拟滤波器的输出端耦接至电压-频率转换器。在本领域该结构被称为“基于VCO的Σ-ΔADC”，如图3d中所示。这里，基于VCO的Σ-ΔADC 340具有环路滤波器342、VCO 344和频率-PCM转换器346。在实施方式中，频率-PCM块346的输出反馈到环路滤波器342的输入端。在实施方式中，频率-PCM块346包括串行器。
图4a示出了被配置为耦接至MEMS麦克风102的示例性集成电路130。除了在输出端112的PCM信号是由电压-时间转换器132然后是时间-PCM转换器134生成之外，集成电路130与图1a中所示的集成电路相似。在实施方式中，电压-时间转换器132将放大器106的输出120转换成时间调制信号136。时间-PCM转换器134转而将时间调制信号136转换成PCM信号112。在实施方式中，时间调制信号136可以是如图4b中所示的脉宽调制信号。此处，脉冲宽度TPW与放大器106的输出电压120成正比。如图4b中所示，随着输出电压120的电压增加，脉冲宽度TPW降低。可替换地，TPW可以随着放大器106的输出电压120的增加而增加。
根据实施方式，电压-时间转换器132可以利用如图5a中所示的脉宽调制器133实现。脉宽调制器133可以利用本领域中已知的用于生成脉宽调制信号的电路和方法实现。在某些实施方式中，脉宽调制器133可以利用不同电路实现。
图5b示出了可以用于本发明的实施方式的脉宽调制器500。此处，三角形信号或锯齿信号502作为参考并利用比较器504与输入信号120相比较，从而生成PWM信号136。在一个实施方式中，PWM信号136是连续时间、离散振幅信号，其中输入信号的定时信息编码为高时间和低时间之差。在可替换的实施方式中可以使用其他电路和方法，例如，未提供参考信号的自振荡PWM发生器输入。
可替换地，通过如图5c中所示的双斜率转换器520利用双斜率技术可以实现脉宽调制器133，在图5c中时间用作转换参考。此处，在某一给定时间tu对输入信号Vin求积分。此后，利用给定已知的参考电压放电积分器，直到输出为零。测量放电积分器所耗费的时间td。在实施方式中，td与输入电压Vin成正比。
在实施方式中，利用如图6a中所示的Σ-Δ转换器135可以实现时间-PCM转换器134。利用本领域中已知的各种Σ-Δ转换器电路和方法可以实现Σ-Δ转换器135。在实施方式中，频率-PCM转换器110的输出是如图4a中所示的单比特脉冲编码调制信号112。在本发明的可替换实施方式中，通过利用时钟信号采样时间调制信号136可以实现频率-PCM转换器134，并执行数字信号调节从而生成PCM信号112。在另一个实施方式中，可以利用延迟单元生成PCM信号112。例如，在一个实施方式中，时间-数字转换器具有多个级联的延迟单元。在操作期间，在脉冲边缘之间测量脉冲通过的延迟单元数目。
图6b示出了示例性时间-数字转换器600，该时间数字转换器利用可以使用数字Σ-Δ转换器实现的时间-电压转换器602和串行器604。此处，通过测量高时间、测量低时间、以及计算高时间与低时间之差可以数字化PWM信号136。可替换地，如果PWM具有恒定的已知频率，那么可以测量高时间或低时间，并且可以利用已知频率计算相对应的低时间或高时间。在实施方式中，利用时钟计数器或利用时间-数字(TDC)转换器可以执行该时间测量，例如，在非常短的脉冲的情况下。在某些实施方式中，利用Σ-Δ噪声整形器(例如串行器604)将TDC的输出从多比特格式转换成单比特格式。
图7示出了根据本发明的实施方式的麦克风模块。如果如本文中的实施方式所描述的麦克风模块包括IC 100，并且耦接至MEMS麦克风102。麦克风102和IC 100布置在具有声端口152和PCM输出端口154的封装150中。在本发明的可替换实施方式中，IC 100可以利用不同的实施方式实现，例如，如图4a中所示的IC 130。在实施方式中，封装150可以利用音箱实施，其中，MEMS麦克风安装在具有声音端口(例如孔)的印刷电路板(PCB)的顶部。具有本文中描述的示例性电路的特定用途集成电路(ASIC)安装在邻近MEMS麦克风的位置。利用金属罩覆盖所产生的组件，在一个实施方式中其密封到PCB。可替换地，可以使用其他封装类型。
根据实施方式，方法包括放大麦克风所提供的信号，从而形成放大信号。该方法还包括将放大信号转换成基于频率的信号，该基于频率的信号的频率取决于放大信号的振幅。将基于频率的信号转换成脉冲编码调制比特流。在某些实施方式中，放大由麦克风提供的信号包括放大MEMS麦克风的输出。
在实施方式中，将经放大的信号转换成基于频率的信号包括使经放大的信号耦接至压控振荡器的输入端。在某些实施方式中，将频率信号转换成脉冲编码调制比特流包括使基于频率的信号耦接至Σ-Δ转换器的输入端。
在实施方式中，方法包括放大由麦克风提供的信号，从而形成放大信号，将放大信号转换成定时基于放大信号的振幅的时基信号，以及将时基信号转换成脉冲编码调制比特流。在某些实施方式中，放大由麦克风提供的信号包括放大MEMS麦克风的输出。在某些实施方式中，将放大信号转换成时基信号包括使放大信号耦接至某些实施方式中的脉宽调制器的输入端，将时基信号转换成脉冲编码调制比特流包括使时基信号耦接至Σ-Δ转换器的输入端。
根据另一实施方式，电路包括电压-频率转换器(其输入端被配置为耦接至麦克风)，和频率-PCM转换器(其输入端耦接至电压-频率转换器的输出端)。在某些实施方式中，电路还包括麦克风，其可以是MEMS麦克风或本领域中已知的其他麦克风类型。在某些实施方式中，电压-频率转换器可以利用压控振荡器实现，频率-PCM转换器可以包括Σ-Δ转换器。
根据另一实施方式，电路包括电压-时间转换器(其输入端配置为耦接至麦克风)，和时间-PCM转换器(其输入端耦接至电压-时间转换器的输出端)。在某些实施方式中，该电路还可以包括麦克风，利用MEMS麦克风或本领域中已知的其他麦克风类型可以确定。在某些实施方式中，时间-PCM转换器中的电压-时间转换器布置在集成电路中。电压-频率转换器可以包括脉宽调制器，以及频率-时间转换器可以包括Σ-Δ转换器。
根据另一个实施方式，麦克风模块包括音箱、布置在音箱内的麦克风、和耦接至麦克风输出端的音频转换电路。音频转换电路可以包括耦接至麦克风输出端的电压-频率转换器和耦接至电压-频率转换器的输出端的频率-PCM转换器。在某些实施方式中，麦克风模块还包括耦接至频率-PCM转换器的输出端的输出端口。在某些实施方式中，麦克风可以包括MEMS麦克风或本领域中已知的其他麦克风类型。
示例性***的优点包括能够使用非常小的功率消耗从麦克风输出中生成PCM信号。而且，利用(例如)VCO、脉宽调制器、和/或时间-数字转换器的示例性转换技术对于硅面积和功率消耗是有利的，即使这将以额外的数字电路为代价。这是因为在小特征尺寸CMOS(BiCMOS)技术中，就功率耗散和硅面积而言，数字电路的实现方式是非常有效的。就高动态范围而言，某些实施方式也是非常有利的，并且可以实现(例如)好于100dB的动态范围。
尽管已经参考示例性的实施方式描述了本发明，但是该说明不是为了在限制意义上解释。本领域的技术人员参考说明书将明显理解示例性实施方式的不同改进和组合，以及本发明的其他实施方式。因此，为了使相关权利要求涵盖任何改进或实施方式。

Claims (11)

1.一种脉冲编码调制方法，包括：
放大由麦克风提供的信号，从而形成放大信号；
将所述放大信号转换成基于频率的信号，所述基于频率的信号的频率取决于所述放大信号的振幅；以及
使用Σ-Δ转换器将所述基于频率的信号转换成脉冲编码调制(PCM)比特流，其中，所述Σ-Δ转换器被配置为提供与所述基于频率的信号的频率成比例的输出代码。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，放大由所述麦克风提供的信号包括：放大MEMS麦克风的输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述放大信号转换成基于频率的信号包括：将所述放大信号耦接至压控振荡器(VCO)的输入端。
4.一种脉冲编码调制电路，包括：
电压-频率转换器，其输入端被配置为耦接至麦克风；以及
频率-PCM转换器，其输入端耦接至所述电压-频率转换器的输出端，其中，所述频率-PCM转换器包括Σ-Δ转换器，其中，所述Σ-Δ转换器被配置为提供与由所述电压-频率转换器提供的信号的频率成比例的输出代码。
5.根据权利要求4所述的电路，进一步包括所述麦克风。
6.根据权利要求4所述的电路，其中，所述麦克风是MEMS麦克风。
7.根据权利要求4所述的电路，其中，所述电压-频率转换器和所述频率-PCM转换器布置在集成电路上。
8.根据权利要求4所述的电路，其中：
所述电压-频率转换器包括压控振荡器(VCO)。
9.一种麦克风模块，包括：
音箱；
麦克风，布置在所述音箱内；
音频转换电路，耦接至所述麦克风的输出端，所述音频转换电路包括：
电压-频率转换器，耦接至所述麦克风的输出端，和
频率-PCM转换器，耦接至所述电压-频率转换器的输出端，其中，所述频率-PCM转换器包括Σ-Δ转换器，其中，所述Σ-Δ转换器被配置为提供与由所述电压-频率转换器提供的信号的频率成比例的输出代码。
10.根据权利要求9所述的麦克风模块，进一步包括：输出端口，耦接至所述频率-PCM转换器的输出端。
11.根据权利要求9所述的麦克风模块，其中，所述麦克风包括MEMS麦克风。
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