CN106256140A - 频率调制的麦克风*** - Google Patents
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Abstract
利用对锁相环的频率进行调制的MEMS麦克风感测音频的***和方法。MEMS麦克风包括可动电极和固定电极。可动电极被配置成使得作用在可动电极上的声学压力引起可动电极的运动。锁相环的压控振荡器耦合到MEMS麦克风并且接收控制信号。压控振荡器还基于控制信号和可动电极与固定电极之间的电容来生成振荡信号。锁相环的相位检测器接收并且确定振荡信号和参考信号之间的相位差。相位检测器还基于相位差来生成控制信号。控制器被配置成接收控制信号，并基于控制信号来确定音频信号。
Description
相关申请
本申请要求在2014年5月1日提交的并且题为“FREQUENCY MODULATED MICROPHONESYSTEM”的美国临时申请No.61/987,198的优先权，通过引用并入该临时申请的全部内容。
背景技术
本发明的实施例涉及使用频率调制的麦克风感测音频的***和方法。更具体地说，本发明的实施例涉及用微机电***（MEMS）麦克风的音频感测。
发明内容
在一些实施方式中，除其他事物之外，本发明的一个实施例还提供一种麦克风***。麦克风***包括MEMS麦克风、锁相环和控制器。MEMS麦克风包括可动电极和固定电极。可动电极具有第一侧和与第一侧相对的第二侧。可动电极被配置成使得作用在可动电极的第一侧和第二侧上的声学压力引起可动电极的运动。固定电极被定位在可动电极的第一侧上。锁相环包括压控振荡器和相位检测器。压控振荡器耦合到MEMS麦克风。压控振荡器接收控制信号。压控振荡器基于控制信号和可动电极与固定电极之间的电容来生成振荡信号。相位检测器耦合到压控振荡器。相位检测器接收振荡信号和参考信号。相位检测器检测振荡信号和参考信号之间的相位差。相位检测器还基于相位差来生成控制信号。控制器耦合到锁相环。控制器被配置成接收控制信号，并基于控制信号来确定音频信号。
在其他实施方式中，本发明提供了利用MEMS麦克风感测音频的方法。MEMS麦克风包括可动电极和固定电极。可动电极具有第一侧和与第一侧相对的第二侧。可动电极被配置成使得作用在可动电极的第一侧和第二侧上的声学压力引起可动电极的运动。固定电极被定位在可动电极的第一侧。该方法包括利用压控振荡器接收控制信号。该方法还包括利用压控振荡器基于控制信号和可动电极与固定电极之间的电容来生成振荡信号。该方法还包括利用相位检测器接收振荡信号和参考信号。该方法还包括利用相位检测器检测振荡信号和参考信号之间的相位差。该方法还包括利用相位检测器基于相位差来生成控制信号。该方法还包括利用控制器接收控制信号。该方法还包括利用控制器基于控制信号来确定音频信号。
本发明的其他方面将通过考虑详细描述和附图变得清楚。
附图说明
图1是MEMS麦克风的横截面侧视图。
图2是锁相环的框图。
图3是在图2的锁相环中的相位检测器的框图。
图4是环形振荡器的框图。
图5是在图4的环形振荡器中的CMOS反相器的框图。
图6是麦克风***的框图。
图7是图1的MEMS麦克风和图5的CMOS反相器的框图。
图8是图1的MEMS麦克风和图5的CMOS反相器的框图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明并不在其应用中被限制到在以下描述中阐述或在附图中所图示的部件的构造和布置的细节。本发明能够有其他实施例并且以各种方式被实践或实行。
而且，要理解，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，且不应被视为限制。在此使用“包括”、“包含”或“具有”及其变体意指涵盖其后列出的项目及其等效物以及附加项目。术语“安装的”、“连接的”和“耦合的”被宽泛地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接和耦合。此外，“连接的”和“耦合的”不局限于物理或机械连接或耦合，且可包括电连接或耦合，无论是直接还是间接的。而且，电子通信和通知可以使用其他已知的手段（包括直接连接、无线连接等）进行执行。
还应当指出的是，多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件可被利用于实施本发明。此外，并且如在随后的段落中所描述，在各图中图示的具体的配置旨在举例说明本发明的实施例。替代配置是可能的。
在一些实施方式中，除其他部件外，MEMS麦克风100还包括：具有第一侧107和第二侧108的可动电极105（例如，膜）、固定电极110，和阻挡物115，如图中1所图示的。固定电极110被定位在可动电极105的第一侧107上。阻挡物115隔离MEMS麦克风100的第一侧120和第二侧125。
在一些实施方式中，可动电极105被保持在参考电压处，并且偏置电压被施加到固定电极110，以生成可动电极105和固定电极110之间的电感应场130。电感应场130在图1中图示为多个垂直破折号。在其他实施方式中，固定电极110被保持在参考电压处，并且偏置电压被施加到可动电极105以生成电感应场130。在一些实施方式中，参考电压是接地参考电压（即，约0伏特）。在其他实施方式中，参考电压为非零电压。
作用在可动电极105的第一侧107和第二侧108上的声学和环境压力引起可动电极105在箭头135和140方向上的偏转。可动电极105的偏转对在可动电极105和固定电极110之间的电感应场130进行调制。可动电极105和固定电极110之间的电容基于电感应场130变化。
锁相环200是生成其相位与输入信号的相位相关的输出信号的控制***。在一些实施例中，除了其他部件之外，锁相环200还包括压控振荡器205、参考时钟210和相位检测器215，如图2中所图示的。
压控振荡器205接收控制信号并基于该控制信号生成振荡信号。在一些实施方式中，控制信号是电压信号。振荡信号是在两个不同的电压电平之间振荡的电压信号。振荡信号的频率与控制信号部分地互相关。在一些实施方式中，除其他部件之外，压控振荡器205还包括电子振荡器。
参考时钟210生成参考信号。参考信号是在两个不同的电压电平之间交替（即，振荡）的电压信号。在一些实施方式中，参考信号的频率基本上是恒定的。在一些实施方式中，除其他部件之外，参考时钟210还包括电子振荡器。
相位检测器215接收振荡信号和参考信号，并生成控制信号。相位检测器215基于振荡信号和参考信号的比较来生成控制信号。在一些实施方式中，相位检测器215通过比较振荡信号的相位与参考信号的相位来生成控制信号。振荡信号的相位与振荡信号的频率互相关。同样地，参考信号的相位与参考信号的频率互相关。相位检测器215调整控制信号以将振荡信号的相位与参考信号的相位同步对齐。当相位匹配时控制信号基本上是恒定的。该控制信号基于振荡信号的相位是否超前或滞后于参考信号的相位而上下偏移。在一些实施方式中，参考信号的频率基本上是恒定的，并且控制信号与振荡信号的频率直接互相关。
在一些实施方式中，除其他部件之外，相位检测器215还包括相位频率检测器300、电荷泵305以及低通滤波器310，如图3中所图示的。相位频率检测器300接收振荡信号和参考信号。相位频率检测器300将振荡信号的相位与参考信号的相位进行比较。相位频率检测器300基于振荡信号的相位是滞后还是超前于参考信号的相位（即，相位差）来生成上信号和下信号（例如，高和低电压信号）。电荷泵305将上信号和下信号转换为单个未滤波信号。在一些实施方式中，除其他部件之外，电荷泵305还包括DC至DC转换器，所述DC至DC转换器使用电容器作为能量存储元件来创建较高或较低电压源。低通滤波器310将未滤波信号转换成控制信号。
在一些实施方式中，除其他部件之外，压控振荡器205还包括环形振荡器400。除其他部件之外，环形振荡器400还包括多个反相器405A-405C和偏置电路410，如图4中所图示的。多个反相器405A-405C被配置在串联电路配置中。偏置电路410接收控制信号，并生成基于控制信号的偏置信号。偏置电路410提供偏置电压到多个反相器405A-405C中的每个。在多个反相器405A-405C中的每一个反相器耦合到参考节点415（例如，接地）。
为了使振荡信号振荡，环形振荡器400需要奇数个反相器。例如，图4中所图示的环形振荡器400包括三个反相器。每个反相器向反相器的链贡献一定量的传播延迟量。传播延迟是响应于***的输入中的改变而改变***的输出所需的时间长度。振荡信号的频率与多个反相器405A-405C中的每个的传播延迟的总和部分互相关。表＃1图示了由多个不同反相器传播延迟引起的环形振荡器400的示例性传播延迟。在表＃1中的传播延迟的值以微秒（μS）计。
振荡信号的频率被控制信号和环形振荡器400的传播延迟影响。多个反相器405A-405C中的每个包括电容性元件（例如，负载电容器），其具有影响其传播延迟的负载电容。改变在环形振荡器400中的多个反相器405A-405C中的至少一个的负载电容改变振荡信号的频率。
在一些实施方式中，多个反相器405A-405C中的每个是互补金属氧化物半导体（CMOS）反相器500。除其他部件之外，CMOS反相器500还包括： P型金属氧化物半导体（PMOS）晶体管505、N型金属氧化物半导体（NMOS）晶体管510、负载电容器515、输入节点520、输出节点525、高电压节点530以及低电压节点535，如图5中所图示的。PMOS晶体管505包括栅极节点540、漏极节点545和源极节点550。NMOS晶体管510包括栅极节点555、漏极节点560和源极节点565。PMOS晶体管505的栅极节点540和NMOS晶体管510的栅极节点555耦合到输入节点520。PMOS晶体管505的漏极节点545和NMOS晶体管510的漏极节点560耦合到输出节点525。PMOS晶体管505的源极节点550耦合到高电压节点530。NMOS晶体管510的源极节点565耦合到低电压节点535。负载电容器515耦合在输出节点525和低电压节点535之间。
CMOS反相器500在输入节点520处接收输入信号（例如，输入电压信号），并且在输出节点525处生成输出信号（例如，输出电压信号）。输入信号和输出信号在高电压值和低电压值之间交替。当输入信号在低电压处时输出信号在高电压值处，并且在输入信号在高输入值时输出信号在低电压值处。高电压值由偏置信号调节并且低电压值由参考节点415的电压（例如，约0伏）调节。CMOS反相器500的传播延迟是响应于输入信号中的改变而改变输出信号所需的时间长度。CMOS反相器500的传播延迟与在低电压值和高电压值之间对负载电容器515充电和放电所需的时间互相关。
在一些实施方式中，除其他部件之外，麦克风***600还包括MEMS麦克风100、锁相环200和控制器605，如图6中所图示的。可动电极105和固定电极110耦合到压控振荡器205，使得它们之间的电容充当用于压控振荡器205的负载电容。如上所解释的，可动电极105和固定电极110之间的电容基于作用在可动电极105上的声学和环境压力而改变。而且，如上所解释的，控制信号与振荡信号的频率互相关。如在下面进一步详细解释的，振荡信号的频率与可动电极105和固定电极110之间的电容部分地相关。因此，控制信号基于作用在可动电极105上的声学和环境压力而改变。
控制器605包括软件和硬件的组合，除其他事项外，所述软件和硬件的组合可操作来基于可动电极105和固定电极110之间的电容来确定音频信号。在一个实施方式中，控制器605包括填充有向麦克风***600提供功率、操作控制和保护的多个电气和电子部件的印刷电路板（PCB）。在一些实施方式中，PCB包括例如处理单元610（例如，微处理器，微控制器，或另一合适的可编程器件）、存储器615和总线。总线连接PCB的各种部件，包括将存储器615连接至处理单元610。存储器615包括例如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器、硬盘，或另一合适的磁性、光学、物理或电子存储设备。处理单元610连接到存储器615并执行软件，该软件能够被存储在RAM中（例如，在执行期间）、ROM中（例如，在一般永久的基础上）、或诸如另一存储器或盘的另一非暂态计算机可读介质中。附加地或可替代地，存储器615包括在处理单元610中。控制器605还包括输入/输出（I/O）单元620，输入/输出（I/O）单元620包括用于在控制器605内的部件和麦克风***600的其他部件或麦克风***600外部的部件之间传送信息和电气信号的例程。
包括在麦克风***600的一些实施方式中的软件存储在控制器605的存储器615中。该软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、一个或多个程序模块和其他可执行指令。控制器605被配置成除其他部件之外还从存储器615检索并执行与在此描述的控制过程和方法有关的指令。在一些实施方式中，控制器605包括附加的、更少的或不同的部件。
除其他部件之外，PCB还包括多个附加的无源和有源部件，如电阻器、电容器、电感器、集成电路和放大器。这些部件被布置并连接以提供多个电气功能给PCB，除其他事项外，所述电气功能还包括滤波、信号修整或电压调节。为了描述性目的，PCB和填充在PCB上的电气部件被统称为控制器605。
控制器605耦合到锁相环200并且接收控制信号。控制器605基于该控制信号来确定音频信号。如上所解释的，控制信号基于作用在可动电极105上的声学和环境压力而改变。因此，控制器605使用控制信号来基于作用在可动电极105上的声学和环境压力来确定音频信号。在一些实施方式中，控制器605测量控制信号的参数（例如，电压，电流），并基于所测量的参数来确定音频信号。
图7图示根据本发明的一些实施方式的MEMS麦克风100和在压控振荡器205中的CMOS反相器500的示例性配置。固定电极110耦合到CMOS反相器500的输出节点525并且可动电极105耦合到参考节点415。MEMS麦克风100提供负载电容给CMOS反相器500。CMOS反相器500的负载电容根据作用在可动电极105上的声学和环境压力而改变。这继而使CMOS反相器500的传播延迟改变。改变CMOS反相器500的传播延迟对振荡信号的频率进行调制。因此，振荡信号的频率与可动电极105和固定电极110之间的电容部分地互相关。
图8图示根据本发明的一些实施方式的MEMS麦克风100和在压控振荡器205中的CMOS反相器500的示例性配置。可动电极105耦合到CMOS反相器500的输出节点525并且固定电极110耦合到参考节点415。
耦合可动电极105和固定电极110到CMOS反相器500不需要高压泵并且降低对在MEMS麦克风100中的氧化物的阻抗要求。这允许在MEMS麦克风100上的更低吸合电压要求、更大的工艺灵活性，以及麦克风***600的更低功耗。
因此，除其他的事项之外，本发明提供了利用其频率由MEMS麦克风100调制的锁相环200感测音频的***和方法。本发明的各种特征以及优点在所附权利要求中阐述。
Claims (19)
1.一种麦克风***，包括：
MEMS麦克风，包括
可动电极，其具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述可动电极被配置成使得作用在所述可动电极的所述第一侧和所述第二侧上的声学压力引起所述可动电极的运动，以及
固定电极，其被定位在所述可动电极的所述第一侧上；
锁相环，包括
耦合到所述MEMS麦克风的压控振荡器，其
接收控制信号，以及
基于所述控制信号和所述可动电极与所述固定电极之间的电容来生成振荡信号，以及
耦合到所述压控振荡器的相位检测器，其
接收所述振荡信号和参考信号，
检测所述振荡信号和所述参考信号之间的相位差，以及
基于所述相位差来生成所述控制信号；以及
耦合到所述锁相环的控制器，所述控制器被配置成
接收所述控制信号；以及
基于所述控制信号来确定音频信号。
2.根据权利要求1所述的麦克风***，其中所述振荡信号具有基于所述控制信号和所述电容的频率。
3.根据权利要求1所述的麦克风***，其中所述压控振荡器具有基于所述控制信号和所述电容的传播延迟，其中所述振荡信号具有基于所述传播延迟的相位。
4.根据权利要求1所述的麦克风***，其中所述压控振荡器具有环形振荡器。
5.根据权利要求4所述的麦克风***，其中所述环形振荡器具有带有输入节点和输出节点的反相器。
6.根据权利要求5所述的麦克风***，其中所述固定电极耦合到所述反相器的输出节点。
7.根据权利要求6所述的麦克风***，其中所述可动电极耦合到参考节点。
8.根据权利要求5所述的麦克风***，其中所述可动电极耦合到所述反相器的输出节点。
9.根据权利要求8所述的麦克风***，其中所述固定电极耦合到参考节点。
10.根据权利要求1所述的麦克风***，其中所述锁相环还包括生成所述参考信号的参考时钟。
11.根据权利要求1所述的麦克风***，其中所述锁相环具有
相位频率检测器，其基于所述相位差来生成上信号和下信号，
电荷泵，其基于所述上信号和所述下信号来生成未滤波信号，以及
低通滤波器，其基于所述未滤波信号来生成所述控制信号。
12.一种利用MEMS麦克风感测音频的方法，所述MEMS麦克风包括可动电极和固定电极，所述可动电极具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述可动电极被配置成使得作用在所述可动电极的所述第一侧和所述第二侧上的声学压力引起所述可动电极的运动，所述固定电极被定位在所述可动电极的所述第一侧上，所述方法包括：
利用压控振荡器接收控制信号；
利用所述压控振荡器基于所述控制信号和所述可动电极与所述固定电极之间的电容来生成振荡信号；
利用相位检测器接收所述振荡信号和参考信号；
利用所述相位检测器检测所述振荡信号和所述参考信号之间的相位差；
利用所述相位检测器基于所述相位差来生成所述控制信号；
利用控制器接收所述控制信号；以及
利用所述控制器基于所述控制信号来确定音频信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述振荡信号包括基于所述控制信号和所述电容的相位。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述振荡信号包括基于所述压控振荡器的传播延迟的相位，其中所述传播延迟是基于所述控制信号和所述电容的。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述压控振荡器使用环形振荡器来生成所述振荡信号。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括利用参考时钟来生成所述参考信号。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括利用偏置电路基于所述控制信号来生成偏置信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述振荡信号是基于所述偏置信号而生成的。
19.根据权利要求12所述的方法，其中基于所述相位差来生成所述控制信号包括
利用相位频率检测器基于所述相位差来生成上信号和下信号，
利用电荷泵基于所述上信号和下信号来生成未滤波信号，以及
利用低通滤波器基于所述未滤波信号来生成所述控制信号。
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