專利名稱：工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及麥克風傳感器技術領域，涉及高精度的適用于微聲電系統(tǒng)(MEMS)麥克風傳感器的讀出電路芯片，是數(shù)字助聽器麥克風讀出電路芯片的自動增益控制電路。
背景技術：
隨著微聲電系統(tǒng)(MEMS)技術的不斷進步，微聲電助聽器麥克風傳感器應運而生，它具有體積小、功耗低、失真小和抗噪聲能力強等優(yōu)點，其所對應的讀出電路成為工業(yè)界研究的熱點。這種傳感器通?？傻刃橐粋€較為理想的電壓源理想電壓源串上一個很小的電阻。但麥克風微機電傳感器輸出的信號非常微弱，一般僅在μ V mV量級之間，這對讀出電路的設計提出了非?？量痰囊?。讀出電路的噪聲水平和精度決定了其所能檢測的最小信號幅度，低噪聲和高精度的讀出電路設計成為了實現(xiàn)高精度的關鍵，尤其在數(shù)字麥克風極低的電源電壓情況下。目前國際上麥克風讀出電路的自動增益控制設計主要可分為模擬反饋控制運放前向開環(huán)增益，即模擬反饋控制運放偏置電流(參考瓊斯，馬丁內斯“一種CMOS助聽器”，模擬集成電路和信號處理，21，163-172(1999)；貝克‘一種針對仿真耳的低功耗單環(huán)和雙環(huán)自動增益控制，，固態(tài)電路，SC-41 (9), pp. 1983-1996，2006)和模擬反饋控制可控MOS管等效電阻的柵源電壓(參考霍曼“一種低噪聲CMOS自動增益控制技術”，固態(tài)電路，SC-27(7)，pp. 974-981,1992 ；金淑永“一種亞IV數(shù)字助聽器的高效前端模擬電路”，固態(tài)電路，SC-41 (4)，pp. 876-882，2006.)和電流模反饋控制MOS管跨導(參考格拉雷斯“低壓亞閾值指數(shù)放大與自動增益控制”，電路，器件與系統(tǒng)，Vol. 152，No. 1，F(xiàn)eb 2005)兩種方案。而以上自動增益控制電路在模擬助聽器領域獲得廣泛的應用。但前者缺點在于其線性度會受到工藝和電源電壓的限制，特別在電源電壓較低的情況下。模擬反饋的優(yōu)點在于其信號具有較強的連續(xù)性。但模擬反饋的難點在于低電壓的運放輸出精度的實現(xiàn)。通常運放的放大倍數(shù)在模擬反饋的控制下已實現(xiàn)較理想的精度，而在集成電路中實現(xiàn)很高的精度是極其困難的，通常需要復雜的補償電路或者非常大的功耗。電流模反饋方式的缺點在于運放本身沒有負反饋結構，從而系統(tǒng)對信號處理的精度較低。而數(shù)字助聽器又要求讀出電路具有非常好的讀出精度，這給讀出電路的設計提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是公開一種工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路，是電流模前饋的麥克風讀出電路，以克服現(xiàn)有技術的不足，不但能夠有效的實現(xiàn)自動增益控制的功能，更通過采用無源電阻陣列實現(xiàn)極低電壓下的高精度讀出。同時具備低電源電壓工作下，隨著音量的增加，功耗隨之減小，達到功耗高效率利用的功能。本發(fā)明為數(shù)字助聽器麥克風提供了一種高精度、低電壓的自動增益控制讀出電路。為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是
—種工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路，用于助聽器；其包括 全差分運放單元、容阻器件、電阻陣列、陣列控制開關、整流器、濾波器、數(shù)字參考表、數(shù)字控制器、數(shù)字比較器和加減計數(shù)器；一全差分運放單元，用于對麥克風輸出信號的放大；全差分運放單元的兩個輸入端分別經兩個容阻器件同麥克風輸出端和地相連，用以構成對輸入信號的高通濾波；兩個電阻陣列分別跨接于全差分運放單元的兩輸出端、兩輸入端之間，用以確定全差分運放對信號的增益值；兩電阻陣列控制開關分別并接于兩個電阻陣列一側，用以控制全差分運放單元的增益值；一整流器用于對麥克風輸出小信號進行整流；整流器和一濾波器構成包絡檢測電路，用以對整流信號進行濾波得到檢測麥克風輸出信號的能量；一數(shù)字控制器，對峰值檢測電路的輸出值和參考電平進行比較；一數(shù)字參考表，用以查找對應的數(shù)字參考碼；一加減計數(shù)器，用以自動增益控制對信號的壓縮與恢復；一數(shù)字比較器，控制加減計數(shù)器進行加減操作，其將加減計數(shù)器的輸出編碼與參考編碼進行比較以輸出壓縮與恢復的使能邏輯。所述的電流模前饋自動增益控制電路，其具體電路如下全差分運放單元的第一和第二輸入端分別經第一和第二容阻器件同地和麥克風輸出端相連，第一電阻陣列跨接于全差分運放單元的第一輸入端和第二輸出端，第二電阻陣列跨接于全差分運放單元的第二輸入端和第一輸出端；第一電阻陣列控制開關跨接于第一電阻陣列和全差分運放單元一輸出端，第二電阻陣列控制開關跨接于第二電阻陣列和全差分運放單元另一輸出端；整流器輸入端連接麥克風輸出端，整流器順序和低通濾波器、數(shù)字控制器、數(shù)字參考表、數(shù)字比較器一輸入端電連接，數(shù)字控制器另一輸出端與全差分運放單元電連接；加減計數(shù)器輸入端分別與兩時鐘、數(shù)字比較器兩輸出端電連接，加減計數(shù)器輸出端分別和第一陣列控制開關、第二陣列控制開關、數(shù)字比較器的另一輸入端電連接。所述的電流模前饋自動增益控制電路，其所述全差分運放單元，根據放大倍數(shù)的不同調節(jié)偏置電流，使在音量較大的情況下對運放功耗進行減??；其中，Ml, M2M0S管工作于亞閾值區(qū)，使有恒定的帶寬。所述的電流模前饋自動增益控制電路，其所述整流器和濾波器，在0. 8V的極低電源電壓下，對麥克風輸出的IOOuV以上的微弱信號進行整流和濾波，且整流器與濾波器的傳輸信號為電流模信號；濾波器電路的M8，M9M0S管工作于亞閾值區(qū)。所述的電流模前饋自動增益控制電路，其所述數(shù)字控制器，在0. 8V的極低電源電壓下，對麥克風輸出的IOOuV以上的微弱信號進行邏輯控制輸出。本發(fā)明的一種工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路，是可以用于數(shù)字助聽器的電流模前饋的自動增益控制讀出電路，其通過前饋的方式使麥克風輸出信號的能量轉換為數(shù)字控制信號，由數(shù)字控制電路控制電阻陣列從而對運放的增益進行控制，有效的解決了其連續(xù)性和精度的問題。本發(fā)明的電路適用于極低工作電源電壓(如，0.8V以下)，其有助于提供一種低電壓，低功耗和高精度的使用于便攜式數(shù)字助聽器的讀出電路，實現(xiàn)了自動控制增益數(shù)字前饋的方法和相應的在低電壓下工作的電路。


圖1為本發(fā)明的工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路圖，其中，主要元件標號說明全差分運放單元1第二容阻器件3第二電阻陣列5第二電阻陣列控制開關7濾波器9數(shù)字控制器11加減計數(shù)器13 ；圖2為本發(fā)明中工作于極低電源電壓的全差分運放電路圖；圖3為本發(fā)明中工作于極低電源電壓的整流器電路圖；圖4為本發(fā)明中工作于極低電源電壓的濾波器電路圖；圖5為本發(fā)明中工作于極低電源電壓的數(shù)字控制器電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明給出了一種工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路，通過采用工作于低電源電壓的電路模塊，電流模前饋和數(shù)字電路控制的方式有效解決了現(xiàn)有技術存在的非線性問題。本發(fā)明是由容阻器件2、3對麥克風直流信號進行高通，濾除麥克風直流信號，由全差分運放電路1讀出麥克風微弱信號；同時整流器8和濾波器9組成的包絡檢測電路檢測麥克風微弱信號的能量，數(shù)字控制器11對能量進行處理得到數(shù)字控制信號，數(shù)字參考表10根據數(shù)字控制信號查到相對應的增益控制碼，施加到數(shù)字比較器12，得到使能信號，實現(xiàn)加減計數(shù)器13的加減計數(shù)功能，即實現(xiàn)了信號壓縮與恢復的功能。加減計數(shù)分別和時鐘22和33同步。而不同聲音量級對應不同的增益控制碼，最終運放增益由增益控制碼通過電阻陣列4，5和電阻陣列控制開關6，7控制電阻陣列4，5實現(xiàn)。該電路由于采用電阻陣列的方式實現(xiàn)了低電源電壓下高精度的麥可風信號讀出，同時通過電流前饋，數(shù)字控制的方式實現(xiàn)了低電源電壓下的自動增益控制。圖1為本發(fā)明的工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路。自動增益控制電路分成以下幾個部分，包括全差分運放單元1、容阻器件、電阻陣列、陣列控制開關、整流器8、濾波器9、數(shù)字參考表10、數(shù)字控制器11、數(shù)字比較器12加減計數(shù)器13 ；全差分運放單元1第一和第二輸入端分別經第一和第二容阻器件2、3同地和麥克風輸出端相連，第一電阻陣列4跨接于全差分運放單元1第一輸入端和第二輸出端，第二電阻陣列5跨接于全差分運放單元1第二輸入端和第一輸出端，第一電阻陣列控制開關6跨接于第一電阻陣列4和全差分運放單元1輸出端，第二電阻陣列控制開關7跨接于第二電阻陣列單元5和全差分運放單元1輸出端。整流器8輸入端連接麥克風輸入端、輸出端順
第一容阻器件2第一電阻陣列4第一電阻陣列控制開關6整流器8數(shù)字參考表10數(shù)字比較器12序和低通濾波器9、數(shù)字控制器11、數(shù)字參考表10、數(shù)字比較器12輸入端電連接，數(shù)字控制器11另一輸出端與全差分運放單元1電連接。加減計數(shù)器13輸入端分別與兩時鐘22、33、 數(shù)字比較器12輸出端電連接，加減計數(shù)器13輸出端分別和第一陣列控制開關6、第二陣列控制開關7、數(shù)字比較器12的另一輸入端電連接。參考圖2，在實際應用中，考慮較低的電源電壓和較低的功耗下，全差分運放單元 1的偏置電流設計為可編程偏置電流源14，其由數(shù)字控制器11進行控制，且差分輸入對Ml， M2M0S管工作在亞閾值區(qū)15，同時采用了級聯(lián)的電路拓撲結構。此電路同時具備共模輸出檢測電路，共模輸入檢測電路和在音量較大的情況下對運放功耗進行減小的功能。為了防止由于共模輸出電平瞬態(tài)輸出過高造成輸入共模電平超出運放的共模輸入范圍，圖2中， 由M6，M7，M8，M12，M13M0S管構成的輸入共模檢測電路將使得全差分運放的輸入共模電平始蹤跟蹤于輸出共模電平。而輸出共模電平由M9，M10, Mil, M14，M16M0S管構成的輸出共模反饋環(huán)路進行確定。當音量等級不同時，數(shù)字控制器對由M3，M4，M5，M6，MllMOS管構成的可編程偏置電流源進行減小或增大，從而達到具有高效率的全差分運放的目的，其增益帶寬為coAGC = ^ω。ΤΑ = i3igm/Ccomp其中β i為全差分反饋系數(shù)，由反饋回路決定，gm，Ccomp為Ml，M2M0S管的跨導和全差分運放補償電容。由于M1，M2M0S管工作于亞閾值區(qū)，則可實現(xiàn)對跨導的線性控制實現(xiàn)不同增益下恒定增益帶寬。同時麥克風的輸出信號由整流器對其進行整流，參考圖3。考慮此整流器工作在低電源電壓狀態(tài)，此整流器采用電流模電路級聯(lián)形式，即采用阻容C，R使電壓轉換為電流，同時用兩個級聯(lián)反饋環(huán)路分別對轉換的正向電流和負向電流進行整流。其管子都工作于飽和區(qū)，能承受最小的工作電壓為VDD_MIN = 2vgs-Vth其中Ves為MOS管柵源電壓，Vth為MOS管閾值電壓。圖3中，對正向電流進行整流的反饋環(huán)路由Ml，M2，M3，M4M0S管構成，其為電壓-電流負反饋的跨阻運放結構，目的為降低跨阻運放的輸入電阻，使得電流能夠流入。該跨阻運放的輸入阻抗可由下面公式確定
權利要求
1.一種工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路，用于助聽器；其特征在于，包括全差分運放單元、容阻器件、電阻陣列、陣列控制開關、整流器、濾波器、數(shù)字參考表、數(shù)字控制器、數(shù)字比較器和加減計數(shù)器；一全差分運放單元，用于對麥克風輸出信號的放大；全差分運放單元的兩個輸入端分別經兩個容阻器件同麥克風輸出端和地相連，用以構成對輸入信號的高通濾波；兩個電阻陣列分別跨接于全差分運放單元的兩輸出端、兩輸入端之間，用以確定全差分運放對信號的增益值；兩電阻陣列控制開關分別并接于兩個電阻陣列一側，用以控制全差分運放單元的增益值；一整流器用于對麥克風輸出小信號進行整流；整流器和一濾波器構成包絡檢測電路，用以對整流信號進行濾波得到檢測麥克風輸出信號的能量；一數(shù)字控制器，對峰值檢測電路的輸出值和參考電平進行比較；一數(shù)字參考表，用以查找對應的數(shù)字參考碼；一加減計數(shù)器，用以自動增益控制對信號的壓縮與恢復；一數(shù)字比較器，控制加減計數(shù)器進行加減操作，其將加減計數(shù)器的輸出編碼與參考編碼進行比較以輸出壓縮與恢復的使能邏輯。
2.如權利要求1所述的電流模前饋自動增益控制電路，其特征在于，具體電路如下全差分運放單元的第一和第二輸入端分別經第一和第二容阻器件同地和麥克風輸出端相連，第一電阻陣列跨接于全差分運放單元的第一輸入端和第二輸出端，第二電阻陣列跨接于全差分運放單元的第二輸入端和第一輸出端；第一電阻陣列控制開關跨接于第一電阻陣列和全差分運放單元一輸出端，第二電阻陣列控制開關跨接于第二電阻陣列和全差分運放單元另一輸出端；整流器輸入端連接麥克風輸出端，整流器順序和低通濾波器、數(shù)字控制器、數(shù)字參考表、數(shù)字比較器一輸入端電連接，數(shù)字控制器另一輸出端與全差分運放單元電連接；加減計數(shù)器輸入端分別與兩時鐘、數(shù)字比較器兩輸出端電連接，加減計數(shù)器輸出端分別和第一陣列控制開關、第二陣列控制開關、數(shù)字比較器的另一輸入端電連接。
3.如權利要求1所述的電流模前饋自動增益控制電路，其特征在于，所述全差分運放單元，根據放大倍數(shù)的不同調節(jié)偏置電流，使在音量較大的情況下對運放功耗進行減??；其中，Ml，M2M0S管工作于亞閾值區(qū)，使有恒定的帶寬。
4.如權利要求1所述的電流模前饋自動增益控制電路，其特征在于，所述整流器和濾波器，在0. 8V的極低電源電壓下，對麥克風輸出的IOOuV以上的微弱信號進行整流和濾波，且整流器與濾波器的傳輸信號為電流模信號；濾波器電路的M8，M9M0S管工作于亞閾值區(qū)。
5.如權利要求1所述的電流模前饋自動增益控制電路，其特征在于，所述數(shù)字控制器，在0. 8V的極低電源電壓下，對麥克風輸出的IOOuV以上的微弱信號進行邏輯控制輸出。
全文摘要
本發(fā)明一種工作于極低電源電壓電流模前饋自動增益控制電路，涉及傳感器技術，包括全差分運放單元、容阻器件、電阻陣列、控制開關、整流器、濾波器、控制器、數(shù)字參考表、數(shù)字比較器及加減計數(shù)器。全差分運放單元根據電阻陣列變化相應的放大麥克風輸出端的電壓信號，整流器將電壓信號轉為電流信號，并整流，濾波器對整流器輸出電流濾波，對輸入信號包絡檢測。數(shù)字控制器將濾波器輸出電流和參考電流比較得數(shù)字參考表中的數(shù)字控制信號。數(shù)字比較器將加減計數(shù)器輸出與數(shù)字控制信號比較，在音量不同等級時，對全差分運放單元放大倍數(shù)調整，保護聽力缺陷者的聽力；在音量正常時，全差分運放單元放大倍數(shù)將恢復原來數(shù)值，實現(xiàn)對不同音量的自動增益控制。
文檔編號H03G3/20GK102571009SQ20101059140
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2010年12月8日
發(fā)明者李凡陽, 楊海鋼 申請人:中國科學院電子學研究所