專利名稱：一種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字助聽器麥克風(fēng)讀出集成電路，而更詳細(xì)地涉及高精度的適用于助聽器微聲電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)傳感器的讀出集成電路。
背景技術(shù)：
隨著微聲電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的不斷進(jìn)步，微聲電助聽器麥克風(fēng)傳感器應(yīng)運(yùn)而生，它具有體積小、功耗低、失真小和抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其所對應(yīng)的讀出電路成為エ業(yè)界研究的熱點(diǎn)。這種傳感器通常可等效為ー個(gè)較為理想的電壓源理想電壓源串上一個(gè)很小的電 阻。但麥克風(fēng)微機(jī)電傳感器輸出的信號非常微弱，一般僅y V mV量級之間,這對讀出電路的設(shè)計(jì)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，所以低噪聲和高精度的讀出電路設(shè)計(jì)成為了實(shí)現(xiàn)讀出電路具有高精度的關(guān)鍵，尤其在數(shù)字助聽器需要非常低的電源電壓情況下。目前國際上麥克風(fēng)讀出電路的模擬自動增益控制設(shè)計(jì)主要可分為模擬反饋控制運(yùn)放前向開環(huán)增益，即模擬反饋控制運(yùn)放偏置電流(參考瓊斯，馬丁內(nèi)斯“ー種CMOS助聽器”，模擬集成電路和信號處理，21，163-172(1999);貝克‘ー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自動增益控制技木”，固態(tài)電路，SC-27(7)，pp. 974-981，1992 ;金淑永“ー種亞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(dǎo)(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. l,Feb 2005)兩種方案。而以上自動增益控制電路在模擬助聽器領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。但前者缺點(diǎn)在于其線性度會受到エ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(diǎn)在于其信號具有較強(qiáng)的連續(xù)性。但模擬反饋的難點(diǎn)在于低電壓的運(yùn)放輸出精度的實(shí)現(xiàn)。通常運(yùn)放的放大倍數(shù)在模擬反饋的控制下已實(shí)現(xiàn)較理想的精度，而在集成電路中實(shí)現(xiàn)很高的精度是極其困難的，通常需要復(fù)雜的補(bǔ)償電路或者非常大的功耗。電流模反饋方式[5]的缺點(diǎn)在于運(yùn)放本身沒有負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是給出ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，可以用于數(shù)字助聽器的雙模自動増益控制讀出電路，其在用可控MOS管等效電阻控制增益的基礎(chǔ)上，在非壓縮狀態(tài)下由電阻陣列代替MOS管等效電阻，有效的解決了其非壓縮狀態(tài)下精度的問題；同時(shí)有效的解決了壓縮狀態(tài)下功耗較高的問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，用于助聽器的IV工作電源電壓；其包括可編程跨導(dǎo)運(yùn)放,用于對麥克風(fēng)MEMS輸出信號的放大；可編程跨導(dǎo)運(yùn)放兩個(gè)輸入端分別同麥克風(fēng)輸出端和地相連的兩個(gè)電容和電阻器件相連，構(gòu)成對輸入信號的高通濾波；可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端同輸入端相連的兩個(gè)電阻陣列單元，用于構(gòu)成在非壓縮エ作狀態(tài)下可編程跨導(dǎo)運(yùn)放對信號的放大；可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端同輸入端相連的ー個(gè)MOS管等效電阻陣列單元，用于壓縮狀態(tài)下的自動增益控制；與電阻陣列単元和MOS管等效電阻単元相連的選擇開關(guān)；輸入端和輸出端連接包絡(luò)檢測電路輸出端和MOS管等效電阻陣列柵極的增益控 制電路，用于產(chǎn)生自動增益控制的電壓；輸入端和輸出端連接可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端和增益控制單元輸入端的包絡(luò)檢測電路，用以對信號進(jìn)行整流和濾波得到檢測可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出信號的能量。所述的雙模自動增益控制電路，其所述包絡(luò)檢測電路，采用濾波器級聯(lián)形式由電路中的1、2M0S管與電容C組成前端濾波電路，其兼有整流功能；4、5、6M0S管與電容Cl組成后端濾波電路。且1、2、6M0S管工作于亞閾值區(qū)。所述的雙模自動增益控制電路，其所述增益控制電路，通過運(yùn)放ampl、2和管子Ml、2組成兩個(gè)負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)功耗的自適應(yīng)功能；且置管子M4于亞閾值區(qū)以提供ー個(gè)適用于控制MOS管等效電阻單元的控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)在IV電源電壓下自動增益控制狀態(tài)下失真度的減小。本發(fā)明的電路適用于極低工作電源電壓(如，IV以下)，為便攜式數(shù)字助聽器提供了ー種低電壓，低功耗和高精度的讀出電路。同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)明了具有功耗自適應(yīng)功能的增益控制電路，實(shí)現(xiàn)音量逐漸升高吋，其系統(tǒng)電路功耗的逐漸減小。以上電路在電源電壓IV以下，依然能正常工作。本發(fā)明提出了實(shí)現(xiàn)了自動控制増益在非壓縮工作狀態(tài)下高精度和功耗高效率檢測信號的方法和相應(yīng)的在低電壓下工作的電路模塊。


圖I為本發(fā)明的ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路示意圖。圖中主要元件說明可編程跨導(dǎo)運(yùn)放I第一隔離電容2第二隔離電容3第一輸入電阻4第二輸入電阻5第一電阻陣列6第二電阻陣列7選擇開關(guān)8MOS管等效電阻9包絡(luò)檢測電路10比較器11增益控制電路12圖2為本發(fā)明的ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路中工作于IV電源電壓以上的包絡(luò)檢測電路；圖3為本發(fā)明的ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路中工作于IV電源電壓以上的增益控制電路。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明給出了ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，用于助聽器的IV工作電源電壓；其包括可編程跨導(dǎo)運(yùn)放,用于對麥克風(fēng)MEMS輸出信號的放大；可編程跨導(dǎo)運(yùn)放兩個(gè)輸入端分別同麥克風(fēng)輸出端和地相連的兩個(gè)電容和電阻器件相連，構(gòu)成對輸入信號的高通濾波；可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端同輸入端相連的兩個(gè)電阻陣列單元，用于構(gòu)成在非壓縮エ作狀態(tài)下可編程跨導(dǎo)運(yùn)放對信號的放大；可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端同輸入端相連的ー個(gè)MOS管等效電阻陣列單元，用于壓縮 狀態(tài)下的自動增益控制；與電阻陣列単元和MOS管等效電阻単元相連的選擇開關(guān)；輸入端和輸出端連接包絡(luò)檢測電路輸出端和MOS管等效電阻陣列柵極的增益控制電路，用于產(chǎn)生自動增益控制的電壓；輸入端和輸出端連接可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端和增益控制單元輸入端的包絡(luò)檢測電路，用以對信號進(jìn)行整流和濾波得到檢測可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出信號的能量。其中包絡(luò)檢測電路，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的啟動時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，使自動增益控制電路對聲音信號的響應(yīng)適應(yīng)人耳的生理需要。本發(fā)明的雙模自動增益控制電路，是在音量逐漸增大的條件下，實(shí)現(xiàn)本身功耗減小的增益控制電路；同時(shí)提供一個(gè)適用于控制MOS管柵極，處于較高電位的兩個(gè)輸出控制電壓，以實(shí)現(xiàn)在IV電源電壓下自動增益控制狀態(tài)下失真度的減小。一種麥克風(fēng)雙模自動增益控制電路，通過采用工作于低電源電壓的功耗高效率電路模塊和電阻陣列代替MOS管等效電阻的方式有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的功耗和非線性問題。本發(fā)明是由第一，ニ隔離電容和電阻器件2 5對麥克風(fēng)直流信號進(jìn)行高通，濾除麥克風(fēng)直流信號，由可編程跨導(dǎo)運(yùn)放電路I讀出麥克風(fēng)微弱信號；比較器11比較包絡(luò)檢測電路10輸出的包絡(luò)信號和參考拐點(diǎn)閾值電壓，其比較結(jié)果確定選擇開關(guān)6的選取。當(dāng)包絡(luò)檢測電路10檢測可編程跨導(dǎo)運(yùn)放I輸出信號的包絡(luò)信號小于參考拐點(diǎn)閾值電壓時(shí)，系統(tǒng)電路工作于非壓縮工作狀態(tài)，選擇開關(guān)6選擇第一,ニ輸入電阻器件4,5和第一,ニ電阻陣列6，7作為反饋回路。當(dāng)包絡(luò)檢測電路10檢測可編程跨導(dǎo)運(yùn)放I輸出信號的包絡(luò)信號大于參考拐點(diǎn)閾值電壓時(shí)，系統(tǒng)電路工作于壓縮狀態(tài)，選擇開關(guān)6選擇MOS管等效電阻9作為反饋回路；同時(shí)增益控制電路12對包絡(luò)信號進(jìn)行處理得到增益控制信號，此增益控制信號對MOS管等效電阻9的柵極電壓進(jìn)行控制。該電路由于在非壓縮工作狀態(tài)下采用第一，ニ輸入電阻4，5和第一，ニ電阻陣列6，7代替MOS管等效電阻9的方式實(shí)現(xiàn)了低電源電壓下高精度的麥可風(fēng)信號讀出，同時(shí)通過模擬反饋，控制MOS管等效電阻9柵極的方式實(shí)現(xiàn)了低電源電壓下的自動增益控制。圖I描述示范性的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的雙模自動增益控制電路。雙模自動增益控制電路分成以下幾個(gè)部分，包括可編程跨導(dǎo)運(yùn)放(I)、將可編程跨導(dǎo)運(yùn)放(I)第一和第二輸入端分別同麥克風(fēng)輸出端和地相連的第一和第二電容和輸入電阻器件(2 5)、跨接于可編程跨導(dǎo)運(yùn)放(I)第一輸入端和第二輸出端的第一電阻陣列出)、跨接于可編程跨導(dǎo)運(yùn)放
(I)第二輸入端和第一輸出端的第二電阻陣列(7)、跨接于可編程跨導(dǎo)運(yùn)放(I)輸入端和輸出端的MOS管等效電阻(9)、跨接于第一，ニ電阻陣列単元(4)和MOS管等效電阻(9)的選擇開關(guān)出)、輸出端和輸入端分別連接增益控制電路(12)輸入端和可編程跨導(dǎo)運(yùn)放(I)輸出端的包絡(luò)檢測電路(10)、連接包絡(luò)檢測電路(10)輸出端和MOS管等效電阻(9)柵極的增益控制電路(12)、連接于包絡(luò)檢測電路(10)輸出端和選擇開關(guān)(6)之間的比較器(11)。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮較低的電源電壓和較低的功耗下，可編程跨導(dǎo)運(yùn)放的輸出信號由包絡(luò)檢測電路對其進(jìn)行包絡(luò)檢測(參考附圖2)?？紤]此包絡(luò)檢測電路工作在低電源電壓狀態(tài)，此包絡(luò)檢測電路采用濾波器級聯(lián)形式，且1，2，6M0S管工作于亞閾值區(qū)13。由1，2M0S管與電容C組成前端濾波電路，其兼有整流功能；4，5，6M0S管與電容Cl組成后端濾波電路。由于設(shè)計(jì)前端濾波電路的截止頻率遠(yuǎn)小于后端濾波電路。濾波器在大信號輸入?yún)迹藶V波器的時(shí)間常數(shù)(壓縮時(shí)間)為
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IkI1隨后，大信號輸入變?yōu)樾⌒盘栞斎霑r(shí)，4, 5,6M0S管關(guān)斷,則由后端濾波電路決定此濾波器的時(shí)間常數(shù)(恢復(fù)時(shí)間)為
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2 Af3由上述理論可知，包絡(luò)檢測電路可以實(shí)現(xiàn)不同的啟動和恢復(fù)時(shí)間.同時(shí)電路具有以下功能即輸入信號越大的情況下，輸出電壓Vwt則越小。在系統(tǒng)電路處于音量非壓縮和壓縮的工作狀態(tài)下時(shí)，包絡(luò)檢測電路的輸出信號由增益控制電路進(jìn)行處理(參考附圖3)。包絡(luò)檢測電路的輸出信號Vpd或者壓縮拐點(diǎn)電壓Vth為此增益控制電路的輸入信號，V1和V2為輸出的控制信號，Vc是指數(shù)増益控制調(diào)整端。運(yùn)放ampl，2和管子Ml，2組成兩個(gè)負(fù)反饋回路，由于電阻Rl與R2相等，這樣使管子Ml，M2和M5，M6的源漏電壓精確相等，提升電流的鏡像精度，從而大幅度提高增益控制電路的輸入電阻，因此，包絡(luò)檢測電路的輸出電壓Vpd或者是拐點(diǎn)電壓Vth可以直接加到增益控制電路的輸入端而不會產(chǎn)生衰減。高效增益控制電路的等效輸入電阻為 Rin = A* [r5// (R^r1)]其中A為運(yùn)放ampl和管子Ml組成的負(fù)反饋回路開環(huán)增益，rl，5為Ml，5的漏極阻杭。在非壓縮工作狀態(tài)時(shí)，包絡(luò)電壓信號Vpd值大于拐點(diǎn)電壓VTH，此時(shí)Vth直接加到增益控制電路的輸入端。Ml，M2流過的電流為Icontrol =~—通過amp3和M4.組成的反饋回路使R3和R4間的節(jié)點(diǎn)電壓保持為Vc，由于R3和R4相等，所以兩個(gè)輸出電壓值分別為
Vlj2 = VC±VX由于R3，4，和Rl，2，相等，因此控制電路的差模電壓輸出為
權(quán)利要求
1.ー種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，用于助聽器的IV工作電源電壓；其特征在于，包括 可編程跨導(dǎo)運(yùn)放，用于對麥克風(fēng)MEMS輸出信號的放大； 可編程跨導(dǎo)運(yùn)放兩個(gè)輸入端分別同麥克風(fēng)輸出端和地相連的兩個(gè)電容和電阻器件相連，構(gòu)成對輸入信號的高通濾波； 可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端同輸入端相連的兩個(gè)電阻陣列單元，用于構(gòu)成在非壓縮工作狀態(tài)下可編程跨導(dǎo)運(yùn)放對信號的放大； 可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端同輸入端相連的ー個(gè)MOS管等效電阻陣列單元，用于壓縮狀態(tài)下的自動增益控制； 與電阻陣列単元和MOS管等效電阻単元相連的選擇開關(guān)； 輸入端和輸出端連接包絡(luò)檢測電路輸出端和MOS管等效電阻陣列柵極的增益控制電路，用于產(chǎn)生自動增益控制的電壓； 輸入端和輸出端連接可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出端和增益控制單元輸入端的包絡(luò)檢測電路，用以對信號進(jìn)行整流和濾波得到檢測可編程跨導(dǎo)運(yùn)放輸出信號的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙模自動增益控制電路，其特征在于，所述包絡(luò)檢測電路，采用濾波器級聯(lián)形式由電路中的1、2M0S管與電容C組成前端濾波電路，其兼有整流功能；4、5、6M0S管與電容Cl組成后端濾波電路。且1、2、6M0S管工作于亞閾值區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙模自動增益控制電路，其特征在于，所述增益控制電路，通過運(yùn)放ampl、2和管子Ml、2組成兩個(gè)負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)功耗的自適應(yīng)功能；且置管子M4于亞閾值區(qū)以提供一個(gè)適用于控制MOS管等效電阻単元的控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)在IV電源電壓下自動增益控制狀態(tài)下失真度的減小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種工作于極低電源電壓雙模自動增益控制電路，涉及集成電路，包括可編程跨導(dǎo)運(yùn)放、包絡(luò)檢測電路、增益控制電路、隔離電容、輸入電阻、電阻陣列、MOS管等效電阻、比較器和選擇開關(guān)。包絡(luò)檢測電路輸出信號和拐點(diǎn)閾值電壓比較結(jié)果決定電路的工作狀態(tài)在非壓縮工作狀態(tài)時(shí)，選擇開關(guān)選擇電阻陣列作為反饋回路放大麥克風(fēng)輸出端的電壓信號減小電路的失真度；在壓縮工作狀態(tài)時(shí)，雙模自動增益控制電路啟用MOS管等效電阻作為反饋回路實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的自動增益控制。包絡(luò)檢測電路實(shí)現(xiàn)不同的啟動時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間，增益控制電路實(shí)現(xiàn)在音量不同等級時(shí)功耗的有效利用。本發(fā)明用于助聽器，實(shí)現(xiàn)了極低電源電壓下高精度工作及控制電路功耗的高效率。
文檔編號H03G3/20GK102790594SQ20111012939
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉飛, 李凡陽, 楊海鋼 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所