專(zhuān)利名稱(chēng)：能處理高電平的音頻放大電路中的失真抑制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音頻放大電路，該音頻放大電路包括第一前置放大器和第二前置放大器，第一前置放大器用于接收音頻輸入信號(hào)，而第二前置放大器包括用于接收衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)的第一差分輸入端。衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)由耦接至音頻輸入信號(hào)的衰減器產(chǎn)生。非線性元件耦接至第一前置放大器的第一輸入端，從而使大信號(hào)電平的第一輸入端處的音頻輸入信號(hào)失真。失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)適于將失真補(bǔ)償信號(hào)從第一前置放大器的第一輸入端提供至第二前置放大器的第二差分輸入端，從而使得第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。本發(fā)明還涉及一種針對(duì)由非線性元件引起的失真而補(bǔ)償音頻放大電路的對(duì)應(yīng)方法。
背景技術(shù)：
對(duì)具有極大動(dòng)態(tài)范圍的首頻/[目號(hào)的可接受:處理向首頻放大和處理電路和系統(tǒng)提出了重大挑戰(zhàn)，尤其是向目標(biāo)用于諸如移動(dòng)終端、助聽(tīng)器、耳機(jī)、錄音攝影機(jī)等之類(lèi)的便攜式設(shè)備和應(yīng)用的音頻放大和處理電路提出了重大挑戰(zhàn)。由于便攜式設(shè)備由電池源供電，因此典型地引起音頻放大電路的最大可接受功耗相關(guān)的嚴(yán)重限制。為了進(jìn)一步惡化局勢(shì)，典型地在最大DC電源電壓上存在類(lèi)似的限制，該最大DC電源電壓可被提供至音頻放大和處理電路。音頻放大和處理或調(diào)理電路常常包括前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、電源電壓調(diào)節(jié)器等。最大DC電源電壓，以及因此帶來(lái)的AC信號(hào)電壓擺動(dòng)，將常常被限制至一電壓，該電壓低于用來(lái)實(shí)施信號(hào)處理或調(diào)理電路的具體半導(dǎo)體處理的最大額定電壓。進(jìn)一步地，總體而言的半導(dǎo)體芯片和電路以及具體而言的CMOS處理上的有源設(shè)備的不斷變小的最小特征尺寸的持續(xù)趨勢(shì)，導(dǎo)致這些有源設(shè)備可承受或容忍的最大DC電源電壓的不斷下降。因此高度期望諸加音頻信號(hào)控制器和音頻放大電路之類(lèi)的音頻放大系統(tǒng)和電路，其可在這些下降的DC電源電壓上操作而沒(méi)有音頻性能退化。一般不期望例如通過(guò)降低前置放大器的動(dòng)態(tài)范圍或放大倍數(shù)降低音頻放大系統(tǒng)的性能，來(lái)在DC電源電壓降低的情況下適應(yīng)大音頻輸入信號(hào)。DC電源電壓可小于2伏特或甚至小于1.5伏特。音頻放大系統(tǒng)因此應(yīng)能在減小或降低的DC電源電壓下在低電平信號(hào)和高電平信號(hào)處提供未受損的音頻質(zhì)量。本音頻放大系統(tǒng)的感興趣應(yīng)用是要放大和數(shù)字化小型麥克風(fēng)中的音頻信號(hào)，其中麥克風(fēng)換能器兀件能產(chǎn)生具有極大動(dòng)態(tài)范圍的音頻輸入信號(hào)。麥克風(fēng)換能器兀件可包括小型ECM的電容駐極體或電容式換能器，其能夠處理極高聲壓級(jí)，并且產(chǎn)生對(duì)應(yīng)大的換能器信號(hào)而沒(méi)有顯著失真。這些極高聲壓級(jí)，例如110、120或130 dB SPL以上的峰聲壓級(jí)，可源自不同類(lèi)型的聲源，例如車(chē)門(mén)砰擊、風(fēng)聲和增強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)音樂(lè)表演。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的麥克風(fēng)放大系統(tǒng)尚不能以完全令人滿(mǎn)意的方式處理這些換能器信號(hào)的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，例如而不在大的壓級(jí)下增大小型麥克風(fēng)的等效輸入噪聲或者使小型麥克風(fēng)過(guò)載或者上述兩者。因此，本領(lǐng)域中需要這樣的麥克風(fēng)放大電路和系統(tǒng)，其能夠處理由麥克風(fēng)換能器元件產(chǎn)生的換能器信號(hào)的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，或者具有大動(dòng)態(tài)范圍的其他音頻源信號(hào)，而在前面討論的關(guān)于由便攜式或電池供電的設(shè)備和應(yīng)用決定的DC電源電壓和功耗的限制之內(nèi)沒(méi)有過(guò)多的失真和噪聲。本音頻放大電路使用了雙前置放大器結(jié)構(gòu)，其中第一前置放大器可在低和普通音頻輸入信號(hào)電平下處理信號(hào)放大，而第二前置放大器可在極高音頻輸入信號(hào)電平下處理信號(hào)放大。失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)適于將失真補(bǔ)償信號(hào)從第一前置放大器的第一輸入端提供至第二前置放大器的第二差分輸入端，從而使得在大電平的音頻輸入信號(hào)的條件時(shí)第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。大電平的音頻輸入信號(hào)可對(duì)應(yīng)于在耦接至音頻放大電路的麥克風(fēng)上高于110、120或130dB SPL的峰聲壓級(jí)。現(xiàn)有技術(shù)一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有技術(shù)中用于小型麥克風(fēng)的麥克風(fēng)放大電路已設(shè)計(jì)成適應(yīng)直到大約IlOdB SPL或更小的最大限制的聲壓級(jí)，其中前置放大器非線性或削波已限制麥克風(fēng)輸出電壓的進(jìn)一步增大?？紤]到高于該最大限制的聲壓級(jí)出現(xiàn)地相對(duì)稀少，這已被視為是可接受的。為了保護(hù)麥克風(fēng)放大電路避免由大的低頻聲壓產(chǎn)生的過(guò)大的換能器信號(hào)，已實(shí)施在麥克風(fēng)放大電路中引入具有位于在例如IOOHz到200Hz之間的角或截止頻率的高通濾波器，或者通過(guò)例如借助于膜片中的適當(dāng)尺寸的孔洞在麥克風(fēng)換能器元件自身中引入聲高通濾波器來(lái)實(shí)施。第6271780號(hào)美國(guó)專(zhuān)利描述了一種用于麥克風(fēng)應(yīng)用的增益范圍A/D轉(zhuǎn)換器，該麥克風(fēng)應(yīng)用具有兩個(gè)設(shè)置為低增益通路和高增益通路的分離的增益通路，每個(gè)通路包括耦接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器以提供各自的數(shù)字信號(hào)的前置放大器。第一和第二前置放大器的增益差異24dB。增益范圍A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括求和設(shè)備，其對(duì)由低和高增益通路提供的各自的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行混合或共混操作。比例設(shè)備根據(jù)求和配置文件控制從低和高增益通路施加至待求和的每個(gè)數(shù)字信號(hào)的增益量。待求和的每個(gè)數(shù)字信號(hào)的增益量是通過(guò)將高增益通路的數(shù)字信號(hào)的電平與上和下預(yù)設(shè)閾值相比較來(lái)確定的。WM8737L產(chǎn)品手冊(cè)描述了一種用于便攜式應(yīng)用的低功率立體聲音頻ADC。左和右信號(hào)信道具有分離的麥克風(fēng)信號(hào)輸入端，并且每個(gè)信號(hào)信道包括增益可編程麥克風(fēng)前置放大器，其可操作地通過(guò)可編程增益放大器(PGA)耦接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。每個(gè)PGA的增益通過(guò)將適當(dāng)?shù)闹祵?xiě)至PGA增益控制寄存器而可按照0.5dB步長(zhǎng)從-97dB至+30dB進(jìn)行對(duì)數(shù)調(diào)整。立體聲音頻ADC包括用于每個(gè)信道的零交叉檢測(cè)器，從而，在一種操作模式下，當(dāng)信道的輸入信號(hào)處于零時(shí)僅僅改變可編程麥克風(fēng)前置放大器和PGA的各自增益。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種音頻放大電路，其包括:-輸入端子，用于接收音頻輸入信號(hào)，-衰減器，耦接至輸入端子，用于在衰減器輸出端處提供衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)，-第一前置放大器，包括第一輸入端，該第一輸入端可操作地耦接至用于接收音頻輸入信號(hào)的輸入端子，-非線性元件，耦接至第一前置放大器的第一輸入端，從而使大電平的音頻輸入信號(hào)失真，-第二前置放大器,包括第一差分輸入端和第二差分輸入端,其中第一差分輸入端可操作地耦接至衰減器輸出端，用來(lái)接收衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)，并且第二差分輸入端耦接至反饋網(wǎng)絡(luò)，-失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，適于將失真補(bǔ)償信號(hào)從第一前置放大器的第一輸入端提供至第二前置放大器的第二差分輸入端，從而使得第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。衰減器可操作來(lái)在第一和第二前置放大器根據(jù)最大輸出電壓擺動(dòng)具有基本相同的過(guò)載點(diǎn)的情況下創(chuàng)建第一和第二前置放大器的過(guò)載限制之間的有利差異。衰減器優(yōu)選包括電阻或電容分壓器。相比較在輸入端子處的音頻信號(hào)電平，通過(guò)衰減器的適當(dāng)設(shè)計(jì)，施加至第二前置放大器的第二差分輸入端的衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)的電平被顯著降低。這導(dǎo)致有益地將第二前置放大器的輸入晶體管或其他有源設(shè)備從上升到第二前置放大器的DC電源電壓軌之上或之下的峰音頻信號(hào)電壓屏蔽。如果衰減器包括由諸如電阻或電容分壓器之類(lèi)的無(wú)源組件形成的分壓器，則是進(jìn)一步有利的，這是因?yàn)闊o(wú)源組件比諸如CMOS晶體管之類(lèi)的有源半導(dǎo)體設(shè)備更適于按照線性方式處理極大電平的音頻信號(hào)電壓。基于電容分壓器的衰減器的應(yīng)用在電容式麥克風(fēng)應(yīng)用(例如小型ECM應(yīng)用)中非常有用，因?yàn)橛呻娙莘謮浩魈峁┙o電容式麥克風(fēng)的電容或電容式換能器元件的基本電容的負(fù)載導(dǎo)致?lián)Q能器信號(hào)的基本頻率獨(dú)立的衰減。此外，相比于基于電阻器的衰減器，尤其是小型ECM的電容式換能器元件的極大發(fā)生器阻抗所需的高阻抗衰減器，電容電壓的電容器不將熱噪聲貢獻(xiàn)給音頻輸入信號(hào)。另外，電容分壓器的電容器的適當(dāng)電容器值可利用最小的芯片面積消耗并且因而以低成本在集成半導(dǎo)體基板上形成。在一個(gè)實(shí)施例中，電容分壓器包括第一和第二級(jí)聯(lián)電容器，其耦接在輸入端子和諸如電路接地或DC電源或DC參考電壓之類(lèi)的信號(hào)接地節(jié)點(diǎn)之間。第一和第二級(jí)聯(lián)電容器之間的中點(diǎn)節(jié)點(diǎn)形成衰減器輸出端，其可操作地耦接至第二前置放大器的第一差分輸入端。第一和第二電容器的值可例如選擇為分別大約IOOfF和900fF,以在第二前置放大器的第一差分輸入端處提供音頻輸入信號(hào)的大約20dB的衰減。第一和第二電容器的級(jí)聯(lián)協(xié)作以在輸入端子處引入大約90fF的電容負(fù)載。如上面所提到的，衰減器保護(hù)第二前置放大器的第二差分輸入端免受極大音頻輸入信號(hào)電平影響，從而使得第二前置放大器可甚至在這些大音頻信號(hào)電平下基本線性地操作。取決于耦接至輸入端子的麥克風(fēng)換能器的靈敏度，后面的電平可對(duì)應(yīng)于大于110或120dB SPL的聲壓級(jí)。包括第一前置放大器的第一信號(hào)信道通常被視為普通靈敏度信道，其良好適于放大或處理音頻輸入信號(hào)的低電平和普通電平，而不在小或零音頻輸入信號(hào)電平下引入不可接受的噪聲。音頻輸入信號(hào)的普通電平可對(duì)應(yīng)于耦接至音頻放大電路的輸入端子的小型電容式麥克風(fēng)上60到120dB SPL之間的聲壓級(jí)。在包括第二前置放大器的第二信號(hào)信道達(dá)到其過(guò)載或削波限制之前，第二信號(hào)信道可適于處理在例如比第一信號(hào)信道大IOdB或20dB的聲壓級(jí)下的音頻輸入信號(hào)。本音頻放大電路的一些實(shí)施例可包括一個(gè)或多個(gè)額外的前置放大器和信號(hào)信道，例如提供具有第一和第二信號(hào)放大之間的信號(hào)放大的第三放大音頻信號(hào)的第三信號(hào)信道。盡管輸入端子可適于接收源自諸如設(shè)置為線電平信號(hào)的錄制音樂(lè)和語(yǔ)音信號(hào)之類(lèi)的各種類(lèi)型的音頻源或發(fā)生器的模擬音頻輸入信號(hào)，本放大電路尤其良好適于放大直接源自電容換能器元件的信號(hào)。電容換能器元件可包括直接耦接至輸入端子的麥克風(fēng)換能器元件。麥克風(fēng)換能器元件可包括電容式麥克風(fēng)，例如微機(jī)電(MEMS)電容式麥克風(fēng)，例如其形狀和大小適于移動(dòng)終端應(yīng)用。麥克風(fēng)換能器元件的其他實(shí)例是展示了極大發(fā)生器阻抗的小型ECM的電容駐極體或電容式換能器元件，基本上對(duì)應(yīng)于具有0.5到2pF之間的值的電容器。為了支持這些類(lèi)型的極高阻抗麥克風(fēng)換能器元件，音頻放大電路優(yōu)選在輸入端子處具有輸入阻抗，其在IkHz處測(cè)得為大于IOOM Ω，優(yōu)選大于IGQ，甚至更優(yōu)選大于IOGQ。在替代實(shí)施例中，音頻放大電路可設(shè)計(jì)成使得在輸入端子處的輸入阻抗的電容分量在IkHz處測(cè)得為小于500fF，優(yōu)選小于200fF，甚至更優(yōu)選小于100fF。上面概述的各個(gè)范圍中的輸入阻抗或電容可例如通過(guò)適當(dāng)選擇用于本放大電路的半導(dǎo)體工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通過(guò)使用M0S、CMOS或BiCMOS技術(shù)和/或適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)技術(shù)。在一個(gè)有用的實(shí)施例中，其展示了在輸入端子處的極高輸入阻抗，第一和第二前置放大器的各個(gè)輸入級(jí)是基于CMOS晶體管的。失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)針對(duì)在音頻輸入信號(hào)的大電平下由耦接至第一前置放大器的第一輸入端的非線性元件產(chǎn)生的失真而補(bǔ)償?shù)诙爸梅糯笃?。在這種大音頻輸入信號(hào)電平下，至第一前置放大器的輸入信號(hào)由于非線性元件的非線性而嚴(yán)重失真。理想地，施加至第二前置放大器的第一差分輸入端的衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)應(yīng)保持未失真，因?yàn)樗p器是線性的且衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)具有足夠低的電平以允許第二前置放大器和可能的輸入保護(hù)電路來(lái)基本線性地操作。不幸地，在第一前置放大器處的失真音頻輸入信號(hào)的一部分經(jīng)通過(guò)衰減器延伸的意外或寄生信號(hào)通路耦接至第二前置放大器。如果耦接至輸入端子的音頻源的發(fā)生器阻抗極大，則這一效果尤其突出，上面提到的小型ECM就是這種情況。通過(guò)寄生通路的信號(hào)失真的這一意外傳送，基本上是由小型ECM或MEMS電容式麥克風(fēng)的電容換能器元件的極大阻抗級(jí)別造成的，其阻止電容換能器元件有效地控制將音頻輸入信號(hào)提供給衰減器的輸入端子處的輸入信號(hào)波形。非絨性元件可包括一對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管，其耦接在第一前置放大器的非倒相輸入端或倒相輸入端與DC參考電壓源之間。DC參考電壓源設(shè)置第一前置放大器的適當(dāng)?shù)腄C偏置點(diǎn)。該對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管可用作具有用于第一前置放大器的小信號(hào)運(yùn)算的106Ω或更大的阻抗的極高阻抗偏置電路。極高阻抗將輸入端子上的負(fù)載最小化并因而使由麥克風(fēng)換能器元件傳遞至第一前置放大器的第一輸入端的音頻輸入信號(hào)的電平最大化。另外，非線性元件可有利地通過(guò)將峰信號(hào)輸入電壓限制至諸如+/-0.5伏特之類(lèi)的大約預(yù)定值而在第一前置放大器的第一輸入端處提供過(guò)載保護(hù)或輸入信號(hào)限制，+/-0.5伏特對(duì)應(yīng)于該對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管的二極管的單個(gè)正向二極管壓降。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，反向并聯(lián)的偏置二極管的每條引線可包括單個(gè)或多個(gè)串聯(lián)耦接的二極管，從而使得其中激活了信號(hào)限制的峰信號(hào)輸入電壓可增大至前面提到的+/-0.5伏特峰電平之上的期望電平。除了在第一前置放大器的輸入端處提供過(guò)載保護(hù)或信號(hào)鉗位的非線性元件之外，出于同樣的目的，對(duì)應(yīng)的非線性元件可連接至第二前置放大器的第二差分輸入端。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，失真補(bǔ)償信號(hào)通過(guò)耦接在第一前置放大器的第一輸入端與第二前置放大器的第二差分輸入端之間的補(bǔ)償電容來(lái)提供。失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可包括耦接在輸入端子和第一前置放大器的第一輸入端之間的第一緩沖器。第一緩沖器可包括單位增益緩沖器，其包含諸如MOS晶體管之類(lèi)的一個(gè)或多個(gè)有源半導(dǎo)體設(shè)備。第一緩沖器具有諸如大于IGQ之類(lèi)的大輸入阻抗以及諸如小于IOkQ之類(lèi)的更低的輸出阻抗，并因而可操作來(lái)將來(lái)自任意負(fù)載的輸入端子處的音頻輸入信號(hào)與第一前置放大器的輸入阻抗相隔離。在一個(gè)實(shí)施例中，第一緩沖器包括源極跟隨器耦接的MOS晶體管，其柵極端子可操作地耦接至輸入端子，源極端子可操作地耦接至第一前置放大器的第一輸入端。因此，第一緩沖器在第一前置放大器的電路拓?fù)涞碾娐吩O(shè)計(jì)者選擇中提供更多靈活性。第一前置放大器可包括差分放大器，并且其第一輸入端可以是其倒相輸入端或非倒相輸入端。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，耦合電容器連接至輸入端子和非線性元件之間，以提供高通濾波過(guò)的音頻輸入信號(hào)給第一前置放大器。耦合或隔直電容器可用作DC隔直濾波器或高通濾波器，以在音頻輸入信號(hào)被施加至第一前置放大器的第一輸入端之前將DC分量從音頻輸入信號(hào)中移除。另外，通過(guò)適當(dāng)選擇耦合電容器的值或電容，可適于減少通過(guò)用于小型麥克風(fēng)的寄生通路耦接的失真量，小型麥克風(fēng)展示了前述討論范圍的極大電容發(fā)生器阻抗。在后面的實(shí)施例中，耦合電容器的電容優(yōu)選地選擇為接近討論中的小型麥克風(fēng)的發(fā)生器電容的值。這意味著耦合電容器具有0.5到20pF之間的值，其是小型電容式麥克風(fēng)的電容換能器元件的等效發(fā)生器電容的典型范圍。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括在第一緩沖器的輸入端處耦接至非線性元件的第二衰減器，以提供第二衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)。第二緩沖器配置成通過(guò)補(bǔ)償電容將第二衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)耦接至第二前置放大器的第二差分輸入端。盡管第一緩沖器的輸入端和輸出端處的音頻輸入信號(hào)理論上說(shuō)是彼此的完美副本，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，任意實(shí)際的緩沖器設(shè)計(jì)將對(duì)緩沖器輸出端處的音頻輸入信號(hào)添加其自身的失真貢獻(xiàn)，尤其對(duì)于大音頻輸入信號(hào)電平來(lái)說(shuō)。因此，失真信號(hào)特性中的差異將存在于通過(guò)從非線性元件通過(guò)寄生通路提供的失真信號(hào)與由從緩沖器輸出端獲得的失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提供的失真補(bǔ)償信號(hào)之間，從而導(dǎo)致第二前置放大器的輸出端處的失真信號(hào)的不是很完美的抑制。根據(jù)本實(shí)施例避免了這個(gè)問(wèn)題，其中失真補(bǔ)償信號(hào)從直接耦接至非線性元件的第一緩沖器的輸入端(代替緩沖器輸出端)獲得，從而使避免來(lái)自第一緩沖器自身的非線性的任何失真貢獻(xiàn)。由于衰減器的信號(hào)衰減，降低了提供給第二緩沖器的第二衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)的振幅或電平。第二緩沖器因此能基本線性操作，即使當(dāng)?shù)谝痪彌_器的輸入端處的音頻輸入信號(hào)具有極高電平并因而由于非線性元件的行為而失真時(shí)也是如此。在第二緩沖器的輸出端處出現(xiàn)且通過(guò)補(bǔ)償電容提供至第二前置放大器的第二差分輸入端的失真補(bǔ)償信號(hào)，將因此是在第一緩沖器的輸入端處的失真音頻輸入信號(hào)的未失真或精確版本。第二前置放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)包括反饋電容器和輸入電容器，反饋電容器耦接在第二差分輸入端與第二前置放大器的第一輸出端之間，輸入電容器耦接在第二差分輸入端與DC參考電壓之間。失真補(bǔ)償信號(hào)優(yōu)選耦接到第二前置放大器的輸入端子，該輸入端子耦接在反饋電容器和輸入電容器之間。通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償電容器的電容，這允許提供至第二前置放大器的失真補(bǔ)償信號(hào)的電平被以方便的方式調(diào)整或調(diào)諧。在音頻放大電路的優(yōu)選實(shí)施例中，第二前置放大器和第一前置放大器在IOOHz到IOkHz的整個(gè)頻率范圍上具有基本相同的小信號(hào)傳遞函數(shù)。在該實(shí)施例中，第一和第二信號(hào)放大倍數(shù)之間的差異，其從輸入端子到第一和第二前置放大器各自的前置放大器輸出端來(lái)確定，可由衰減器專(zhuān)門(mén)創(chuàng)建。這具有有利的效果:第一和第二前置放大器可具有基本相同的設(shè)計(jì)或拓?fù)洌@便利于通過(guò)半導(dǎo)體工藝變化和操作溫度變化來(lái)匹配小信號(hào)傳遞函數(shù)。第一和第二前置放大器的基本相同的小信號(hào)傳遞函數(shù)也有益于各個(gè)前置放大器輸出信號(hào)的相位匹配。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，第一和第二前置放大器各自的小信號(hào)傳遞函數(shù)之間的相位差:-在IkHz處小于15度，或者-在IOOHz處小于5度。如在下面進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，存在與結(jié)合分別從第一和第二前置放大器輸出信號(hào)獲得的第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)之間的電平相關(guān)信號(hào)切換方案提供第一和第二輸出信號(hào)的同時(shí)零交叉相關(guān)聯(lián)的某些優(yōu)點(diǎn)。在替代實(shí)施例中，第一和第二信號(hào)放大倍數(shù)之間的差異可通過(guò)衰減器的音頻信號(hào)衰減與第一和第二前置放大器之間的增益差的組合來(lái)創(chuàng)建。第二前置放大器可用作單位增益緩沖器或用作具有在諸如300Hz到3kHz之類(lèi)的音頻頻率范圍的至少一部分內(nèi)例如大于IOdB或大于20dB的可觀增益的放大器。在音頻放大電路的另一優(yōu)選實(shí)施例中，第一前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的增益或放大倍數(shù)通過(guò)電容比控制和/或第二前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的增益或放大倍數(shù)通過(guò)電容比控制。在本文上下文中，增益或放大倍數(shù)表示音頻頻率增益或放大倍數(shù)。增益或放大倍數(shù)優(yōu)選在IkHz處定義。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，第一和第二前置放大器中的每個(gè)的音頻頻率增益通過(guò)耦接在前置放大器輸出端及其倒相輸入端之間的反饋電容器之間的電容比來(lái)控制。輸入電容器從音頻輸入端耦接至第一前置放大器的倒相輸入端。第二前置放大器的音頻頻率放大倍數(shù)優(yōu)選通過(guò)另一電容比按照對(duì)應(yīng)的方式來(lái)控制，該電容比可與第一前置放大器的電容比相同。這些增益控制電容器優(yōu)選全部是Pf大小的電容器，例如每個(gè)均具有小于500pF的電容。每介電容器可包括雙層多晶娃電容器或MIM電容器，以實(shí)現(xiàn)第一和第二前置放大器各自的增益的精確設(shè)置。另外，由于在半導(dǎo)體工藝技術(shù)中對(duì)由這些設(shè)備提供的電容比的精確控制，雙層多晶硅電容器或MM電容器用作輸入和反饋電容器增強(qiáng)了第一和第二前置放大器之間的小信號(hào)傳遞函數(shù)匹配。在音頻放大電路的另一實(shí)施例中，第一前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的高通角頻率由開(kāi)關(guān)電容器電阻控制和/或第二前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的高通角頻率由開(kāi)關(guān)電容器電阻控制。開(kāi)關(guān)電容器電阻可與反饋電容器并聯(lián)耦接。通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)電容器電阻的時(shí)鐘頻率，使用開(kāi)關(guān)電容器電阻允許調(diào)整高通角頻率，從而使得第一和/或第二前置放大器的高通角頻率可通過(guò)時(shí)鐘頻率的簡(jiǎn)單改變按照高效方式來(lái)精確控制和修改。因此，高通角頻率可按照方便的方式適于諸如具體麥克風(fēng)元件的特性之類(lèi)的音頻放大電路的具體應(yīng)用或者適于下行流信號(hào)處理電路的特性。在多個(gè)有用的實(shí)施例中，第一前置放大器和/或第二前置放大器包括差分放大器。第一前置放大器和/或第二前置放大器可具有單端輸出端或差分輸出端。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二前置放大器中的每個(gè)按照非倒相配置來(lái)耦接，從而使得非倒相輸入端可操作地耦接用于接收音頻輸入信號(hào)。反饋網(wǎng)絡(luò)可耦接在輸出端與第一和第二前置放大器各自的倒相輸入端之間。這種前置放大器配置在耦接至音頻輸入信號(hào)的非倒相輸入端處通過(guò)將反饋網(wǎng)絡(luò)與其絕緣而提供大輸入阻抗。在再一有利的實(shí)施例中，反饋網(wǎng)絡(luò)建立從差分放大器的輸出端到第一或第二前置放大器的倒相輸入端的低通傳遞函數(shù)。這可通過(guò)選擇反饋網(wǎng)絡(luò)中的電容器和電阻線件的適當(dāng)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，提供了一種高通小信號(hào)傳遞函數(shù)，其有用于衰減音頻輸入信號(hào)中的低頻噪聲并且有用于抑制第一或第二前置放大器的輸入端處的DC偏移的效果。為了便于集成在半導(dǎo)體基板上，反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻組件包括在其各自的三極管區(qū)域中操作或偏置的MOS晶體管。
本發(fā)明的另一方面涉及一種半導(dǎo)體芯片或基板，其包括根據(jù)其上述實(shí)施例中的任意實(shí)施例的音頻放大電路。半導(dǎo)體芯片優(yōu)選以亞微米CMOS半導(dǎo)體工藝封裝以允許以極低成本大規(guī)模制造音頻信號(hào)放大電路。音頻放大電路可有利地包括耦接至輸入焊盤(pán)或端子的過(guò)載保護(hù)或信號(hào)限制特征。該特征保護(hù)在集成半導(dǎo)體電路上的例如輸入晶體管和比如電阻器和電容器的衰減器組件之類(lèi)的有源和無(wú)源組件免受過(guò)電壓條件。過(guò)電壓條件可導(dǎo)致由于過(guò)度基板電流而造成的有源或無(wú)源組件的破壞或故障。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，集成半導(dǎo)體電路包括諸如二極管或二極管耦接的晶體管之類(lèi)的兩個(gè)或更多的級(jí)聯(lián)非線性元件，其可操作地耦接在輸入端子與{DC電源軌、DC參考電壓}中的至少其中之一之間以將音頻輸入信號(hào)鑰位在第一限制電平下。DC電源軌可包括正或負(fù)DC電源電壓或接地(GND)。DC參考電壓可包括調(diào)節(jié)的DC電壓或帶隙獲得的DC電壓以及集成半導(dǎo)體電路的任意其他合理地良好定義的且穩(wěn)定的DC電壓。例如通過(guò)使用兩個(gè)到五個(gè)級(jí)聯(lián)二極管或二極管耦接的晶體管用作非線性元件，第一限制電平可被設(shè)置成在大約1.0伏特到2.5伏特之間的數(shù)字值。一個(gè)實(shí)施例采用了兩組或兩串按照反向并聯(lián)配置安裝的非線性元件，其中每組包括兩個(gè)或更多的級(jí)聯(lián)非線性元件。在該實(shí)施例中，這兩組反向并聯(lián)的非線性元件設(shè)置第一限制電平和第二限制電平兩者。通過(guò)適當(dāng)選擇級(jí)聯(lián)非線性元件的數(shù)目和類(lèi)型，音頻輸入信號(hào)可被鉗位在兩個(gè)不同的限制電平下，例如比在輸入端子處的靜態(tài)或DC偏置電壓高1.0伏特到2.5伏特之間的第一限制電平以及比在輸入端子處的所述靜態(tài)或DC偏置電壓低1.0伏特到2.5伏特之間的第二限制電平。本發(fā)明的另一方面涉及一種小型電容或電容式麥克風(fēng)，其包括電容換能器兀件，其響應(yīng)于撞擊聲以在換能器信號(hào)端子上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)換能器信號(hào)。上面提到的半導(dǎo)體芯片或基板可操作地經(jīng)由半導(dǎo)體芯片的輸入端子耦接至換能器信號(hào)端子，用于接收和放大換能器信號(hào)。小型電容麥克風(fēng)可由ECM或微機(jī)電(MEMS)電容式麥克風(fēng)形成，其形狀和尺寸適于移動(dòng)終端應(yīng)用。本發(fā)明的又一方面涉及一種針對(duì)非線性元件的失真而補(bǔ)償音頻放大電路的方法，其包括步驟:-從音頻放大電路的輸入信號(hào)獲得用于第一前置放大器的第一輸入端的音頻輸入信號(hào)，-由非線性元件限制大電平的音頻輸入信號(hào)以在第一前置放大器的第一輸入端處提供失真的音頻輸入信號(hào)，-通過(guò)衰減器來(lái)衰減輸入信號(hào)，-經(jīng)由衰減器的輸出端將衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)施加至第二前置放大器的第一差分輸入端，-將來(lái)自第一前置放大器的第一輸入端的失真補(bǔ)償信號(hào)耦接至第二差分前置放大器的第二差分輸入端，從而使得第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。


本發(fā)明的實(shí)施例將結(jié)合附圖進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中:圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的音頻放大電路和系統(tǒng)的示意性電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的音頻放大電路的示意性電路圖；以及
圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的音頻放大電路的示意性電路圖。
具體實(shí)施例方式圖1是根據(jù)其第一實(shí)施例的音頻放大系統(tǒng)101的示意圖，該系統(tǒng)101包括可操作地耦接至音頻放大電路102的麥克風(fēng)104。音頻放大系統(tǒng)101可用作后續(xù)的基于DSP的音頻信號(hào)處理電路(未示出)的放大和數(shù)字化前端。音頻放大電路102配置成提供具有不同的輸入相關(guān)(input referred)過(guò)載點(diǎn)的第一和第二模擬輸出信號(hào)，以增強(qiáng)音頻放大系統(tǒng)101的動(dòng)態(tài)范圍處理能力。音頻放大電路102可或者在分離的CMOS半導(dǎo)體芯片上封裝或?qū)嵤蛘呖稍贑MOS半導(dǎo)體芯片上與耦接至數(shù)字音頻接口 120的第一和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器111、112封裝在一起。分離的基于DSP的音頻信號(hào)處理電路可按照具有數(shù)據(jù)接口端子的適當(dāng)編程或配置的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的形式遠(yuǎn)程駐留在例如便攜式終端內(nèi)，所述數(shù)據(jù)接口端子可操作地耦接至所示的本音頻放大系統(tǒng)101的外部可存取輸出端子121，用于接收數(shù)字音頻信號(hào)或數(shù)字音頻流。在這種配置中，音頻放大電路102可駐留在便攜式終端的印刷電路板或其他載體上，或者可替代地安裝在便攜式終端的麥克風(fēng)的小型麥克風(fēng)殼體內(nèi)。音頻放大電路102因此優(yōu)選地被設(shè)計(jì)形狀和大小以集成到小型麥克風(fēng)殼體中。在所示的實(shí)施例中，音頻放大電路102經(jīng)由傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)通過(guò)放大電路102的輸入端子或焊盤(pán)105連接至小型電容或電容式麥克風(fēng)104。要認(rèn)識(shí)到，音頻放大電路102可連接至和可選地被設(shè)計(jì)尺寸和形狀以集成到多種不同類(lèi)型的麥克風(fēng)的殼體，例如不同類(lèi)型的小型電容麥克風(fēng)。放大電路102分別包括第一和第二前置放大器109、110，在這個(gè)實(shí)施例中它們實(shí)施為非倒相運(yùn)算放大器，每個(gè)均具有通過(guò)兩個(gè)阻抗Zl和Z2的阻抗比來(lái)控制的音頻頻率放大倍數(shù)。阻抗Zl和Z2可包括各自的電阻器或電容器，其分別設(shè)置第一和第二前置放大器109、110的各自的音頻帶電壓增益或放大倍數(shù)。第一和第二前置放大器109、110分別形成上和下信號(hào)通路或信道，其可操作地通過(guò)輸入端子105耦接至公共模擬音頻輸入信號(hào)。第一和第二前置放大器109、110在例如IOOHz和IOkHz之間或300Hz和3kHz之間的音頻頻譜的預(yù)定頻率范圍內(nèi)分別優(yōu)選地展示基本相同的小信號(hào)傳遞函數(shù)。按照這種方式，從輸入端子105處的音頻輸入信號(hào)確定的電壓或電流增益與第一和第二前置放大器的各自的差分輸出電壓之間的差，僅僅是通過(guò)由電容器Cl 106和C2 107形成的電容分壓器的動(dòng)作而造成的。上信號(hào)通路包括由耦合電容器C3 108形成的DC隔直(blocking)濾波器，其可操作來(lái)在施加至第一前置放大器109的非倒相輸入端之前將DC分量從輸入信號(hào)中移除。在本實(shí)施例中，DC隔直或耦合電容器C3的電容優(yōu)選地選擇成一值，該值等于小型電容或電容式麥克風(fēng)104的電容，該電容典型地位于I和20pF之間，更優(yōu)選是大約2pF。耦合電容器C3耦接在輸入端子105和非線性元件之間，該非線性元件包括第一對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管115a。下信號(hào)通路包括兩個(gè)電容器Cl 106和C2 107，其耦接為音頻輸入信號(hào)的電容分壓器。分壓器的功能是，要按照由Vauditj = VmicA/(CfC1)給出的因子將至下信號(hào)通路的前置放大器110的音頻輸入信號(hào)進(jìn)行衰減，其中Vaudi。是至第二或下通路前置放大器110的非倒相輸入端的音頻輸入信號(hào)，并且Vmie是在節(jié)點(diǎn)126上由小型麥克風(fēng)104的麥克風(fēng)換能器元件產(chǎn)生的輸入信號(hào)。包括Cl 106和C2 107的電容分壓器因此連接在輸入端子105與第二前置放大器110的非倒相輸入端之間。電容Cl和C2的大小一般適于音頻源的發(fā)生器阻抗，該音頻源通過(guò)輸入端子105提供音頻輸入信號(hào)。在本實(shí)施例中，其中音頻源是小型電容式麥克風(fēng)104，Cl的值優(yōu)選位于20與IOOfF之間的范圍中(IfF = I(T15F)。優(yōu)選地，C2比Cl大2到20倍，更優(yōu)選大約大9倍，導(dǎo)致將至第二前置放大器110的輸入信號(hào)信號(hào)衰減大約20dB。按照這種方式，在第二前置放大器110的輸出端處的過(guò)載點(diǎn)或電壓可比第一前置放大器109的輸出端處的過(guò)載點(diǎn)或電壓高大約20dB。第一對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管115a耦接在第一前置放大器109的非倒相輸入端子與DC參考電壓源Vtjffset之間以設(shè)置第一前置放大器109的適當(dāng)DC偏置點(diǎn)。該對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管115a用作具有IOGQ或更大的阻抗的極高阻抗偏置電路，用于第一前置放大器109的小信號(hào)運(yùn)算。極高阻抗將輸入端子105上的負(fù)載最小化，并因而使由麥克風(fēng)換能器元件傳遞至第一前置放大器109的非倒相輸入端的音頻輸入信號(hào)的電平最大化。另外，通過(guò)將峰信號(hào)輸入電壓限制至大約+/-0.5伏特，該對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管115a用作用于第一前置放大器Al的非倒相輸入端子的過(guò)載保護(hù)或信號(hào)限制，+/-0.5伏特對(duì)應(yīng)于在該對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管115a的單個(gè)正向二極管上的一個(gè)二極管電壓降。類(lèi)似的一對(duì)反向并聯(lián)的偏置二極管115b耦接在第二前置放大器110的非倒相輸入端子與DC參考電壓源Vtjffset之間。最后，第三組反向并聯(lián)的二極管(未示出)可耦接在音頻放大電路102的輸入端子105與正DC電源電壓或軌VDD之間。該第三組反向并聯(lián)的二極管的每條引腳可包括兩個(gè)或可選地更多二極管的級(jí)聯(lián)，且操作來(lái)將至音頻放大系統(tǒng)的峰信號(hào)輸入電壓限制至大約+/-1.0伏特(或者如果更多二極管在每個(gè)引腳中級(jí)聯(lián)則更高)，+/-1.0伏特對(duì)應(yīng)于在正向傳導(dǎo)二極管上的兩個(gè)二極管電壓降。放大電路102的上或普通靈敏度信號(hào)通路以及下或低靈敏度信號(hào)通路中的每個(gè)可選地分別包括Σ -Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器111和112，用于將在第一和第二前置放大器109、110的各自的差分輸出端處提供的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)。第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)被傳送至各個(gè)抽取濾波器113、114。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二Σ -Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器111和112分別均是單比特轉(zhuǎn)換器，其以2.4MHz的過(guò)采樣采樣速率或頻率操作。在本實(shí)施例中，每個(gè)抽取濾波器以2.4MHz的過(guò)采樣采樣速率接收1-比特?cái)?shù)字音頻流并以48kHz最終采樣頻率下采樣該單比特音頻流以形成抽取的且低通濾波過(guò)的數(shù)字音頻信號(hào)，其具有16比特的字長(zhǎng)。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，諸如介于1.0MHz到IOMHz之類(lèi)的過(guò)采樣采樣頻率以及諸如介于8kHz到96kHz之類(lèi)的最終采樣頻率的寬范圍可根據(jù)具體應(yīng)用的需求由所示的實(shí)施例的適當(dāng)調(diào)整來(lái)使用。抽取的且低通濾波過(guò)的數(shù)字音頻信號(hào)由各個(gè)數(shù)據(jù)總線116、117傳送至數(shù)字音頻接口 120，數(shù)字音頻接口 120可操作地耦接在第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)與外部可存取輸出端子121之間。數(shù)字音頻接口 120配置成以16kHz最終或尼奎斯特采樣速率接收并轉(zhuǎn)換第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)成數(shù)字音頻流，該數(shù)字音頻流符合諸如I2S、S/H)IF、AES/EBU、SLIMbus (TM)之類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信/數(shù)字音頻協(xié)議。信號(hào)選擇電路(未示出)可包括對(duì)應(yīng)的數(shù)字音頻接口(未示出)，用于接收和解碼數(shù)字音頻流。信號(hào)選擇電路可另外地包括邏輯和算術(shù)運(yùn)算電路，其配置成基于第二數(shù)字音頻信號(hào)的電平或其他信號(hào)特征選擇性地傳輸或傳送第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)其中之一。信號(hào)選擇電路優(yōu)選地包括軟件編程過(guò)的微處理器或DSP，其通過(guò)可執(zhí)行程序指令或子例程的適當(dāng)集合來(lái)實(shí)施信號(hào)控制器122的功能性。音頻放大系統(tǒng)101可從正DC電源電壓或軌供電。GND電平用作音頻放大系統(tǒng)101的負(fù)DC電源電壓或軌。在本發(fā)明的本實(shí)施例中，音頻放大系統(tǒng)101被設(shè)計(jì)用于在介于1.2伏特到2.0伏特(例如大約1.8伏特)的DC電源電壓上操作。音頻放大系統(tǒng)101優(yōu)選地包括時(shí)鐘輸入端子(未示出)，用于接收和同步到外部產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)鐘以允許將從數(shù)字音頻接口 120傳送的第一和第二數(shù)字音頻信號(hào)同步到外部產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)鐘。本音頻放大電路102包括失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，該失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括耦接在第一前置放大器109的非倒相輸入端127與第二前置放大器110的倒相輸入端之間的非倒相增益緩沖器125。非倒相增益緩沖器125的增益可小于1、等于I或大于1，取決于由電容分壓器提供的輸入信號(hào)衰減的量。在本實(shí)施例中，由于至第二前置放大器110的輸入信號(hào)的大約20dB的衰減，非倒相增益緩沖器125的增益小于I。非倒相增益緩沖器125可包括有源設(shè)備，其形成具有大輸入阻抗和小輸出阻抗的單位增益緩沖器或放大器以降低第一前置放大器109的非倒相輸入端127的負(fù)載。非倒相增益緩沖器125降低在音頻輸入信號(hào)的大輸入信號(hào)電平下在下信號(hào)通路或信道的前置放大器110的差分輸出端處的信號(hào)失真。在這種大輸入信號(hào)電平下，上信號(hào)通路的前置放大器109上的輸入信號(hào)可由于該對(duì)反向并聯(lián)的二極管115a的非線性而嚴(yán)重失真。在第一前置放大器109處的失真音頻輸入信號(hào)通過(guò)意外(unintended)或寄生信號(hào)通路耦接至第二前置放大器110的非倒相輸入端，該意外或寄生信號(hào)通路延伸通過(guò)耦合電容器C3和電容分壓器電容器Cl和C2。另外，小型電容或電容式麥克風(fēng)104的電容也影響由于節(jié)點(diǎn)126處的電容分壓而造成的耦接至第二前置放大器110的非倒相輸入端的失真音頻輸入信號(hào)的量。前置放大器110的非倒相輸入端的失真效果上的這一意外溢出，基本上是由小型電容或電容式麥克風(fēng)104的電容換能器元件的大阻抗級(jí)別造成的，其阻止后者有效控制節(jié)點(diǎn)126處的輸入信號(hào)波形。失真效果上的這一意外溢出是經(jīng)通過(guò)非倒相增益緩沖器125將小心調(diào)整的對(duì)應(yīng)失真量從第一前置放大器109的非倒相輸入端提供至第二前置放大器110的倒相輸入端來(lái)補(bǔ)償?shù)?。由于第二前置放大?10的差分放大屬性，通過(guò)調(diào)整增益緩沖器125的增益或衰減從而使得基本相等的失真信號(hào)被同時(shí)施加至第二前置放大器110的非倒相和倒相輸入端，前置放大器110的差分輸出信號(hào)的失真基本消除，或者至少顯著衰減。圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的音頻放大電路202的示意圖。音頻放大電路的第一和第二實(shí)施例102、202分別的對(duì)應(yīng)特征、元件和組件具有諸如電容、電阻、放大倍數(shù)等之類(lèi)的相同電氣特性。這些對(duì)應(yīng)元件已設(shè)置有對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記以易于比較。音頻放大電路202可被設(shè)計(jì)形狀和尺寸以集成到小型麥克風(fēng)殼體中，例如安裝在小型麥克風(fēng)殼體內(nèi)的印刷電路板或其他載體上。在所示的實(shí)施例中，音頻放大電路202經(jīng)由傳統(tǒng)引線鍵合或倒裝芯片連接技術(shù)通過(guò)放大電路202的輸入端子或焊盤(pán)205連接至小型電容或電容式麥克風(fēng)
204。音頻放大電路202可由正DC電源電壓或軌供電并且GND端子或電平用作負(fù)DC電源電壓或軌。在本發(fā)明的本實(shí)施例中，音頻放大電路202被設(shè)計(jì)用于在介于1.2伏特到2.0伏特(例如大約1.8伏特)的DC電源電壓上操作。放大電路202包括第一和第二前置放大器209、210，其在該實(shí)施例中分別實(shí)施為在vMJTi和處具有差分輸出信號(hào)的各個(gè)倒相運(yùn)算放大器。第一和第二前置放大器209、210中的每個(gè)的音頻頻率放大倍數(shù)或增益分別通過(guò)在整個(gè)音頻頻率范圍上的電容比來(lái)控制。第一前置放大器209的音頻頻率放大倍數(shù)或增益通過(guò)反饋電容器C9和輸入電容器CS之間的電容比來(lái)控制。第二前置放大器210的音頻頻率放大倍數(shù)通過(guò)反饋電容器Cll和輸入電容器C6之間的電容比來(lái)控制。這些增益設(shè)置電容器C9、C8、C11和C6優(yōu)選都是pF大小的電容，例如每個(gè)均具有小于500pF的電容，并且每個(gè)優(yōu)選地包括雙層多晶硅(poly-poly)電容器或MIM電容器，用于精確設(shè)置第一和第二前置放大器的各自的增益。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，為電容器選擇下列表I中列出的電容器值:
權(quán)利要求
1.一種音頻放大電路，包括: -輸入端子，用于接收音頻輸入信號(hào)， -衰減器，耦接至輸入端子，用于在衰減器輸出端處提供衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)， -第一前置放大器，包括第一輸入端，該第一輸入端可操作地耦接至用于接收音頻輸入信號(hào)的輸入端子， -非線性元件，耦接至第一前置放大器的第一輸入端，從而使大電平的音頻輸入信號(hào)失真， -第二前置放大器，包括第一差分輸入端和第二差分輸入端，其中第一差分輸入端可操作地耦接至衰減器輸出端，用來(lái)接收衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)，并且第二差分輸入端耦接至反饋網(wǎng)絡(luò)， -失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，適于將失真補(bǔ)償信號(hào)從第一前置放大器的第一輸入端提供至第二前置放大器的第二差分輸入端，從而使得第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中衰減器包括電阻或電容分壓器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的音頻放大電路，其中失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括: -補(bǔ)償電容，耦接在第一前置放大器的第一輸入端與第二前置放大器的第二差分輸入端之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音頻放大電路，其中失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括:` -第一緩沖器，稱(chēng)接在輸入端子與第一前置放大器的第一輸入端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的音頻放大電路，其中第一緩沖器包括源極跟隨器耦接的MOS晶體管，其具有可操作地耦接至輸入端子的棚極端子和可操作地耦接至第一前置放大器的第一輸入端的源極端子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，包括耦合電容器，其連接在輸入端子和非線性元件之間以提供高通濾波過(guò)的音頻輸入信號(hào)至第一前置放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的音頻放大電路，其中失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括: -第二衰減器，其在第一緩沖器的輸入端處耦接至非線性元件以提供第二衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)， -第二緩沖器，其配置成通過(guò)補(bǔ)償電容將第二衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)耦接至第二前置放大器的第二差分輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中第二前置放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)包括: -反饋電容器，其耦接在第二差分輸入端與第二前置放大器的第一輸出端之間， -輸入電容器，其耦接在第二差分輸入端與DC參考電壓之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中輸入端子處的輸入阻抗的電容分量在IkHz處測(cè)得為小于500fF，優(yōu)選小于200fF，甚至更優(yōu)選小于100fF。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中非線性元件包括反向并聯(lián)的偏置二極管對(duì)，其限制在第一前置放大器的第一輸入端處的音頻輸入信號(hào)。(基礎(chǔ):120節(jié))
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中輸入端子處的輸入阻抗在IkHz處測(cè)得為大于100M Ω，優(yōu)選大于IG Ω，甚至更優(yōu)選大于IOG Ω。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中第二前置放大器和第一前置放大器在IOOHz到IOkHz的整個(gè)頻率范圍內(nèi)具有基本相同的小信號(hào)傳遞函數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中第一前置放大器和第二前置放大器的各自的小信號(hào)傳遞函數(shù)之間的相位差: -在IkHz處小于15度，或者 -在IOOHz處小于5度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，其中第一前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的高通角頻率通過(guò)開(kāi)關(guān)電容器電阻來(lái)控制，或者第二前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的高通角頻率通過(guò)開(kāi)關(guān)電容器電阻來(lái)控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的音頻放大電路，其中第一前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的增益通過(guò)電容比來(lái)控制，或者第二前置放大器的小信號(hào)傳遞函數(shù)的增益通過(guò)電容比來(lái)控制。
16.權(quán)利要求1所述的音頻放大電路，包括兩個(gè)或更多的級(jí)聯(lián)非線性元件，例如二極管或二極管耦接的晶體管 ，其可操作地耦接在輸入端子和{DC電源軌、DC參考電壓}的至少其中之一之間，以將音頻輸入信號(hào)鉗位在第一限制電平處。
17.一種半導(dǎo)體芯片或基板，包括根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的音頻放大電路。
18.—種小型電容麥克風(fēng),包括: -電容換能器兀件，響應(yīng)于撞擊聲以在換能器信號(hào)端子上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的換能器信號(hào)， -根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體芯片或基板，其可操作地經(jīng)由半導(dǎo)體芯片的輸入端子耦接至換能器信號(hào)端子，用來(lái)接收和放大換能器信號(hào)。
19.一種針對(duì)非線性元件的失真而補(bǔ)償音頻放大電路的方法，包括步驟: -從音頻放大電路的輸入信號(hào)獲得用于第一前置放大器的第一輸入端的音頻輸入信號(hào)， -由非線性元件限制大電平的音頻輸入信號(hào)以在第一前置放大器的第一輸入端處提供失真的音頻輸入信號(hào)， -通過(guò)衰減器來(lái)衰減輸入信號(hào)， -經(jīng)由衰減器的輸出端將衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)施加至第二前置放大器的第一差分輸入端， -將來(lái)自第一前置放大器的第一輸入端的失真補(bǔ)償信號(hào)耦接至第二差分前置放大器的第二差分輸入端，從而使得第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種音頻放大電路，包括用于接收音頻輸入信號(hào)的第一前置放大器和包括用于接收衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)的第一差分輸入端的第二前置放大器。衰減過(guò)的音頻輸入信號(hào)由耦接至音頻輸入信號(hào)的衰減器產(chǎn)生。非線性元件耦接至第一前置放大器的第一輸入端，從而使大信號(hào)電平的第一輸入端處的音頻輸入信號(hào)失真。失真補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)適于將失真補(bǔ)償信號(hào)從第一前置放大器的第一輸入端提供至第二前置放大器的第二差分輸入端，從而使得第二前置放大器的輸出信號(hào)中的失真消除或衰減。本發(fā)明還涉及一種針對(duì)由非線性元件引起的失真而襯償音頻放大電路的對(duì)應(yīng)方法。
文檔編號(hào)H03F1/32GK103138687SQ201210599018
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者J·J·G·漢里斯森 申請(qǐng)人:亞德諾半導(dǎo)體股份有限公司