專利名稱：具有自適應(yīng)體偏置電力管理的助聽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及助聽器。更特別地，其涉及包括開關(guān)模式電力轉(zhuǎn)換器的電池驅(qū)動(dòng)的助聽器。
背景技術(shù)：
在本申請(qǐng)的背景中，助聽器是減輕人的聽力損失的電子裝置。助聽器因?yàn)樽銐蛐《梢源髟诙浜竺?，其使用一個(gè)或更多個(gè)麥克風(fēng)從環(huán)境中拾取聲音并根據(jù)助聽器規(guī)定(prescription)在電學(xué)上放大聲音。當(dāng)前的助聽器高度依賴于數(shù)字信號(hào)處理，其中來自助聽器麥克風(fēng)的電信號(hào)通過助聽器中的數(shù)字信號(hào)處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且放大信號(hào)的數(shù)字表示被轉(zhuǎn)換回適于驅(qū)動(dòng)助聽器的輸出換能器的電信號(hào)，所述換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為助聽器用戶可感知的聲波。
執(zhí)行助聽器中音頻信號(hào)的數(shù)字處理的助聽器部件在下面表示為數(shù)字處理核心，其消耗當(dāng)前助聽器中總電力的相當(dāng)大一部分，例如高達(dá)總可用電力的50%或更多，這主要是由于電路復(fù)雜性的增加。該復(fù)雜性是日益增加的功能數(shù)量以及每代助聽器被設(shè)計(jì)成執(zhí)行的更先進(jìn)的數(shù)字處理的結(jié)果。解決復(fù)雜性增加的部分方案是降低微電子芯片的技術(shù)尺度，其中當(dāng)前的設(shè)計(jì)利用低于130納米或更低的亞微米芯片制造工藝。較小的技術(shù)尺度意味著電力消耗的固有減小，但也允許實(shí)現(xiàn)更大且更復(fù)雜的電路，其進(jìn)而消耗更多電力。在引入亞微米工藝之前，MOS晶體管的閾值電壓Vt隨工藝尺度減小而減小。然而，在亞微米工藝中，則并不如此，因?yàn)樵谶@些技術(shù)中漏電流增加。因此亞微米工藝技術(shù)具有相對(duì)高的Vt，并且相對(duì)較慢。近來，芯片設(shè)計(jì)者已經(jīng)可以使用特別低VtMOS技術(shù)。低VtMOS晶體管能夠以較高的速度操作，并可在芯片設(shè)計(jì)中與高VtMOS晶體管自由混合。與低VtMOS晶體管相比，高VtMOS晶體管相對(duì)較慢，需要較高的電源電壓以便工作，且通常用于低功率應(yīng)用，而低VtMOS晶體管可在較低電源電壓下工作，但比高Vt MOS晶體管具有更高的電流泄漏。助聽器應(yīng)用的電池單元通常為鋅-空氣類電池，并且具有從I. 6伏特(新電池)到約I. 0伏特(幾乎耗盡時(shí))的標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍和I. 2伏特的額定電壓。如果使用具有低Vt的MOS晶體管，這種晶體管可能在非常低的電壓如約500mV下操作，但晶體管的電流泄漏相當(dāng)高，且增益較低。在這樣的低電壓下，晶體管也具有減小的速度容量。通過在500mV電壓下運(yùn)行電路可節(jié)省相當(dāng)量的電力，然而，盡管低Vt晶體管可在500mV下以與高Vt晶體管在700mV下操作的相同速度操作，但如果要節(jié)省任何相當(dāng)量的電力，則電流泄漏和增益的問題必須解決。微電子電路的功耗與電源電壓的平方成比例。如果電源電壓從700mV降低到500mV，則由該操作產(chǎn)生的功耗減少約為50%。為低Vt晶體管提供合適低的電源電壓的實(shí)際方式是使用開關(guān)晶體管電壓轉(zhuǎn)換器來將電壓按比例降到低VtMOS晶體管要求的500mV。2:1開關(guān)晶體管電源轉(zhuǎn)換器特別易于實(shí)施，其占據(jù)電路芯片上非常小的空間。開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器自身消耗極少量的電力，提供非常穩(wěn)定的電壓減少，并具有最優(yōu)電力轉(zhuǎn)移配置，2:1電壓轉(zhuǎn)換器為1.2伏特電池提供必要的活動(dòng)空間(headroom)，以使其能夠在大部分電池壽命期間以500mV電壓驅(qū)動(dòng)數(shù)字處理核心。2 1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器要求兩倍于輸出電壓的穩(wěn)定的輸入電壓，因此如果電池電壓足夠高以便以穩(wěn)定方式提供該電壓，則其僅能夠提供足夠的電力給助聽器電路。即使電池電壓改變，能夠從電池饋電給開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器的線性電壓調(diào)節(jié)器可被配置為提供穩(wěn)定的參考電壓。以低電壓驅(qū)動(dòng)MOS晶體管電路意味著晶體管接近其Vt工作，這導(dǎo)致不同設(shè)備間各種晶體管參數(shù)的統(tǒng)計(jì)散差(statistical spread)的高增加。固有地,亞微米工藝導(dǎo)致更大的參數(shù)散差，這是由半導(dǎo)體元件減小的物理尺寸導(dǎo)致的，但在低壓下工作時(shí)該效果更顯著。晶體管參數(shù)之一是驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度或增益，即半導(dǎo)體元件放大信號(hào)的能力，或在數(shù)字電路中當(dāng)電壓出現(xiàn)在MOS晶體管柵極上時(shí)開始汲取電流的能力。如果驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的散差太大，則實(shí)際電路的行為可能與設(shè)計(jì)規(guī)范非常不同，且不同電路間參數(shù)的大變化可能使來自單個(gè)晶片的有用管芯產(chǎn)率減小到不可接受的低百分比，這顯著增加生產(chǎn)成本。特別地，確定各晶體管的時(shí)序常數(shù)的參數(shù)是關(guān)鍵的。因此能夠以有效且簡(jiǎn)單的方式減小低壓MOS晶體管電路中的參數(shù)散差可能是有益的。如果使用具有高Vt的MOS晶體管，則在低電壓下存在對(duì)其開關(guān)頻率的限制。這限制可用的時(shí)鐘頻率，且因此限制可由利用該技術(shù)設(shè)計(jì)的助聽器實(shí)施的信號(hào)處理的復(fù)雜性。為了減小散差和電流泄漏，即使在500mV電壓下工作時(shí)也可以調(diào)節(jié)高Vt晶體管的本體電壓電勢(shì)，但代價(jià)是削弱穩(wěn)定操作。如果本體電壓電勢(shì)和源極端電壓電勢(shì)之間的差變得足夠大，則構(gòu)成MOS晶體管的這兩個(gè)半導(dǎo)體層的PN結(jié)可能開始傳導(dǎo)電流，這有效地將PN結(jié)變?yōu)镸OS晶體管內(nèi)的二極管短路，導(dǎo)致可能的不穩(wěn)定電路行為。如果當(dāng)以500mV電源電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)該類微電子電路是可用的，則使用具有低Vt的MOS晶體管是非常有益的。然后與低壓電路關(guān)聯(lián)的前述問題可通過控制MOS晶體管的本體電壓電勢(shì)來緩解。該技術(shù)涉及針對(duì)同一電路芯片上的PMOS晶體管增加本體電壓電勢(shì)到正電源電壓以上并且針對(duì)NMOS晶體管減小本體電壓電勢(shì)到負(fù)電源電壓以下。本體電壓電勢(shì)的這種調(diào)節(jié)可以以自適應(yīng)方式動(dòng)態(tài)執(zhí)行，并具有增加晶體管的閾值電壓Vt的效果，且因此減小開關(guān)速度和電流泄漏。如果在所有晶體管中Vt被調(diào)節(jié)到處于相同的水平，則由于工藝和溫度導(dǎo)致的參數(shù)分差也被減小。NMOS晶體管的閾值電壓Vt表示MOS晶體管的本體效應(yīng)，其可以表達(dá)為
權(quán)利要求
1.一種助聽器，其具有電池和微電子電路，所述電路包括含有PMOS晶體管和NMOS晶體管的數(shù)字處理核心、由電池驅(qū)動(dòng)并為所述數(shù)字處理核心提供電源電壓的電源、正體偏置電壓發(fā)生器和負(fù)體偏置電壓發(fā)生器，所述電源具有用于控制電源電壓的控制器、具有第一線性電壓調(diào)節(jié)器的第一輸出分支、具有與2:1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器串聯(lián)的第二線性電壓調(diào)節(jié)器的第二輸出分支，所述正體偏置電壓發(fā)生器適于為所述數(shù)字處理核心的所述PMOS晶體管的正本體提供偏置電壓，且所述負(fù)體偏置電壓發(fā)生器為所述數(shù)字處理核心的所述NMOS晶體管的負(fù)本體提供偏置電壓，適于優(yōu)化晶體管的參數(shù)，所述控制器適于比較電池電壓與第一和第二預(yù)定限值，并且當(dāng)所述電池電壓低于所述第一預(yù)定限值時(shí)通過所述第一輸出分支促使所述電源提供電源電壓，當(dāng)所述電池電壓高于所述第一預(yù)定限值且低于所述第二預(yù)定限值時(shí)通過所述第一輸出分支與所述第二輸出分支的結(jié)合來促使所述電源提供電源電壓，當(dāng)所述電池電壓高于所述第二預(yù)定限值時(shí)通過所述第二輸出分支促使所述電源提供電源電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的助聽器，其特征在于，所述正體偏置電壓發(fā)生器包括第一電壓泵，其能夠提供高于所述數(shù)字處理核心的所述PMOS晶體管的電源電壓的輸出偏置電壓電勢(shì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的助聽器，其特征在于，所述負(fù)體偏置電壓發(fā)生器包括第二電壓泵，其能夠提供低于所述數(shù)字處理核心的所述NMOS晶體管的零電壓參考電勢(shì)的輸出偏置電壓電勢(shì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的助聽器，其特征在于，所述數(shù)字處理核心的所述PMOS晶體管和所述NMOS晶體管適于在O. 5伏特的額定電源電壓下操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的助聽器，其特征在于，所述微電子電路包括主時(shí)鐘發(fā)生器，其適于提供分別用于驅(qū)動(dòng)所述2:1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換器、所述第一電壓泵和所述第二電壓泵的時(shí)鐘信號(hào)。
6.ー種為數(shù)字助聽器電路提供電源電壓的方法，其包括以下步驟提供電池，生成第ー調(diào)節(jié)電壓，生成第二調(diào)節(jié)電壓，生成所述第二調(diào)節(jié)電壓的一半，生成第一體偏置電壓，生成第二體偏置電壓，將所述第一體偏置電壓施加到所述助聽器電路的第一本體端，將所述第二體偏置電壓施加到所述助聽器電路的第二本體端，以及為所述數(shù)字助聽器電路獲取電源電壓，所述電源電壓是從所述第一調(diào)節(jié)電壓和所述第二調(diào)節(jié)電壓的一半中的至少ー個(gè)獲得的，其中獲得所述電源電壓的步驟包括確定電池電壓的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中獲得所述電源電壓的步驟包括如果所述電池電壓低于第一預(yù)定限值，則使用所述第一調(diào)節(jié)電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中獲得所述電源電壓的步驟包括如果所述電池電壓高于第一預(yù)定限值并低于第二預(yù)定限值，則結(jié)合使用所述第一調(diào)節(jié)電壓和所述第二調(diào)節(jié)電壓的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中獲得所述電源電壓的步驟包括如果所述電池電壓高于第二預(yù)定限值，則使用所述第二調(diào)節(jié)電壓的一半。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二調(diào)節(jié)電壓的一半是從所述第二調(diào)節(jié)電壓的2:1開關(guān)電容器電壓轉(zhuǎn)換獲得的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電壓轉(zhuǎn)換是由所述助聽器中的主時(shí)鐘發(fā)生器控制的。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一體偏置電壓可調(diào)節(jié)為超出所述電池電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二體偏置電源可調(diào)節(jié)超出所述電池電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及電池驅(qū)動(dòng)的助聽器的數(shù)字處理核心(12)的電力管理系統(tǒng)(1)，其適于以特別有效的方式提供電力給數(shù)字助聽器電路。該電力管理系統(tǒng)(1)包括第一線性電壓調(diào)節(jié)器(25、25、28)、與開關(guān)電容器2:1SC轉(zhuǎn)換器(21)串聯(lián)的第二線性電壓調(diào)節(jié)器(25、27)、正體偏置電壓電源(10)以及負(fù)體偏置電壓電源(11)，其用于在核心(12)操作在由電力管理系統(tǒng)(1)提供的減小的電壓時(shí)控制開關(guān)速度、閾值電壓和來自數(shù)字處理核心(12)的半導(dǎo)體元件(13、14)的電流泄漏。與現(xiàn)有助聽器相比，該電力管理系統(tǒng)(1)可使助聽器電路的數(shù)字處理核心(12)消耗的電力節(jié)省50%到70%，并因此可延長(zhǎng)電池壽命。本發(fā)明進(jìn)一步提供電源電壓給數(shù)字助聽器的方法。
文檔編號(hào)H04R25/00GK102696242SQ201080061034
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者P·F·霍伊斯蒂恩 申請(qǐng)人:唯聽助聽器公司