工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电路

摘要

本发明一种工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电路，涉及传感器技术，包括全差分运放单元、容阻器件、电阻阵列、控制开关、整流器、滤波器、控制器、数字参考表、数字比较器及加减计数器。全差分运放单元根据电阻阵列变化相应的放大麦克风输出端的电压信号，整流器将电压信号转为电流信号，并整流，滤波器对整流器输出电流滤波，对输入信号包络检测。数字控制器将滤波器输出电流和参考电流比较得数字参考表中的数字控制信号。数字比较器将加减计数器输出与数字控制信号比较，在音量不同等级时，对全差分运放单元放大倍数调整，保护听力缺陷者的听力；在音量正常时，全差分运放单元放大倍数将恢复原来数值，实现对不同音量的自动增益控制。

说明书

技术领域

本发明涉及麦克风传感器技术领域，涉及高精度的适用于微声电系统 (MEMS)麦克风传感器的读出电路芯片，是数字助听器麦克风读出电路芯 片的自动增益控制电路。

背景技术

随着微声电系统(MEMS)技术的不断进步，微声电助听器麦克风传感 器应运而生，它具有体积小、功耗低、失真小和抗噪声能力强等优点，其 所对应的读出电路成为工业界研究的热点。

这种传感器通常可等效为一个较为理想的电压源：理想电压源串上一 个很小的电阻。但麦克风微机电传感器输出的信号非常微弱，一般仅在 μV～mV量级之间，这对读出电路的设计提出了非常苛刻的要求。读出电路 的噪声水平和精度决定了其所能检测的最小信号幅度，低噪声和高精度的 读出电路设计成为了实现高精度的关键，尤其在数字麦克风极低的电源电 压情况下。

目前国际上麦克风读出电路的自动增益控制设计主要可分为模拟反 馈控制运放前向开环增益，即模拟反馈控制运放偏置电流(参考：琼斯， 马丁内斯：“一种CMOS助听器”，模拟集成电路和信号处理，21，163 -172(1999)；贝克：‘一种针对仿真耳的低功耗单环和双环自动增益 控制’，固态电路，SC-41(9)，pp.1983-1996，2006)和模拟反馈控制可 控MOS管等效电阻的栅源电压(参考：霍曼：“一种低噪声CMOS自动增 益控制技术”，固态电路，SC-27(7)，pp.974-981，1992；金淑永：“一 种亚1V数字助听器的高效前端模拟电路”，固态电 路，SC-41(4)，pp.876-882，2006.)和电流模反馈控制MOS管跨导(参考： 格拉雷斯：“低压亚阈值指数放大与自动增益控制”，电路，器件与系统， Vol.152，No.1，Feb 2005)两种方案。而以上自动增益控制电路在模拟 助听器领域获得广泛的应用。但前者缺点在于其线性度会受到工艺和电源 电压的限制，特别在电源电压较低的情况下。模拟反馈的优点在于其信号 具有较强的连续性。但模拟反馈的难点在于低电压的运放输出精度的实 现。通常运放的放大倍数在模拟反馈的控制下已实现较理想的精度，而在 集成电路中实现很高的精度是极其困难的，通常需要复杂的补偿电路或者 非常大的功耗。电流模反馈方式的缺点在于运放本身没有负反馈结构，从 而系统对信号处理的精度较低。而数字助听器又要求读出电路具有非常好 的读出精度，这给读出电路的设计提出了挑战。

发明内容

本发明的目的是公开一种工作于极低电源电压电流模前馈自动增益 控制电路，是电流模前馈的麦克风读出电路，以克服现有技术的不足，不 但能够有效的实现自动增益控制的功能，更通过采用无源电阻阵列实现极 低电压下的高精度读出。同时具备低电源电压工作下，随着音量的增加， 功耗随之减小，达到功耗高效率利用的功能。本发明为数字助听器麦克风 提供了一种高精度、低电压的自动增益控制读出电路。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电路，用于助听 器；其包括：全差分运放单元、容阻器件、电阻阵列、阵列控制开关、整 流器、滤波器、数字参考表、数字控制器、数字比较器和加减计数器；

一全差分运放单元，用于对麦克风输出信号的放大；

全差分运放单元的两个输入端分别经两个容阻器件同麦克风输出端 和地相连，用以构成对输入信号的高通滤波；

两个电阻阵列分别跨接于全差分运放单元的两输出端、两输入端之 间，用以确定全差分运放对信号的增益值；

两电阻阵列控制开关分别并接于两个电阻阵列一侧，用以控制全差分 运放单元的增益值；

一整流器用于对麦克风输出小信号进行整流；

整流器和一滤波器构成包络检测电路，用以对整流信号进行滤波得到 检测麦克风输出信号的能量；

一数字控制器，对峰值检测电路的输出值和参考电平进行比较；

一数字参考表，用以查找对应的数字参考码；

一加减计数器，用以自动增益控制对信号的压缩与恢复；

一数字比较器，控制加减计数器进行加减操作，其将加减计数器的输 出编码与参考编码进行比较以输出压缩与恢复的使能逻辑。

所述的电流模前馈自动增益控制电路，其具体电路如下：全差分运放 单元的第一和第二输入端分别经第一和第二容阻器件同地和麦克风输出 端相连，第一电阻阵列跨接于全差分运放单元的第一输入端和第二输出 端，第二电阻阵列跨接于全差分运放单元的第二输入端和第一输出端；第 一电阻阵列控制开关跨接于第一电阻阵列和全差分运放单元一输出端，第 二电阻阵列控制开关跨接于第二电阻阵列和全差分运放单元另一输出端；

整流器输入端连接麦克风输出端，整流器顺序和低通滤波器、数字控 制器、数字参考表、数字比较器一输入端电连接，数字控制器另一输出端 与全差分运放单元电连接；

加减计数器输入端分别与两时钟、数字比较器两输出端电连接，加减 计数器输出端分别和第一阵列控制开关、第二阵列控制开关、数字比较器 的另一输入端电连接。

所述的电流模前馈自动增益控制电路，其所述全差分运放单元，根据 放大倍数的不同调节偏置电流，使在音量较大的情况下对运放功耗进行减 小；其中，M1，M2MOS管工作于亚阈值区，使有恒定的带宽。

所述的电流模前馈自动增益控制电路，其所述整流器和滤波器，在 0.8V的极低电源电压下，对麦克风输出的100uV以上的微弱信号进行整流 和滤波，且整流器与滤波器的传输信号为电流模信号；滤波器电路的M8， M9MOS管工作于亚阈值区。

所述的电流模前馈自动增益控制电路，其所述数字控制器，在0.8V 的极低电源电压下，对麦克风输出的100uV以上的微弱信号进行逻辑控制 输出。

本发明的一种工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电路，是 可以用于数字助听器的电流模前馈的自动增益控制读出电路，其通过前馈 的方式使麦克风输出信号的能量转换为数字控制信号，由数字控制电路控 制电阻阵列从而对运放的增益进行控制，有效的解决了其连续性和精度的 问题。本发明的电路适用于极低工作电源电压(如，0.8V以下)，其有助 于提供一种低电压，低功耗和高精度的使用于便携式数字助听器的读出电 路，实现了自动控制增益数字前馈的方法和相应的在低电压下工作的电 路。

附图说明

图1为本发明的工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电路 图，其中，主要元件标号说明：

全差分运放单元1          第一容阻器件2

第二容阻器件3            第一电阻阵列4

第二电阻阵列5            第一电阻阵列控制开关6

第二电阻阵列控制开关7    整流器8

滤波器9                  数字参考表10

数字控制器11             数字比较器12

加减计数器13；

图2为本发明中工作于极低电源电压的全差分运放电路图；

图3为本发明中工作于极低电源电压的整流器电路图；

图4为本发明中工作于极低电源电压的滤波器电路图；

图5为本发明中工作于极低电源电压的数字控制器电路图。

具体实施方式

本发明给出了一种工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电 路，通过采用工作于低电源电压的电路模块，电流模前馈和数字电路控制 的方式有效解决了现有技术存在的非线性问题。

本发明是由容阻器件2、3对麦克风直流信号进行高通，滤除麦克风 直流信号，由全差分运放电路1读出麦克风微弱信号；同时整流器8和滤 波器9组成的包络检测电路检测麦克风微弱信号的能量，数字控制器11 对能量进行处理得到数字控制信号，数字参考表10根据数字控制信号查 到相对应的增益控制码，施加到数字比较器12，得到使能信号，实现加减 计数器13的加减计数功能，即实现了信号压缩与恢复的功能。加减计数 分别和时钟22和33同步。而不同声音量级对应不同的增益控制码，最终 运放增益由增益控制码通过电阻阵列4，5和电阻阵列控制开关6，7控制 电阻阵列4，5实现。

该电路由于采用电阻阵列的方式实现了低电源电压下高精度的麦可 风信号读出，同时通过电流前馈，数字控制的方式实现了低电源电压下的 自动增益控制。

图1为本发明的工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电路。 自动增益控制电路分成以下几个部分，包括：全差分运放单元1、容阻器 件、电阻阵列、阵列控制开关、整流器8、滤波器9、数字参考表10、数 字控制器11、数字比较器12加减计数器13；

全差分运放单元1第一和第二输入端分别经第一和第二容阻器件2、3 同地和麦克风输出端相连，第一电阻阵列4跨接于全差分运放单元1第一 输入端和第二输出端，第二电阻阵列5跨接于全差分运放单元1第二输入 端和第一输出端，第一电阻阵列控制开关6跨接于第一电阻阵列4和全差 分运放单元1输出端，第二电阻阵列控制开关7跨接于第二电阻阵列单元 5和全差分运放单元1输出端。整流器8输入端连接麦克风输入端、输出 端顺序和低通滤波器9、数字控制器11、数字参考表10、数字比较器12 输入端电连接，数字控制器11另一输出端与全差分运放单元1电连接。 加减计数器13输入端分别与两时钟22、33、数字比较器12输出端电连接， 加减计数器13输出端分别和第一阵列控制开关6、第二阵列控制开关7、 数字比较器12的另一输入端电连接。

参考图2，在实际应用中，考虑较低的电源电压和较低的功耗下，全 差分运放单元1的偏置电流设计为可编程偏置电流源14，其由数字控制器 11进行控制，且差分输入对M1，M2MOS管工作在亚阈值区15，同时采用 了级联的电路拓扑结构。此电路同时具备共模输出检测电路，共模输入检 测电路和在音量较大的情况下对运放功耗进行减小的功能。为了防止由于 共模输出电平瞬态输出过高造成输入共模电平超出运放的共模输入范围， 图2中，由M6，M7，M8，M12，M13MOS管构成的输入共模检测电路将使得 全差分运放的输入共模电平始踪跟踪于输出共模电平。而输出共模电平由 M9，M10，M11，M14，M16MOS管构成的输出共模反馈环路进行确定。当音 量等级不同时，数字控制器对由M3，M4，M5，M6，M11MOS管构成的可编 程偏置电流源进行减小或增大，从而达到具有高效率的全差分运放的目 的，其增益带宽为：

ω_AGC＝β_iω_OTA＝β_ig_m/C_comp

其中β_i为全差分反馈系数，由反馈回路决定，g_m，C_comp为M1，M2MOS 管的跨导和全差分运放补偿电容。由于M1，M2MOS管工作于亚阈值区，则 可实现对跨导的线性控制实现不同增益下恒定增益带宽。

同时麦克风的输出信号由整流器对其进行整流，参考图3。考虑此整 流器工作在低电源电压状态，此整流器采用电流模电路级联形式，即采用 阻容C，R使电压转换为电流，同时用两个级联反馈环路分别对转换的正向 电流和负向电流进行整流。其管子都工作于饱和区，能承受最小的工作电 压为：

V_DD-MIN＝2_VGS-V_TH

其中V_GS为MOS管栅源电压，V_TH为MOS管阈值电压。

图3中，对正向电流进行整流的反馈环路由M1，M2，M3，M4MOS管构 成，其为电压-电流负反馈的跨阻运放结构，目的为降低跨阻运放的输入 电阻，使得电流能够流入。该跨阻运放的输入阻抗可由下面公式确定：

$z_{\mathrm{in}}\left(s\right)=\frac{g_{\mathrm{mg}1}{C}_{\mathrm{comp}}+1}{g_{\mathrm{mg}1}{g}_{\mathrm{md}8}{C}_{\mathrm{comp}}{C}_{\mathrm{in}}{s}^2+g_{\mathrm{md}8}{C}_{\mathrm{comp}}s+1}$

公式中g_md，g_mg分别为管子的栅跨导，漏跨导，C_comp为补偿电容。

对负向电流进行整流的反馈环路由M5，M6，M7，M8MOS管构成，当电 流为负向电流时，信号将通过正向电流反馈回路级联负向电流反馈回路对 负向电流进行整流，C_comp1为负向电流反馈回路的补偿电容。为使正向电流 整流的响应时间与负向电流整流的响应时间相等，C_comp与C_comp1的关系可由 下面公式确定：

$C_{\mathrm{comp}1}=\frac{I}{5I_{\mathrm{bias}}}{C}_{\mathrm{comp}}$

公式中I_bias和I分别是M4，M5MOS管的偏置电流。随后该整流信号被 滤波器滤波得到输入电流的能量信号。此滤波器采用了电流-电压-电流 的滤波方式对该整流电流信号进行滤波，参考图4。M6，M7，M8，M9，M10MOS 管构成滤波器的核心电路，其类似于传统有源运放滤波器电路，不同的是， 该电路的M8，M9MOS管工作于亚阈值区.为了精确镜像M1和M2的电流，在 电路中加入缓冲器1.其输入和输出的关系为

$e^{\frac{V_{\mathrm{out}}}{n{U}_T}}=\frac{I}{n{U}_{T}C}\int e^{\frac{V_{\mathrm{in}}}{n{U}_T}}\mathrm{dt}$

其中I为调节电容C充放电的参数。

图4中，M1，M2MOS管分别起到电流-电压和电压-电流转换的功能。 M1，M2MOS管工作于亚阈值区。结合上面的关系式，可得到整体滤波器的 -3dB的截止频率表达式为

$f_0=\frac{I}{2\pi U_{t}C}$

得到滤波电流的能量后，为了等到数字控制参考码，可与参考电平通 过数字控制器比较得到。

数字控制器参考图5，其利用前级电流模的输出与参考电流I1-8的比 较得到逻辑控制电平，然后由编码器16得到用于数字电路的控制码17和 全差分运放偏置电流的调节的控制码18。而参考电流由相同的整流器8 和滤波器9得到。其目的是为了防止工艺角(PVT)对参考流的影响。同 时为了防止数字控制器11在临界状态发生振荡，用I₀作为数字控制器11 的迟滞电流，以保证数字控制器11的稳定工作。

数字比较器提供加减计数器加减的使能信号。而加减计数器提供控制 运放电阻阵列的控制编码信号。当音量由低等级变成高等级时，自动增益 控制电路对信号进行压缩时，计数器为减计数操作，减到指定的参考编码 时，数字电路将通过数字比较器输出使能信号使得计数器停止减计数；当 音量由高等级变成高等级时，自动增益控制电路将对信号进行恢复或者保 持到初始值。具体实施可以通过数字比较器输出使能信号使得计数器停止 加计数完成。

从以上描述可知，本发明的工作于极低电源电压电流模前馈自动增益 控制电路将麦克风的输出端与自动增益控制闭环运放输入端相连，同时将 麦克风输出端与整流器的输入端相连。由全差分运放将麦克风的输出电压 按电阻阵列的比率实现对其的放大。同时为了得到不同音量级别对应的不 同的数字控制信号，需将麦克风输出信号进行量化处理，首先由整流器对 麦克风输出电压信号进行整流，其整流输出信号由滤波器对其进行滤波得 到的输入信号能量。能量信号由数字控制器和参考电平进行比较处理，得 到数字控制信号，由数字控制信号在数字参考表上找出对应音量级别的数 字参考编码。当音量为正常音量级别时，计数器不工作，信号正常放大； 在从低音量级别往高音量级别过渡时，计数器为减计数，计数器由上一个 编码状态减计数到现在这个参考编码状态，则全差分运放的放大倍数由大 变小，实现对信号的压缩。在从高音量级别往低音量级别过渡时，计数器 为加计数，计数器由上一个编码状态加计数到现在这个参考编码状态，则 全差分运放的放大倍数由小变大，实现对信号的恢复放大。当计数器输出 编码与数字参考编码相同时，停止计数器的加计数和减计数。自动增益控 制的增益值由数字参考表里的数字参考编码来确定，实现音量在不同等级 对应不同的数字参考编码：这就实现了麦克风读出电路根据音量的级别实 现自动增益控制的功能。

以上是对本发明的工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制电 路，使麦克风工作于极低电源电压电流模前馈自动增益控制的实施方式的 描述，对本领域的技术人员来说，已经获得该电路的某些优点是显而易见 的。也应当理解，在本发明的范围和精神内可以进行各种变更、修改及替 换实施例。本发明的保护范围完全由权利要求书所划定的保护范围为界 限。