专利名称：电容信号源的pcm接口的系统和方法
技术领域：
本发明整体涉及半导体电路和方法，更具体地，涉及针对电容信号源的脉冲编码调制(PCM)。
背景技术：
音频扩音器通常用于多种消费类应用，例如移动电话、数字音频录制器、个人计算机、和电话会议系统。特别地,低成本驻极体电容式扩音器(ECM)用于大规模生产的成本敏感的应用。ECM扩音器通常包括驻极体材料的薄膜，其安装在具有声音端口端子和电输出端子的小封装中。驻极体材料附着至振动膜或由振动膜本身组成。大多数ECM扩音器还包括可以接口至目标应用(例如移动电话)中的音频前端放大器的前置放大器。另一种类型的扩音器是微型机电系统(MEMS)扩音器，其可以实现为压敏式膜件，其中压敏式膜件可以直接蚀刻到集成电路中。在MEMS扩音器以小形状系数(例如智能手机或平板电脑)封装实现的应用中，使用利用最少引脚的音频接口。一个这种接口是脉冲编码调制接口(PCM)，其产生具有与MEMS扩音器感测的音频信号成比例的脉冲宽度或脉冲密度的PCM信号。小形状系数应用还通常是低功率的、对于功率消耗敏感的电池操作设备。为了维持长的电池寿命，最小化MEMS扩音器的功率消耗和其插板层次音频接口，从而保持电池寿命。
发明内容
根据实施方式，一种方法:包括对扩音器所提供的信号进行放大，从而形成放大信号。该方法还包括将放大信号转换成频率取决于放大信号的振幅的、基于频率的信号。该基于频率的信号转换成脉冲编码调制比特流。在下面的附图和说 明书中阐述本发明的一个或多个实施方式的详情。根据说明书、附图、和权利要求，本发明的其他特征、目标、和优势将变得显而易见。
为了更全面地理解本发明及其优点，现在结合附图参考下面的说明书，在附图中:图1a至图1b示出了根据本发明的实施方式的扩音器接口系统；图2a至图2d示出了用于示例性扩音器接口系统的压控振荡器；图3a至图3d示出了用于示例性扩音器接口系统的频率至PCM转换器；图4a至图4b示出了根据本发明的另一实施方式的扩音器接口系统；图5a至图5c不出了用于不例性系统的电压时间转换器；图6a至图6b示出了用于示例性系统的时间至PCM转换器；以及图7示出了示例性扩音器模块。
具体实施例方式下面详细地讨论目前优选实施方式的形成和使用。然而，应当理解，本发明提供了能够在多种具体环境中实现的许多适用发明的概念。所讨论的具体实施方式
仅仅是形成和使用本发明的说明性的具体方式，而非限制本发明的保护范围。将关于特定上下文中的实施方式描述本发明，也就是针对电容信号源(例如MEMS或驻极体电容式扩音器(ECM))的接口系统和方法。然而，本发明还可应用于其他类型的电路和系统，例如音频系统、通信系统、传感器系统、和接口至高阻抗信号源的其他系统。图1a示出了被配置为耦接至MEMS扩音器102的示例性集成电路(IC) 100，其中，该MEMS扩音器以虚线示出以表明扩音器102不必包含在IC100上。然而，在某些实施方式中，扩音器102也可以包含在IC100上。在替换实施方式中，代替MEMS扩音器102，可以使用其他扩音器类型，例如ECM扩音器、或其他类型的电容传感器电路。IC100具有放大器106、电压-频率转换器108、和频率-PCM转换器110。放大器106具有一个或多个级，对经由输入垫114耦接至IC100的MEMS扩音器102的输出进行放大。在某些实施方式中，放大器106可以实施为，例如，于2011年7月14日提交的题为Systemand Method for Capacitive Signal Source Amplifier 的共同审理申请号 13/183，193 中所描述的，该申请全部结合于此作为参考。可替换地，可以根据本领域中已知的技术实现放大器106。在某些实施方式中，例如在利用MEMS扩音器的实施方式中，偏压生成器104在引脚116处为扩音器102自身提供偏置电压。在某些实施方式中,取决于特定的扩音器和系统实现方式，该偏置电压可以在大约3V和60V之间。可替换地，可以使用其他电压范围。在进一步的实施方式中，如果扩音器或传感器102不需要偏置电压或如果在其他某处提供所需的偏置电压，那么可以省略偏压生成器104。应当进一步理解，在可替换实施方式中，可以利用不只一个部件和/或 不只一个IC实现IC100上的部件。电压-频率转换器将放大器106的输出电压120转换为频率信号118，频率-PCM转换器110将频率信号118转换成PCM信号，用于在端口 112进行传输。在某些实施方式中，频率信号118是数字脉冲信号，该信号具有与放大器106的输出电压120成正比或成反比的频率,如图1b中所示。可替换地,信号118可以是可变频率正弦曲线、方波、或频率基于放大器106的输出电压120的其他波形。在进一步可替换实施方式中，电压-频率转换器108可以生成脉冲密度调制波形，其具有与放大器106的输出电压120成正比或成反比的脉冲密度。电压-频率转换器108可以由如图2a中所示的压控振荡器109实现。VC0109可以利用本领域中已知的电路和方法实现，例如，利用环形振荡器、张弛振荡器、或其他类型的振荡器。在某些实施方式中，VC0109的输入和/或输出可以是差分信号。举例来说，图2b示出了具有可以在示例性系统实现方式中使用的多个倒相级的CMOS环形振荡器202。例如，通过改变电源电压VDD可以控制环形振荡器202的频率。图2c示出了可用于实现示例性电压-频率转换器的、利用三个电流饥饿型的倒相级212、214和216的环形振荡器220。可替换地，可以使用更多或更少级。环形振荡器220的频率与施加至NMOS器件N208的电压VCTRL成比例。随着N208的栅极上的电压增加，通过晶体管吧08、？206、？204、和N210的电流相应地增加。增加的电流经由晶体管N212、P212、N214、P214、N216和P216镜像至倒相级212、214、和216，因而增加振荡器220的频率。在可替换实施方式中，张弛振荡电路230可以用于实现示例性电压-频率转换器。张弛振荡器230具有以生成锯齿信号235的积分器结构耦接的运算放大器232和电容器C234。振荡器230还具有监控运算放大器232的输出并生成频率调制脉冲信号236的比较器234。振荡器230的频率取决于施加至运算放大器232的输入端的电压Vc。晶体管Q238在某些实施方式中可以实现为CMOS器件。应当理解，图2a至图2d中描述的VCO电路仅仅是可以用于实现示例性系统的许多类型的振荡器的特定实例。在实施方式中，利用如图3a中所示的Σ-Λ转换器111可以实现频率-PCM转换器110。利用本领域中各种已知的Σ-Λ转换器电路和方法可以实现Σ-Λ转换器111。在示例性频率-PCM转换器中，通过对给定参考时间内输出信号的零交叉点进行计数可以获得信息测量。该计数结果与该给定参考时间内的平均频率成正比。这种测量还可以量化信息，从而生成具有整数个零交叉点的计数。在某些实施方式中，通过以高功率消耗为代价对测量量化误差的数字化转换器选择高振荡频率和/或通过利用附加时间来降低该量化误差。在一个实施方式中，通过应用噪声整形技术节省功率，同时保持“较大”量化误差。实现该特性的一个方法是确保对零交叉点进行的计数不会在任何时刻停止，而是在固定时刻瞬间估计计数器值，因此频率随时间的输出是两个连续计数器值的差。该方法提供了一阶量化噪声整形。图3b示出了根据另一实施方式的频率-PCM转换器302。代替利用单个计数器估计VCO的单个输出，使用环形振荡器304的多相性质。在实施方式中，通过将所有环形振荡器输出的连续状态加载到寄存器306和308，估计环形振荡器304的多个输出。由异或门310生成这些采样的振荡器状态的差并利用求和312节点进行求和。两个采样状态(由异或函数生成)的差与瞬时频率成正比。而且，一阶噪声整形该量化误差。应当理解，图3b的电路只是可以用于示例性系统的许多可能的示例性频率-PCM转换器的一个实例。在实施方式中，频率-PCM转换器110的输出是如图1a中所示的单个比特脉冲编码调制信号112。在本 发明的可替换实施方式中，通过利用时钟信号对频率调制信号118进行采样来实现频率-PCM转换器110，并执行数字信号调节从而生成PCM信号112。在另一个实施方式中，来自频率-PCM转换器110的反馈信号可以耦接至扩音器，从而提高系统性倉泛。图3c示出了根据本发明的另一个实施方式的频率-PCM转换器320，其中，数字Σ-Δ噪声整形器用于将多比特数字数据转换成单比特数字数据。频率-电压转换器320具有异步计数器322、取样器324、差分块326、和串行器块328。在实施方式中，差分块326的输出是η比特多比特输出。串行器块328可以利用数字Σ-Λ转换器实现。此时，VCO模拟数字转换的结果可以是多比特数据流。在进一步的实施方式中，利用反馈结构内的基于电压/频率的ADC实现频率-PCM转换器。在该实施方式中，将频率测量块的多比特输出串行化为一位输出流，然后将其反馈到模拟输入端。差提供给模拟滤波器，模拟滤波器的输出端耦接至电压-频率转换器。在本领域该结构被称为“基于VCO的Σ-AADC”，如图3d中所示。这里，基于VCO的2-AADC340具有环路滤波器342、VC0344和频率-PCM转换器346。在实施方式中，频率-PCM块346的输出反馈到环路滤波器342的输入端。在实施方式中，频率-PCM块346包括串行器。
图4a示出了被配置为耦接至MEMS扩音器102的示例性集成电路130。除了在输出端112的PCM信号是由电压-时间转换器132然后是时间-PCM转换器134生成之外，集成电路130与图1a中所示的集成电路相似。在实施方式中，电压-时间转换器132将放大器106的输出120转换成时间调制信号136。时间-PCM转换器134转而将时间调制信号136转换成PCM信号112。在实施方式中，时间调制信号136可以是如图4b中所示的脉宽调制信号。此处，脉冲宽度1 与放大器106的输出电压120成正比。如图4b中所示，随着输出电压120的电压增加,脉冲宽度Tpw降低。可替换地，Tpw可以随着放大器106的输出电压120的增加而增加。根据实施方式，电压-时间转换器132可以利用如图5a中所示的脉宽调制器133实现。脉宽调制器133可以利用本领域中已知的用于生成脉宽调制信号的电路和方法实现。在某些实施方式中，脉宽调制器133可以利用不同电路实现。图5b示出了可以用于本发明的实施方式的脉宽调制器500。此处，三角形信号或锯齿信号502作为参考并利用比较器504与输入信号120相比较,从而生成PWM信号136。在一个实施方式中，PWM信号136是连续时间、离散振幅信号,其中输入信号的定时信息编码为高时间和低时间之差。在可替换的实施方式中可以使用其他电路和方法，例如，未提供参考信号的自振荡PWM发生器输入。可替换地，通过如图5c中所示的双斜率转换器520利用双斜率技术可以实现脉宽调制器133,在图5c中时间用作转换参考。此处，在某一给定时间tu对输入信号Vin求积分。此后，利用给定已知的参考电压放电积分器，直到输出为零。测量放电积分器所耗费的时间td。在实施方式中，td与输入电压Vin成正比。在实施方式中，利用如图6a中所示的2-A转换器135可以实现时间-PCM转换器134。利用本领域中已知的各种2-A转换器电路和方法可以实现2-A转换器135。在实施方式中，频率-PCM转换器110的输出是如图4a中所示的单比特脉冲编码调制信号112。在本发明的可替换实施方式中，通过利用时钟信号采样时间调制信号136可以实现频率-PCM转换器134，并执行数字信号调节从而生成PCM信号112。在另一个实施方式中，可以利用延迟单元生成PCM信号112。例如，在一个实施方式中，时间-数字转换器具有多个级联的延迟单元。在操作期间，在脉冲边缘之间测量脉冲通过的延迟单元数目。图6b示出了示例性时间-数字转换器600，该时间数字转换器利用可以使用数字2-A转换器实现的时间-电压转换器602和串行器604。此处，通过测量高时间、测量低时间、以及计算高时间与低时间之差可以数字化PWM信号136。可替换地，如果PWM具有恒定的已知频率，那么可以测量高时间或低时间，并且可以利用已知频率计算相对应的低时间或高时间。在实施方式中，利用时钟计数器或利用时间-数字(TDC)转换器可以执行该时间测量，例如，在非常短的脉冲的情况下。在某些实施方式中，利用2-A噪声整形器(例如串行器604)将TDC的输出从多比特格式转换成单比特格式。图7示出了根据本发明的实施方式的扩音器模块。如果如本文中的实施方式所描述的扩音器模块包括IC100，并且耦接至MEMS扩音器102。扩音器102和IC100布置在具有声端口 152和PCM输出端口 154的封装150中。在本发明的可替换实施方式中，IC100可以利用不同的实施方式实现，例如，如图4a中所示的IC130。在实施方式中，封装150可以利用音箱实施，其中，MEMS扩 音器安装在具有声音端口(例如孔)的印刷电路板(PCB)的顶部。具有本文中描述的示例性电路的特定用途集成电路(ASIC)安装在邻近MEMS扩音器的位置。利用金属罩覆盖所产生的组件，在一个实施方式中其密封到PCB。可替换地，可以使用其他封装类型。根据实施方式，方法包括放大扩音器所提供的信号，从而形成放大信号。该方法还包括将放大信号转换成基于频率的信号，该基于频率的信号的频率取决于放大信号的振幅。将基于频率的信号转换成脉冲编码调制比特流。在某些实施方式中，放大由扩音器提供的信号包括放大MEMS扩音器的输出。在实施方式中，将经放大的信号转换成基于频率的信号包括使经放大的信号耦接至压控振荡器的输入端。在某些实施方式中，将频率信号转换成脉冲编码调制比特流包括使基于频率的信号耦接至Σ-Λ转换器的输入端。在实施方式中，方法包括放大由扩音器提供的信号，从而形成放大信号，将放大信号转换成定时基于放大信号的振幅的时基信号，以及将时基信号转换成脉冲编码调制比特流。在某些实施方式中，放大由扩音器提供的信号包括放大MEMS扩音器的输出。在某些实施方式中，将放大信号转换成时基信号包括使放大信号耦接至某些实施方式中的脉宽调制器的输入端，将时基信号转换成脉冲编码调制比特流包括使时基信号耦接至Σ-Λ转换器的输入端。根据另一实施方式，电路包括电压-频率转换器(其输入端被配置为耦接至扩音器)，和频率-PCM转换器(其输入端耦接至电压-频率转换器的输出端)。在某些实施方式中，电路还包括扩音器，其可以 是MEMS扩音器或本领域中已知的其他扩音器类型。在某些实施方式中，电压-频率转换器可以利用压控振荡器实现，频率-PCM转换器可以包括Σ-Λ转换器。根据另一实施方式，电路包括电压-时间转换器(其输入端配置为耦接至扩音器)，和时间-PCM转换器(其输入端耦接至电压-时间转换器的输出端)。在某些实施方式中，该电路还可以包括扩音器，利用MEMS扩音器或本领域中已知的其他扩音器类型可以确定。在某些实施方式中，时间-PCM转换器中的电压-时间转换器布置在集成电路中。电压-频率转换器可以包括脉宽调制器，以及频率-时间转换器可以包括Σ-Λ转换器。根据另一个实施方式,扩音器模块包括音箱、布置在音箱内的扩音器、和稱接至扩音器输出端的音频转换电路。音频转换电路可以包括耦接至扩音器输出端的电压-频率转换器和耦接至电压-频率转换器的输出端的频率-PCM转换器。在某些实施方式中，扩音器模块还包括耦接至频率-PCM转换器的输出端的输出端口。在某些实施方式中，扩音器可以包括MEMS扩音器或本领域中已知的其他扩音器类型。示例性系统的优点包括能够使用非常小的功率消耗从扩音器输出中生成PCM信号。而且，利用(例如)VC0、脉宽调制器、和/或时间-数字转换器的示例性转换技术对于硅面积和功率消耗是有利的，即使这将以额外的数字电路为代价。这是因为在小特征尺寸CMOS (BiCMOS)技术中，就功率耗散和硅面积而言，数字电路的实现方式是非常有效的。就高动态范围而言，某些实施方式也是非常有利的，并且可以实现(例如)好于IOOdB的动态范围。尽管已经参考示例性的实施方式描述了本发明，但是该说明不是为了在限制意义上解释。本领域的技术人员参考说明书将明显理解示例性实施方式的不同改进和组合，以及本发明的其他 实施方式。因此，为了使相关权利要求涵盖任何改进或实施方式。
权利要求
1.一种方法，包括: 放大由扩音器提供的信号，从而形成放大信号； 将所述放大信号转换成基于频率的信号，所述基于频率的信号的频率取决于所述放大信号的振幅；以及 将所述基于频率的信号转换成脉冲编码调制(PCM)比特流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，放大由所述扩音器提供的信号包括:放大MEMS扩音器的输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述放大信号转换成基于频率的信号包括:将所述放大信号耦接至压控振荡器(VCO)的输入端。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述基于频率的信号转换成所述脉冲编码调制(PCM)比特流包括:将所述基于频率的信号耦接至Σ-Λ转换器的输入端。
5.一种方法，包括: 放大由扩音器提供的信号，从而形成放大信号； 将所述放大信号转换成时基信号，所述时基信号的定时基于所述放大信号的振幅；以及 将所述时基信号转换成脉冲编码调制(PCM)比特流。
6.根据权利要 求5所述的方法，其中，放大由所述扩音器提供的信号包括:放大MEMS扩音器的输出。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，将所述放大信号转换成所述时基信号包括:将所述放大信号耦接至脉宽调制器的输入端。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，将所述时基信号转换成所述脉冲编码调制(PCM)比特流包括:将所述时基信号耦接至Σ-Λ转换器的输入端。
9.一种电路,包括: 电压-频率转换器，其输入端被配置为耦接至扩音器；以及 频率-PCM转换器，其输入端耦接至所述电压-频率转换器的输出端。
10.根据权利要求9所述的电路，进一步包括所述扩音器。
11.根据权利要求9所述的电路，其中，所述扩音器是MEMS扩音器。
12.根据权利要求9所述的电路，其中，所述电压-频率转换器和所述频率-PCM转换器布置在集成电路上。
13.根据权利要求9所述的电路，其中: 所述电压-频率转换器包括压控振荡器(VCO);以及 所述频率-PCM转换器包括Σ-Λ转换器。
14.一种电路,包括: 电压-时间转换器，其输入端被配置为耦接至扩音器；以及 时间-PCM转换器，其输入端耦接至所述电压-时间转换器的输出端。
15.根据权利要求14所述的电路，进一步包括所述扩音器。
16.根据权利要求14所述的电路，其中，所述扩音器是MEMS扩音器。
17.根据权利要求14所述的电路，其中，所述电压-时间转换器和所述时间-PCM转换器布置在集成电路上。
18.根据权利要求14所述的电路，其中: 所述电压-频率转换器包括脉宽调制器；以及 所述频率-时间转换器包括S-A转换器。
19.一种扩音器模块,包括: 音箱； 扩音器，布置在所述音箱内； 音频转换电路，耦接至所述扩音器的输出端，所述音频转换电路包括: 电压-频率转换器，耦接至所述扩音器的输出端，和 频率-PCM转换器，耦接至所述电压-频率转换器的输出端。
20.根据权利要求19所述的扩音器模块，进一步包括:输出端口，耦接至所述频率-PCM转换器的输出端。
21.根据权利 要求19所述的扩音器模块，其中，所述扩音器包括MEMS扩音器。
全文摘要
本发明公开了一种电容信号源的PCM接口的系统和方法。根据实施方式，一种方法包括放大由扩音器提供的信号，从而形成放大信号。该方法还包括将放大信号转换成基于频率的信号，该基于频率的信号的频率取决于放大信号的振幅。基于频率的信号转换成脉冲编码调制比特流。
文档编号H04R3/00GK103248983SQ20131005289
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月18日 优先权日2012年2月10日
发明者迪尔克·哈默施密特, 迈克尔·克罗普菲奇, 安德烈亚斯·维斯鲍尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司