具有可配置的灵敏度、频率响应和噪声传递函数的数字硅麦克风的制作方法

本发明的实施例总体上涉及电路，并且更具体地涉及数字硅麦克风的系统和方法。

背景技术：

术语微机电系统(mems)通常用于指代组合了电和机械部件的小型集成设备或系统。麦克风可以被实现为mems，例如包括用于测量声压级的机械部件(诸如，膜)和电气部件的小型麦克风。

mems麦克风包括布置在硅芯片中的压敏膜或隔膜。mems麦克风(也称为mems传感器)可以与放大器封装在一起。mems麦克风和放大器可以位于不同的芯片上或同一芯片上。mems麦克风还可以包括模数转换器(adc)电路，以使其成为数字mems麦克风，也称为数字硅麦克风(simic)。数字硅麦克风广泛地应用于各种系统和应用，诸如手机、膝上型计算机和其他数字移动设备。

对于数字simic的灵敏度要求可以根据应用而显著地变化。预期现代数字simic具有高的信噪比。除了支持音频频带信号传输之外，数字simic还可以支持其他频带的操作，例如超声频带。需要能够支持不同性能要求和/或不同频带的操作的高性能数字simic。

技术实现要素：

根据实施例，一种麦克风系统包括多位δ-σ调制器，多位δ-σ调制器被配置为耦合到麦克风，并且被配置为将麦克风的输出转换成在多位δ-σ调制器的第一输出处的具有多位分辨率的第一数字信号。麦克风系统还包括数字噪声整形器，数字噪声整形器耦合到多位δ-σ调制器的第一输出，并且被配置为将数字噪声整形器的多位数字输入转换成一位数字信号。

附图说明

在附图和下面的描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书中变得显而易见。在附图中，相同的附图标记通常在各种视图中表示相同的组成部分，其通常为了简洁起见而不会被重新标示。为了更全面地理解本发明，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：

图1示出了在一些实施例中的数字硅麦克风的框图；

图2示出了在一些实施例中的多位δ-σ调制器的框图；

图3a示出了在一些实施例中的图1所示的数字逻辑200的框图；

图3b示出了在一些实施例中的图1所示的数字逻辑200的另一框图；

图3c示出了在一些实施例中的从adc到数字噪声整形器的信号处理功能模块的框图；

图4a和图4b示出了在一些实施例中的图3b中的数字滤波器220的两个框图；

图5a和图5b分别示出了在一些实施例中的表示音频频带系统和超声频带系统的性能的两个波特图；

图6a和图6b示出了在一些实施例中的图3b中的数字噪声整形器230的两个实施例框图；

图7示出了在一些实施例中的图3b中的数字噪声整形器230的噪声传递函数(ntf)的实施例频率响应；

图8示出了在一些实施例中的具有不同采样频率的图7中的ntf的频率响应；

图9示出了在一些实施例中的时钟频率检测单元的框图；以及

图10示出了在一些实施例中的操作可重新配置的麦克风系统的方法的流程图。

具体实施方式

下面将详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了可以在各种各样的特定上下文中实施的很多可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅是制作和使用本发明的具体方式的说明，而不限制本发明的范围。

将在具体的上下文中关于示例性实施例来描述本发明，即，使用可重新配置的数字硅麦克风将具有大动态范围的声音信号转换成数字信号。

在各种实施例中，麦克风系统包括将声音信号转换成具有多位分辨率的第一数字信号的多位δ-σ调制器。可重新配置的数字滤波器对第一数字信号进行均衡，并且数字地调节第一数字信号的增益。可重新配置的数字噪声整形器将数字滤波器的多位输出转换成具有一位分辨率的第二数字信号，并且通过向数字噪声整形器的输出应用噪声传递函数(ntf)来抑制带内量化噪声。数字滤波器和数字噪声整形器的不同配置(例如，滤波器的系数、阶数)使得能够针对不同的性能要求(诸如麦克风灵敏度、操作频带和采样频率)来修改麦克风系统的频率响应。使用实施例麦克风系统实现了高的动态范围(例如，112db)和良好的snr(例如，66db)。

传感器技术近年来显著改善。全差分双背板电容式mems传感器能够支持高达140db声压级(dbspl)的高声过载水平(aol)和高达69db的信噪比(snr)。aol被定义为总谐波失真(thd)开始超过10％的声压级。数字simic的常见性能标准是麦克风的灵敏度，其是在1pa或94dbspl的声压级处测量的。灵敏度要求根据数字simic的应用而急剧地变化。标准麦克风支持高达120dbspl的声压级，因此具有-26db满量程(dbfs)的灵敏度。现代simic可以处理高达140dbspl的更高的声压级，因此可以支持从-26dbfs到-46dbfs的灵敏度范围。

随着输入信号的满量程(例如，140dbspl)的增加，adc的动态范围应当相应地增加。例如，假定噪声水平处于或低于为28dbspl的典型的人类听力极限，则数字simic对于120dbspl的满量程水平可以支持92db的动态范围，或者对于140dbspl的满量程水平可以支持112db的动态范围。

在相对较小的范围内，例如，+/-2db，mems传感器的灵敏度可以通过调节传感器偏置电压来改变。小的调节范围(例如，+/-2db)是由于以下事实：为了实现良好的总体snr(例如，考虑到asic噪声)，mems传感器应当接近其最大偏置条件以在94dbspl的参考水平处向读出电路提供大信号。因此，mems偏置电压可以被微调(例如，接近最大偏置电压)，以在几db的范围内调节灵敏度，但是不适合于处理例如-26dbfs到-46dbfs的大灵敏度范围，其需要20db的调节范围。

大量程灵敏度调节可以在数字simic的模拟前端通过以下方式来执行：设置耦合到数字simic的模数转换器(adc)的满量程，或者调节用于驱动adc的前置放大器的增益，但是，这两种方法都没有提供令人满意的解决方案。简单地调节前置放大器的增益改变了adc的相对输入噪声水平。例如，如果增益减小以允许更大的输入信号范围(例如，140dbspl处的满量程信号)，则adc输入处的电压将在94dbspl的参考水平处被降低，并且adc对噪声的贡献增加。如果增益增加，则可获得的满量程范围受到限制(例如，小于140dbspl)，并且前置放大器的输出噪声通常与所施加的增益成正比地增加。另一方面，最大化adc的输入信号范围并且将输入信号映射到该范围改变了模拟噪声预算(例如，噪声贡献者的加权)，模拟噪声预算成为所选择的前置放大器增益的函数并且因此是所选择的灵敏度的函数。当前数字simic通常被设计为具有单位δ-σ调制器(例如，产生一位输出)，并且可以使用上述方法进行大量程灵敏度调节。单位δ-σ调制器的输出比特流直接对输入信号进行编码，并且灵敏度在设计中被硬编码。因此，有时使用针对目标灵敏度定制的设计来实现不同的灵敏度。

图1示出了具有mems麦克风110和读出电路120的数字硅麦克风(dimic)系统100的框图。在一些实施例中，msm麦克风110(也称为mems传感器110)包括电容式mems传感器。在图1的示例中，mems麦克风110包括支持差分输出的双背板电容式mems传感器。在图1中，出于说明的目的，读出电路120被示出为两个块(例如，在左侧的具有电荷泵121的块120和在右侧的具有多位δ-σ调制器150的块120)，但是在实际实现中，在各种实施例中，读出电路120被实现为一个电路。在示例性实施例中，读出电路120(例如，左侧的块120和右侧的块120)在半导体衬底上实现为集成电路(ic)，例如专用集成电路(asic)。因此，读出电路120在下文中也可以被称为读出asic120，理解，读出电路120也可以使用例如分立部件来实现，而没有脱离本公开的精神。

如图1所示，读出asic120包括向mems麦克风110的引脚111提供偏置电压的电荷泵121。在一些实施例中，偏置电压范围为约8v至约10v，尽管其他值的偏置电压(诸如，15v)也是可能的。在一些实施例中，高阻抗(例如，150千兆欧姆)端接单元130用于在mems电容器115的输出引脚113处分接mems麦克风110的输出(例如，电压)，同时在mems电容器115上维持恒定的电荷。在一些实施例中，差分输入信号(例如，在引脚vin_p与vin_n之间的电压)在被发送到多位δ-σ调制器150之前通过缓冲器140被缓冲。在各种实施例中，多位δ-σ调制器150以采样频率fs对模拟信号(例如，电压)进行采样，并且产生多位数字流153(例如，具有多位分辨率的数字数据序列)，其被馈送到数字逻辑200用于在数字域中的进一步处理。多位数字流153的位分辨率由各种设计和性能要求(例如，允许的量化噪声量和simic系统的动态范围)来确定，并且可以在2至6位的范围内，例如4位。数字逻辑包括执行各种数字信号处理功能(诸如多位数字流153的缩放和/或均衡、量化噪声整形、以及将多位数字流转换成一位数字流)的多个处理模块。数字逻辑200的输出被发送出(例如，在引脚data处)以与下一处理模块(未示出)(例如，抽取滤波器或语音编解码器主机)对接。下文中参考图2-9来讨论多位δ-σ调制器150和数字逻辑200的细节。

图1示出了作为示例具有两个电容器115的双背板电容式mems麦克风110。技术人员将理解，如果不使用差分输入，则mems麦克风110可以具有一个电容器115，在这种情况下，读出电路120被相应地调节以适应单端输入信号。

如图1所示，当前公开的数字simic系统100使用多位δ-σ调制器150(也称为模拟调制器150或模拟δ-σ调制器150)。与单位δ-σ调制器相比，多位δ-σ调制器具有较低的量化噪声，因此对于相同的量化噪声水平，对于高输入信号水平(例如，140dbspl)，可以使用具有较低阶(例如，3阶)的多位δ-σ调制器。相比之下，对于类似的高输入信号动态范围，单位δ-σ调制器可能需要5阶调制器来实现相同的量化噪声水平。由于δ-σ调制器的稳定性对于高阶可能难以维持，所以多位δ-σ调制器150有助于通过允许使用低阶调制器(例如，3阶)来确保在高输入信号水平处的稳定性。通过使用高位计数(例如，4位)多位架构，多位δ-σ调制器150可以支持高snr和高动态范围二者。例如，对于a加权的音频频带，例如20hz至20khz，已经使用当前公开的架构针对数字simic系统实现了66db(a)的snr和112db的动态范围。

图2示出了实施例多位δ-σ调制器150的框图。如图2所示，在减去多位反馈数模转换器(dac)155的输出之后，输入模拟信号通过模拟环路滤波器151被滤波。模拟环路滤波器151的输出通过量化器157被转换成在模拟调制器150的输出处的多位数字流(例如，具有多位分辨率的数字值序列)。m位数字流也通过多位反馈dac155被转换回模拟信号，用于与模拟输入信号相减，如图2所示。

图3a示出了数字逻辑200的实施例框图。在一些实施例中，数字逻辑200包括可选的代码映射模块210、可配置的数字滤波器和增益调节模块220(也称为数字滤波器220)、和可配置的数字接口单元230。数字滤波器220和数字接口单元230的架构和/或系数可以被修改或重新配置。因此，术语“可配置”可以在下文中的讨论中与“可重新配置”可互换地使用。

如图3a所示，编码映射单元210将输入数据格式转换成适于数字逻辑200中的处理的数据格式，编码映射单元210可以是可选的。当代码映射单元210不存在时，代码映射单元210的输出、或多位δ-σ调制器150的输出(参见图1)被发送到数字滤波器220用于处理。数字滤波器220对其输入数据执行各种信号处理功能，例如滤波(例如，低通滤波)、均衡、增益调节和下采样。在一些实施例中，数字滤波器220的输出被发送到可重新配置的数字接口单元230，可重新配置的数字接口单元230包括可重新配置的数字逻辑，可重新配置的数字逻辑将数字滤波器220的输出的数据格式转换成输出端口data处的预定数据格式，以用于与随后的模块设备对接。根据本公开的实施例，可重新配置的数字接口单元230包括数字逻辑，数字逻辑将数字滤波器220的输出的数据格式转换成预定的多位数据格式，例如soundwire数据格式，以用于与具有多位数据接口的设备或模块对接。在另一实施例中，可重新配置的数字接口单元230包括数字噪声整形器(例如，数字单位δ-σ调制器)，数字噪声整形器将数字滤波器220的输出的格式转换成一位数字格式，以与具有一位数据接口的设备或模块(例如，抽取滤波器或音频编解码器主机)对接。数字滤波器220的结构可以根据数字接口单元230来调节。例如，当数字接口单元230是数字噪声整形器时，数字滤波器220可以包括低通滤波器和数字增益模块；当接口单元230是支持多位输出接口的数字逻辑时，数字滤波器220可以包括低通滤波器、数字增益模块和下采样器(例如，用于采样率降低)。下文中讨论数字逻辑200的细节。下面参考图3c和4a-9的讨论基于图3b中的实施例，其中使用数字噪声整形器230作为数字接口单元230。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以容易地应用于使用其他类型的数字接口单元230的其他实施例。

图3c示出了从adc到噪声整形器的信号处理功能模块的框图。在图3c的示例中，标记了每个功能模块的输出的位分辨率。例如，多位δ-σadc模块150在其输出处的位分辨率为4，其可以具有二进制补码数据格式。功能模块201通过将输入向左移位一位(例如，乘以2)并且向移位后的值加1来处理输入数据。在一些实施例中，然后，模块201的输出通过字长适配模块203来被处理，字长适配模块203向功能模块201的输出添加14个最低有效位(lsb)(例如，通过将模块201的输出向左移位14位)并且执行移位后的值的符号扩展以形成22位输出。在一些实施例中，两个一阶低通滤波器模块(例如，模块205和207)被级联，并且对字长适配模块203的输出进行滤波。在图3c的示例中，低通滤波器模块205和207均具有可编程的(例如，通过设置或加载用户规定的值而可调节的)8位系数。在各种实施例中，低通滤波器模块207的输出通过具有可编程增益的数字增益模块209的增益来被缩放。在一些实施例中，模块205、207和209对应于图3b中的可配置的数字滤波器和增益调节模块220。在一些实施例中，然后，数字增益模块209的输出被发送到数字噪声整形器230，数字噪声整形器230产生一位输出。

参考图3b，在一些实施例中，可选的代码映射模块210将输入信号(例如，来自模拟调制器150的多位数字流)从第一数据格式(例如，二进制反码格式或无符号二进制格式)转换成第二数据格式(例如，二进制补码格式)。例如，第二数据格式可以是更适合于信号处理的数据格式。在各种实施例中，代码映射模块210将模拟调制器(例如，模拟调制器150)的数据格式与数字逻辑200的其余处理模块的数据格式隔离，从而使得能够独立于数字模块(例如，数字滤波器220和数字噪声整形器230)来灵活地选择模拟调制器。代码映射模块210提供的优点的示例是能够通过具有不匹配的输出数据格式的不同的模拟调制器来重用现有的数字逻辑200，代码映射模块210将模拟调制器的数据格式转换成数字逻辑200的数据格式，从而增加设计重用并且缩短开发周期。

图4a和4b示出了两个实施例的数字滤波器220。图4a示出了作为低通滤波器(lpf)的数字滤波器220。本领域技术人员将理解，lpf可以具有有限脉冲响应(fir)结构或无限脉冲响应(iir)结构。m位数字输入通过lpf被滤波，并且lpf的输出是具有n位分辨率的数字信号。在各种实施例中，n可以与m相同或不同。

图4b示出了作为z^-1的一般多项式的数字滤波器220的传递函数。图4b中的数字滤波器220通常具有iir结构，但是当分母denl的系数(l＝1,2,...,l)为零并且den0为非零时，数字滤波器220具有fir结构。可以使用不同的滤波器架构来实现图4b所示的传递函数。通过根据期望的性能标准设计系数numk(k＝1,2,...,k)和denl(l＝1,2,...,l)，可以获得不同的滤波器特性。对于可重新配置的数字滤波器220，可以将系数numk和denl设置为不同的值以实现不同的滤波器特性。此外，由k和l确定的数字滤波器220的阶数也可以是可重新配置的(例如，可以被设置为不同的值)。类似于图4a，在一些实施例中，图4b中的数字滤波器220对多位数字输入(例如，m位输入)进行滤波并且生成具有n位分辨率的输出。m可以与n不同或相同。注意，在图4a和4b中，数字增益模块(例如，图3c中的数字增益模块209)未明确示出，但是被包括在数字滤波器220中。技术人员将理解，数字增益模块209的功能可以通过例如以增益因子对数字滤波器220的分子系数进行缩放来实现。在其他实施例中，数字增益模块209的功能被实现为耦合到滤波器的增益模块(例如，乘法器)，如图3c所示。

图5a是示出使用数字滤波器220对音频频带进行均衡的波特图。曲线501示出了包括mems传感器110和多位δ-σ调制器150的模拟信道的实施例频率响应。曲线502示出了数字滤波器220的实施例频率响应，曲线503示出了在模拟信道被数字滤波器220均衡(例如，通过组合曲线501和502的频率响应)之后的总体频率响应。

模拟信道的频率响应由mems传感器110主导，并且通常被调节用于具有相当平坦的传递函数的音频频带(例如，约20hz至约20khz之间的频率)信号传输。麦克风封装件的机械性能可能会影响频率响应。如曲线501所示，在一些实施例中，高通行为存在于音频频带的较低角频率(例如，约35hz至约100hz)处，并且谐振器提升(例如，频率响应的增益的增加)存在于约25khz的频率处。在一些实施例中，在超过约50khz的输入频率处，模拟信道呈现低通行为。

仍然参考图5a，数字滤波器220通过补偿或修改模拟信道的频率响应来均衡模拟信道的频率响应。例如，数字滤波器220可以通过在第一频率处应用第一增益并且在第二频率处应用不同于第一增益的第二增益来对其输入信号进行滤波或均衡。在一些实施例中，数字滤波器220的频率响应是频率选择性的(例如，在感兴趣的频带中具有非均匀的增益，参见曲线502)，因此能够增强在某些频率处的信号分量，同时衰减在某些其他频率处的信号分量。在其他实施例中，数字滤波器220的频率响应在感兴趣的频带上基本平坦(例如，基本上恒定)，在这种情况下，数字滤波器220为感兴趣的频带中的所有信号分量提供恒定的增益。通过缩放数字滤波器220的分子系数(例如，用缩放因子乘以分子的所有系数)，曲线502可以沿着y轴上下移动，从而提供模拟信道的增益调节和均衡二者。在其他实施例中，可以通过将数字增益调节块与滤波器串联放置来获得增益调节，如图3c所示。

在图5a的示例中，数字滤波器220表现出低通行为。特别地，数字滤波器220从零频率到频率fa(例如，大约7khz)提供基本平坦的增益(例如，0db)，并且衰减在fa以上的频率分量。包括模拟信道的频率响应(例如，曲线510)和数字滤波器220的频率响应(例如，曲线502)的整个信道的频率响应通过曲线503被示出。与原始模拟信道响应曲线501相比，曲线503针对音频频带内的较宽频率范围(例如高达频率fb(例如，大约20khz))提供基本上平坦的响应，从而防止或减少感兴趣的频带(例如，音频频带)内的信号的衰减。曲线503还可以减小大约25khz的谐振器提升，并且针对在音频频带的较高端(例如，20khz)以上的频率分量提供更多的衰减，从而减少带外噪声和干扰，从而产生具有更好的snr的更干净的音频信号。

由于低通特性，数字滤波器220显著地降低了模拟δ-σ调制器150的量化噪声。技术人员将容易理解，由于δ-σ调制器150的噪声整形效果，较低频率(例如，音频频带)处的量化噪声水平(例如，量化噪声的谱)很低，并且量化噪声水平随频率增加并且在音频频带上方的较高频率处可能会高得多。通过滤除(例如，衰减)在音频频带以上的频率分量，数字滤波器220从数字滤波器220的输出中去除了大部分调制器量化噪声，从而显著地提高了音频信号的snr。

根据本公开的实施例，对数字滤波器220的分子系数进行缩放(例如，所有系数以缩放因子被缩放)以针对数字simic的不同灵敏度要求提供增益调节。例如，可以针对不同的灵敏度缩放(也称为增益调节)预先计算数字滤波器220的不同系数集合，并且将其存储在只读存储器(rom)(参见图3b中的rom270)中，并且可以将具有期望的增益调节的系数加载到数字滤波器220中以获得相应的灵敏度要求。在一些实施例中，在具有不同灵敏度要求的不同系统中使用相同类型的数字simic，系数具有被加载到数字滤波器220中的期望的增益调节量。在其他实施例中，通过将不同的系数集合加载到数字滤波器220中，数字simic系统中的相同的数字simic可以在不同的时间支持不同的灵敏度要求。数字滤波器220的可重新配置允许相同的数字simic在不重新设计硬件的情况下支持不同的灵敏度要求。

根据一些实施例，灵敏度缩放完全在数字域中执行，并且包括mems传感器(例如，mems传感器110)、mems接口电路和adc调制器(例如，模拟调制器150)的模拟前端(afe)对于不同的麦克风灵敏度要求保持不变。由于增益调节和滤波被应用于afe的输出，所以数字滤波器220的输入处的snr独立于所选择的麦克风灵敏度。在一些实施例中，数字滤波器220的字宽度的适当选择和数字噪声整形器230的积极设计可以确保这些数字模块的附加量化噪声在更高的过采样率(osr)处不会影响整个系统snr，并且在低osr处可能仅使整体snr稍微变差。

对于超声应用，数字simic支持在约20khz至约100khz之间的频率范围内的超声信号。在一些实施例中，在约50khz以上的mems传感器110的频率下降(参见曲线501)衰减超声信号。在一些实施例中，本公开中的高级数字simic使用数字滤波器220来补偿该衰减。

图5b示出了使用数字滤波器220对超声频带的均衡。曲线501示出了包括mems传感器110和多位δ-σ调制器150的模拟信道的实施例频率响应，类似于图5a的曲线501。曲线502示出了数字滤波器220的实施例频率响应，曲线503示出了在模拟信道的频率响应被数字滤波器220均衡之后的总体频率响应。

如图5b中的曲线502所示，数字滤波器220的配置(例如，滤波器的阶数和滤波器系数)被设置为提供0db的基本上恒定的增益直到频率fa(fa>10khz)、以及在频率fa到fb之间的大于0db的增益，fb接近100khz。特别地，在音频频带的较高端(例如，大约25khz)以上提供谐振器提升。对于在大约100khz以上的频率，数字滤波器220表现出低通特性。与原始模拟信道频率响应曲线501相比，总体频率响应曲线503示出了超声频带和较宽的通带中的较低衰减。由于模拟频道的频率响应中的下降通过数字滤波器220被抵消，所以在超声频带(例如，大约20khz至大约100khz)上更好地维持信号水平，这在超声应用中在数字滤波器220的输出处实现了高的snr。类似于图5a的讨论，图5b中使用的数字滤波器220衰减在感兴趣的频带(例如，超声频带)以上的频率分量，导致较小的量化噪声和改进的snr。

图5a和5b仅仅是示例。如本领域技术人员容易理解的，数字滤波器220的系数和阶数可以以其他方式被修改，以提供用于性能改进的各种频率响应。在一些实施例中，一旦系数被加载到数字滤波器220中，系统在运行期间保持不变，直到新的系数被加载。在其他实施例中，数字滤波器220的系数可以在来自模拟调制器150的新的数字样本进入数字滤波器220时被更新。因此，数字滤波器220可以作为自适应滤波器或自适应均衡器操作，以动态地跟踪和/或补偿模拟信道中的变化。

图6a示出了数字噪声整形器230的实施例框图。在一些实施例中，数字噪声整形器230包括数字环路滤波器231、数字单位量化器253、和从数字单位量化器253到在数字噪声整形器230的输入处的减法器的反馈路径。在一些实施例中，数字噪声整形器230将多位数字输入信号转换成单位数字输出，因此也被称为数字调制器230。根据示例性实施例，数字噪声整形器230是产生一位输出信号的数字一位δ-σ调制器。在各种实施例中，数字噪声整形器230的输出(例如，一位输出)的数据字长度小于数字噪声整形器230的输入(例如，来自数字滤波器220的多位数据)的数据字长度。

图6b示出了数字噪声整形器230的另一实施例框图。在图6b的示例中，使用五阶数字噪声整形器来实现高动态范围，其包括两个二阶低通级(例如，谐振器1和谐振器2，参见图6b中的标号)和一阶低通级(例如，积分器241)。在一些实施例中，谐振器1包括积分器242和243，并且谐振器2包括积分器244和245。如图6b所示，五个积分器241/242/243/244/245的输出在通过加法单元243被相加之前以不同的系数(例如，k1、k2、...、k5)被缩放。系数(例如，k1、k2、...、k5)可以是通过用户设置而编程的(例如，可以被修改)。求和单元243的输出被发送到单位量化器253，单位量化器253产生一位输出数字数据。数字噪声整形器230的阶数是可编程的，因此在其他实施例中可以高于或低于五。数字噪声整形器230的阶数可以通过例如添加数字逻辑(诸如多路复用器(mux)(未示出))而是可编程的，该数字逻辑接收多个输入并且输出多输入的子集(例如，一个)作为输出。技术人员将很容易理解，mux可以被添加到图6b以旁路某些积分器(例如，积分器242和243、和/或积分器244和245)，从而修改数字噪声整形器230的阶数，其结合可编程系数(例如，k1、k2、...、k5以及c1和c2)在调节数字噪声整形器230的性能方面提供了灵活性。在一些实施例中，谐振器级的传递函数的复极点在噪声传递函数中产生陷波，并且被放置在信号频带的带内或在信号频带的上端处，以优化噪声抑制。例如，可以改变谐振器(例如，谐振器1和谐振器2)的反馈系数c1和c2，以修改传递函数的复极点的位置。根据一些实施例，噪声整形器230的带外行为由数字噪声整形器的阶数来确定。

图7示出了数字噪声整形器230的实施例噪声传递函数(ntf)。如上所述，根据一些实施例，数字噪声整形器230是可重新配置的，使得数字环路滤波器231的阶数和系数能够被修改，以确保数字噪声整形器230的稳定性，同时针对数字噪声整形器230的输出实现期望的snr水平。由于数字滤波器220已经在较高频率(例如，在感兴趣的频带以上的频率)处衰减模拟调制器的经噪声整形的量化噪声，所以数字噪声整形器230是否变得不稳定不太关键，因为高频输入信号分量的信号功率被充分地衰减，从而避免了噪声整形器的过载。作为具有数字滤波器220的另一优点，数字噪声整形器230可以被更加积极地设计(因为它是具有稳定系数的数字滤波器)，以在支持高动态范围的同时实现良好的量化噪声性能。例如，在高滤波器阶数处，例如5阶数字噪声整形器230，可以实现112db的动态范围。

如图7所示，数字噪声整形器230的ntf在低频带(例如，零频率至fs/(2×osr))内呈现高衰减，并且在低频带之外呈现较低的衰减。在一些实施例中，谐振器极点位于低频带中，以优化或改善数字噪声整形器230的性能。数字噪声整形器230对量化噪声执行噪声整形，使得量化噪声水平在低频带(例如，感兴趣的频带)中很低，并且量化噪声水平在低频带之外的较高频率中很高。

参考图3b，在一些实施例中，数字滤波器220和数字噪声整形器230的重新配置由系数和结构选择单元240来执行。在各种实施例中，系数和结构选择单元240根据可编程的结构控制存储器250中的一个或多个控制位的设置来设置数字滤波器220和数字噪声整形器230的结构。诸如动态范围和snr等系统要求可能需要对数字逻辑200的结构调节。例如，数字滤波器220的阶数和/或数字噪声整形器230的阶数可以响应于不同的系统性能要求来被修改(例如，增加或减小)。此外，功率需求根据操作模式(例如，高性能模式或低功率模式)而不同。因此，有利的是，具有可以经由可编程的结构控制存储器250中的设置来控制的可编程的(例如，可重新配置的)数字滤波器220和数字噪声整形器230。作为示例，除了滤波器的阶数之外，数字滤波器220和数字噪声整形器230的结构可以包括各种其他设置，诸如fir或iir结构的选择、以及用于实现滤波器的特定方式。数字滤波器和数字噪声整形器的结构的选择可以通过设置可编程的结构控制存储器250中的一个或多个控制位来执行。由于控制存储器(例如，可编程的结构控制存储器250和可编程的系数选择控制存储器260)可能需要相对少量的存储，但是也可以使用与标准的低成本逻辑处理兼容的电熔丝(efuse)存储器，尽管也可以使用任何其他合适的存储器(例如，非易失性存储器)。

仍然参考图3b，在各种实施例中，系数和结构选择单元240根据可编程的系数选择控制存储器260中的一个或多个控制位的设置来将所选择的系数加载到数字滤波器220和数字噪声整形器230中。可以预先计算不同的系数集合并且将其存储在存储模块中，诸如图3b所示的数字滤波器和噪声整形器系数只读存储器(rom)270。如前所述，不同的系数集合可以提供不同的灵敏度缩放(例如，增益调节)、用于均衡模拟信道的不同的频率响应、和不同的操作频带(例如，音频频带和超声频带)。不同的系数集合可以通过设置可编程的系数选择控制存储器260中的一个或多个控制位来选择。在一些实施例中，数字滤波器和噪声整形器系数rom270可以是硬编码的rom，但是其他合适的存储装置/存储器模块(例如，非易失性存储器)也可以用于存储系数。在一些实施例中，基于可编程的系数选择控制存储器260的设置，系数和结构选择单元240从数字滤波器和噪声整形器系数rom270中取回所选择的系数，并且将所选择的系数加载到数字滤波器220和/或数字噪声整形器230中。

图8示出了具有3.072mhz和1.536mhz的两个不同采样时钟频率的数字噪声整形器230的ntf。数字滤波器的频率响应(在hz的绝对频率值而不是归一化的数字频率方面)与时钟频率相关。如图8的示例所示，当采样频率减少一半时，频率响应沿着频率轴相应地缩放(例如，缩小)(例如，一半)。数字系统中的时钟频率(例如，采样时钟频率)可能由于例如在时钟生成电路中使用的晶体的温度变化和/或电气部件的老化而从标称值偏移。此外，数字系统(例如，数字simic系统)可以在不同的时钟频率下操作，以实现不同的性能目标，例如高性能模式(在高时钟频率下)或低功率模式(在低时钟频率下)。

参考图3b，在一些实施例中，为了支持不同的操作模式和/或解决时钟频率漂移问题，数字逻辑200包括时钟频率监测器280(也称为时钟频率检测单元280)。时钟频率监测器280例如通过将系统时钟频率clk与参考时钟信号相比较来检测和/或监测clk，参考时钟信号可以是通常可用的片上参考时钟。

图9示出了实施例时钟频率检测单元280。如图9所示，帧生成器281例如通过对参考时钟的时钟周期的预定数目refclk进行计数来设置用于执行时钟频率检测的时间帧。计数器283在时间帧内对时钟频率clk的时钟周期数目进行计数。使用n个数字比较器285将计数器283的输出与n个门限值相比较，并且每个可以是一位值的比较器输出通过锁存器287被锁存并且被组合以形成用于表示检测到的时钟范围的n位字。

在一些实施例中，基于时钟频率检测单元280的输出，对应于检测到的时钟频率的系数被加载到数字滤波器220和数字噪声整形器230中，从而确保数字滤波器220和数字噪声整形器230具有期望的频率响应以提高系统性能，并且确保数字滤波器220和数字噪声整形器230的稳定性被维持。在其他实施例中，simic系统被配置为通过使用检测到的时钟频率作为哪个操作模式被选择的指示来在不同的操作模式(例如，高性能模式和低功率模式)之间自动切换。数字滤波器220和数字噪声滤波器230的配置可以响应于检测到的时钟频率来被自动设置。

图3b中的数字逻辑200在数字噪声整形器230的输出处产生一位数字流，用于与支持一位接口的设备或模块对接。图3a中的数字逻辑200可以在数字接口单元230的输出处产生多位输出，用于与支持多位数据接口(例如，soundwire接口)的设备或模块对接，在这种情况下，数字滤波器220可以包括耦合到抽取滤波器的第一数字滤波器。第一数字滤波器可以是或包括类似于图3b中的数字滤波器220的滤波器，其对输入数据(例如，来自多位δ-σ调制器150或在代码映射单元210的输出处的数据)执行滤波和均衡。在一些实施例中，第一数字滤波器的输出被发送到抽取滤波器，抽取滤波器以抽取因子(例如，可配置的抽取因子)降低数据速率。在一些实施例中，抽取滤波器的输出通过增益调节单元(例如，乘法器)被缩放。抽取滤波器是本领域公知的，并且细节没有被重复。数字滤波器220的输出被发送到数字接口单元230，数字接口单元230可以包括用于将数字滤波器220的输出的数据格式转换成预定的多位数据格式(例如，soundwire数据格式)的可配置的数字逻辑。可配置的数字接口单元230可以是或包括数字滤波器，并且数字滤波器的结构(例如，滤波器的阶数)和/或系数可以是可重新配置的。图3a和3b中的数字逻辑200的实施例有利地为dimic系统100提供了与单位或多位设备或模块进行对接的灵活性。

图10示出了根据一些实施例的操作可重新配置的麦克风系统的方法的流程图。应当理解，图10所示的实施例方法是很多可能的实施例方法的示例。本领域普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。例如，图10所示的各种步骤可以被添加、移除、替换、重新布置和重复。

参考图10，在步骤1010，使用多位δ-σ调制器将麦克风的第一输出转换成具有多位分辨率的第一数字信号。在步骤1020，设置数字滤波器的第一配置，并且设置数字接口单元的第二配置，其中数字滤波器和数字接口单元是可重新配置的。在步骤1030，使用数字接口单元将数字滤波器的第二输出转换成具有预定位分辨率的第二数字信号。

本公开的总体方面包括一种麦克风系统，该麦克风系统包括多位δ-σ调制器，多位δ-σ调制器被配置为耦合到麦克风并且被配置为将麦克风的输出转换成在多位δ-σ调制器的第一输出处的具有多位分辨率的第一数字信号。麦克风系统还包括数字噪声整形器，数字噪声整形器耦合到多位δ-σ调制器的第一输出，并且被配置为将数字噪声整形器的多位数字输入转换成一位数字信号。

实现可以包括以下特征中的一个或多个。麦克风系统还包括麦克风。麦克风系统还包括耦合在多位δ-σ调制器与数字噪声整形器之间的数字滤波器，数字滤波器的输入耦合到多位δ-σ调制器的第一输出，并且数字滤波器的输出耦合到数字噪声整形器的输入。麦克风系统的数字滤波器被配置为均衡第一数字信号。麦克风系统还包括耦合在多位δ-σ调制器与数字滤波器之间的代码映射模块。

在一些实施例中，麦克风系统的数字噪声整形器是被配置为产生一位输出的一位δ-σ调制器。在各种实施例中，数字滤波器的第一配置和数字噪声整形器的第二配置是可重新配置的。根据实施例，第一配置和第二配置中的至少一项包括增益、滤波器的阶数、和系数集合。

在一些实施例中，麦克风系统的数字滤波器被配置为通过用于第一配置的第一设置来提供在音频频带的较高端周围的低通频率响应，并且数字滤波器被配置为通过用于第一配置的第二设置来提供在音频频带的较高端以上的频率提升。麦克风系统还可以包括被配置为根据麦克风系统的性能要求来设置数字滤波器的第一配置和数字噪声整形器的第二配置的配置选择单元。麦克风系统还可以包括被配置为存储数字滤波器和数字噪声整形器的不同系数集合的存储单元、以及被配置为控制配置选择单元的控制接口。麦克风系统还可以包括被配置为检测麦克风系统的时钟信号的频率的时钟频率检测单元，其中时钟频率检测单元的检测结果用于设置数字滤波器的第一配置和数字噪声整形器的第二配置。在实施例中，多位δ-σ调制器、数字滤波器、数字噪声整形器、配置选择单元、存储单元和控制接口集成在同一半导体衬底上。

本公开的另一总体方面包括一种半导体器件，其包括被配置为将微机电系统(mems)麦克风的输出电压转换成具有多位分辨率的第一数字信号的多位δ-σ调制器、以及耦合到多位δ-σ调制器的数字逻辑。数字逻辑包括被配置为均衡第一数字信号并且具有可重新配置的配置的数字滤波器、以及被配置为将数字滤波器的输出转换成具有预定数据格式的第二数字信号的数字接口单元。

实现可以包括以下特征中的一个或多个。预定数据格式包括多位数据格式。数字接口单元的配置是可重新配置的。数字接口单元是被配置为将数字滤波器的输出转换成一位数据流的数字噪声整形器。数字滤波器通过数字逻辑的配置的第一设置来抑制在音频频带以上的第一数字信号的频率分量，并且数字滤波器通过数字逻辑的配置的第二设置来增强在超声频带内的第一数字信号的频率分量。数字逻辑还包括在多位δ-σ调制器与数字滤波器之间的代码映射模块，其中代码映射模块被配置为在通过数字滤波器处理之前将第一数字信号从第一格式转换成第二格式。

在一些实施例中，数字逻辑还包括被配置为存储数字滤波器的第一系数集合和数字接口单元的第二系数集合的存储单元，其中第一系数集合和第二系数集合中的至少一项被配置为支持麦克风的不同的灵敏度要求。数字逻辑还包括被配置为根据不同的灵敏度要求来向数字滤波器和数字接口单元中的至少一项中加载不同的系数集合的配置模块、以及用于设置麦克风的灵敏度要求的控制接口。在实施例中，第一系数集合和第二系数集合中的至少一项被配置为根据麦克风的操作频带来提供不同的频率响应。数字逻辑还可以包括被配置为检测半导体器件的时钟信号的频率的时钟频率监测单元。在各种实施例中，配置模块被配置为根据来自时钟频率监测单元的检测到的频率来改变数字滤波器的系数和数字接口单元的系数。

根据本公开的另一总体方面，一种操作可重新配置的麦克风系统的方法，包括：使用多位δ-σ调制器将麦克风的第一输出转换成具有多位分辨率的第一数字信号；设置数字滤波器的第一配置并且设置数字接口单元的第二配置，其中数字滤波器和数字接口单元是可重新配置的；以及使用数字接口单元将数字滤波器的第二输出转换成具有预定位分辨率的第二数字信号。

实现可以包括以下特征中的一个或多个。该方法还包括响应于麦克风的性能要求的变化，针对数字滤波器设置第三配置并且针对数字接口单元设置第四配置。性能要求包括麦克风灵敏度、麦克风的操作频带、和可重新配置的麦克风系统的时钟信号的频率。设置数字滤波器的第一配置包括：设置数字滤波器的阶数和数字滤波器的系数中的至少一项。设置数字接口单元的第二配置包括：设置数字接口单元的阶数和数字接口单元的系数中的至少一项。该方法还包括：使用数字滤波器来均衡第一数字信号。

在一些实施例中，均衡包括：向第一数字信号的在第一频率处的分量应用第一增益，并且向第一数字信号的在第二频率处的分量应用不同于第一增益的第二增益。在一些实施例中，数字接口单元是数字噪声整形器，其中数字噪声整形器对数字噪声整形器的量化噪声重新整形，使得在感兴趣的频带之外的量化噪声的能量高于在感兴趣的频带之内的量化噪声的能量。在各种实施例中，该方法还包括：监测可重新配置的麦克风系统的时钟信号的频率，并且响应于时钟信号的频率的变化，针对数字滤波器设置第三配置并且针对数字接口单元设置第四配置。

本发明的实施例的优点包括改进的数字simic系统性能以及在具有不同性能要求的不同系统中使用相同的数字硅麦克风的能力。多位δ-σ调制器显著地降低了量化噪声，并且使得能够使用较低阶(例如，3阶)的多位δ-σ调制器，从而提高了simic系统的稳定性并且实现了高的snr和动态范围。通过修改可重新配置的数字滤波器的阶数和系数，可以在数字域中提供不同的灵敏度缩放以适应不同的灵敏度要求，并且系统snr在高osr处独立于灵敏度，并且在低osr处仅稍微变差。此外，可以调节数字滤波器的频率响应以均衡模拟信道，从而保持或增强带内信号(例如，音频信号或超声信号)，同时滤除或衰减带外噪声和干扰。可以通过使用用于数字滤波器的不同结构和系数来支持不同的操作频带(例如，音频频带或超声频带)。数字噪声整形器的一位输出使得能够与诸如抽取滤波器或音频编解码器主机等简单的解码电路进行对接。在数字逻辑200的输出处的多位接口的情况下，多位接口的输出可以连接到支持诸如soundwire标准等多位协议的其他设备。时钟频率检测单元监测系统时钟频率并且基于检测到的时钟频率来选择数字逻辑(例如，数字滤波器和数字噪声整形器)的结构和系数，由此确保数字逻辑的系统稳定性和适当的频率响应。利用所公开的架构实现了高的snr(例如，66db)和宽的动态范围(例如，112db)。

尽管已经结合特定的示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的实质和范围的情况下，可以进行其配置和细节的各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求确定，并且意图在于，权利要求应当涵盖落入权利要求的含义和等同范围内的所有改变。