主动降噪系统、自适应校准的模拟滤波电路和耳机的制作方法

[0001]
本发明涉及耳机技术领域，尤其涉及一种主动降噪系统、自适应校准的模拟滤波电路和耳机。


背景技术：

[0002]
主动降噪(active noise cancellation,anc)是通过降噪系统产生与外界噪音的相位相反的声波，以将噪音完全抵消，从而实现降噪的效果。主动降噪技术可应用在耳机上。现有耳机的主动降噪系统在电路板上安装的器件较多，容易在生产时发生因电路板上的器件偏差而影响产品性能的问题，并且体积较大，不利于实现产品小型化。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是为了提供一种主动降噪系统、自适应校准的模拟滤波电路和耳机，电路板上安装的器件数量较少，不易在生产时发生器件偏差而影响产品的性能，节省了电路板的空间，有助于实现产品小型化，并且减小了寄生参数，能够降低时延和耗电量以及提高信噪比。
[0004]
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种主动降噪系统，所述主动降噪系统包括：麦克风，用于采集环境噪音以生成第一音频信号；第一芯片，用于将所述第一音频信号进行预处理；模拟滤波电路和第二芯片，至少部分所述模拟滤波电路集成在所述第二芯片上，并且所述模拟滤波电路用于对进行预处理后的所述第一音频信号进行滤波处理，以形成与所述环境噪音反相的消噪信号；所述第一芯片还用于接收包括目标音频的第二音频信号，并将所述第二音频信号和所述消噪信号进行混合，以形成混合音频信号；扬声器，用于播放所述混合音频信号。
[0005]
可选地，所述模拟滤波电路包括模拟滤波器，所述模拟滤波器包括多个电阻、多个电容以及一个或多个运算放大器，所述一个或多个运算放大器位于所述第一芯片内，所述多个电阻和所述多个电容位于所述第二芯片内。
[0006]
可选地，所述模拟滤波器中的电容的容值之和的取值范围为1nf-10nf；和/或，所述模拟滤波器中的电阻的阻值之和的取值范围为10mω-100mω。
[0007]
可选地，所述模拟滤波电路还包括设置在所述第二芯片内的振荡器和控制逻辑电路，所述振荡器包括电阻和电容，所述振荡器基于其内的所述电阻和所述电容产生振荡时钟，所述模拟滤波器中的电阻和所述振荡器中的电阻均是由一个或多个基本电阻单元组成的，所述模拟滤波器中的电容和所述振荡器中的电容均是由一个或多个基本电容单元组成的，所述基本电阻单元的阻值是可调整的，所述基本电容单元的容值是可调整的；所述控制逻辑电路用于按照使所述振荡器的振荡时钟收敛于标准时钟的要求，调整所述振荡器和所述模拟滤波器中的基本电容单元和/或基本电阻单元的值。
[0008]
可选地，调整后的所述模拟滤波器中的电容的容值与调整前的所述模拟滤波器中的电容的容值的比值范围为50％-150％；和/或，所述控制逻辑电路用于按照使所述振荡器
的振荡时钟收敛于所述标准时钟的要求，调整所述振荡器和所述模拟滤波器中的基本电容单元的容值，所述模拟滤波电路还包括设置在所述第二芯片内的可控电路，所述可控电路能够通过调整所述模拟滤波器中的基本电阻单元的阻值来改变所述模拟滤波器的频率响应特性，其中：每个所述基本电容单元包括并联于输入端和输出端之间的多个可调电容支路，每个所述可调电容支路包括两个第二开关以及串联于所述两个第二开关之间的子电容单元，所述控制逻辑电路通过控制每个可调电容支路的所述两个第二开关的导通和关断，能够控制该可调电容支路是否接入至所述基本电容单元中，以实现对所述基本电容单元的容值进行调整；每个所述基本电阻单元包括多个第一开关和多个串联的子电阻单元，所述多个串联的子电阻单元的一端为输入端，所述多个第一开关的一端分别连接所述多个串联的子电阻单元的另一端和相邻的两个子电阻单元之间，所述多个第一开关的另一端连接输出端，所述可控电路通过控制所述多个第一开关的导通和关断，能够控制相应的子电阻单元是否接入至所述基本电阻单元中，以实现对所述基本电阻单元的阻值进行调整。
[0009]
可选地，所述第一芯片和所述第二芯片采用同一封装结构封装。
[0010]
本发明第二方面提供一种自适应校准的模拟滤波电路，所述模拟滤波电路包括：模拟滤波器，包括多个电阻、多个电容以及一个或多个运算放大器，振荡器，包括电阻和电容，所述振荡器基于其内的所述电阻和所述电容产生振荡时钟，所述模拟滤波器中的电阻和所述振荡器中的电阻均是由一个或多个基本电阻单元组成的；所述模拟滤波器中的电容和所述振荡器中的电容均是由一个或多个基本电容单元组成的，所述基本电阻单元的阻值是可调整的，所述基本电容单元的容值是可调整的；控制逻辑电路，用于按照使所述振荡器的振荡时钟收敛于标准时钟的要求，调整所述振荡器和所述模拟滤波器中的基本电容单元和/或基本电阻单元的值。
[0011]
可选地，调整后的所述模拟滤波器中的电容的容值与调整前的所述模拟滤波器中的电容的容值的比值范围为50％-150％；和/或，所述控制逻辑电路用于按照使所述振荡器的振荡时钟收敛于所述标准时钟的要求，调整所述振荡器和所述模拟滤波器中的基本电容单元的容值，所述模拟滤波电路还包括可控电路，所述可控电路通过调整所述模拟滤波器中的所述基本电阻单元的阻值来改变所述模拟滤波器的频率响应特性。
[0012]
可选地，每个所述基本电阻单元包括多个第一开关和多个串联的子电阻单元，所述多个串联的子电阻单元的一端为输入端，所述多个第一开关的一端分别连接所述多个串联的子电阻的另一端和相邻的两个电阻之间，所述多个第一开关的另一端连接输出端，所述控制逻辑电路和所述模拟滤波电路的可控电路中的至少一者通过控制所述多个第一开关的导通和关断，能够控制相应的子电阻单元是否接入至所述基本电阻单元中，以实现对所述基本电阻单元的阻值进行调整；和/或，每个所述基本电容单元包括并联于输入端和输出端之间的多个可调电容支路，每个所述可调电容支路包括两个第二开关以及串联于所述两个第二开关之间的子电容单元，所述控制逻辑电路和所述模拟滤波电路的可控电路中的至少一者通过控制每个可调电容支路的所述两个第二开关的导通和关断，能够控制该可调电容支路是否接入至所述基本电容单元中，以实现对所述基本电容单元的容值进行调整。
[0013]
本发明第三方面提供一种耳机，所述耳机包括上述第一方面的主动降噪系统；或，上述第二方面的自适应校准的模拟滤波电路。
[0014]
在上述技术方案中，当包括消噪信号和第二音频信号的混合音频信号由扬声器播
放而输入耳朵时，混合音频信号中的与环境噪音的相位相反的消噪信号会与直接传入耳朵的环境噪音抵消，从而实现降噪的目的。与将模拟滤波电路直接设置在电路板上的方案相比，本申请将至少部分模拟滤波电路集成在第二芯片上，再将第二芯片设置在电路板上，这样减少了电路板上的器件数量，避免了生产时电路板上的器件偏差而影响产品性能的问题发生，节省了电路板的空间，有助于实现产品小型化。并且，对原有结构改动较小，有利于降低加工难度和节省成本。另外，集成在第二芯片上的诸如电阻和电容的各个器件间的连线较短，能够减小寄生参数(即寄生电阻、寄生电感和寄生电容)，有助于降低时延和耗电量以及提高信噪比。
[0015]
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0016]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0017]
图1为一种数字降噪系统的结构示意图；
[0018]
图2为一种模拟降噪系统的结构示意图；
[0019]
图3为本申请实施例提供的一种主动降噪系统的结构示意图；
[0020]
图4为本申请实施例提供的一种模拟滤波电路的结构示意图；
[0021]
图5为一种模拟滤波器的结构示意图；
[0022]
图6为一种振荡器的结构示意图；
[0023]
图7为一种基本电阻单元的结构示意图；
[0024]
图8为一种基本电容单元的结构示意图。
具体实施方式
[0025]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b这三种情况。另外，除非另有说明，术语“多个”的含义是指两个或两个以上。
[0027]
图1为一种数字降噪系统的结构示意图。该数字降噪系统可应用于耳机中，如图1所示，该数字降噪系统包括安装在电路板(图中未示出)上的主动降噪芯片10、设置在主动降噪芯片10两侧的降噪麦克风20、设置在主动降噪芯片10内的模数转换器adc、数字降噪逻辑30、数模转换器dac以及分别设置在主动降噪芯片10的两端的有线耳机输入和喇叭40，并
且有线耳机输入与adc相连。该数字降噪系统中adc、数字降噪逻辑、dac的处理时间过长，影响降噪效果。
[0028]
图2为一种模拟降噪系统的结构示意图。该模拟降噪系统可应用于耳机中，如图2所示，该模拟降噪系统包括安装在电路板(图中未示出)上的主动降噪芯片10’、设置在主动降噪芯片10’两侧的降噪麦克风20’和滤波电路30’以及分别设置在主动降噪芯片10’的两端的有线耳机输入和喇叭40’。该模拟降噪系统需要在电路板上安装大量的电阻和电容器件进行滤波。并且，需要的降噪效果越好，滤波结构越复杂。
[0029]
结合图1和图2可知，数字降噪系统的电路板上的器件少，但芯片时延较长，降噪效果受影响。而模拟降噪系统的信号时延小，降噪效果好，但电路板上器件较多，产品难以小型化，并且生产时电路板上的器件偏差会影响产品性能。
[0030]
图3为本申请实施例提供的一种主动降噪系统的结构示意图。如图3所示，该主动降噪系统包括麦克风1、第一芯片2如主动降噪芯片、模拟滤波电路、第二芯片3如滤波电路芯片和扬声器4，麦克风1用于采集环境噪音以生成第一音频信号。第一芯片2用于将第一音频信号进行预处理。这里的“预处理”可以是采用运算放大器将第一音频信号进行放大或缩小或进行初步降噪处理。至少部分模拟滤波电路集成在第二芯片3上，并且模拟滤波电路用于对进行预处理后的第一音频信号进行滤波处理，以形成与环境噪音反相的消噪信号。第一芯片2还用于(例如通过有线耳机输入)接收包括目标音频的第二音频信号，并将第二音频信号和消噪信号进行混合，以形成混合音频信号。这里的“目标音频”为用户希望听到的声音，例如音乐或语音。扬声器4用于播放混合音频信号。
[0031]
在上述技术方案中，当包括消噪信号和第二音频信号的混合音频信号由扬声器4播放而输入耳朵时，混合音频信号中的与环境噪音反相的消噪信号会与直接传入耳朵的环境噪音抵消，从而实现降噪的目的。与将模拟滤波电路直接设置在电路板上的方案相比，本申请将至少部分模拟滤波电路集成在第二芯片3上，再将第二芯片3设置在电路板上，这样减少了电路板上的器件数量，避免了生产时电路板上的器件偏差而影响产品性能的问题发生，节省了电路板的空间，有助于实现产品小型化。并且，对原有结构改动较小，有利于降低加工难度和节省成本。
[0032]
同时，集成在第二芯片3上的模拟滤波电路的诸如电阻和电容的各个器件间的连线较短，能够减小寄生参数(即寄生电阻、寄生电感和寄生电容)，有助于降低时延和耗电量以及提高信噪比，从而能够节省成本和改善降噪效果。具体地，为满足音频主动降噪技术对超低延迟的需求，可选用接近零延迟的模拟滤波架构，相对同等的数字降噪方案，本申请的主动降噪系统，除了低时延的优势以外，可实现更高信噪比的音频特性如大于110db及更低的耗电量，如耗电量可为原有耗电量的1/2-1/3。
[0033]
另外，第一芯片2和第二芯片3可采用同一封装结构封装，这样可进一步节省电路板上的空间和降低封装成本，同时也使得第一芯片2和第二芯片3之间的连线较短，能够进一步减小寄生参数。
[0034]
图4为本申请实施例提供的一种模拟滤波电路的结构示意图。如图4所示，该模拟滤波电路可包括振荡器51、控制逻辑电路52和模拟滤波器53。图5为一种模拟滤波器的结构示意图。如图5所示，模拟滤波器53包括多个电阻r1、多个电容c1以及一个或多个运算放大器op。并且，多个电阻r1的阻值可以相同也可以不同，多个电容c1的容值可以相同也可不
同。图6为一种振荡器的结构示意图。如图6所示，振荡器51包括电阻r2和电容c2，振荡器51基于其内的电阻r2和电容c2产生振荡时钟。其中，振荡器51可为rc振荡器。
[0035]
进一步地，模拟滤波器53中的电阻r1和振荡器51中的电阻r2均是由一个或多个基本电阻单元组成的，模拟滤波器53中的电容c1和振荡器51中的电容c2均是由一个或多个基本电容单元组成的，基本电阻单元的阻值是可调整的，基本电容单元的容值是可调整的。
[0036]
继续参考图4，控制逻辑电路52用于按照使振荡器51的振荡时钟收敛于标准时钟的要求，调整振荡器51和模拟滤波器53中的基本电容单元和/或基本电阻单元的值。需说明的是，这里的“振荡时钟收敛于标准时钟”是指振荡时钟与标准时钟的差值位于设定范围如-1％-1％内，理想状态是“振荡时钟”与“标准时钟”相等，但实际中可能比较难实现，故可根据实际需要选择振荡时钟与标准时钟的差值范围。另外，控制逻辑电路52可按照使振荡器51的振荡时钟收敛于标准时钟的要求，调整振荡器51和模拟滤波器53中的每个基本电容单元和/或每个基本电阻单元的值，也可根据工作需要调整振荡器51和模拟滤波器53中的一部分基本电容单元和/或一部分基本电阻单元的值。
[0037]
也就是说，该模拟滤波电路是一种自适应校准的模拟滤波电路。由于模拟滤波器53中的电阻r1和电容c1器件随着不同工艺会有上下20％的偏差，如果不对其进行校准，每一批次的降噪参数都会不同，会严重影响降噪性能，因此可设置振荡器51和控制逻辑电路52对工艺偏差进行校准。当基本电阻单元和基本电容单元因为工艺的原因偏差时，振荡器51输出会随着变化值而改变，用标准时钟和振荡产生时钟作比较，从而得到的偏差值。接着，控制逻辑电路52控制振荡器51中的基本电阻单元和/或基本电容单元变化，使振荡时钟和标准时钟一致，得到基本电阻单元和/或基板电容单元的调整值后，再控制模拟滤波器53的基本电阻单元和/或基板电容单元变化，使得模拟滤波器53的性能没有偏差。
[0038]
并且，由于模拟滤波器53中的电阻r1和振荡器51中的电阻r2均由相同的基本电阻单元组成，模拟滤波器中的电容c1和振荡器中的电容c2均由相同的基本电容单元组成，而基本电阻单元和基本电容单元可采用同一工艺制成，这样保证工艺偏差一致，有助于提高校准精度。
[0039]
具体地，控制逻辑电路52可将标准时钟和振荡器产生的振荡时钟进行比较，并基于比较结果获得振荡时钟收敛于标准时钟时振荡器51中的基本电容单元的调整值，并根据调整值相应调整模拟滤波器53中的基本电容单元的容值。或者，控制逻辑电路52可将标准时钟和振荡器产生的振荡时钟进行比较，并基于比较结果获得振荡时钟收敛于标准时钟时振荡器51中的基本电阻单元的调整值，并根据调整值相应调整模拟滤波器53中的基本电阻单元的阻值。
[0040]
考虑到电容太小会导致模拟滤波电路噪声性能变差，因此可确定改变电容值来校准工艺偏差。即控制逻辑电路52按照使振荡器51的振荡时钟收敛于标准时钟的要求，调整振荡器51和模拟滤波器53中的基本电容单元的容值。其中，调整后的模拟滤波器53中的电容的容值与调整前的模拟滤波器53中的电容的容值的比值范围为50％-150％。
[0041]
当通过改变容值来对模拟滤波器53的工艺偏差进行校准后，还需要根据使用环境改变模拟滤波器53的频率响应特性，因此，模拟滤波电路还可包括可控电路(图中未示出)，可控电路能够通过调整模拟滤波器53中的基本电阻单元的阻值来改变模拟滤波器53的频率响应特性。考虑到电容太小会导致模拟滤波器的噪声性能变差，因此确定改变电容值来
校准工艺偏差，改变电阻值来调整频率响应特性。并且，可控电路可通过调整模拟滤波器53中的每个基本电阻单元的阻值来改变模拟滤波器53的频率响应特性，也可根据工作需要，仅调整模拟滤波器53中的一部分基本电阻单元的阻值来改变模拟滤波器53的频率响应特性。
[0042]
其中，模拟滤波器53的一个或多个运算放大器op可位于第一芯片2内，而模拟滤波器53的多个电阻r1和多个电容c1可位于第二芯片3内。第一芯片2可采用性能较高的芯片，将模拟滤波器53的运算放大器op设置在第一芯片2内，能够更好地满足运算放大器op的工作要求，而第二芯片3可采用较低性能的芯片，将模拟滤波器53的电阻r1和电容c1设置在第二芯片3内也能满足正常工作需要，这样有助于降低成本。并且，振荡器51、控制逻辑电路52和可控电路(图中未示出)也可设置在第二芯片3内。
[0043]
由于电容体积较大，为了实现在不影响滤波性能的情况下将模拟滤波器53放入第二芯片3内，可将模拟滤波器53的电容c1的容值缩小且模拟滤波器53的电阻r1的阻值相应放大，与将模拟滤波电路直接设置在电路板上的方案相比，电容c1可缩小100-500倍，相应地，电阻r1可放大100-500倍，举例而言，电容c1缩小300倍，则电阻r1放大300倍。具体地，在第二芯片3中，模拟滤波器53中的电容c1的容值之和的取值范围可为1nf-10nf，优选地，可为1nf-5nf。模拟滤波器53中的电阻r1的阻值之和的取值范围可为10mω-100mω，优选地，可为10mω-50mω。
[0044]
图7为一种基本电阻单元的结构示意图。如图7所示，每个基本电阻单元可包括多个第一开关s1和多个串联的子电阻单元r，多个串联的子电阻单元r的一端为输入端in，多个第一开关s1的一端分别连接多个串联的子电阻单元r的另一端和相邻的两个子电阻单元r之间，多个第一开关s1的另一端连接输出端out，控制逻辑电路52和可控电路中的至少一者通过控制多个第一开关s1的导通和关断，能够控制相应的子电阻单元r是否接入至基本电阻单元中，以实现对基本电阻单元的阻值进行调整。
[0045]
图8为一种基本电容单元的结构示意图。如图8所示，每个基本电容单元可包括并联于输入端和输出端之间的多个可调电容支路，每个所述可调电容支路包括两个第二开关s2以及串联于两个第二开关s2之间的子电容单元c，控制逻辑电路52和可控电路中的至少一者通过控制每个可调电容支路的两个第二开关s2的导通和关断，能够控制该可调电容支路是否接入至基本电容单元中，以实现对基本电容单元的容值进行调整。
[0046]
举例而言，控制逻辑电路52通过控制每个可调电容支路的两个第二开关s2的导通和关断，能够控制该可调电容支路是否接入至基本电容单元中，以实现对基本电容单元的容值进行调整；可控电路通过控制多个第一开关s1的导通和关断，能够控制相应的子电阻单元r是否接入至基本电阻单元中，以实现对基本电阻单元的阻值进行调整。
[0047]
另外，本申请实施例还提供一种耳机，可为无线耳机也可为有线耳机。该耳机包括上述的主动降噪系统。或者，该耳机包括上述的自适应校准的模拟滤波电路。
[0048]
综上所述，本申请将至少部分模拟滤波电路集成在第二芯片上，再将第二芯片设置在电路板上，这样减少了电路板上的器件数量，避免了生产时电路板上的器件偏差而影响产品性能的问题发生，节省了电路板的空间，有助于实现产品小型化。并且，对原有结构改动较小，有利于降低加工难度和节省成本。进一步地，集成在第二芯片上的诸如电阻和电容的各个器件间的连线较短，能够减小寄生参数(即寄生电阻、寄生电感和寄生电容)，有助
于降低时延和耗电量以及提高信噪比，降噪效果较好。另外，自适应校准的模拟滤波电路能够对模拟滤波器中的电阻和电容进行自校准，使得降噪参数相同，不会影响降噪性能，保证产品一致性。
[0049]
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0050]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。