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TW201919411A - 用於聲能檢測的開關式麥克風介面電路 - Google Patents

用於聲能檢測的開關式麥克風介面電路 Download PDF

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TW201919411A
TW201919411A TW107110807A TW107110807A TW201919411A TW 201919411 A TW201919411 A TW 201919411A TW 107110807 A TW107110807 A TW 107110807A TW 107110807 A TW107110807 A TW 107110807A TW 201919411 A TW201919411 A TW 201919411A
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Abstract

本發明提供一種聲能檢測電路，可以包含 配置為耦合到麥克風 的 麥克風介面電路。麥克風介面電路配置為間歇地開啟 麥克風以檢測聲能並將聲能轉換為電訊號。聲能檢測電路更進一步包含比較器電路，用於接收電訊號並將電訊號與閾值訊號 進行比較 。比較器電路配置為輸出輸出訊號以指示聲能的檢測。

Description

用於聲能檢測的開關式麥克風介面電路
本發明一般涉及電子電路領域。更具體地說，本發明的一些實施例涉及在低功率電路配置中檢測聲音訊號。
聲音訊號，如語音，通常使用麥克風來偵測，其有多種運用方式，例如如電話、助聽器、音樂廳和公共活動的公共廣播系統、電影製作、現場錄製音頻工程、錄音、雙向無線電、擴音器、廣播和電視廣播；在用於錄製聲音、語音識別、VoIP的電腦中；和用於非聲學目的，例如超聲波感應器或爆震感應器。
麥克風分成幾種不同的類型，其使用不同的方法將聲波的氣壓變化轉換為電訊號。電容式麥克風使用振動膜(vibrating diaphragm)作為電容板。駐極體麥克風(electret microphone)是一種使用永久充電材料的基於靜電電容的麥克風。駐極體是具有永久嵌入的靜電偶極矩(static electric dipole moment)的穩定的介電材料。例如，駐極體麥克風可以使用聚四氟乙烯(PTFE)塑膠，以膜或溶質形式形成駐極體。駐極體麥克風膠囊可以包含駐極體麥克風和通常需要電源的場效電晶體(FET)。傳統的電路通常具有單獨的偏置電路和語音檢測處理電路，並且已知直流偏置會消耗功率。
功率消耗是關注的重點，因為在行動裝置上語音命令的應用正在變得越來越受歡迎。可在雲端中執行需要高能量的語音命令處理。然而，啟用語音命令處理的電路仍然需要在設置行動裝置上，並且需要來自行動裝置電池的能量。處理由麥克風收到的音頻訊號的電路經常消耗相當大的功率，因為這些電路通常都維持運轉，以便及時接收語音命令或關鍵字。
因此，為了以高功效的執行並延長電池壽命，它期望是能在由麥克風拾取接收音頻訊號時消耗非常低功率的電路。
本發明的一些實施例針對在低功率電路配置中檢測聲音。在一些實施例中，提供了用於麥克風偏置和語音處理的簡單電路。例如，可以僅使用單個電晶體將麥克風偏置和語音處理功能集成在電路中。麥克風可以在低工作週期(duty cycle)中間歇地或週期性地開啟，以減少例如語音命令應用中的語音訊號檢測的功耗。音頻輸出訊號可以以沒有去耦電容的方式提供，這可以使麥克風快速開啟和關閉。在常規電路中，需要有單獨的偏置電路和語音檢測處理電路。常規電路通常具有較大的去耦電容來提取交流輸出音頻訊號。為了開啟和關閉麥克風，需要對大電容進行充電和放電，這會限制電路的速度並消耗功率。
一些實施例在下面描述的是使用低功率駐極體麥克風介面電路作為一個例子，特別是那些在行動語音命令應用中用於語音活動檢測。然而，可以理解，本發明的實施例不限於這些應用。例如，也可以用於語音頻帶外的聲音訊號的檢測，例如，玻璃破裂檢測，或其他類型的檢測，其中期望藉由本發明的實施例來降低功耗。
根據本發明的一些實施例中，提供了麥克風介面電路用於耦合到麥克風。麥克風介面電路配置成間歇地提供電流以開啟麥克風來檢測聲能並將聲能轉換為電訊號。在某些情況下，麥克風會被定期開啟。
在本發明的一些實施例中，麥克風介面電路僅具有單個場效電晶體。在啟動狀態下，相同的FET可以向駐極體麥克風提供直流電流，並且在啟動狀態期間增大麥克風交流訊號並在汲極和閘極之間提供放大的輸出訊號。在一些實施例中，FET具有耦合到閘極的開關和耦合到汲極的開關，以便將FET切換到啟動狀態和關閉狀態。在某些情況下，開關控制訊號的開關頻率(switching frequency)是要檢測的聲能的目標帶寬的兩倍。在一實施例中，FET在啟動狀態期間可以在閘極和汲極上具有相同的直流偏置。
根據本發明的一些實施例中，麥克風介面電路包含場效電晶體，和用於FET耦合到駐極體傳聲器以間歇地檢測聲能的第一開關和第二開關。FET配置為向駐極體麥克風提供直流偏置電流，在FET的閘極和汲極上施加相同的直流偏置，並在閘極和汲極之間提供輸出音頻樣本以供進一步處理。
在一些實施例中麥克風介面電路包含具有源極、閘極、和汲極，且源極配置為耦合到第一電源端子的MOS電晶體。應注意的是，術語“場效電晶體”，“金屬氧化物半導體(MOS)電晶體”和“MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)”在下面的描述中可互換使用。第一開關耦合到MOS電晶體的汲極，並且第一開關還配置為耦合到麥克風的第一端子。麥克風具有用於耦合到第二電源端子的第二端子。麥克風介面電路更進一步包含具有與電阻電容電路串聯耦合的第一電容器的偏置電路，電阻電容電路具有並聯組合的電阻器和第二電容器。第一電容器配置成耦合到第一電源端。第二開關耦合到電阻電容電路，並且第二開關也配置為耦合到麥克風的第一端子。麥克風介面電路配置為接收麥克風啟動訊號，用於間歇地導通和斷開第一開關和第二開關，以開啟和關閉麥克風。
在一些實施例中，麥克風介面電路其更進一步包含耦合在第一電容器和MOS電晶體的汲極之間的第三開關。第三開關配置為接收預充電訊號，以對第一電容器充電。
麥克風啟動訊號可以是脈衝控制訊號。在一實施例中，在低功率操作下，脈衝控制訊號具有小於10％的工作週期。在另一實施例中，在低功率操作下，脈衝控制訊號具有小於30％的工作週期。在具體實施例中，脈衝控制訊號在長度為125微秒的每個週期中具有10微秒的導通時間。在一些實施例中，脈衝控制訊號具有可變的導通時間和截止時間。
在一些實施例中，麥克風包含駐極體麥克風。或者，麥克風包含配置用於檢測次聲波、聲波或超聲波聲能的聲能轉換器(acoustic energy transducer)。
根據本發明的一些實施例中，麥克風介面電路配置用於無電容耦合至麥克風。麥克風介面電路僅包含單個場效電晶體，該場效電晶體配置為提供電流以開啟麥克風以檢測聲能。單個場效電晶體還配置為在檢測到聲能之後放大來自麥克風的交流訊號並提供放大的輸出音頻訊號以供進一步處理。
根據本發明的一些實施例中，聲能檢測電路可以包含配置為用於耦合到麥克風的麥克風介面電路。麥克風介面電路配置成間歇性地開啟麥克風來檢測聲能並將聲能轉換為電訊號。聲能檢測電路更進一步包含用於接收電訊號並將電訊號與閾值訊號進行比較的比較器電路。比較器電路配置為輸出輸出訊號，以指示聲能的檢測。
另外，在上述聲能檢測電路的一些實施例中，聲能檢測電路配置為響應於預充電訊號以對麥克風介面電路預充電，以間歇地提供電流以開啟麥克風以響應麥克風啟動訊號以檢測在低功率操作模式的聲能。在檢測到聲能之後，聲能檢測電路將麥克風保持在開啟狀態以進行聲能處理。
在一些實施例中，麥克風介面電路配置成在恆定的時間週期提供電流到麥克風。在替代實施例中，麥克風介面電路配置為以可變時間週期向麥克風提供電流。
聲能檢測電路還可以包含鎖存器和用於跟踪電訊號在指示檢測聲能前超過閾值訊號次數的判定邏輯電路。
在行動裝置中的語音命令應用正變得越來越流行。處理由麥克風檢測到的音頻訊號的電路經常消耗大量的功率，因為語音命令或關鍵字隨時都會到達，所以這些電路通常持續運行。為了實現高效能和延長電池壽命，期望有以非常低的功號處理由麥克風檢測到的音頻訊號的電路。
一般來說，對於開啟語音命令處理的順序如下： (1)聲能檢測。此步驟檢測任何進入的聲能，並且在檢測到時，可以啟用在步驟(2)中進一步區分聲能和其他聲音所需的電路。用於聲能檢測的電路包含如本申請所述的低功率駐極體麥克風介面電路。第一階段觸發後續階段，其消耗更多的功率； (2)語音檢測。此步驟可透過需要阻絕噪音和音樂但是標記語音輸入的演算法或電路來完成。如果檢測到語音，則啟動步驟(3)中的關鍵字檢測； (3)關鍵字檢測。此步驟將檢測語音輸入是否包含語音命令所需的系統關鍵字(如“Siri”、“Ok Google”、“Alexa”)。如果檢測到關鍵字，則啟動步驟(4)中的語音命令處理； (4)語音命令處理。此步驟可以依靠外部伺服器和系統執行；
上述每個步驟通常受到限制，使得大多數消耗功率或數據的步驟不被錯誤的聲音被觸發。這允許行動系統以低功率運行。本發明的的實施例可以處理用於聲能檢測的麥克風電路，其需要啟用，且因此，其功率消耗十分關鍵。
第1圖係示出根據本發明的一些實施例的聲能檢測電路的簡化方塊圖。如第1圖所示，聲能檢測電路100包含配置為耦合到麥克風120的麥克風介面電路110。麥克風介面電路110配置為間歇地提供電流以開啟麥克風以檢測聲能並將聲能轉換為電訊號。聲能檢測電路100還具有用於接收電訊號，並將電訊號與閾值訊號150進行比較的比較器電路140。聲能檢測電路100配置為輸出輸出訊號TRIGGER以指示聲能的檢測。下面描述聲能檢測電路100中的其他部件。
第2A圖係示出根據本發明的一些實施例的聲能檢測電路的示意圖。如第2A圖所示，聲能檢測電路200包含配置為耦合到麥克風220的麥克風介面電路210。麥克風介面電路210配置為間歇地提供電流以開啟麥克風以檢測聲能並將聲能轉換為電訊號。聲能檢測電路200還具有用於接收電訊號，並將電訊號與閾值訊號比較的比較器電路240。聲能檢測電路200配置成輸出輸出訊號TRIGGER以指示聲能的檢測。
在第2A圖中，電路圖說明了根據本發明實施例的麥克風介面電路210的例示性實施方式。在此實施例中，麥克風介面電路210包含具有源極S、閘極G和汲極D的MOS電晶體M1。MOS電晶體M1的源極S配置為耦合到第一電源端子。在這個例子中，第一電源端子可以是電源端子Vcc。第一開關211被耦合到MOS電晶體M1的汲極D。第一開關211還配置為耦合到麥克風220的第一端子221。麥克風220還具有用於耦合至第二電源端的第二端子222。在這個例子中，第二電源端子可以是電氣接地端子GND。在替代實施例中，第一和第二電源端子可以分別指的是接地和電源端子。
麥克風介面電路210其更進一步包含偏置電路230，其具有與電阻電容電路串聯耦合的第一電容器C1。第一電容器C1配置為耦合到第一電源端子Vcc。電阻電容電路具有電阻器R1和第二電容器C2的並聯組合。第二開關212耦合到電阻器R1和第二電容器C2的電阻電容電路。第二開關212還配置為耦合到麥克風220的第一端子221。介面電路210配置為接收麥克風啟動訊號PU，以間歇地或週期性地導通和斷開用於開啟和關閉麥克風的第一開關211和第二開關212。
在一些實施例中，介面電路210其更進一步包含耦接在第一電容器C1和MOS電晶體的汲極D之間的第三開關213。第三開關213配置為接收預充電訊號PreCharge以對第一電容器C1預充電。響應於聲能檢測開始之前的預充電訊號PreCharge，聲能檢測電路使用第三開關213來對介面電路進行預充電。
第2B圖係示出根據本發明的替代實施例中的聲能檢測電路的示意圖。如第2B圖所示，聲能檢測電路250包含與第2A圖的聲能檢測電路200類似的組件，並且執行類似的功能。麥克風介面電路260還配置為間歇地提供電流以開啟麥克風以檢測聲能並將聲能轉換為電訊號。第2A圖中的聲能檢測電路250和聲能檢測電路200之間的區別在於第2B圖中的麥克風介面電路260具有包含MOSFET電晶體M1和M2的級聯電晶體電路，而不是第2A圖中的單個電晶體M1。如第2B圖所示，電晶體M2與電晶體M1串聯耦合。此外，電晶體M2也被偏置電壓VBIAS偏置。參考第2C圖進一步解釋級聯電晶體電路的功能。
第2C圖係示出根據本發明的一些實施例的級聯電晶體電路的示意圖。如第2C圖所示，級聯電晶體電路包含與電晶體M1串聯耦合的電晶體M2。此外，電晶體M2也以偏置電壓VBIAS偏置。根據實施例，偏置電壓VBIAS可以是固定的(fixed)或交換的(switched)偏置電壓。級聯電路配置為執行與單個電晶體M1'相似的功能。與單個非級聯MOSFET(non-cascoded MOSFET)相比，級聯MOSFET可以增強MOSFET的輸出阻抗。MOSFET的輸出阻抗更高，可以獲得更高的增益、更好的線性度和更好的電源雜訊抑制能力，從而提高類比電路的性能。
第2D圖係示出根據本發明的一些實施例的開關電路的示意圖。上述的開關，例如第2A圖中的開關211、212和213以及第2B圖中的開關可以使用不同的半導體開關電路來實現。在一實施例中，開關可以使用包含NMOS電晶體和PMOS電晶體的CMOS開關電路來實現，如第2D圖所示。
第3A圖是根據本發明的一些實施例示出第2A圖的介面電路210在啟動狀態的電路圖。如第3圖所示，由於第一開關211、第二開關212和第三開關213被導通或關閉，所以未示出。在此配置中，介面電路210用作配置為提供電流Iin以開啟麥克風220的偏置電路。當麥克風220被開啟時，麥克風220的第一端子221處的電壓被指定為Vmic。表示檢測到的聲能的輸出訊號是MOS電晶體M1的閘極G和汲極D之間的Vout。
第一開關211和第二開關212配置為響應於脈衝式麥克風啟動訊號PU而間歇地或週期性地提供電流以開啟麥克風，以在低功率操作模式下檢測聲能。在麥克風被開啟的時間週期內，麥克風可以檢測聲能。在麥克風關閉期間，麥克風不起作用，並且系統處於低功率或省電模式。在檢測到聲能之後，介面電路210將麥克風維持在開啟狀態以進行聲能處理。
在第2A圖中，預充電訊號被用來控制電容器C1的充電。在第3圖中，電容器C1已經被充電，並且PreCharge訊號未被示出。電容器C1耦合到電晶體M1的汲極D。電容器C1被充電到目標直流電壓，並在M1的汲極D和閘極G的直流電壓相等時達到目標直流電壓。在預充電期間之後，使用啟動(PU)訊號來開啟麥克風檢測電路。在一實施例中，啟動(PU)訊號可以是在每125微秒中具有10微秒啟動時間的脈衝訊號。在這個例子中，基於在語音處理中經常使用的8KHz採樣頻率來選擇125μsec的週期。然而，也可以使用其他合適的開啟時段。如上面結合第2A圖所描述，在啟動週期期間，麥克風訊號被放大並且使用具有可編程閾值的比較器進行比較。結果可以被鎖存並輸出到可以開啟語音檢測電路的TRIGGER訊號。
第3A圖係示出麥克風介面電路210處於啟動狀態，而開關211、212和213全部關閉。在直流，電晶體M1可以被認為具有相連的閘極和汲極。因此，在直流，電晶體M1作為電源和麥克風之間的二極體。可以對電晶體M1的尺寸進行編程或選擇，從而滿足駐極體麥克風的目標偏置條件。對於低頻訊號，具有R1和C1的M1也將作為二極體，其交流阻抗約為1/gm1。在一些實施例中，M1是相對較大的裝置，其交流阻抗相對較小，與較高頻率的訊號相比，低頻訊號可以被減弱。下面參考第4圖和第5圖描述電路的頻率響應。
第3B圖是根據本發明的替代實施例示出第2B圖的介面電路260在啟動狀態的電路圖。第3B圖係示出處於啟動狀態的麥克風介面電路260，其中開關全部關閉。電晶體M2被偏置電壓VBIAS偏置。在直流，電晶體M1可以被認為具有連在一起的閘極和汲極。因此，在直流，電晶體M1作為電源和麥克風之間的二極體。可以對電晶體器M1的尺寸進行編程或選擇，從而滿足駐極體麥克風的目標偏置條件。對於低頻訊號，具有R1和C1的M1也將作為二極體，其交流阻抗約為1/gm1。在一些實施例中，M1是相對較大的裝置，其交流阻抗相對較小，與較高頻率的訊號相比，低頻訊號可以被減弱。下面參考第4圖和第5圖描述電路的頻率響應。
第4圖係示出根據本發明一些實施例的第3A圖中的麥克風電壓Vmic的傳遞函數。在超過角頻率的更高頻率處， FC1=， 來自麥克風的交流訊號將在M1的閘極處衰減。在角頻率處， FC2=， 麥克風訊號電流將由R1獲得，提供R1＞＞rds1，其中rds1是M1的汲-源電阻。在低於角頻率處， Fc3=麥克風電壓再次衰減。Vmic訊號的傳遞函數可以表示如下。 H1(s)==
第5圖係示出根據本發明的一些實施例的第3A圖中的麥克風介面電路210的輸出電壓Vout的傳遞函數。在這個電路中用來處理麥克風訊號的實際電壓是Vout。它具有類似的傳遞函數，除了在直流附近的頻率，其訊號是高度衰減的。這意味著沒有直流分量，以允許進一步的交流處理。輸出電壓Vout的傳遞函數可以表示如下。 H2(s)==
如上所述，H2是輸出訊號Vout的傳遞函數。可以透過調整諸如gm1、C1、C2和R1等參數來調整高通和低通角(high pass and low pass corners)以匹配語音頻帶。電晶體M1的跨導(transconductance)gm1可透過調整電晶體M1來調整。此外，電晶體M1可以是可編程的，以匹配麥克風。例如，麥克風的電流受到M1和R1的Rds的影響。在第2A圖的電路中，C1是一個大的電容器，並且比C2大得多。在某些情況下，C1可以是晶片外電容器(off chip capacitor)。
回頭參照第2圖，麥克風介面電路210在啟動期間產生交流樣本(AC samples)Vout。使用比較器電路240將樣本的大小(magnitude)與可編程閾值251進行比較。判定邏輯塊260基於比較器電路輸出判定是否應該發出語音觸發。例如，判定邏輯塊260可以簡單地包含一系列的四個觸發器(flipflops)以在四個連續的高輸出電平上觸發。
根據不同的實施例中，啟動訊號PU可以是間歇的脈衝訊號。在一些實施例中，啟動訊號PU可以是具有恆定週期的週期性脈衝訊號，以導通第一開關211和第二開關212，以在恆定時間週期向麥克風提供電流。例如，在低功率操作下，麥克風啟動訊號可以具有小於10％的工作週期，使得麥克風在小於10％的時間內導通。在其他實施例中，啟動訊號PU可以是具有可變導通時間的間歇脈衝訊號，以導通第一開關211和第二開關212，以在可變時間週期向麥克風提供電流。
回頭參照第2A圖，麥克風介面電路210期間的功率時間產生交流樣本Vout輸出。使用比較器電路240將樣本的大小與可編程閾值251進行比較。聲能檢測電路可以包含鎖存器和判定邏輯電路，用於在指示檢測到聲能之前跟踪電訊號超過閾值訊號的次數。判定邏輯塊260可以基於比較器電路輸出判定是否應當發出語音觸發訊號TRIGGER。例如，判定邏輯塊260可以包含一系列四個觸發器或鎖存器以在四個連續的高輸出電平上觸發。儘管使用駐極體麥克風描述了上述實施例，但是該電路可以應用於配置用於檢測次聲波、聲波或超聲波聲能的任何聲能轉換器。
本發明的一些實施例提供的麥克風偏壓和增益級具有可編程的工作週期啟動關閉控制。在上述實施例中，麥克風介面不具有與麥克風耦合的電容器。這可以在短時間內啟動麥克風。在剩下的週期中，麥克風和相關的介面電路斷電。啟動(PU)訊號設置為高電平時，電路啟動。當PU為高時的啟動時間通常是總週期時間的一小部分，週期時間與類比數位轉換器(ADC)的採樣速率相關，如下所示。其中Fs是採樣率。Tcycle/N，其中N＞1。 上面的等式表明Tpu可以被設置為Tcycle的一部分。
第6圖係示出根據本發明的一些實施例中第2A圖的麥克風介面電路210的操作的波形圖。第6圖顯示了模擬結果，其中麥克風包含具有2.5μA峰值訊號的200Hz和1KHz訊號。啟動訊號PU每125微秒具有10微秒的啟動時間。一旦觸發器被開啟，採樣停止並且電路被完全啟用以進行精確的語音處理。第6圖示出了以下訊號相對於時間的波形。 Vmic-麥克風的電壓； TRIGGER-觸發訊號，語音訊號檢測電路200的輸出； PRE-預充電訊號； PU-啟動訊號；以及 COMPOUT-比較器電路的輸出。
在第6圖中，在水平軸上的時間被分成三個時間段，T1、T2和T3。在時間週期T1期間，預充電訊號PRE和啟動訊號PU為高。麥克風介面電路210處於啟動狀態。在時間週期T2期間，預充電訊號PRE為低，並且啟動訊號PU間歇地或週期性地發出脈衝訊號。在這個例子中，PU訊號每125微秒有10微秒的啟動時間。在PU啟動的10微秒時間內，麥克風正在檢測語音訊號，如Vmic訊號所示。語音訊號脈衝Vmic與閾值電壓進行比較。每當Vmic訊號超過閾值訊號時，比較器電路輸出COMPOUT為高。在這個例子中，檢測邏輯電路260被設置為當檢測到四個連續的COMPOUT訊號脈衝時，觸發訊號TRIGGER被導通。在第6圖中，當觸發訊號TRIGGER導通時，時間週期T3開始。在時間週期T3期間，啟動訊號PU保持導通，並且麥克風持續檢測語音訊號，如連續曲線610所示。
在另一個模擬研究中，觸發器不被啟用。在這種情況下，麥克風包含峰值訊號為0.25μA的200Hz和1KHz訊號。該電路在1.8V電源電壓下汲取4.5μA的電流，功率為8μW。這個例子顯示了話音檢測操作期間電路的低功耗，這是麥克風週期性或間歇性開啟的結果。
第7圖係示出根據本發明的一些實施例的電路的電源抑制性能的示意圖。由於PMOS電晶體M1的汲極和閘極電壓因為二極體連接而相等，因此預期直流的電源抑制比(power supply rejection ratio，PSRR)較大。第7圖示出了可以與PSSR相關的Vout/Vsupply與頻率的模擬結果。為了計算PSRR，需要考慮增益。在這個模擬中，電源雜訊被標準化為1V。第7圖顯示直流的大約145db的抑制。
第8至10圖是簡化的示意圖，示出在觸發器開啟之後交流訊號在啟動狀態下的進一步處理例。這些介面電路僅僅是為了說明如何將它們用於本發明的介面。例如，可以透過使用ADC或OpAmp(運算放大器，operational amplifier)級來進行音頻訊號的進一步訊號處理。這些元件可以在語音觸發器觸發後啟用。實施例如下所示。
第8圖係具有根據本發明的一些實施例中加上類比-數位轉換器的麥克風介面電路的音頻系統的簡化示意圖。
第9圖係具有根據本發明一些實施例耦合有運算放大器的麥克風介面電路音頻系統的簡化示意圖。
第10圖係為根據本發明一些實施例耦合有運算放大器的麥克風介面電路的另一音頻系統的簡化示意圖。
儘管已經使用各種具體示例描述了本發明的實施例，但是應該理解，可以在本發明的範圍內對實施例進行多種修改。還應理解的是，上述實施例中的各種裝置、電路或邏輯組件可以被本領域之通常技術者已知的等同替代組件替代。
雖然以上是本發明的具體實施例的描述，但該描述不應當被認為是限制本發明的範圍。可以理解，這裡描述的實施例和例子僅用於說明的目的，並且可以根據其進行各種修改或改變。
100、200、250‧‧‧聲能檢測電路
110、210、260‧‧‧麥克風介面電路
120、220‧‧‧麥克風
140、240‧‧‧比較器電路
150‧‧‧閾值訊號
211‧‧‧第一開關
212‧‧‧第二開關
213‧‧‧第三開關
221‧‧‧第一端子
222‧‧‧第二端子
230‧‧‧偏置電路
251‧‧‧可編程閾值
610‧‧‧連續曲線
ADC‧‧‧類比數位轉換器
C1‧‧‧第一電容器
C2‧‧‧第二電容器
COMPOUT‧‧‧比較器電路的輸出
D、DRAIN‧‧‧汲極
G、GATE‧‧‧閘極
GND‧‧‧電氣接地端子
H1、H2‧‧‧傳遞函數
Iin‧‧‧電流
M1、M1’、M2‧‧‧MOS電晶體
PU‧‧‧啟動訊號
PreCharge、PRE‧‧‧預充電訊號
R1、R2、R3、R4、R5‧‧‧電阻器
S、SOURCE‧‧‧源極
T1、T2、T3‧‧‧時間週期
TRIGGER‧‧‧觸發訊號(語音訊號檢測電路200的輸出訊號)
VBIAS‧‧‧偏置電壓
Vcc‧‧‧電源端子
Vmic‧‧‧麥克風電壓
Vout‧‧‧輸出電壓(輸出訊號)
第1圖係示出根據本發明的一些實施例的聲能檢測電路的簡化方塊圖；
第2A圖係示出根據本發明一些實施例的聲能檢測電路的示意圖；
第2B圖係示出根據本發明實施例的包含級聯電晶體的聲能檢測電路的示意圖；
第2C圖係示出根據本發明的一些實施例的級聯電晶體電路的示意圖；
第2D圖係示出根據本發明的一些實施例的開關電路的示意圖；
第3A圖係示出在根據本發明的一些實施例中，第2A圖的介面電路210的啟動狀態的電路圖。
第3B圖係示出在根據本發明的替代實施例中，第2B圖的介面電路250的啟動狀態的電路圖。
第4圖係示出根據本發明一些實施例的第3A圖中的麥克風電壓Vmic的傳遞函數；
第5圖係示出根據本發明的一些實施例的第3A圖中的麥克風介面電路210的輸出電壓Vout的傳遞函數；
第6圖係示出根據本發明的一些實施例中，第2A圖的麥克風介面電路210的操作的波形圖；
第7圖係示出根據本發明的一些實施例的電路的電源抑制特性(power supply rejection properties)的圖。
第8圖係為根據本發明的一些實施例的具有連接類比-數位轉換器的麥克風介面電路的音頻系統的簡化示意圖；
第9圖係為根據本發明的一些實施例的具有耦合運算放大器的麥克風介面電路的音頻系統的簡化示意圖；以及
第10圖係為具有根據本發明一些實施例的具有耦合運算放大器的麥克風介面電路的另一音頻系統的簡化示意圖。

Claims (20)

  1. 一種麥克風介面電路，包含： 一場效電晶體；以及 一第一開關和一第二開關，用於將該場效電晶體耦合到一駐極體麥克風以間歇地檢測聲能； 其中該場效電晶體配置為： 提供一直流偏置電流至該駐極體麥克風； 提供一直流偏置電壓施加至該場效電晶體的一閘極和一汲極；以及 提供該閘極和該汲極之間的一輸出音頻樣本以進一步處理。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風介面電路，更進一步包含一偏置電路，其中： 該場效電晶體具有配置為耦合到一第一電源端子的一源極； 該第一開關耦合到該場效電晶體的該汲極，該第一開關還配置為耦合到該駐極體麥克風的一第一端子，該駐極體麥克風具有用於耦合到一第二電源端子的一第二端子； 該偏置電路具有與一電阻電容電路串聯的一第一電容器，該電阻電容電路具有一電阻器和一第二電容器的並聯組合，該第一電容器配置為耦合在該第一電源端子和該閘極之間；以及 該電阻電容電路耦接於該閘極與該第二開關之間，該第二開關還用於耦接至該駐極體麥克風的該第一端子， 其中該麥克風介面電路配置為接收用於間歇地導通和斷開該第一開關和該第二開關的用於開啟和關閉該駐極體麥克風的一麥克風啟動訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的麥克風介面電路，其更進一步包含耦合在該第一電容器和該場效電晶體的該汲極之間的一第三開關，其中該第三開關配置為接收用於對該第一電容器充電的一預充電訊號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的麥克風介面電路，其中該麥克風啟動訊號是用於低功率操作的工作週期在0％和100％之間的一脈衝控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的麥克風介面電路，其中，該麥克風啟動訊號是具有可變的導通時間和截止時間的一脈衝控制訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風介面電路，其中，該場效電晶體包含以級聯配置串聯耦合的一第一電晶體和一第二電晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的麥克風介面電路，其中該第二電晶體耦合到一偏置電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風介面電路，其中該第一開關和該第二開關均包含具有並聯耦合的一NMOS電晶體和一PMOS電晶體的一CMOS開關。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風介面電路，其中，該第一開關和該第二開關具有為待檢測的聲能的一目標帶寬的兩倍的一開關頻率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風介面電路，其中該駐極體麥克風包含配置用於檢測次聲波、聲波或超聲波聲能的一聲能轉換器。
  11. 一種麥克風介面電路，其中： 該麥克風介面電路配置用於無電容耦合到一麥克風；以及 該麥克風介面電路僅包含配置為提供一電流以開啟該麥克風以檢測聲能的單個場效電晶體；以及 該單個場效電晶體還配置為在檢測到聲能之後放大來自該麥克風的一交流訊號並提供放大後的一輸出音頻訊號以供進一步處理。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的麥克風介面電路，其包含： 一場效電晶體，具有一源極、一閘極以及一汲極，該源極配置為耦合到第一電源端子； 耦合到該場效電晶體的一汲極的第一開關，該第一開關還配置為耦合到該麥克風的一第一端子，該麥克風具有用於耦合到一第二電源端子的一第二端子；以及 一偏置電路，具有與一電阻電容電路串聯耦合的一第一電容器，該電阻電容電路具有並聯組合的一電阻器和一第二電容器，該第一電容器配置為耦合在該第一電源端子和該閘極之間；以及 該電阻電容電路耦接於該閘極與一第二開關之間，該第二開關還用於耦接至該麥克風的該第一端子， 其中該麥克風介面電路配置為接收用於間歇地導通和斷開該第一開關和該第二開關用於開啟和關閉該麥克風的麥克風啟動訊號。
  13. 一種聲能檢測電路，包含： 一麥克風介面電路，配置為用於耦合到一麥克風，其中該麥克風介面電路配置為間歇地開啟該麥克風以檢測聲能並將聲能轉換為一電訊號；以及 一比較器電路，用於接收該電訊號並且將該電訊號與一閾值訊號進行比較，該比較器電路配置為輸出一輸出訊號以指示聲能檢測。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的聲能檢測電路，其中該聲能檢測電路配置為： 響應一預充電訊號對該麥克風介面電路預充電； 響應於一麥克風啟動訊號而間歇地提供一電流以開啟該麥克風使其在低功率操作模式下檢測聲能；以及 在檢測到聲能之後，將該麥克風保持在開啟狀態以進行聲能處理。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的聲能檢測電路，其中，該麥克風介面電路配置為以恆定時間週期向該麥克風提供電流。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的聲能檢測電路，其中該麥克風介面電路配置為以可變時間週期向該麥克風提供電流。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的聲能檢測電路，其中該麥克風介面電路包含： 一MOS電晶體，具有一源極、一閘極和一汲極，該源極配置為耦合到一第一電源端子； 一第一開關，耦合到該MOS電晶體的該汲極，該第一開關還配置為耦合到該麥克風的一第一端子，該麥克風具有用於耦合到一第二電源端子的一第二端子； 一偏置電路，具有與一電阻電容電路串聯的一第一電容器，該電阻電容電路具有並聯組合的一電阻器和一第二電容器，該第一電容器配置為耦合到該第一電源端子；以及 該電阻電容電路耦接於該閘極與一第二開關之間，該第二開關還用於耦接至該麥克風的該第一端子， 其中該麥克風介面電路配置為接收用於間歇地導通和斷開該第一開關和該第二開關的用於開啟和關閉該麥克風的一麥克風啟動訊號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的聲能檢測電路，其中該麥克風介面電路其更進一步包含：一第三開關，耦接於該第一電容器與該MOS電晶體的該汲極之間，該第三開關用於接收對該第一電容器充電的一預充電訊號。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的聲能檢測電路，其中，在低功率操作時該麥克風啟動訊號具有小於10％的工作週期。
  20. 如申請專利範圍第13項所述的聲能檢測電路，其更進一步包含一鎖存器和一判定邏輯電路，用於在指示檢測到聲能之前跟踪該電訊號超過該閾值訊號的次數。
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