CN102790594B - 一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路，涉及集成电路，包括：可编程跨导运放、包络检测电路、增益控制电路、隔离电容、输入电阻、电阻阵列、MOS管等效电阻、比较器和选择开关。包络检测电路输出信号和拐点阈值电压比较结果决定电路的工作状态：在非压缩工作状态时，选择开关选择电阻阵列作为反馈回路放大麦克风输出端的电压信号减小电路的失真度；在压缩工作状态时，双模自动增益控制电路启用MOS管等效电阻作为反馈回路实现运放的自动增益控制。包络检测电路实现不同的启动时间和恢复时间，增益控制电路实现在音量不同等级时功耗的有效利用。本发明用于助听器，实现了极低电源电压下高精度工作及控制电路功耗的高效率。

Description

一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路

技术领域

本发明涉及数字助听器麦克风读出集成电路，而更详细地涉及高精度的适用于助听器微声电系统(MEMS)麦克风传感器的读出集成电路。

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，所以低噪声和高精度的读出电路设计成为了实现读出电路具有高精度的关键，尤其在数字助听器需要非常低的电源电压情况下。

目前国际上麦克风读出电路的模拟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^[5]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

本发明的目的是给出一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路，可以用于数字助听器的双模自动增益控制读出电路，其在用可控MOS管等效电阻控制增益的基础上，在非压缩状态下由电阻阵列代替MOS管等效电阻，有效的解决了其非压缩状态下精度的问题；同时有效的解决了压缩状态下功耗较高的问题。

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双模自动增益控制电路，用于助听器的1V工作电源电压，包括：

可编程跨导运放，用于对麦克风MEMS输出信号的放大；

两个并联的阻容器件构成对输入信号的高通滤波，其中由第二输入电阻和第二隔离电容构成的一个阻容器件的输入端与可编程跨导运放差分输入端的一正输入端相连，输出端与麦克风输出端相连；由第一输入电阻和第一隔离电容构成的另一个阻容器件的输入端与可编程跨导运放差分输入端的负输入端相连，输出端与地相连；

将可编程跨导运放的输出端与可编程跨导运放的负输入端相连的第一电阻阵列，及将可编程跨导运放的输出端与可编程跨导运放的正输入端相连的第二电阻阵列，用于在非压缩工作状态下可编程跨导运放对信号的放大；

可编程跨导运放输出端同输入端相连的一个MOS管等效电阻阵列单元，用于压缩状态下的自动增益控制；

与电阻阵列单元和MOS管等效电阻单元相连的选择开关；

增益控制电路，用于产生自动增益控制的电压；该增益控制电路的输入端连接包络检测电路输出端，输出端连接MOS管等效电阻阵列的栅极；

包络检测电路，用以对信号进行整流和滤波得到检测可编程跨导运放输出信号的能量；该包络检测电路的输入端连接可编程跨导运放输出端，输出端连接增益控制单元的输入端；

其中，所述增益控制电路，通过两个二级级联运放负反馈回路实现功耗的自适应功能，其中由第一内嵌运放amp1和第一NMOS管M1组成一个二级反馈回路，第二内嵌运放amp2和第二PMOS管M2组成另一个二级反馈回路；镜像第一NMOS管M1和第二PMOS管M2的电流到第四PMOS管M4中，且置第四PMOS管M4于亚阈值区以提供一个适用于控制MOS管等效电阻单元的控制电压，从而实现在1V电源电压下自动增益控制状态下失真度的减小。

上述方案中，所述包络检测电路，采用滤波器级联形式：由包络检测电路中的第一PMOS管M1、第二PMOS管M2与电容C组成前端滤波电路，其兼有整流功能；第四PMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M6与电容C1组成后端滤波电路，且第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第六PMOS管M6工作于亚阈值区。

本发明的电路适用于极低工作电源电压(如，1V以下)，为便携式数字助听器提供了一种低电压，低功耗和高精度的读出电路。

同时，相应的发明了具有功耗自适应功能的增益控制电路，实现音量逐渐升高时，其系统电路功耗的逐渐减小。以上电路在电源电压1V以下，依然能正常工作。本发明提出了实现了自动控制增益在非压缩工作状态下高精度和功耗高效率检测信号的方法和相应的在低电压下工作的电路模块。

附图说明

图1为本发明的一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路示意图。

图中主要元件说明：

可编程跨导运放1      第一隔离电容2

第二隔离电容3        第一输入电阻4

第二输入电阻5        第一电阻阵列6

第二电阻阵列7        选择开关8

MOS管等效电阻9       包络检测电路10

比较器11             曾益控制电路12

图2为本发明的一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路中工作于1V电源电压以上的包络检测电路；

图3为本发明的一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路中工作于1V电源电压以上的增益控制电路。

具体实施方式

本发明给出了一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路，用于助听器的1V工作电源电压；其包括：

可编程跨导运放，用于对麦克风MEMS输出信号的放大；

可编程跨导运放两个输入端分别同麦克风输出端和地相连的两个电容和电阻器件相连，构成对输入信号的高通滤波；

可编程跨导运放输出端同输入端相连的两个电阻阵列单元，用于构成在非压缩工作状态下可编程跨导运放对信号的放大；

可编程跨导运放输出端同输入端相连的一个MOS管等效电阻阵列单元，用于压缩状态下的自动增益控制；

与电阻阵列单元和MOS管等效电阻单元相连的选择开关；

输入端和输出端连接包络检测电路输出端和MOS管等效电阻阵列栅极的增益控制电路，用于产生自动增益控制的电压；

输入端和输出端连接可编程跨导运放输出端和增益控制单元输入端的包络检测电路，用以对信号进行整流和滤波得到检测可编程跨导运放输出信号的能量。

其中包络检测电路，能够实现不同的启动时间和恢复时间，使自动增益控制电路对声音信号的响应适应人耳的生理需要。

本发明的双模自动增益控制电路，是在音量逐渐增大的条件下，实现本身功耗减小的增益控制电路；同时提供一个适用于控制MOS管栅极，处于较高电位的两个输出控制电压，以实现在1V电源电压下自动增益控制状态下失真度的减小。

一种麦克风双模自动增益控制电路，通过采用工作于低电源电压的功耗高效率电路模块和电阻阵列代替MOS管等效电阻的方式有效解决了现有技术中的功耗和非线性问题。

本发明是由第一，二隔离电容和电阻器件2～5对麦克风直流信号进行高通，滤除麦克风直流信号，由可编程跨导运放电路1读出麦克风微弱信号；比较器11比较包络检测电路10输出的包络信号和参考拐点阈值电压，其比较结果确定选择开关6的选取。当包络检测电路10检测可编程跨导运放1输出信号的包络信号小于参考拐点阈值电压时，系统电路工作于非压缩工作状态，选择开关6选择第一，二输入电阻器件4，5和第一，二电阻阵列6，7作为反馈回路。当包络检测电路10检测可编程跨导运放1输出信号的包络信号大于参考拐点阈值电压时，系统电路工作于压缩状态，选择开关6选择MOS管等效电阻9作为反馈回路；同时增益控制电路12对包络信号进行处理得到增益控制信号，此增益控制信号对MOS管等效电阻9的栅极电压进行控制。

该电路由于在非压缩工作状态下采用第一，二输入电阻4，5和第一，二电阻阵列6，7代替MOS管等效电阻9的方式实现了低电源电压下高精度的麦可风信号读出，同时通过模拟反馈，控制MOS管等效电阻9栅极的方式实现了低电源电压下的自动增益控制。

图1描述示范性的根据本发明实施的双模自动增益控制电路。双模自动增益控制电路分成以下几个部分，包括：可编程跨导运放(1)、将可编程跨导运放(1)第一和第二输入端分别同麦克风输出端和地相连的第一和第二电容和输入电阻器件(2～5)、跨接于可编程跨导运放(1)第一输入端和第二输出端的第一电阻阵列(6)、跨接于可编程跨导运放(1)第二输入端和第一输出端的第二电阻阵列(7)、跨接于可编程跨导运放(1)输入端和输出端的MOS管等效电阻(9)、跨接于第一，二电阻阵列单元(4)和MOS管等效电阻(9)的选择开关(6)、输出端和输入端分别连接增益控制电路(12)输入端和可编程跨导运放(1)输出端的包络检测电路(10)、连接包络检测电路(10)输出端和MOS管等效电阻(9)栅极的增益控制电路(12)、连接于包络检测电路(10)输出端和选择开关(6)之间的比较器(11)。

在实际应用中，考虑较低的电源电压和较低的功耗下，可编程跨导运放的输出信号由包络检测电路对其进行包络检测(参考附图2)。考虑此包络检测电路工作在低电源电压状态，此包络检测电路采用滤波器级联形式，且1，2，6MOS管工作于亚阈值区13。由1，2MOS管与电容C组成前端滤波电路，其兼有整流功能；4，5，6MOS管与电容C1组成后端滤波电路。由于设计前端滤波电路的截止频率远小于后端滤波电路。滤波器在大信号输入时，此滤波器的时间常数(压缩时间)为：

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{CV}}_T}{2{\mathrm{\κI}}_1}$

随后，大信号输入变为小信号输入时，4，5，6MOS管关断，则由后端滤波电路决定此滤波器的时间常数(恢复时间)为：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{C_1{V}_T}{2{\mathrm{\κI}}_3}$

由上述理论可知，包络检测电路可以实现不同的启动和恢复时间.同时电路具有以下功能：即输入信号越大的情况下，输出电压V_out则越小。

在系统电路处于音量非压缩和压缩的工作状态下时，包络检测电路的输出信号由增益控制电路进行处理(参考附图3)。包络检测电路的输出信号V_PD或者压缩拐点电压V_TH为此增益控制电路的输入信号，V₁和V₂为输出的控制信号，V_C是指数增益控制调整端。

运放amp1，2和管子M1，2组成两个负反馈回路，由于电阻R1与R2相等，这样使管子M1，M2和M5，M6的源漏电压精确相等，提升电流的镜像精度，从而大幅度提高增益控制电路的输入电阻，因此，包络检测电路的输出电压V_PD或者是拐点电压V_TH可以直接加到增益控制电路的输入端而不会产生衰减。

高效增益控制电路的等效输入电阻为：

R_in＝A*[r₅//(R₁+r₁)]

其中A为运放amp1和管子M1组成的负反馈回路开环增益，r1，5为M1，5的漏极阻抗。

在非压缩工作状态时，包络电压信号V_PD值大于拐点电压V_TH，此时V_TH直接加到增益控制电路的输入端。M1，M2流过的电流为：

$I_{\mathrm{control}}=\frac{V_{\mathrm{TH}}-V_{\mathrm{LH}}}{R_1}$

通过amp3和M4.组成的反馈回路使R3和R4间的节点电压保持为Vc，由于R3和R4相等，所以两个输出电压值分别为

V_1，2＝V_C±V_X

由于R3，4，和R1，2，相等，因此控制电路的差模电压输出为

V_X＝I_control·R₃＝V_TH-V_LH

在压缩工作状态时，包络电压信号V_PD小于拐点电压信号V_TH，此时包络电压信号会替代拐点电压信号加到增益控制电路的输入端使得控制电路的输出V₁和V₂的差模电压V_X减小，从而降低可变增益放大器的增益。此时M1，2，3的静态电流如式(7)所示，比非压缩状态下的工作电流(如公式(4))有所减小，随着输入信号幅度的增大，高效增益控制电路的电流将进一步降低，当音量达到最大值时，增益控制电路所消耗的功耗约降低为非压缩工作状态下的十分之一。

$I_{\mathrm{control}}=\frac{V_{\mathrm{PD}}-V_{\mathrm{LH}}}{R_1}$

由于增益控制电路处理的信号带宽接近于直流电平，amp1，2，3的偏置电流的取值在100nA左右即可满足带宽需求。而考虑到功耗和反馈环路的稳定性问题，I_control的设计值为3.5μA。

为了减小MOS管等效电阻的非线性，增益控制电路的两个输出电压V1，2需要尽量靠近电源电压，因此将管子M4置于亚阈值区以保持足够大的跨导，从而使得amp3和M4.组成的反馈回路得到足够的环路增益。另一方面，为了防止MRC电阻受到电源噪声的影响，Vdd由片内LDO电源管理模块所产生，进一步保证系统失真度在足够小的范围内。

在电路稳定性方面，增益控制电路的二级运放闭环稳定性由1，2，3amp的偏置电流设置，米勒电容C和电阻r保持.偏置电流需设定为：

$I_{\mathrm{bias}}=\frac{I_{\mathrm{control},\mathrm{worstcase}}}{3}$

I_{control，worstcase}为1，2，3，4，5，6MOS管源漏的最小电流值。

1，2，5，6MOS管与amp1，2组成另一环路，由电容C1对其进行零点补偿，补偿后其主极点为

$w_{p1}=\frac{g_{m-\mathrm{amp}1}}{C+C_1*A}$

其中g_m-amp1为amp1的跨导，而

$A=g_m(\frac{1}{g_{m-\mathrm{amp}}}//r_{o2})$

其中g_m，r_o2分别为2MOS管的跨导和输出电阻。

以上是对本发明麦克风工作于1V电源电压双模自动增益控制电路的实施方式的描述，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，都包括在本发明权利要求书保护的范围内。

Claims (2)

1.一种工作于极低电源电压双模自动增益控制电路，用于助听器的1V工作电源电压；其特征在于，包括：

可编程跨导运放，用于对麦克风MEMS输出信号的放大；

两个并联的阻容器件构成对输入信号的高通滤波，其中由第二输入电阻和第二隔离电容构成的一个阻容器件的输入端与可编程跨导运放差分输入端的一正输入端相连，输出端与麦克风输出端相连；由第一输入电阻和第一隔离电容构成的另一个阻容器件的输入端与可编程跨导运放差分输入端的负输入端相连，输出端与地相连；

将可编程跨导运放的输出端与可编程跨导运放的负输入端相连的第一电阻阵列，及将可编程跨导运放的输出端与可编程跨导运放的正输入端相连的第二电阻阵列，用于在非压缩工作状态下可编程跨导运放对信号的放大；

可编程跨导运放输出端同输入端相连的一个MOS管等效电阻阵列单元，用于压缩状态下的自动增益控制；

与电阻阵列单元和MOS管等效电阻单元相连的选择开关；

增益控制电路，用于产生自动增益控制的电压；该增益控制电路的输入端连接包络检测电路输出端，输出端连接MOS管等效电阻阵列的栅极；

包络检测电路，用以对信号进行整流和滤波得到检测可编程跨导运放输出信号的能量；该包络检测电路的输入端连接可编程跨导运放输出端，输出端连接增益控制单元的输入端；

其中，所述增益控制电路，通过两个二级级联运放负反馈回路实现功耗的自适应功能，其中由第一内嵌运放amp1和第一NMOS管M1组成一个二级反馈回路，第二内嵌运放amp2和第二PMOS管M2组成另一个二级反馈回路；镜像第一NMOS管M1和第二PMOS管M2的电流到第四PMOS管M4中，且置第四PMOS管M4于亚阈值区以提供一个适用于控制MOS管等效电阻单元的控制电压，从而实现在1V电源电压下自动增益控制状态下失真度的减小。

2.根据权利要求1所述的双模自动增益控制电路，其特征在于，所述包络检测电路，采用滤波器级联形式：由包络检测电路中的第一PMOS管M1、第二PMOS管M2与电容C组成前端滤波电路，其兼有整流功能；第四PMOS管M4、第五PMOS管M5、第六PMOS管M6与电容C1组成后端滤波电路，且第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第六PMOS管M6工作于亚阈值区。