【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于cmos集成电路，具体涉及一种基于静电力反馈的高动态电容型数字麦克风系统。
技术介绍
1、数字麦克风及其接口电路芯片是一种能将外界输入的模拟音频信号通过滤波、放大等处理并转换成数字信号的电子器件。数字麦克风接口电路将模拟信号转变为数字信号，不会受到来自外界其他信号源的干扰和影响，具有很强的抗干扰能力，且相对于模拟信号，数字信号更容易在计算机系统中进行高效率处理，因此其广泛应用语言通信、医疗诊断、环境监测等诸多领域。数字麦克风及其接口电路芯片通常由用于将声音信号转变为电信号的微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)、用于模拟信号处理的模拟前端(analog front end，afe)和用于将模拟信号转变为数字信号的模数转换器(analog-to-digital converter，adc)组成。
2、在音频信号被捕获并数字化过程中存在一些故有问题：
3、①量化误差：当模拟信号的变化小于adc的量化步长，就会产生量化误差。
4、②信号饱和：当输入的模拟信号太大，经过模拟前端放大后会导致信息丢失；当输入的模拟信号太小，会淹没在噪声中无法测量。
5、③噪声放大：噪声会随信号放大一起放大。
6、通过提高adc的精度、降低模拟前端的噪声，量化误差和噪声放大的影响可以大幅降低。信号饱和的问题与数字麦克风接口电路的动态范围息息相关，动态范围为系统本底噪声至其最大输出电压之间的范围，数字麦克风接口电路的动态范围为接口电路能够分
7、电容式数字麦克风在电池供电设备中的应用越来越广泛，由于电池供电的限制，电容式数字麦克风的发展趋向低电压、低功耗，但电压的降低严重限制了信号链的动态范围，为了在低供电电压下实现高动态范围，先前的研究文献[e.bach et al.,"9.5a1.8vtrue-differential 140db spl full-scale standard cmos mems digital microphoneexhibiting 67db snr,"2017ieee international solid-state circuits conference(isscc),san francisco,ca,usa,2017,pp.166-167]使用电压倍增模块提高模拟前端的供电电压，从而拓展模拟前端的动态范围，并使用双背板麦克风实现了67db的信噪比、136dbspl的最大声学过载点，然而电压倍增模块的电源效率有限，系统整体功耗较高；另一种解决方案是文献[l.sant et al.,"a 130db spl 72db snr mems microphone using asealed-dual membrane transducer and a power-scaling read-out asic,"in ieeesensors journal,vol.22,no.8,pp.7825-7833,15april15,2022]采用极低噪声且增益可调的模拟前端来拓展动态范围，但由于噪声性能与电源电流之间为严格的权衡关系，为了将前端噪声抑制在较低水平，系统的电流受到限制，整体功耗较高。
技术实现思路
1、鉴于上述，本专利技术提供了一种基于静电力反馈的高动态电容型数字麦克风系统，其能够提高系统的动态范围，同时具有高动态范围、高精度量化、增益可调的特点。
2、一种基于静电力反馈的高动态电容型数字麦克风系统，包括mems麦克风及其接口电路芯片，所述mems麦克风用于将外部输入的可变声压转化为音频模拟信号，所述接口电路芯片包括：
3、输出电压可调的电荷泵，用于为mems麦克风提供偏置电压；
4、低噪声增益可调的模拟前端，用于对音频模拟信号进行滤波、放大后差分输出；
5、模数转换电路，用于将模拟前端输出的信号进行滤波、采样、量化并输出数字码字；
6、幅度检测模块，用于将高速低位的数字码字复现为低速高位的信号，并获取该信号最大值与最小值之差，并将差值与设定的上下限阈值进行比较；
7、幅度调整控制模块，根据幅度检测模块输出的比较结果生成电压控制码字和增益控制码字，用以调节电荷泵和模拟前端的输出；
8、脉冲密度调制模块，用于对数字码字进行调制输出与系统输入幅度相匹配的脉冲密度调制波；
9、电源模块，用于为芯片内的各功能电路模块提供工作电压及电流。
10、进一步地，所述mems麦克风的拾声电容由高度柔顺的薄膜、穿孔的刚性背板以及一个空腔组成，所述刚性背板上有密集穿孔，有助于声波传递至薄膜上，降低空气阻尼、减小噪声；所述薄膜上有通风孔，在薄膜震动时快速释放压力，更容易震动；所述空腔是通过刻蚀硅片上沉积的多个不同的附加层形成的，用以提高灵敏度；mems麦克风的灵敏度即表示麦克风的声-电转换效率，与提供给mems麦克风的偏置电压直接相关，偏置电压越高，麦克风灵敏度越高。
11、进一步地，所述电荷泵用以提供静电力反馈，其反馈深度通过幅度调整控制模块提供的电压控制码字进行调节；电荷泵包括升压电路、序列参考电压生成电路和逻辑控制电路，其中升压电路采用两级dickson电荷泵结构，序列参考电压生成电路通过电压控制码字来选择参考电压，该参考电压进入逻辑控制电路与反馈电压(与电荷泵输出电压相关参数)进行比较，比较结果用以控制升压电路工作与否，从而实现输出电压可调节的功能。
12、进一步地，所述模拟前端对音频模拟信号的放大程度通过幅度调整控制模块提供的增益控制码字进行调节，模拟前端有多个增益档位，通过在输入信号大小不同时调整增益，可拓展整体信号链的动态范围。
13、进一步地，所述模拟前端由信号共模偏置网络、放大电路、反馈网络三部分组成，信号共模偏置网络位于模拟前端的两个输入端，由两个伪电阻组成，伪电阻一端连接共模电压，另一端连接模拟前端的输入端，输入信号进入偏置网络会被伪电阻偏置以实现高通滤波，滤除人耳可接受的音频频率以下的信号；放大电路的主体为两个运算放大器，两个运算放大器的反相输入端通过电容器相连，两个运算放大器的同相输入端即对应为模拟前端的两个输入端；反馈网络由伪电阻、电容阵列及其控制开关构成，电容阵列及其控制开关以负反馈形式跨接在运算放大器两端，伪电阻连接反馈节点与运算放大器输出端，为反馈节点提供电压，增益由电容阵列中接入反馈环路的电容数量决定。
14、进一步地，所述模数转换电路包括抗混叠滤波器和模数转换器，其中抗混叠滤波器为低通滤波器，用于对模拟前端输出的信号进行低通滤波并抑制带外信号，防止噪声在采样时回叠，滤波后将信号输出给模数转换器，其用于对滤波后的信号进行采样、量化并输出数字码字。
15、进一步地，所述幅度检测模块本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于静电力反馈的高动态电容型数字麦克风系统，包括MEMS麦克风及其接口电路芯片，MEMS麦克风用于将外部输入的可变声压转化为音频模拟信号，其特征在于，所述接口电路芯片包括：
2.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述MEMS麦克风的拾声电容由高度柔顺的薄膜、穿孔的刚性背板以及一个空腔组成，所述刚性背板上有密集穿孔，有助于声波传递至薄膜上，降低空气阻尼、减小噪声；所述薄膜上有通风孔，在薄膜震动时快速释放压力，更容易震动；所述空腔是通过刻蚀硅片上沉积的多个不同的附加层形成的，用以提高灵敏度；MEMS麦克风的灵敏度即表示麦克风的声-电转换效率，与提供给MEMS麦克风的偏置电压直接相关，偏置电压越高，麦克风灵敏度越高。
3.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述电荷泵用以提供静电力反馈，其反馈深度通过幅度调整控制模块提供的电压控制码字进行调节；电荷泵包括升压电路、序列参考电压生成电路和逻辑控制电路，其中升压电路采用两级Dickson电荷泵结构，序列参考电压生成电路通过电压控制码字来选择参考电压，该参考电压
4.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述模拟前端对音频模拟信号的放大程度通过幅度调整控制模块提供的增益控制码字进行调节，模拟前端有多个增益档位，通过在输入信号大小不同时调整增益，可拓展整体信号链的动态范围。
5.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述模拟前端由信号共模偏置网络、放大电路、反馈网络三部分组成，信号共模偏置网络位于模拟前端的两个输入端，由两个伪电阻组成，伪电阻一端连接共模电压，另一端连接模拟前端的输入端，输入信号进入偏置网络会被伪电阻偏置以实现高通滤波，滤除人耳可接受的音频频率以下的信号；放大电路的主体为两个运算放大器，两个运算放大器的反相输入端通过电容器相连，两个运算放大器的同相输入端即对应为模拟前端的两个输入端；反馈网络由伪电阻、电容阵列及其控制开关构成，电容阵列及其控制开关以负反馈形式跨接在运算放大器两端，伪电阻连接反馈节点与运算放大器输出端，为反馈节点提供电压，增益由电容阵列中接入反馈环路的电容数量决定。
6.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述模数转换电路包括抗混叠滤波器和模数转换器，其中抗混叠滤波器为低通滤波器，用于对模拟前端输出的信号进行低通滤波并抑制带外信号，防止噪声在采样时回叠，滤波后将信号输出给模数转换器，其用于对滤波后的信号进行采样、量化并输出数字码字。
7.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述幅度检测模块包括用于信号复现的抽样滤波器以及用于比较信号幅度的数字模块，其中抽样滤波器将模数转换电路输出高速低位的数字码字抽样转化为低速高位的信号，抽样转化过程包括低通滤波和降采样，低通滤波采用sinc滤波器，滤除带外信号，防止带外信号回叠到带内；降采样采用积分器、累加转储抽取器以及差分器实现，经过降采样完成信号复现后，数字模块以带宽下限值作为检测频率，在检测周期内获取复现信号的最大值与最小值并作差，将差值与设定的上下限阈值进行比较。
8.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：当比较结果为差值大于上限阈值时，幅度调整控制模块将输出增益控制码字降低模拟前端的增益，输出电压控制码字降低电荷泵输出的偏置电压，从而降低MEMS麦克风的灵敏度，向上拓展可检测信号的范围；当比较结果为差值小于下限阈值时，幅度调整控制模块将输出增益控制码字提高模拟前端的增益，输出电压控制码字提高电荷泵输出的偏置电压，从而提高MEMS麦克风的灵敏度，向下拓展可检测信号范围；当比较结果为差值介于上下限阈值之间，幅度调整控制模块将保持上一周期输出的增益控制码字和电压控制码字。
9.根据权利要求8所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：当模拟前端的增益已调节至最小，比较结果仍然为差值大于上限阈值，此时幅度调整控制模块将输出电压控制码字至电荷泵进行静电力反馈调节，降低电荷泵为MEMS麦克风提供的偏置电压，从而降低MEMS麦克风的灵敏度以识别更大的声音信号；当模拟前端的增益已调节至最大，比较结果仍然为差值小于下限阈值，此时幅度调整控制模块将输出电压控制码字至电荷泵进行静电力反馈调节，提高电荷泵为MEMS麦克风提供的偏置电压，从而提高MEMS麦克风灵敏度以识别更小的声音信号。
10.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述脉冲...
【技术特征摘要】
1.一种基于静电力反馈的高动态电容型数字麦克风系统，包括mems麦克风及其接口电路芯片，mems麦克风用于将外部输入的可变声压转化为音频模拟信号，其特征在于，所述接口电路芯片包括：
2.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述mems麦克风的拾声电容由高度柔顺的薄膜、穿孔的刚性背板以及一个空腔组成，所述刚性背板上有密集穿孔，有助于声波传递至薄膜上，降低空气阻尼、减小噪声；所述薄膜上有通风孔，在薄膜震动时快速释放压力，更容易震动；所述空腔是通过刻蚀硅片上沉积的多个不同的附加层形成的，用以提高灵敏度；mems麦克风的灵敏度即表示麦克风的声-电转换效率，与提供给mems麦克风的偏置电压直接相关，偏置电压越高，麦克风灵敏度越高。
3.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述电荷泵用以提供静电力反馈，其反馈深度通过幅度调整控制模块提供的电压控制码字进行调节；电荷泵包括升压电路、序列参考电压生成电路和逻辑控制电路，其中升压电路采用两级dickson电荷泵结构，序列参考电压生成电路通过电压控制码字来选择参考电压，该参考电压进入逻辑控制电路与反馈电压进行比较，比较结果用以控制升压电路工作与否，从而实现输出电压可调节的功能。
4.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述模拟前端对音频模拟信号的放大程度通过幅度调整控制模块提供的增益控制码字进行调节，模拟前端有多个增益档位，通过在输入信号大小不同时调整增益，可拓展整体信号链的动态范围。
5.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于：所述模拟前端由信号共模偏置网络、放大电路、反馈网络三部分组成，信号共模偏置网络位于模拟前端的两个输入端，由两个伪电阻组成，伪电阻一端连接共模电压，另一端连接模拟前端的输入端，输入信号进入偏置网络会被伪电阻偏置以实现高通滤波，滤除人耳可接受的音频频率以下的信号；放大电路的主体为两个运算放大器，两个运算放大器的反相输入端通过电容器相连，两个运算放大器的同相输入端即对应为模拟前端的两个输入端；反馈网络由伪电阻、电容阵列及其控制开关构成，电容阵列及其控制开关以负反馈形式跨接在运算放大器两端，伪电阻连接反馈节点与运算放大器输出端，为反馈节点提供电压，增益由电容阵列中接入反馈环路的电容数量决定。
6.根据权利要求1所述的高动态电容型数字麦克风系统，其特征在于...
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