Titel

Ansteuerschaltung für einen mikroelektromechanischen Schallerzeuger und Schallerzeugungssystem

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen mikroelektromechanischen Schallerzeuger und ein Schallerzeugungssystem mit einer solchen Ansteuerschaltung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Ansteuerung eines mikroelektromechanischen Schallerzeugers mit einer elektrostatisch ansteuerbaren Membran.

Stand der Technik

Schallerzeuger können in Lautsprechern, Ohrhörern oder ähnlichem genutzt werden, um aus einem elektrischen Signal Schallwellen zu generieren. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung gewinnen hierbei auch Schallerzeugungselemente auf Basis von mikroelektronmechanischen Systemen (MEMS) zunehmend an Bedeutung. Hierbei existieren beispielsweise Schallerzeuger, bei welchen eine Membran mittels elektrostatischer Kräfte angeregt werden kann.

Die Druckschrift EP 2582156 A2 beschreibt beispielsweise einen elektrostatischen Lautsprecher, der als mikroelektromechanisches System ausgeführt sein kann.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft Ansteuerschaltung für einen mikroelektromechanischen Schallerzeuger und ein Schallerzeugungssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Ansteuerschaltung für einen mikroelektromechanischen Schallerzeuger. Der Schallerzeuger kann zwei Außenanschlüsse und einem Mittenanschluss aufweisen. Die Ansteuerschaltung umfasst einen Differenzverstärker und eine Spannungsgeneratorschaltung. Der Differenzverstärker umfasst zwei Ausgangsanschlüsse. Jeweils einer der beiden Ausgangsanschlüsse ist mit einem korrespondierenden Ausgangsanschluss des Schallerzeugers elektrisch gekoppelt. Der Differenzverstärker ist dazu ausgelegt, zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die zu einem Eingangssignal zwischen zwei Eingangsanschlüssen des Differenzverstärkers korrespondiert. Die Spannungsgeneratorschaltung ist dazu ausgelegt, an dem Mittenanschluss des Schallerzeugers eine vorbestimmte, vorzugsweise konstante Gleichspannung in Bezug auf eine Gleichtaktspannung des Differenzverstärkers bereitzustellen. Insbesondere ist die Ansteuerschaltung dazu ausgelegt, eine Versorgungsspannung für den Differenzverstärker in Abhängigkeit einer maximalen Amplitude des Eingangssignals einzustellen.

Ferner ist vorgesehen:

Ein Schallerzeugungssystem mit einen mikroelektromechanischen Schallerzeuger und einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. Der Schallerzeuger umfasst zwei Außenanschlüssen und einen Mittenanschluss. Die Außenanschlüsse des Schallerzeugers sind mit den Ausgangsanschlüssen der Ansteuerschaltung elektrisch gekoppelt. Der Mittenanschluss des Schallerzeugers ist mit dem Ausgang der Spannungserzeugungsschaltung elektrisch gekoppelt.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für die Ansteuerung eines Schallerzeugers auf Basis eines MEMS mit einer elektrostatisch ansteuerbaren Membran in der Regel elektrische Spannungen erforderlich sind, welche das Spannungsniveau der konventionellen CMOS Technologie überschreiten. Daher ist für die Ansteuerung derartiger Schallerzeuger eine geeignete Ansteuerschaltung erforderlich, welche elektrische Spannungen in ausreichender Spannungshöhe bereitstellen kann. Konventionelle Ansteuerschaltung können hierbei jedoch einen relativ hohen Energiebedarf aufweisen.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine effiziente Ansteuerung für einen elektrostatischen Schallerzeuger mit einem MEMS zu schaffen, welcher einen verringerten Energiebedarf aufweist.

Hierzu ist es einerseits vorgesehen, das elektrische Spannungsniveau mittels einer Vorspannung durch eine Spannungsgeneratorschaltung anzuheben. Darüber hinaus kann - in Analogie zu einem Klasse H Verstärker - die Versorgungsspannung für einen in der Ansteuerschaltung vorgesehenen Differenzverstärker in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Signalamplitude angepasst werden. Hierbei kann es sich zunutze gemacht werden, dass Schallsignale in der Regel nur sehr selten eine hohe, insbesondere maximale Amplitude aufweisen. Während den in der Regel relativ langen Phasen geringer Signalamplituden kann der Differenzverstärker dagegen mit geringerer Versorgungsspannung betrieben werden. Hierdurch entsteht ein deutlich geringerer Energiebedarf. Dadurch kann insbesondere bei batteriebetriebenen Systemen die Betriebszeit pro Batterieladung deutlich gesteigert werden.

Als Differenzverstärker kann hierbei grundsätzlich jede beliebige geeignete Differenzverstärkerschaltung in Form von diskreten Bauelementen oder integrierten Schaltkreisen genutzt werden, die dazu geeignet ist, ein zu einem Eingangssignal korrespondierendes verstärktes Ausgangssignal bereitzustellen und die dabei mit variabler Versorgungsspannung betrieben werden kann. Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, kann der Differenzverstärker dabei mit einer Versorgungsspannung zwischen einem Bezugspotenzial (0 Volt) und einer (positiven) Versorgungsspannung betrieben werden, oder in einer alternativen Ausführungsform auch mit einer negativen und einer positiven Versorgungsspannung. Die an den beiden Ausgangsanschlüssen des Differenzverstärkers bereitgestellte Ausgangsspannung kann an den Außenanschlüssen des elektrostatischen MEMS Schallerzeugers bereitgestellt werden. Ferner kann an einem Mittenanschluss dieses Schallerzeugers eine elektrische Spannung bereitgestellt werden, die mittels der Spannungsgeneratorschaltung auf ein höheres Spannungsniveau angehoben wird. Durch diese Vorspannung (Bias-Spannung) kann die elektrische Spannung am Mittenanschluss des Schallwandlers insbesondere in Bezug auf die Gleichtaktspannung des Differenzverstärkers angehoben werden. Hierdurch liegen an dem Schallwandler ausreichend hohe elektrische Spannungen an, die für den Betrieb von elektrostatischen Schallwandler geeignet sind. Bei der durch die Spannungsgenerator bereitgestellten elektrischen Spannung kann es sich insbesondere um eine elektrische Spannung mit einer vorbestimmten konstanten elektrischen Gleichspannung handeln.

Die von dem Schallerzeuger abgegebenen Schallsignale weisen in der Regel nur relativ selten die maximal mögliche Amplitude auf. Daher ist es möglich, in Zeiträumen, bei welchen das abzugebenden Schallsignal nur eine geringere Amplitude aufweist, den Differenzverstärker mit einer geringeren Betriebs- /Versorgungsspannung zu betreiben. Hierdurch ist ein effizienter und energiesparender Betrieb möglich. Insbesondere kann die Versorgungsspannung für Differenzverstärker hierbei in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Amplitude des elektrischen Signals angepasst werden. Beispielsweise kann das Eingangssignal kontinuierlich überwacht bzw. ausgewertet werden, um eine maximale Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls zu ermitteln. Daraufhin kann jeweils die Versorgungsspannung des Differenzverstärkers entsprechend der für dieses Zeitintervall ermittelten maximalen Amplitude angepasst werden. Hierbei kann die Versorgungsspannung beispielsweise auf ein Spannungsniveau eingestellt werden, welches noch eine ausreichende Sicherheitsreserve für eine Verstärkung des Eingangssignals ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung einen Pegelwandler. Der Pegelwandler kann dazu ausgelegt sein, einen Signalpegel des Eingangssignals anzupassen. Ferner kann der Pegelwandler dazu ausgelegt sein, das angepasste Eingangssignal an den Eingangsanschlüssen des Differenzverstärkers bereitzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, den Spannungsbereich des Eingangssignals auf einen Spannungsbereich anzupassen, der für die nachfolgende Verstärkung durch den Differenzverstärkers geeignet ist Beispielsweise kann ein Eingangssignal mit positiven und negativen Spannungsanteilen durch eine entsprechende Pegelanpassung in ein Signal überführt werden, welches keine negativen Spannungsanteil mehr aufweist. Ein solches Signal kann daraufhin beispielsweise auch mittels eines Differenzverstärkers verstärkt werden, bei welchem der Differenzverstärkers zwischen 0 V und einer positiven Versorgungsspannung betrieben wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Ansteuerschaltung dazu ausgelegt, eine Versorgungsspannung für den Pegelwandler in Abhängigkeit einer maximalen Amplitude des Eingangssignals einzustellen. Auf diese Weise kann, analog zu dem erfindungsgemäßen Konzept des Differenzverstärkers, auch der Pegelwandler jeweils mit einer Versorgungsspannung betrieben werden, welche einerseits ausreichend ist, um die erforderliche Pegelanpassung auszuführen, andererseits jedoch durch temporäres Absenken der Versorgungsspannung einen effizienten und energiesparenden Betrieb ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Ansteuerschaltung dazu ausgelegt ist, als Versorgungsspannung eine elektrische Spannung zwischen einem Bezugspotential und einer vorgegebenen positiven Versorgungsspannung bereitzustellen. Auf diese Weise ist es ausreichend, jeweils nur die positive Versorgungsspannung auf das jeweilige Spannungsniveau anzupassen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Ansteuerschaltung dazu ausgelegt, als Versorgungsspannung eine elektrische Spannung zwischen einer vorgegebenen negativen Versorgungsspannung und einer vorgegebenen positiven Versorgungsspannung bereitzustellen. Hierbei müssen zwar sowohl positive als auch negative Versorgungsspannung jeweils dynamisch angepasst werden, jedoch kann bei diesem Ansatz gegebenenfalls auf eine Anpassung der Versorgungsspannung für die vorgeschaltete Pegelanpassung verzichtet werden. Vielmehr kann die vorgeschaltete Pegelanpassung mit einer konstanten Versorgungsspannung ausgeführt werden, wenn für den Differenzverstärkers auch negative Spannungen möglich sind.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung eine Signalverarbeitungseinrichtung. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist hierbei dazu ausgelegt, ein digitales Audiosignal zu empfangen und das digitale Audiosignal in ein analoges Audiosignal zu konvertieren. Ferner kann die Signalverarbeitungseinrichtung das analoge Audiosignal als Eingangssignal an dem Pegelwandler oder dem Differenzverstärker bereitstellen. Darüber hinaus ist die

Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, die maximale Amplitude des Eingangssignals unter Verwendung des digitalen Eingangssignals zu ermitteln. Da hierbei die Digital-zu-analog-Wandlung und die Ermittlung der maximalen Spannungsamplitude unter Verwendung des digitalen Eingangssignals parallel ausgeführt werden können, ist es möglich, aufgrund der Verzögerung durch die Laufzeit der Digital-zu-analog-Wandlung die maximale Amplitude des Eingangssignals bereits bereitzustellen, bevor die D/A-Wandlung für den jeweiligen Signalabschnitt abgeschlossen ist. Somit können die jeweilige Versorgungsspannung für den Differenzverstärkers und gegebenenfalls den Pegelwandler bereits in geeigneter Weise angepasst werden, wenn das analoge Signal von dem D/A- Wandler ausgegeben wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, das digitale Signal unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors (DSP) zu verarbeiten. Dieses von dem DSP prozessierte Signal kann anschließend in ein analoges Audiosignal konvertieren werden. Hierzu kann üblicherweise ein dem DSP nachgeschalteter D/A-Wandler verwendet werden. Insbesondere durch die während der Prozessierung durch den DSP auftretenden Laufzeitverzögerungen steht somit die parallel hierzu im Digitalbereich ermittelte maximale Amplitude des Signals rechtzeitig für eine Anpassung der Versorgungsspannung an des Differenzverstärkers und gegebenenfalls des Pflegewandlers zur Verfügung

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für ein Schallerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eine Ansteuerschaltung für einen Schallerzeuger gemäß einer Ausführungsform

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilder eines Audiosystems für ein Schallerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 4: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eine Ansteuerschaltung für einen Schallerzeuger gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für ein Schallerzeugungssystem mit einer Ansteuerschaltung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Schallerzeugung in diesem Schallerzeugungssystem erfolgt hierbei mittels eines elektrostatischen Schallerzeugers 2, insbesondere eines Schallerzeugers 2 mit einem mikroelektronmechanischen System (MEMS). Hierbei kann eine Membran des Schallerzeuger 2 durch Bereitstellen von ausreichend hohen elektrischen Spannungen ausgelenkt werden. In Figur 1 ist dieser Schallerzeuger 2 durch die beiden Kapazitäten C1 und C2 dargestellt, die an einem Mittenanschluss M miteinander elektrisch verbunden sind. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kapazitäten C1 und C2 bilden die Außenanschlüsse des Schallerzeugers 2.

Zur Ansteuerung des Schallerzeugers 2 kann ein Eingangssignal VJn mittels eines Differenzverstärkers 10 verstärkt werden. Die beiden Ausgangsanschlüsse des Differenzverstärkers 10 können dabei mit den Außenanschlüssen des Schallwandler 2 elektrisch verbunden werden. Um eine ausreichend hohe elektrische Spannung für die Auslenkung der Membran des elektrostatischen Schallerzeugers 2 bereitstellen zu können, wird an dem Mittenanschluss M des Schallerzeuger zu 2 eine elektrische Spannung bereitgestellt, welche gegenüber der Gleichtaktspannung V_CM des Differenzverstärkers 10 um eine Vorspannung V bias (Biasspannung) angehoben wird. Hierzu kann in der Ansteuerschaltung 1 mit dem Differenzverstärker 10 eine Spannungsgeneratorschaltung 11 vorgesehen sein. Die so erhöhte Gleichtaktbespannung kann gegebenenfalls über eine Pufferschaltung 12 dem Mittenanschluss M des Schallerzeugers 2 zugeführt werden.

Die Ansteuerschaltung 1 muss hierbei derart dimensioniert werden, dass auch die maximal zu erwartenden Amplituden des Eingangssignal VJn gemäß den gestellten Anforderungen und mit ausreichender Qualität verstärkt werden können. Zur Verstärkung von Signalen mit der maximal zu erwartenden Amplitude in dem Eingangssignal VJn muss dabei an dem Differenzverstärker 10 eine entsprechend hohe Versorgungsspannung bereitgestellt werden.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds für eine Ansteuerschaltung 1 für Schallerzeugungssystem mit einem elektrostatischen MEMS-Schallerzeuger 2 gemäß einer Ausführungsform. Das (analoge) Eingangssignal VJn kann hierbei beispielsweise zunächst einem Filter 30, insbesondere einem Tiefpassfilter, gegebenenfalls mit geeigneter Pufferung, zugeführt werden. Diese Filtereinrichtung 30 kann mit einer relativ geringen Versorgungsspannung VDD LV betrieben werden. Das Ausgangssignal dieser Filtereinrichtungen 30 kann daraufhin einem Pegelwandler 20 zugeführt werden. Dieser Pegelwandler 20 kann zum Beispiel das von der Filtereinrichtung 30 bereitgestellte Signal um eine Gleichspannungsanteil anheben, sodass das von dem Pegelwandler 20 bereitgestellte Ausgangssignal dazu geeignet ist, durch den nachgeschalteten Differenzverstärkers 10 in dem entsprechenden Spannungsbereich verstärkt zu werden. Hierbei kann der Pegelwandsatz 20 mit einer Versorgungsspannung VDD MV betrieben werden, welche in der Regel zwischen der Versorgungsspannung VDD LV der Filtereinrichtung 30 und der Versorgungsspannung VDD HV des Differenzverstärkers 10 liegt. Zum Beispiel kann das Spanungsniveau des Eingangssignals VJn so weit angehoben werden, dass in dem angehobenen Signal keine Signalanteile mit negativer Spannung, d.h. kleiner 0 Volt vorhanden sind.

Anschließend wird das von der Pegelwandler 20 ausgegebene Signal durch den Differenzverstärkers 10 verstärkt und wie zuvor Zusammenhang mit Figur 1 bereits beschrieben, dem Schallerzeuger 2 zugeführt.

Der Differenzverstärkers 10 sowie der Pegelwandler 20 müssen hierbei grundsätzlich für die maximal zu erwartende Amplitude des Eingangssignals VJn ausgelegt sein. Entsprechend müssen auch die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers 10 sowie des Pegelwandler 20 mit ausreichenden Sicherheitsreserven entsprechend der Amplitude des Eingangssignals VJn bereitgestellt werden.

Da jedoch gerade bei Schallsignalen nur relativ selten die maximal zu erwartende Amplitude in dem Eingangssignal VJn auftritt, ist es für Signalabschnitte mit geringerer Amplitude auch ausreichend, den Differenzverstärkers 10 sowie gegebenenfalls den Pegelwandler 20 während dieser Signalabschnitte mit einer geringeren Versorgungsspannung zu betreiben. Daher ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Versorgungsspannung VDD HV des Differenzverstärkers 10 sowie gegebenenfalls auch die Versorgungsspannung VDD MV des Pegelwandlers 20 entsprechend der aktuellen Amplitude des Eingangssignals VJn anzupassen und insbesondere in Abschnitten mit geringer Amplitude in dem Eingangssignal VJn die Versorgungsspannung VDD HV und ggf. VDD MV abzusenken. Um die Versorgungsspannungen VDD MV und VDD HV rechtzeitig an die jeweilige Signalamplitude anzupassen, kann die Analyse des Eingangssignal VJn beispielsweise auf Grundlage eines digitalen Signals erfolgen, bevor dieses digitale Signal in ein analoges Eingangssignal VJn konvertiert wird. Ein exemplarischer Ansatz hierfür ist zum Beispiel in Figur 3 dargestellt.

Wie in der Anordnung gemäß Figur 3 zu erkennen ist, kann ein digitales Signal zum Beispiel mittels einer entsprechenden Eingangsschnittstelle 110 empfangen werden. Gegebenenfalls kann auch eine Anpassung der Lautstärke, d. h. der Amplitude im digitalen Bereich erfolgen. Daraufhin kann das digitale Signal in einem ersten Signalpfad beispielsweise mittels eines digitalen Signalprozessors (DSP) 120 verarbeitet, beispielsweise gefiltert o.ä. werden. Anschließend kann das aufbereitete digitale Signal mittels eines Digital-zu-analog-Wandlers (D/A) 130 in ein analoges Signal VJn konvertiert werden. Parallel dazu kann in einem weiteren Signalpfad durch eine entsprechende Auswerteeinrichtung 140 eine maximale Amplitude des aktuellen Audiosignals auf Grundlage der digitalen Daten erfolgen. Hierzu können beispielsweise die maximale Amplitude über einen vorgegebenen Zeitabschnitt hinweg ermittelt werden. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere Ansätze zu Ermittlung einer jeweils aktuellen maximalen Amplitude in den digitalen Daten möglich.

Da durch die Verarbeitung des digitalen Signals in dem DSP 120 und dem nachgeschalteten D/A-Wandler 130 eine Laufzeitverzögerung auftreten kann, welche größer sind, als die Zeitdauer, die für die Ermittlung der aktuellen maximalen Amplitude in der Einrichtung 140 erforderlich ist, kann auf Grundlage dieser Ermittlung der maximalen Amplitude die Versorgungsspannung VDD HV für den Differenzverstärkers 10 sowie gegebenenfalls den Pegelwandler 20 jeweils rechtzeitig auf den Signalverlauf des (analogen) Eingangssignals VJn angepasst werden.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds für eine Ansteuerschaltung 1 für Schallerzeugungssystem mit einem elektrostatischen MEMS-Schallerzeuger 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ansteuerschaltung 1 in dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ansteuerschaltung 1 gemäß Figur 2 insbesondere dadurch, dass hierbei der Differenzverstärkers 10 nicht mit einer Versorgungsspannung zwischen einem Bezugspotenzial (O Volt) und einer positiven Versorgungsspannung VDD HV betrieben wird, sondern zwischen einer negativen Versorgungsspannung VSS HV und einer positiven Versorgungsspannung VDD HV. Diese Versorgungsspannungen VSS HV und VDD HV können dabei analog zu dem zuvor beschriebenen Konzept entsprechend der jeweils aktuellen Signalamplitude in dem Eingangssignal VJn angepasst werden.

Aufgrund der Möglichkeit, dass dem Differenzverstärkers hierbei auch eine negative Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt werden können und somit sich auch das Ausgangssignal in den negativen Bereich erstrecken kann, muss insbesondere bei Eingangssignalen VJn mit größeren Amplituden das Signal durch den Pegelwandler 20 nicht mehr so stark angehoben werden. Somit kann der Pegelwandler 20 kontinuierlich mit einer konstanten Versorgungsspannung VDD MV betrieben werden. Eine Anpassung der Versorgungsspannung für den Pegelwandler 20 kann damit entfallen.

Darüber hinaus gelten insbesondere auch für die Ermittlung der jeweils aktuellen Amplitude in dem digital Eingangssignal unter der Anpassung der Versorgungsspannungen VSS HV und VDD HV die bereits zuvor gemachten Ausführungen.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Ansteuerung eines elektrostatischen Schallwandlers mit einem mikroelektronischen Bauelement. Hierzu ist eine Ansteuerschaltung mit einem Differenzverstärker vorgesehen, wobei an einem Mittenanschluss des Schallwandlers eine Biasspannung in Bezug auf die Gleichtaktspannung des Differenzverstärkers bereitgestellt wird. Die Versorgungsspannung des Differenzverstärkers kann dabei in Abhängigkeit der Signalamplitude des Eingangssignals angepasst werden.