[发明专利]具有自适应体偏置电力管理的助听器

说明书

技术领域

本申请涉及助听器。更特别地，其涉及包括开关模式电力转换器的电池驱动的助听器。

背景技术

在本申请的背景中，助听器是减轻人的听力损失的电子装置。助听器因为足够小而可以戴在耳朵后面，其使用一个或更多个麦克风从环境中拾取声音并根据助听器规定（prescription）在电学上放大声音。当前的助听器高度依赖于数字信号处理，其中来自助听器麦克风的电信号通过助听器中的数字信号处理器转换为数字信号，并且放大信号的数字表示被转换回适于驱动助听器的输出换能器的电信号，所述换能器将电信号转换为助听器用户可感知的声波。

执行助听器中音频信号的数字处理的助听器部件在下面表示为数字处理核心，其消耗当前助听器中总电力的相当大一部分，例如高达总可用电力的50%或更多，这主要是由于电路复杂性的增加。该复杂性是日益增加的功能数量以及每代助听器被设计成执行的更先进的数字处理的结果。

解决复杂性增加的部分方案是降低微电子芯片的技术尺度，其中当前的设计利用低于130纳米或更低的亚微米芯片制造工艺。较小的技术尺度意味着电力消耗的固有减小，但也允许实现更大且更复杂的电路，其进而消耗更多电力。在引入亚微米工艺之前，MOS晶体管的阈值电压V_t随工艺尺度减小而减小。然而，在亚微米工艺中，则并不如此，因为在这些技术中漏电流增加。因此亚微米工艺技术具有相对高的V_t，并且相对较慢。

近来，芯片设计者已经可以使用特别低V_tMOS技术。低V_tMOS晶体管能够以较高的速度操作，并可在芯片设计中与高V_tMOS晶体管自由混合。与低V_tMOS晶体管相比，高V_tMOS晶体管相对较慢，需要较高的电源电压以便工作，且通常用于低功率应用，而低V_tMOS晶体管可在较低电源电压下工作，但比高V_t MOS晶体管具有更高的电流泄漏。

助听器应用的电池单元通常为锌-空气类电池，并且具有从1.6伏特（新电池）到约1.0伏特（几乎耗尽时）的标准电压范围和1.2伏特的额定电压。如果使用具有低V_t的MOS晶体管，这种晶体管可能在非常低的电压如约500mV下操作，但晶体管的电流泄漏相当高，且增益较低。在这样的低电压下，晶体管也具有减小的速度容量。

通过在500mV电压下运行电路可节省相当量的电力，然而，尽管低V_t晶体管可在500mV下以与高V_t晶体管在700mV下操作的相同速度操作，但如果要节省任何相当量的电力，则电流泄漏和增益的问题必须解决。微电子电路的功耗与电源电压的平方成比例。如果电源电压从700mV降低到500mV，则由该操作产生的功耗减少约为50%。

为低V_t晶体管提供合适低的电源电压的实际方式是使用开关晶体管电压转换器来将电压按比例降到低V_tMOS晶体管要求的500mV。2:1开关晶体管电源转换器特别易于实施，其占据电路芯片上非常小的空间。开关电容器电压转换器自身消耗极少量的电力，提供非常稳定的电压减少，并具有最优电力转移配置，2:1电压转换器为1.2伏特电池提供必要的活动空间（headroom），以使其能够在大部分电池寿命期间以500mV电压驱动数字处理核心。

2：1开关电容器电压转换器要求两倍于输出电压的稳定的输入电压，因此如果电池电压足够高以便以稳定方式提供该电压，则其仅能够提供足够的电力给助听器电路。即使电池电压改变，能够从电池馈电给开关电容器电压转换器的线性电压调节器可被配置为提供稳定的参考电压。

以低电压驱动MOS晶体管电路意味着晶体管接近其V_t工作，这导致不同设备间各种晶体管参数的统计散差（statistical spread）的高增加。固有地，亚微米工艺导致更大的参数散差，这是由半导体元件减小的物理尺寸导致的，但在低压下工作时该效果更显著。

晶体管参数之一是驱动强度或增益，即半导体元件放大信号的能力，或在数字电路中当电压出现在MOS晶体管栅极上时开始汲取电流的能力。如果驱动强度的散差太大，则实际电路的行为可能与设计规范非常不同，且不同电路间参数的大变化可能使来自单个晶片的有用管芯产率减小到不可接受的低百分比，这显著增加生产成本。特别地，确定各晶体管的时序常数的参数是关键的。因此能够以有效且简单的方式减小低压MOS晶体管电路中的参数散差可能是有益的。