感測電路、電信號換能器和電子系統的制作方法

感測電路、電信號換能器和電子系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及感測電路、電信號換能器和電子系統，其中一種感測電路包括：跟隨器晶體管(10)，具有控制端(2a)、用于連接至負載(Z)的跟隨器端(2b)；偏置電流發生器(11)，耦合至跟隨器端(2b)；以及反饋級(13)，被配置為根據跟隨器晶體管(10)的控制端(2a)上的輸入信號(VIN)控制偏置電流發生器(11)。
【專利說明】
感測電路、電信號換能器和電子系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及感測電路、電信號換能器和電子系統。【背景技術】
[0002]如公知的，電容式麥克風(尤其是MEMS(微機電系統)麥克風和ECM(駐極體電容式麥克風))通常包括電容耦合至固定電極或板(也稱為“背板”)的可變形導電隔膜。隔膜和固定電極之間存在被空氣占據的空間。
[0003]通常可用的電容式麥克風利用固定電荷偏置并響應于由壓力波限定的聲信號產生電信號。實際上，隔膜響應于修改電容器的電容的聲信號而震動，并假設存儲的電荷是固定的，震動引起電容器本身的電極之間的對應電壓變化。通過電容器上的電壓變化來限定電信號。通常用于表示電容式麥克風的等效電路包括與電壓發生器串聯的具有可變電容的電容器。
[0004]為了防止存儲在電容器上的電荷的擾動，由麥克風產生的電信號必須使用具有高輸入阻抗的感測電路(或“緩沖器”)來讀取，其中感測電路基于所檢測的信號利用低阻輸出來驅動外部負載。
[0005]感測電路一般采用源極跟隨器結構的M0S晶體管，或者可選地AB類放大器。
[0006]基于源極跟隨器的感測電路極其簡單并且存在低噪聲，但是被證明僅有效地驅動高阻負載(例如，高于lOOkQ)。實際上，這種類型的感測電路可以吸收來自負載的大電流或者為負載提供大電流，但是反而限于提供(吸收)大于跟隨器晶體管的偏置電流的電流。如果負載阻抗適度，則不要求大偏置電流來得到充分的輸出擺動，并且在不存在信號的情況下這包括靜態消耗不可接受的增加。
[0007]基于AB類放大器的感測電路通常被用于驅動低負載，例如低于10kQ。與源極跟隨器感測電路相比，AB類放大器能夠在需要時提供大電流，當輸入信號較低或不存在輸入信號時保持有限的消耗等級。然而，AB類放大器比源極跟隨器電路復雜得多，并且包含多種噪聲源。此外，為了防止可能的振蕩或不穩定性，頻繁要求精心設計的頻率補償。實際上，靜態損耗通常也不是如期望那么低。【實用新型內容】
[0008]本實用新型的目的在于提供、電信號換能器和電子系統，其能夠克服或者至少緩解上述限制。
[0009]根據本實用新型，提供了一種用于檢測麥克風生成的電信號的感測電路，包括:跟隨器晶體管(10)，具有控制端(2a)、用于耦合至負載(Z)的跟隨器端(2b);偏置電流發生器 (11)，耦合至所述跟隨器端(2b);以及反饋級(13)，被配置為基于所述跟隨器晶體管(10)的所述控制端(2a)上的輸入信號(VIN)控制所述偏置電流發生器(11)。[〇〇1〇]此外，還提供了一種用于檢測麥克風生成的電信號的電信號換能器，包括電容式麥克風(1)以及根據上述的耦合至所述電容式麥克風(1)的感測電路(2)。[0011 ]此外，還提供了一種用于檢測麥克風生成的電信號的電子系統，包括電容式麥克風(1)、根據上述的耦合至所述電容式麥克風(1)的感測電路(2)、以及與所述感測電路(2) 協作的控制單元(105)。
[0012]通過上述解決方案可以顯著降低感測電路的靜態損耗的程度。【附圖說明】[〇〇13]為了更好地理解本實用新型，限制將參照附圖僅通過非限制實例描述其實施例， 其中:
[0014]圖1是用于轉換聲信號的設備的簡化框圖；
[0015]圖2是根據本實用新型實施例的感測電路的更詳細的框圖；
[0016]圖3是圖2的感測電路的電路圖；以及
[0017]圖4是根據本實用新型實施例的結合感測電路的電子系統的簡化框圖。【具體實施方式】
[0018]圖1是電容型的麥克風1(例如MEMS麥克風)以及用于響應于聲信號檢測由麥克風1 生成的電信號的感測電路2的示意性示圖。麥克風1和感測電路2形成用于轉換聲信號的設備。
[0019]這里通過信號發生器3和具有可變電容的電容器4的串聯來示意性表示麥克風1。 信號親合電容器5在麥克風1的終端la與感測電路2的輸入端2a之間提供信號親合。麥克風1 的終端la和感測電路2的輸入端2a分別通過第一 DC偏置級7連接至第一參考線6以及通過第二DC偏置級9連接至第二參考線8。麥克風1在感測電路2的輸入端2a上生成輸入信號VIN(例如電壓)。參考線6提供預充電電壓VPC，用于傳送具有可變電容的電容器4上的固定工作電荷。
[0020]感測電路2的低阻輸出端2b響應于聲信號提供表示具有可變電容的電容器4上的電壓變化的輸出信號Vciut(例如電壓)。輸出端2b連接至負載Z。[〇〇21]應該理解，在任何情況下，耦合麥克風1和感測電路2的方式不必須是唯一的，而是可以使用其他連接方案。
[0022]圖2以簡化方式示出了根據本實用新型實施例的感測電路2。感測電路2包括跟隨器晶體管10、偏置電流發生器11、參考發生器級12、反饋級13和限制或鉗位級15。
[0023]在一個實施例中，跟隨器晶體管10是具有源極跟隨器結構的PM0S晶體管。實際上， 跟隨器晶體管10的源極端(跟隨器終端)連接至偏置電流發生器11的第一終端，并限定感測電路2的輸出端2b。跟隨器晶體管10的漏極端連接至比較節點18,而柵極端限定感測電路2 的輸入端2a并接收來自麥克風1的輸入信號Vin。跟隨器晶體管10傳導跟隨器電流If。
[0024]如以下詳細解釋的，偏置電流發生器11(其第二端連接至設置為電源電壓VCC的供應線17)是受控發生器，并根據輸入信號VIN的幅度提供偏置電流IB。偏置電流發生器11被反饋級13基于比較節點18處的電流的平衡來控制。實際上，由跟隨器晶體管10提供的跟隨器電流If與參考發生器級12提供的比較電流IdS行比較，并且比較確定由反饋級13對偏置電流發生器11執行的控制的動作。[〇〇25]參考發生器級12包括主參考電流發生器20、電流鏡電路21和濾波器級22。[0〇26] 主參考電流發生器20被配置為提供主參考電流Irq。電流鏡電路21基于主參考電流 Iro向比較節點18提供比較電流Ic。例如，在一個實施例中，比較電流Ic是主參考電流IRQ的倍數。
[0027]濾波器級22與電流鏡電路21協作，用于抑制與主參考電流IRQ相關聯的噪聲或干擾。[〇〇28]如已經提到的，反饋級13被配置為根據輸入信號VIN控制偏置電流IB。具體地，反饋級13確定當作為輸入信號VIN的結果的感測電路2必須向負載Z提供電流時偏置電流IB的增加。
[0029]限制級15連接在比較節點18和地線之間，并且被配置為防止比較節點18上的電壓超過閾值，其中超過閾值時，跟隨器晶體管1 〇可以在線性區域中操作。
[0030]圖3更詳細地示出了感測電路2。[〇〇31]在一個實施例中，偏置電流發生器11包括PM0S類型的發生器晶體管23,其源極端連接至供應線17,其漏極端與跟隨器晶體管10的源極端一起連接至輸出端2b。發生器晶體管23的柵極端限定偏置電流發生器11的控制端11a并連接至反饋級13的節點。[0〇32]在參考發生器級12中，電流鏡電路21包括二極管連接的晶體管25以及鏡像晶體管 26、27、28(這里為NM0S類型，相應的柵極端耦合至二極管連接的晶體管25的柵極端)。二極管連接的晶體管25與主參考電流發生器20串聯并接收主參考電流IR0。[〇〇33]二極管連接的晶體管30(這里為PM0S型)被布置為與鏡像晶體管26串聯并且其源極端連接至參考線31(設置為輸出共模電壓VCMQUT)。鏡像晶體管26和二極管連接的晶體管30 的大小被確定為用于將共同的相應漏極端上的電壓固定在期望值。漏極端的公共節點8限定輸入共模電壓Vara，其被用作在不存在信號的情況下用于輸入端2a的參考。
[0034]鏡像晶體管27和鏡像晶體管28為反饋級13提供參考電流。在一個實施例中，具體地，由鏡像晶體管27提供的第一反饋參考電流Irfbi是主參考電流Irq的復本。如下所述，鏡像晶體管28(其漏極端連接至比較節點18)提供高于第一反饋參考電流IRFB1的比較電流Ic。 [〇〇35]反饋級13包括電流鏡電路35、去耦晶體管36、37以及偏置分支38。[〇〇36]電流鏡電路35又包括PM0S類型的二極管連接的晶體管40和鏡像晶體管41，它們的相應源極端連接至供應線17。二極管連接的晶體管40和去耦晶體管36串聯連接至電流鏡電路21的鏡像晶體管27,其中去耦晶體管36布置在它們兩個之間。因此，二極管連接的晶體管 40和去親晶體管36均傳導第一反饋參考電流Irfbi。[〇〇37]鏡像晶體管41的柵極端連接至二極管連接的晶體管40的柵極端，并且其漏極端連接至偏置電流發生器11的控制端11a。如下所討論的，鏡像晶體管41傳導通過鏡像晶體管41 本身的長寬比與二極管連接的晶體管40的長寬比之間的關系所確定的第二反饋參考電流lRFB2〇[〇〇38] 補償電阻器33和補償電容器34串聯在供應線27和偏置電流發生器11的控制端11a 之間，并限定穩定由跟隨器晶體管10、偏置電流發生器11和反饋級13形成的環路的補償網絡。由此防止了任何不穩定的風險。[〇〇39]去耦晶體管37的傳導端分別連接至鏡像晶體管41的漏極端(S卩，偏置電流發生器 11的控制端11a)和比較節點18,并且其柵極端連接至去耦晶體管36的柵極端。[0〇4〇]偏置分支38包括鏡像晶體管42,其還以電流鏡結構與二極管連接的晶體管40和偏置晶體管43連接。偏置晶體管43(其是二極管連接的NMOS類型)被布置為與鏡像晶體管42串聯，并且其柵極端與去耦晶體管36、37共用。實際上，偏置分支38固定去耦晶體管36、37的操作點。[〇〇41] 濾波器級22包括濾波器晶體管45(這里為NM0S類型)、濾波器電容器46、偏置晶體管47和狀態開關48。[0 〇4 2 ]濾波器晶體管4 5被布置在二極管連接的晶體管2 5的柵極端與電流鏡電路21的鏡像晶體管26、27、28的柵極端之間。更具體地，濾波器晶體管45的源極端連接至二極管連接的晶體管25的柵極端，并且其漏極端連接至鏡像晶體管26、27、28的柵極端。通過狀態開關 48,濾波器晶體管45的柵極端可以可選地耦合至供應線17(在啟動步驟期間)以及連接至偏置晶體管47的柵極端。在正常操作條件下，偏置晶體管47是二極管連接的，串聯在主參考電流發生器20和二極管連接的晶體管25之間，并且固定濾波器晶體管45的操作點。狀態開關 48例如可以通過外部處理單元(未示出)提供的信號切換或者當內部電量達到閾值時進行切換。濾波器電容器46連接在濾波器晶體管45的漏極端和地線之間。[〇〇43]在啟動結構中，濾波器晶體管45的柵極端連接至供應線17,因此其串聯阻抗非常低。濾波器級處于第一狀態，其中由濾波器晶體管45本身和濾波器電容器46確定的時間常數RC較低并且能夠使電量快速地達到操作值。在正常操作條件下，過濾器晶體管45的柵極端轉而連接至偏置晶體管47的柵極端，以濾波器晶體管45將在閾值下進行操作的這種方式來確定其大小，并且其具有高串聯阻抗。因此，濾波器級22被設置為第二狀態，其中濾波器晶體管45和濾波器電容器46的時間常數RC非常大并且能夠抑制主參考電流IRQ關于比較電流Ic和第一反饋參考電流Irfb^波動的效應。[〇〇44]在一個實施例中，限制級15包括PM0S類型的限制晶體管50，其源極端連接至比較節點18,并且其漏極和柵極端連接至地線。以這種方式，比較節點18上的電壓被限制為限制晶體管50的閾值電壓的值。
[0045]可以以除了比較電流1^之外的在參考發生器級12和反饋級13中循環的電流將充分低于偏置電流發生器11和跟隨器晶體管10的電流的這種方式來選擇形成參考發生器級 12和反饋級13的晶體管的長寬比(W/L)。這種解決方案能夠顯著降低感測電路2的靜態損耗的程度。
[0046]在一個實施例中，例如，形成偏置電流發生器11的生成器晶體管23的長寬比比電流鏡電路35的二極管連接的晶體管40的長寬比大比例因子h (例如，15)。在電流鏡電路21 中，提供比較電流Ic的鏡像晶體管28的長寬比比提供第一反饋參考電流IRFB1的鏡像晶體管 26的長寬比大因子心。最后，鏡像晶體管41的長寬比通過比例因子K3與二極管連接的晶體管 40的長寬比相關聯。[〇〇47] 在不存在輸入信號(VIN = 0)且零電流傳送至負載Z的情況下，偏置電流IbSKJr?， 并且等于跟隨器電流If。從而，通過以下等式給出比較電流Ic:
[0048]Ic= Irfb2+Ib=K3Irfbi+KiIrfbi= (K3+K1) Irfbi = K2Irfbi
[0049]其中，k2 = K3+Ki。
[0050]在一個實施例中，比例因子K3等于1且比例因子K2等于Kdl。此外，鏡像晶體管26具有與二極管連接的晶體管25相同的長寬比。從而，主參考電流Irq和第一反饋參考電流Irfbi 彼此相同。然而，關于長寬比表示的關系不認為是假設它們實際上可以被修改的必要約束。
[0051]通過上述長寬比之間的關系，在電流鏡電路35的鏡像晶體管41中流動的第二反饋參考電流IRFB2等于第一反饋參考電流IRFB1，而比較電流1C等于MrFBF^+IHrFBU [〇〇52]當輸入信號VIN為正時，跟隨器晶體管10的柵極-源極電壓VGSF降低，引起跟隨器電流If的對應降低。假設比較電流Ic和通過鏡像晶體管41的第二反饋參考電流IRFB2是固定的， 則作為跟隨器電流If的降低的結果，偏置電流發生器11的控制端11a上的電壓趨于降低， 因此發生器晶體管23的柵極-源極電壓VCSB趨于增加。從而，偏置電流IB也增加，其根據輸入信號Vin的幅度部分或完全地被負載Z吸收。
[0053]相反，當輸入信號VIN為負時，跟隨器晶體管10的柵極-源極電壓VCSF增加，使得跟隨器電流If增加。因此，如果輸入信號VIN的幅度如此要求，則偏置電流發生器11的控制端11a 上的電壓趨于增加并降低偏置電流Ib，直到發生器晶體管23截止。因此，跟隨器晶體管可以從負載Z吸收所有需要獲取對應于輸入信號VIN的輸出信號VQUT的電流。此外，當跟隨器電流 If較高時，限制晶體管50防止比較節點18上的電壓增加直到跟隨器晶體管10在線性區域中作用為止。實際上，在限制操作條件下，如果輸入信號的負值要求，則比較節點18上的電壓被限于限制晶體管50的柵極-源極電壓，因此能夠進一步增加跟隨器電流If。相反，當輸入信號VIN為正或者為負時，在其他操作條件下限制晶體管50截止并且不消耗能量，但是模數不充分高到將比較節點18拉至限制晶體管50本身的閾值電壓之上。[〇〇54]所描述的感測電路2組合了 AB類放大器和基于跟隨器的電路的優點。另一方面，實際上，與AB類電路相同，根據輸入信號VIN的偏置電流發生器11的控制能夠在需要時將大電流提供給負載Z。相反，當感測電路2必須吸收來自負載Z的電流或者必須提供適度電流時， 可以降低偏置電流發生器11的電流的消耗。另一方面，與跟隨器電路的情況相同，感測電路 3具有非常簡單的結構，其固有地不太經受噪聲。此外，濾波器級22能夠抑制主參考電流IR0 的波動，由此進一步提高對噪聲的免疫力。
[0055]通過限制級15來表示進一步的優勢，其能夠使跟隨器晶體管10吸收大電流而不達到臨界于飽和的工作條件。
[0056]因此，感測電路2適合于驅動甚至更小的阻抗負載，保持低消耗等級和低噪聲。
[0057]圖4示出了結合所描述的感測電路2的電子系統100。
[0058]電子系統100可以是任何類型的電子設備，尤其是便攜式和自主供電的，非限制實例諸如為蜂窩電話、便攜式計算器、攝像機、照相機、多媒體讀取器、用于視頻游戲的便攜式裝置、用于計算機的運動感應用戶接口或用于視頻游戲的控制臺、衛星導航設備。在圖4的實施例中，電子系統100是蜂窩電話。
[0059]感測電路2可以結合到音頻模塊101的獲取接口中并耦合至麥克風102。
[0060]電子系統100可以進一步包括:殼體103,碰撞傳感器104剛性地與其耦合;控制單元105;存儲器模塊106;RF通信模塊107,耦合至天線108;顯示器110;拍攝設備112;串行連接端口 113，例如為USB端口；以及電池115，用于自主供電。
[0061]控制單元105與麥克風102協作，并且感測電路2例如與音頻模塊101交換信號。
[0062]應該注意，本實用新型的范圍不限于需要具體具有所列出的一個設備或者所有設備作為整體的實施例。
[0063]最后，明顯在不背離在所附權利要中限定的本實用新型的范圍的情況下，可以對本文描述的感測電路和檢測方法進行修改和變化。具體地，明顯可以以互補方式得到感測電路，其中部件的導電性、電壓和電流與所描述的相反。
【主權項】
1.一種感測電路，其特征在于，包括:跟隨器晶體管(10)，具有控制端(2a)、用于耦合至負載(Z)的跟隨器端(2b);偏置電流發生器(11 )，耦合至所述跟隨器端(2b);以及反饋級(13)，被配置為基于所述跟隨器晶體管(10)的所述控制端(2a)上的輸入信號 (VIN)控制所述偏置電流發生器(11)。2.根據權利要求1所述的感測電路，其特征在于，所述偏置電流發生器(11)被配置為提 供偏置電流(Ib)，并且所述反饋級(13)被配置為基于所述輸入信號(VIN)修改所述偏置電流 (Ib) 〇3.根據權利要求2所述的感測電路，其特征在于，包括:比較節點(18)，所述跟隨器晶體管(10)被配置為向所述比較節點(18)提供跟隨器電流 (If);以及參考發生器級(12)，被配置為向所述比較節點(18)提供比較電流(Ic);所述反饋級(13)被配置為基于所述比較節點(18)處的電流平衡修改所述偏置電流 (Ib) 〇4.根據權利要求3所述的感測電路，其特征在于，所述參考發生器級(12)被配置為向所 述反饋級(13)提供第一反饋參考電流(IRFB1)，并且基于所述第一反饋參考電流(IRFB1)向所 述比較節點(18 )提供第二反饋參考電流(IRFB2 )。5.根據權利要求4所述的感測電路，其特征在于，所述參考發生器級(12)包括:主參考發生器(20)，被配置為提供主參考電流(Iro);以及第一電流鏡電路(21)，耦合至所述主參考發生器(20)，用于接收所述主參考電流(IR0) 并被配置為基于所述主參考電流(Iro)生成所述比較電流(Ic)和所述第一反饋參考電流 (Irfbi) 〇6.根據權利要求5所述的感測電路，其特征在于，所述反饋級(13)包括第二電流鏡電 路(35)，被配置為根據所述第一反饋參考電流(IRFB1)生成第二反饋參考電流(IRFB2)。7.根據權利要求6所述的感測電路，其特征在于，所述第一電流鏡電路(21)包括:第一二極管連接的晶體管(25)，耦合至所述主參考發 生器(20)用于接收所述主參考電流(IRQ);第一鏡像晶體管(27)，被配置為提供所述第一反 饋參考電流(〗■);以及第二鏡像晶體管(28)，被配置為提供所述比較電流(Ic);以及所述第二電流鏡電路(35)包括:第二二極管連接的晶體管(40)，耦合至所述第一鏡像 晶體管(27)用于接收所述第一反饋參考電流(Irfbi );第三鏡像晶體管(41 )，被配置為向所 述比較節點(18)提供所述第二反饋參考電流(IRFB2)。8.根據權利要求7所述的感測電路，其特征在于，所述偏置電流發生器(11)包括發生器晶體管(23)，具有的長寬比比所述第二二極管連 接的晶體管(40)的長寬比大第一比例因子;以及所述第二鏡像晶體管(28)具有的長寬比比所述第一鏡像晶體管(27)的長寬比大第二 比例因子；以及所述第二二極管連接的晶體管(40)和所述第三鏡像晶體管(41)的相應長寬比通過第 三比例因子相關聯。9.根據權利要求8所述的感測電路，其特征在于，所述比較電流(IC)大于所述偏置電流(Ib)，并且所述偏置電流(Ib)大于所述第一反饋參考電流(IrfbO。10.根據權利要求9所述的感測電路，其特征在于，通過以下等式給出所述偏置電流 (Ib):Ib = KiIrfbi其中Ib是所述偏置電流，IrFB1是所述第一反饋參考電流，以及心是所述第一比例因子。11.根據權利要求9或10所述的感測電路，其特征在于，通過以下等式給出所述比較電 流(Ic):1c = K2IrFB1其中Ic是所述比較電流，IRFB1是所述第一反饋參考電流，以及1(2是所述第二比例因子。12.根據權利要求8所述的感測電路，其特征在于，所述第一比例因子、所述第二比例因 子和所述第三比例因子通過以下關系來約束:K2 = Ki+K3其中L是所述第一比例因子，K2是所述第二比例因子，以及K3是所述第三比例因子。13.根據權利要求5所述的感測電路，其特征在于，包括濾波級(22)，被配置為衰減所述 主參考電流(Irq )關于所述比較電流(I c)和所述第一反饋參考電流(Irfbi )的波動的效應。14.根據權利要求13所述的感測電路，其特征在于，所述濾波級(22)包括狀態開關 (48)，其被配置為在第一狀態和第二狀態之間切換，其中第一時間常數與所述第一狀態相 關聯，不同于所述第一時間常數的第二時間常數與所述第二狀態相關聯。15.根據權利要求1所述的感測電路，其特征在于，所述感測電路包括被配置為限制比 較節點(18)上的電壓的限制級(15)。16.根據權利要求15所述的感測電路，其特征在于，所述限制級(15)包括被配置為在限 制操作條件下導通且在其他狀態下保持截止的限制晶體管(50)。17.—種電信號換能器，其特征在于，包括電容式麥克風(1)以及根據權利要求1所述的 耦合至所述電容式麥克風(1)的感測電路(2)。18.—種電子系統，其特征在于，包括電容式麥克風(1)、根據權利要求1所述的耦合至 所述電容式麥克風(1)的感測電路(2)、以及與所述感測電路(2)協作的控制單元(105)。
【文檔編號】H04R3/00GK205596341SQ201520752874
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年9月25日
【發明人】G·尼科利尼
【申請人】意法半導體股份有限公司