微麥克風讀出電路及讀出方法
2023-09-13 05:35:05
專利名稱：微麥克風讀出電路及讀出方法
技術領域：
本發明涉及有源電阻的傳感器讀出電路與其讀出方法，具體講，微麥克風讀出電路。
背景技術：
MEMS微麥克風讀出電路的結構主要由MEMS電容，前置放大器，電荷泵，帶隙基準四個部分組成，其中，電荷泵給MEMS電容提供電荷。圖I為傳統MEMS微麥克風讀出電路的方法，在MEMS電容和前置放大器之間採用一個很大的電阻(阻值一般達到幾G歐)使電荷緩慢釋放，這個電阻無法集成到集成電路裡面，只能在外圍電路實現。這給MEMS微麥克風的集成化製造障礙。所以考慮採取一種替代的方法將電阻替代成可以集成到集成電路中的器件來實現。
發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，提供一種微麥克風信號引出技術方案，實現微麥克風的集成化，為達到上述目的，本發明採取的技術方案是，微麥克風讀出電路，包括MEMS電容，前置放大器，電荷泵，帶隙基準，放大器，濾波器，電荷泵給MEMS電容提供電荷，還包括有電荷釋放裝置，電荷釋放裝置的Zl、Z2、Z3端分別依次對應連接前置放大器的輸入端、MEMS電容輸出、電荷泵的輸出；Z1、Z2端之間連接有一個電阻，Zl、Z2端分別各自連接一個二極體負極，二極體正極接地；兩個PMOS管PU P2柵極相連並接地，漏極相連並連接到NMOS管NI的源極，PMOS管Pl源極接Z2端，PMOS管P2源極接PMOS管P3柵極，PMOS管P3源極、漏極通過短接電阻相連，PMOS管P3源極接Z3端；NM0S管NI的漏極接地，NMOS管NI的柵極由鉗位電路給出固定直流電壓。除MEMS電容外，其它組成部分均集成在一塊集成電路晶片中。微麥克風讀出方法，藉助於微麥克風讀出電路實現，並包括下列步驟當電路啟動時，電荷泵開始工作，通過MEMS轉化器耦合到晶片內部的電荷迅速增加，當Vin處的電壓大於500mV時，使PMOS管Pl與NMOS管NI均導通，且均工作在飽和區，電荷從PMOS管Pl經過NMOS管NI迅速釋放到地，當Vin處的電壓降低到500mV以下的時候，使PMOS管Pl工作在亞閾值區，使NMOS管NI工作在線性區，電荷釋放的速度有所減慢，但是仍然能夠比較快速釋放，當Vin處的電壓降低到250mV以下得時候，PMOS管Pl工作在截止區，使NMOS管NI工作在線性區，此時使PMOS管Pl通路上利用微小的漏電流來釋放電荷，此時的PMOS管Pl為一個阻值很大的電阻，用來緩慢釋放電荷。本發明的技術特點及效果本發明採用MOS管、三極體、小電阻和二極體實現緩慢釋放電荷裝置，因而能夠集 成到集成電路中，並且功耗較小，在電荷較多的時候能夠迅速釋放電荷，建立時間能夠大幅度減小。
圖I.傳統MEMS微麥克風讀出電路的方法。圖2.新設計的MEMS微麥克風讀出電路的方法。圖3.最佳實施方式的電路結構圖。
具體實施例方式由於MEMS麥克風工作時,會在前置放大器的輸入部分積累電荷，因而需要一個釋放電荷的裝置，但是電荷釋放的過程不能太快，否則MEMS電容產生的交流信號會產生失真，因而需要一個緩慢的釋放電荷過程。本發明的目的是採用MOS管、三極體、小電阻和二極體來實現這種緩慢釋放電荷
>J-U裝直。圖2為新設計的MEMS微麥克風讀出電路的方法，在MEMS電容和前置放大器之間採用一個電路結構，同樣能夠使電荷緩慢釋放的功能。並且這個系統可以集成到集成電路裡面，佔用面積小，功耗低，省去了部分外圍電路。圖2中，本發明設置有MEMS電容，前置放大器，電荷泵，帶隙基準，放大器，濾波器，電荷泵給MEMS電容提供電荷，還包括有電荷釋放裝置，電荷釋放裝置的Zl、Z2、Z3端分別依次對應連接前置放大器的輸入端、MEMS電容輸出、電荷泵的輸出；Z1、Z2端之間連接有一個電阻，Z1、Z2端分別各自連接一個二極體負極，二極體正極接地；兩個PMOS管PU P2柵極相連並接地，漏極相連並連接到NMOS管NI的源極，PMOS管Pl源極接Z2端，PMOS管P2源極接PMOS管P3柵極，PMOS管P3源極、漏極通過短接電阻相連，PMOS管P3源極接Z3端；NM0S管NI的漏極接地，NMOS管NI的柵極由鉗位電路給出固定直流電壓。當給入一個偏置電流以後，A點的電壓值會穩定在一個點，為電源電壓VDD減去三極體導通電壓，這裡的電源電壓可以是1.5V-3.3V的任意值。這時，由A點控制的NMOS管(N-Mental-Oxide-Semiconductor, N型金屬-氧化物-半導體電晶體)導通使得存儲的電荷能夠通過這個NMOS管洩露到地。電路中NMOS管與PMOS管 (P-Mental-Oxide-Semiconductor, P型金屬-氧化物-半導體電晶體)閾值電壓均為500mV左右。當電路啟動時，電荷泵開始工作，通過MEMS轉化器耦合到晶片內部的電荷迅速增力口，當Vin處的電壓較高的時候(大於500mV)，P1管與NI管均導通，工作在飽和區，電荷從Pl經過NI迅速釋放到地，當Vin處的電壓降低到500mV以下的時候，Pl管工作在亞閾值區，NI管工作在線性區，電荷釋放的速度有所減慢，但是仍然能夠比較快速釋放，當Vin處的電壓降低到250mV以下得時候，Pl管工作在截止區，NI管工作在線性區，此時Pl通路上利用微小的漏電流來釋放電荷，此時的Pl管可以看做一個阻值很大的電阻，能夠起到圖I中電阻器R的作用，來緩慢釋放電荷。圖2中二極體和三極體都是作為ESD(Electro-Static discharge,靜電釋放)保護，防止瞬間高壓損壞器件。電荷泵通過一個當作電容來使用的耐高壓的MOS管來提供電荷。圖3為最佳實施方式的電路結構圖，各管尺寸如表I所示。圖中Zl接微麥克風讀出電路前置放大器的輸入端，Z2接MEMS電容，Z3接電荷泵的輸出。表I給出的是電路結構中各電晶體的尺寸。其中P1、P2、P3為普通的PMOS管，NI為普通的NMOS管。Ql與D1、D2作為ESD保護使用。表2給出的是電路結構中各電阻的阻值。當電源電壓為3.3V時，電路穩定後NI支路電流值約為0，Rl支路電流值為2. 59uA。表I
權利要求
1.一種微麥克風讀出電路，其特徵是，包括MEMS電容，前置放大器，電荷泵，帶隙基準，放大器，濾波器，電荷泵給MEMS電容提供電荷，還包括有電荷釋放裝置，電荷釋放裝置的ZU Z2、Z3端分別依次對應連接前置放大器的輸入端、MEMS電容輸出、電荷泵的輸出；Z1、Z2端之間連接有一個電阻，Z1、Z2端分別各自連接一個二極體負極，二極體正極接地；兩個PMOS管PU P2柵極相連並接地，漏極相連並連接到NMOS管NI的源極，PMOS管Pl源極接Z2端，PMOS管P2源極接PMOS管P3柵極，PMOS管P3源極、漏極通過短接電阻相連，PMOS管P3源極接Z3端；NM0S管NI的漏極接地，NMOS管NI的柵極由鉗位電路給出固定直流電壓。
2.如權利要求I所述的微麥克風讀出電路，其特徵是，除MEMS電容外，其它組成部分均集成在一塊集成電路晶片中。
3.一種微麥克風讀出方法，其特徵是，藉助於微麥克風讀出電路實現，並包括下列步驟當電路啟動時，電荷泵開始工作，通過MEMS轉化器耦合到晶片內部的電荷迅速增加，當Vin處的電壓大於500mV時，使PMOS管Pl與NMOS管NI均導通，且均工作在飽和區，電荷從PMOS管Pl經過NMOS管NI迅速釋放到地，當Vin處的電壓降低到500mV以下的時候，使PMOS管Pl工作在亞閾值區，使NMOS管NI工作在線性區，電荷釋放的速度有所減慢，但是仍然能夠比較快速釋放，當Vin處的電壓降低到250mV以下得時候，PMOS管Pl工作在截止區，使NMOS管NI工作在線性區，此時使PMOS管Pl通路上利用微小的漏電流來釋放電荷，此時的PMOS管Pl為一個阻值很大的電阻，用來緩慢釋放電荷。
全文摘要
本發明涉及有源電阻的傳感器讀出電路與其讀出方法。為實現微麥克風的集成化，本發明採取的技術方案是，微麥克風讀出電路及讀出方法當Vin處的電壓大於500mV時，使PMOS管P1與NMOS管N1均導通，電荷從PMOS管P1經過NMOS管N1迅速釋放到地，當Vin處的電壓降低到500mV以下的時候，使PMOS管P1工作在亞閾值區，使NMOS管N1工作在線性區，電荷釋放的速度有所減慢，當Vin處的電壓降低到250mV以下得時候，此時的PMOS管P1為一個阻值很大的電阻，用來緩慢釋放電荷。本發明主要應用於微麥克風設計製造。
文檔編號H04R3/00GK102685641SQ201210163510
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月22日 優先權日2012年5月22日
發明者於海明, 史再峰, 姚素英, 徐江濤, 陳思海, 高靜 申請人:天津大學