麥克風系統和放大電路的製作方法

2023-10-11 09:14:19 2

本發明涉及麥克風領域，具體而言，涉及麥克風系統和放大電路。

背景技術：

微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是一種在半導體製造技術的基礎上發展起來的、融合了光刻、腐蝕、薄膜、矽微加工、非矽微加工和精密機械加工等技術而實現的高科技電子機械系統。MEMS系統一般包括一個用於將其他物理信號轉換為電信號的微機械敏感結構及其相關電路。為滿足人民群眾日益增長的物質文化需求，MEMS系統的體積、成本、靈敏度、線性度等指標也在不斷地優化提高。

MEMS麥克風因其體積小、適於表面貼裝等優點而被廣泛地應用於各種電子裝置，例如：手機、MP3、錄音筆和監聽器材等。當前的MEMS麥克風系統中包含的敏感結構通常為電容式MEMS麥克風傳感器，該敏感結構主要包括一個薄且有彈性的聲學振膜和一個剛性的背極板，從而背極板、聲學振膜以及二者之間的空氣隙共同組成了電容器，用於將聲波信號轉換為電信號。在MEMS麥克風系統中，由於微機電麥克風根據感應到的聲波信號而直接輸出的電信號十分微弱，因此在微機電麥克風系統中通常需要放大電路對微機電麥克風輸出的電信號進行放大。

MEMS麥克風系統的信噪比等於麥克風的靈敏度與系統總噪聲的比值。MEMS麥克風系統中的噪聲的主要來源是：敏感結構的噪聲來源以及電路部分的噪聲來源。

隨著智慧型手機和智能家居的普及，一方面，人們對微機電麥克風系統的信噪比的要求越來越高，另一方面，一般的應用場合都需要在麥克風工作帶寬內的頻率響應較為平坦，否則麥克風採集到聲波信號的音色在相應的不平坦的頻段也會有所變形，導致聲波信號在轉換為電信號過程中的保真度受到影響。現有技術中，通常通過改變敏感結構或者封裝的物理參數的方法以降低敏感結構的噪聲以及提高系統靈敏度在頻帶內的平坦度，例如修訂封裝後腔形狀與尺寸、改變敏感結構參數等。然而，由於受封裝尺寸和敏感結構加工工藝限制，現有技術在實施時具有一定的難度。例如，隨著封裝尺寸越來越小，敏感結構的後腔體積可以增大的範圍越來越有限；通過減小敏感結構振膜厚度以改變敏感結構參數的方法也會給MEMS加工廠帶來很大的加工難度。

因此，期待在避免增大加工難度的同時進一步提升麥克風系統的信噪比，並增大系統靈敏度在頻帶內的平坦度。

技術實現要素：

本發明提供一種麥克風系統和放大電路，用於在避免增大加工難度的同時進一步提升麥克風系統的信噪比，並增大系統靈敏度在頻帶內的平坦度。

為達到上述目的，根據本發明的第一方面，提供了一种放大電路，包括：緩衝電路，用於對第一電壓信號緩衝得到第二電壓信號；調理電路，用於接收所述第二電壓信號並輸出第三電壓信號，以及驅動電路，用於對第三電壓信號進行驅動得到輸出電壓信號，其中，所述調理電路與所述驅動電路共同形成或者所述調理電路單獨形成有源濾波結構，所述有源濾波結構的頻率特性對第二電壓信號在目標頻帶內的頻率特性提供補正，使得所述麥克風系統在目標頻帶內實現噪聲優化和頻率響應平坦化。

優選地，所述有源濾波結構具有低通特性或者帶阻特性。

優選地，所述調理電路與所述驅動電路共同構成一階或多階的開關濾波結構。

優選地，所述調理電路包括：時鐘模塊，用於輸出互不交疊的第一時鐘信號和第二時鐘信號；第一電容與第二電容，所述第一電容與所述第二電容各有一端接地；串聯的第一開關和第二開關，所述第一開關與所述第二開關分別受控於所述第一時鐘信號和第二時鐘信號，所述第一開關與所述第二開關的公共端與所述第一電容的非接地端相連，所述第一開關的非公共端接收所述第二電壓信號，所述第二開關的非公共端與所述第二電容的非接地端相連並提供第三電壓信號。

優選地，所述驅動電路包括：運算放大器，其正輸入端接收所述第三電壓信號，其輸出端提供所述輸出電壓信號；第三電容、第四電容以及電阻，所述第四電容與所述電阻並聯後連接於所述運算放大器的輸出端與負輸入端之間，所述第三電容一端接地、另一端與所述運算放大器的負輸入端相連。

優選地，所述調理電路包括跨導運算放大器，所述調理電路與所述驅動電路共同構成一階或多階跨導電容濾波結構。

優選地，所述驅動電路包括運算放大器以及多個無源元件，所述運算放大器的輸入端與所述調理電路的輸出端相連，所述運算放大器的輸出端提供所述輸出電壓信號。

優選地，所述放大電路由集成電路實現。

根據本發明的另一方面，提供了一種麥克風系統，包括：具有聲孔的封裝殼及其形成的腔體；位於所述腔體內的敏感結構，用於將聲波信號轉換為所述第一電壓信號；位於所述腔體內的電壓控制電路，用於提供偏置電壓至所述敏感結構；以及位於所述腔體內的如上所述的任一种放大電路，用於根據所述第一電壓信號產生所述輸出電壓信號。

優選地，所述電壓控制電路與所述放大電路由單片集成電路實現。

相比於現有的麥克風系統及其放大電路，本發明提供的麥克風系統和放大器電路通過添加調理電路實現了對高頻信號的抑制，從而在濾除一部分高頻噪聲、提升了信噪比的同時，由於調理電路的頻率特性對敏感結構的頻率特性進行了補正，從而使得麥克風系統的頻率特性能夠在目標頻帶內基本實現平坦，即在目標頻帶內麥克風系統對接收到的不同頻率的聲波信號的靈敏度相近，使得麥克風系統能夠在將聲波信號更轉換為電信號時避免輸出電壓信號隨聲波頻率的變化出現較大的幅度波動。並且，相比於現有技術，本發明提供的麥克風系統和放大電路具有設計靈活與低成本的優點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出了一種現有的麥克風系統的示意性框圖。

圖2示出了現有的麥克風系統的頻率響應曲線的示意圖。

圖3示出了現有的麥克風系統的A加權噪聲譜示意圖。

圖4示出本發明第一實施例的麥克風系統的示意性框圖。

圖5示出本發明第一實施例的調理電路的結構示意圖。

圖6a示出本發明第一實施例的第二電壓信號幅度值A1與聲波信號頻率之間的關係示意圖。

圖6b示出本發明第一實施例的輸出電壓信號幅度值A2與聲波信號頻率值之間的關係示意圖。

圖7示出本發明第一實施例一種替代實施例的結構示意圖。

圖8示出了本發明第二實施例的MEMS麥克風系統的結構示意圖。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細地描述本發明。在各個附圖中，相同的元件採用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪製。此外，在圖中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本發明的許多特定的細節，例如器件的結構、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本發明。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節來實現本發明。

下面，參照附圖對本發明進行詳細說明。

圖1示出了一種現有的麥克風系統的示意性框圖。

如圖1所示，該現有的麥克風系統1000包括敏感結構1100、電壓控制電路1200以及放大電路1300。

電壓控制電路1200對敏感結構1100提供偏置電壓Vbias。敏感結構1100為MEMS麥克風傳感器，其主要結構是一個由振膜、背極板以及二者之間的空氣隙構成的電容器，所述電容器能夠在偏置電壓Vbias的作用下將聲波信號轉換為第一電壓信號Vin。放大電路1300對第一電壓信號Vin進行緩衝與驅動，得到輸出電壓信號Vout。

麥克風的頻率特性是指麥克風的輸出相對幅度隨著聲波信號頻率的分布，可以用頻率響應曲線來表示，用來表示靈敏度與音頻頻率之間的關係。其中，麥克風的靈敏度代表麥克風將聲音能量轉換成電壓後所產生的輸出電壓的幅度值，是在麥克風單位聲壓激勵下輸出電壓與輸入聲壓的比值。麥克風的帶寬是指麥克風感應聲波頻率的範圍。

A加權(A-Weighted)是一種用於音頻測量的標準權重曲線，用於反映人耳的響應特性，其標準由美國標準協會在20世紀40年代制定，用於描述人耳對於不同頻段聲音變化敏感程度。

圖2示出了現有的麥克風系統的頻率響應曲線的示意圖。圖3示出了現有的麥克風系統的A加權噪聲譜示意圖。

如圖2所示，現有的麥克風系統的頻率響應曲線表達了該系統在接收不同頻率的聲波信號時的靈敏度S。可以看到當輸入的聲波頻率在20Hz至8kHz的範圍內時，頻率響應曲線接近平坦，即該麥克風系統能夠根據該頻段內不同頻率的聲波信號生成幅度值近似的輸出電壓信號，實現穩定輸出；但是，當輸入的聲波頻率大於8kHz時，由於受到敏感結構1100的參數以及封裝的影響，頻率響應曲線出現了明顯的波動，即該麥克風系統根據該頻段內不同頻率的聲波信號所得到的輸出電壓的幅度值之間有明顯的差別，這不僅僅會影響到後續電路對輸出電壓信號的處理，而且會增大高頻噪聲使得信噪比降低。例如圖3所示的A加權(A-weighted)噪聲譜中，由於麥克風系統對該頻率信號的靈敏度更高，因此高頻段的噪聲N同樣被明顯放大，導致高頻噪聲十分明顯。因此，一般希望麥克風系統的靈敏度在人耳可識別的聲波信號的頻率範圍內(20Hz至20kHz)是平坦的。

為增強MEMS麥克風系統的靈敏度在目標頻率範圍內的平坦度、提升信噪比，現有的手段包括修訂封裝後腔形狀尺寸以及敏感結構的參數。然而由於封裝尺寸和敏感結構加工工藝的限制，上述手段的實施具有一定的難度。例如，隨著封裝尺寸的減小，封裝後腔形狀的增大範圍會受到限制；同時，改變振膜厚度等敏感結構參數也會給MEMS加工廠帶來很大的加工難度。

圖4示出本發明第一實施例的麥克風系統的示意性框圖。

如圖4所示，本發明第一實施例的麥克風系統包括敏感結構2100、電壓控制電路2200和放大電路2300。

電壓控制電路2200對敏感結構2100提供偏置電壓Vbias。敏感結構2100為MEMS麥克風傳感器，其結構主要包括由振膜、背極板以及二者之間的空氣隙構成的電容器，所述電容器能夠在偏置電壓Vbias的作用下將聲波信號轉換為第一電壓信號Vin。放大電路2300對第一電壓信號Vin進行緩衝與驅動，得到輸出電壓信號Vout。

電壓控制電路2200例如包括基準電壓源(Reference Voltage Source)、電荷泵(Charge Pump)，用於產生穩定的偏置電壓Vbias。同時，電壓控制電路2200也可以為放大電路230提供供電電壓(未畫出)。

與現有技術不同的是，放大電路2300不僅包括緩衝電路2310和驅動電路2320，還包括調理電路2330。

緩衝電路2310例如為電壓跟隨器，其具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，從而能夠將與緩衝電路連接的前級電路與後級電路隔離，避免信號之間的串擾；同時，可以利用緩衝電路2310輸出阻抗低的特性實現其與後級電路的阻抗匹配，從而降低後續處理可能帶來的噪聲、提升後級電路的性能。

調理電路2330與驅動電路2320共同構成開關電容濾波結構(Switched Capacitor Filter,SCF)，用於對第二電壓信號Vin_N的頻域進行處理得到目標頻帶內輸出電壓幅度值平坦的輸出電壓信號Vout。由於驅動電路2320所輸出的輸出電壓信號Vout在目標頻帶內的電壓幅度值趨於平坦，因此輸出電壓信號Vout的信噪比得到提升。必要時，驅動電路2320可以輸出差分信號。

圖5示出本發明第一實施例的調理電路和驅動電路的結構示意圖。

如圖5所示，調理電路2330和驅動電路2320共同構成開關電容濾波結構。

調理電路2330包括時鐘模塊2331、開關K1和K2、電容C1以及電容C2，時鐘模塊輸出第一時鐘信號clk1和第二時鐘信號clk2，分別用於控制開關K1的導通與關斷以及開關K2的導通與關斷。開關K1與開關K2串聯的中間節點與電容C1的一端相連，開關K1的另一端接收第二電壓信號Vin_N，開關K2的另一端與電容C2的一端相連並輸出第三電壓信號Vin_L。電容C1與電容C2的另一端均接地。開關K1和開關K2例如由MOSFET實現。

驅動電路2320包括運算放大器OP、電容C3、電容C4以及電阻R1。並聯的電容C4與電阻R1連接在運算放大器OP的輸出端與負輸入端之間，電容C3的一端接地，另一端與運算放大器OP的負輸入端連接。運算放大器的正輸入端接收調理電路2330輸出的第三電壓信號Vin_L。運算放大器的輸出端提供輸出電壓信號Vout。

在上述調理電路2330與驅動電路2320中，開關電容濾波結構例如實現低通特性。其中，由時鐘模塊2331提供的第一時鐘信號clk1和第二時鐘信號clk2互為不交疊且頻率為f的時鐘，在第一時鐘信號clk1與第二時鐘信號clk2的控制下，開關K1與開關K2根據頻率f不斷地導通或斷開：當開關K1在第一時鐘信號clk1的作用下導通時，開關K2斷開，電容C1充電到第二電壓信號Vin_N；當開關K2在第二時鐘信號clk2的作用下導通時，開關K1斷開，電容C1向電容C2充電，使得運算放大器OP的正輸入端達到第三電壓信號Vin_L的電壓值，傳輸的總電荷為C1(Vin_L-Vin_N)，流向運算放大器OP正輸入端電壓Vin_L的平均電流為I＝C1(Vin_L-Vin_N)*f，根據歐姆定律，可知在時鐘模塊2331的控制下，開關K1、開關K2以及電容C1形成的等效電阻Req＝1/(C1*f)，從而對第二電壓信號Vin_N實現低通濾波。

上述調理電路2330可以由單片集成的開關電容濾波器實現。

圖6a示出本發明第一實施例的第二電壓信號幅度值A1與聲波信號頻率之間的關係示意圖，圖6b示出本發明第一實施例的輸出電壓信號幅度值A2與聲波信號頻率值之間的關係示意圖。

通過對如圖2所示的現有的麥克風系統中的頻率響應曲線以及傳遞函數進行分析可以得知，當本發明第一實施例在現有的麥克風系統的基礎上加入的調理電路的截止頻率約為8kHz時，如圖6b所示，調理電路2330與驅動電路2320能夠在頻域上對第二電壓信號Vin_N的高頻噪聲進行壓制，使得輸出電壓信號Vout在20Hz至20kHz的頻率範圍內大致實現平坦。

需要說明的是，在上述調理電路2330和驅動電路2320的描述中，開關電容濾波結構實現了低通特性。作為一種替代的實施例，開關電容濾波結構可以為具有相應的帶阻特性的濾波器(Bandstop Filters,BSF)。同時，調理電路2330與驅動電路2320實現的開關電容濾波結構不限於上述實施例中描述的開關電容濾波結構。

為避免開關電容濾波結構引入摺疊噪聲，可以通過合理設計時鐘頻率和電容容值實現低電路噪聲與整體上的高信噪比之間的折中。

採用開關電容濾波結構的優點是：當時鐘頻率一定時，開關電容濾波結構的頻率特性取決於電容的比值；電路結構確定後，開關電容濾波結構的特性僅與時鐘頻率有關，改變時鐘頻率即可改變其濾波特性；開關電容濾波結構可直接處理模擬信號，而不必像數字濾波器那樣需要A/D、D/A轉換，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性；開關電容濾波結構便於連接為多階的濾波結構，從而易於調整調理電路的頻率特性。因此，開關電容濾波結構可以很容易地實現高階低通特性或者與MEMS麥克風傳感器的頻響互補的頻響特性，具有很高的靈活性。

上述實施例的採用了開關電容濾波結構對高頻信號進行了抑制，從而在濾除一部分高頻噪聲、提升了信噪比的同時，由於調理電路2330與驅動電路2320形成的開關電容結構的頻率特性能夠對敏感結構2100的頻率特性進行補正，從而本發明實施例麥克風系統的頻率響應曲線在目標頻率範圍內能夠實現平坦，即在目標頻率範圍內麥克風系統2000對應接收到的頻率不同的聲波信號的靈敏度相近，使得麥克風系統能夠將聲波信號更真實地轉換為電信號而避免出現輸出電壓信號隨聲波頻率的變化出現較大的幅度波動。

圖7示出本發明第一實施例一種替代實施例的結構示意圖。

如圖7所示，作為一種替代的實施例，驅動電路包含運算放大器OP、由該運算放大器的正輸出端反饋至負輸入端的電容C4以及由該運算放大器的負輸出端反饋至正輸入端的電容C5，調理電路2330包含跨導運算放大器OTA，調理電路2330與驅動電路2320共同形成跨導電容濾波結構。其中，所述跨導運算放大器OTA的正輸入端與負輸入端分別接收所述第二電壓信號Vin_N的差分信號Vin_N_p和Vin_N_n，所述跨導運算放大器OTA的正輸出端與負輸出端分別與所述驅動電路中的運算放大器OP的負輸入端與正輸入端相連，所述驅動電路中的運算放大器OP的正輸出端與負輸出端分別提供輸出信號Vout的差分信號Vout_p和Vout_n。由於跨導電容濾波結構的帶寬連續可調，因此可以通過對跨導電容的跨導值得精確調整實現高精度的傳輸特性，並且由於跨導電容濾波結構的功耗低，因此通過本替代實施例能夠在具有低功耗的同時實現低通濾波或帶阻濾波的特性。

需要說明的是，由調理電路2330和驅動電路2320構成的跨導電容濾波結構可以具有低通濾波特性或者帶阻濾波特性，並且不限於上述結構。

圖8示出了本發明第二實施例的MEMS麥克風系統的結構示意圖。

如圖8所示，MEMS麥克風系統2000中包括封裝殼400及其形成的腔體700以及位於腔體600內的敏感結構2100、電壓控制電路以及包括有源濾波結構的放大電路，其中所述電壓控制電路和所述放大電路例如由集成電路500實現。其中，封裝殼上與敏感結構對應的位置存在聲孔410，用於對敏感結構提供聲音信號的通道。所述放大器的有源濾波結構例如為具有低通或帶阻特性的開關電容濾波器或者具有低通或帶阻特性的跨導電容濾波結構，所述有源濾波器的頻率特性能夠對所述敏感結構的頻率特性實現補正，使得高頻噪聲得到抑制、信噪比得到提升，並且使得麥克風系統的頻率響應曲線在目標頻率範圍內實現平坦。

綜上，本發明的有益效果在於：採用了有源濾波器對高頻信號進行了抑制，從而在濾除一部分高頻噪聲、提升信噪比的同時，使得麥克風系統的頻率響應曲線在目標頻率範圍內能夠實現平坦，即在目標頻率範圍內麥克風系統對接收到的不同頻率的聲波信號的靈敏度相近，從而麥克風系統能夠在將聲波信號轉換為電信號時避免輸出電壓信號隨聲波頻率的變化出現較大的幅度波動，同時，相比於現有技術，本發明具有簡便與低成本的優點。

需要說明的是，根據麥克風系統的用途，本說明書中所述的目標頻帶例如為人耳可接受的聲波信號的頻率範圍，約為20Hz至20kHz，該頻帶內的高頻信號的頻率範圍可以為8kHz至20kHz。當然，也可以按照需求將目標頻帶和高頻信號的頻率設置為其他的頻率範圍。

本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程並不一定是實施本發明所必須的。

本領域普通技術人員可以理解：實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布於實施例的裝置中，也可以進行相應變化位於不同於本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合併為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。

應當說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。