用於微型機電聲音轉換器的偏置電路及相關偏置方法

2023-05-24 07:33:41 2

專利名稱：用於微型機電聲音轉換器的偏置電路及相關偏置方法
技術領域：
本發明涉及一種用於聲音轉換器的偏置電路，特別是一種MEMS(微型機電系統)型的容性擴音器，接下來的說明將明確參考這種MEMS類型，這並不意味著喪失任何一般 性。本發明進一步涉及一種用於偏置聲音轉換器的方法。
背景技術：
眾所周知，電容型的聲音轉換器，例如MEMS擴音器，一般包括振動膜或隔膜形式 的可動電極，可動電極面對固定電極設置以便提供可變電容的感應電容器的極板。該可動 電極一般通過其周邊部分固定到基底，同時其中心部分響應於入射聲波施加的壓力而自由 移動或彎曲。該可動電極和該固定電極形成電容器，並且構成可動電極的隔膜的彎曲引起 所述電容器電容值的變化。使用時，電容值根據待檢測的聲音信號發生變化，該電容值的變 化被轉換成電信號，該電信號被作為聲音轉換器的輸出信號。更具體地，參考圖1，一種已知類型的MEMS容性擴音器1，包括由例如矽的半導體 材料製成的基底2 ；在基底2上具有一空腔3 (通常稱為「後腔」)，空腔3例如從後部通過化 學蝕刻形成。隔膜，或振動膜4，耦合至基底2並且在頂部靠近後腔3。隔膜4是撓性的，且 在使用時，根據來自後腔3的入射聲波的壓力產生變形。剛性板5 (通常稱為「背板」)通過 插入間隔物6(例如由比如二氧化矽的絕緣材料製成)面向並設置在隔膜4上。背板5構 成具有可變電容的電容器的固定電極，其中可動電極由隔膜4形成；背板5具有多個比如為 圓形截面的孔7，將孔7設計成使得空氣可在隔膜4的方向上自由循環流通。容性擴音器，特別是MEMS擴音器，要求合適的電偏置，以便用作將聲音信號轉換 成電信號的轉換器。具體地，為了確保在通常應用下充足的性能水平，它要求擴音器偏置為 高電壓(例如15V-20V)，一般比施加給相應的讀取電路的電壓(比如，邏輯電壓1.6V-3V) 要高的多。為此，通常需要使用電荷泵升壓電路(一般稱為「電荷泵」)，其使用集成技術制 成，其能夠從較低值的參考電壓生成高電壓。一般的電路結構(圖2中所示)包括一個電荷泵級，示例中整體地用標記8概略 地示出，其直接連接到MEMS擴音器1(由可變電容值電容器的等效電路概略地表示)的第 一端子m (比如，由背板5組成)，以便提供高值的偏置電壓。MEMS擴音器1的第二端子 N2(例如，由隔膜4組成)卻連接到讀取電路(還可稱為「前端電路」)的高阻抗輸入，圖中 讀取電路概略地表示為放大器級9(繼而，其高阻抗通過連接在第二端子N2和參考電壓節 點之間的一般具有IOOGQ到100ΤΩ之間的電阻值的輸入電阻器10來概略地表示，該參考 電壓節點在示例中與偏置電路的接地點相同)。然而，這種電路設置嚴重地受限於降低的信噪比，這是由於在正常操作中電荷泵 級8的輸出端處可能的「紋波」以及相同電荷泵產生的噪音未經任何衰減加入到MEMS擴音 器1根據檢測到的聲音信號而產生的電信號。為了克服上述缺陷，提出了一種替代性的電路設置(圖3所示)，其中在電荷泵級 8的輸出端和MEMS擴音器1的第一端子m之間設置一個RC結構的低通濾波器12，以便適當地衰減在電荷泵級的輸出端的噪音和紋波。具體地，該低通濾波器12由連接在電荷泵級 8的輸出端和MEMS擴音器1的第一端子m之間的濾波電阻器13和連接在相同第一端子 Nl和該偏置電路的接地端子之間的濾波電容器14組成。然而，已經示出，為了使低通濾波器有效地工作並且能夠獲得MEMS擴音器1的適當偏置，該低通濾波器12必須有一個等於或優選地低於IHz的頻率下的極(pole)。為此， 濾波電阻器13必須具有一個極高的電阻值，例如在IOOGQ到100T Ω之間。考慮到眾所周知在集成電路技術中獲取如此高電阻值的電阻器是不可能的，因而 已經提出了利用能夠提供所需的高電阻值的非線性裝置。例如，為此已經提出了利用反並 聯結構的一對二極體，當在它們兩端施加所需值的電壓降時(該值取決於技術，比如小於 IOOmV)產生相當高的電阻值。如圖4中所示，濾波電阻器13和輸入電阻器10從而分別由各自的一對反並聯結 構的二極體提供。具體地，濾波電阻器13具有第一二極體13a和第二二極體13b，第一二極體13a的 陽極連接到電荷泵級8的輸出端且其陰極連接到第一端子Ni，第二二極體13b的陽極連接 到第一端子附且其陰極連接到電荷泵級8的輸出端。輸入電阻器10具有單獨的第一二極 管IOa和單獨的第二二極體10b，第一二極體IOa的陰極連接到第二端子N2且其陽極連接 到由Vref表示的參考電壓，第二二極體IOb的陰極連接到參考電壓Vref且其陽極連接到 第二端子N2。這種電路結構的主要問題通常表現為一般而言是偏置電路具體是低通濾波器12 的長的啟動時間，這主要是由於存在反並聯結構連接的二極體對以及由此產生的高電阻 值。這種結構的建立(settling)時間可以容易地持續幾分鐘或者甚至幾小時。在這個建 立時間結束之前，即在該電路的整個啟動時間裡，並不能確保低通濾波器12的正確操作， 類似地也不能確保MEMS擴音器1的端子Ni，N2的正確偏置。因此，在啟動時間期間，由讀 取電路檢測到的與MEMS擴音器1相關的敏感度產生不可避免的、甚至是相當大的變化。具體地，如圖5中所示，第一端子m (由Vl表示)的電壓朝著期望的偏置電壓值 慢慢移動，該偏置電壓值等於電荷泵級8提供的泵電壓(由Vcp表示)，同時第二端子N2的 電壓(由V2表示)朝著參考電壓Vref (圖5中反並聯結構的二極體對10a，IOb兩端的電 壓降由Vd表示)的值慢慢地移動。只有在漫長的啟動時間結束後，第一和第二端子m，N2 的電壓才穩定在期望的偏置電壓(穩定態狀況)。可見，在通常使用MEMS擴音器1的狀態下，如此長的延遲時間是不能接受的，相 反，必須確保正常的性能(以及，特別是基本不變的敏感度)，以及在打開集成有該MEMS擴 音器的電子裝置以及從所謂的「斷電」狀態(在此期間該裝置的一部分被關閉以確保節能 狀態)恢復時具有極短的延時。對這個進一步問題的可能的解決方法(如圖6中所示)是，提出另外使用一個高 通濾波器級15，其串聯連接到放大器級9(其構成了與MEMS擴音器1相關的讀取電路的第 一信號處理級)的輸出端，以便「掩藏(mask)」該偏置電路的長的建立時間。然而，這個方 法仍不能避免缺點，特別是由於佔用面積較大，所形成的讀取接口的電路複雜，以及由另外 的濾波級引起的可能的失真等問題。

發明內容
因此，本方面的目的是提供一種將能夠克服上述缺陷的用於聲音轉換器的偏置電路。根據本發明，一種用於聲音轉換器的偏置電路包括偏置端子，被設計成用於接收來自升壓級的升壓電壓，該升壓電壓用於偏置所述 聲音轉換器的第一端子；以及濾波裝置，配置成設置在所述偏置端子和所述聲音轉換器之間，且配置成執行對 所述升壓電壓上的幹擾的濾波，特徵在於包括開關(switch)裝置，其可操作為在所述偏置電路的啟動階段期間 將所述第一端子直接地連接到所述偏置端子，並且一旦所述啟動階段結束就通過所述濾波 裝置將所述第一端子連接到所述偏置端子。


為了更好地理解本方面，這裡利用僅為非限制性的實例並參考

書來描述 優選的實施例，其中-圖1是一種已知類型的容性聲音轉換器的概略橫截面圖；-圖2是一種已知類型的MEMS擴音器的偏置電路的方框圖；-圖3示出了另一種已知類型的偏置電路的方框圖；-圖4示出了在集成技術中圖3所示偏置電路的可能的實施方式；-圖5示出了圖4中偏置電路的某些電氣量的曲線圖；-圖6示出了圖4中偏置電路的變化的實施例，其仍是已知的類型；-圖7示出了根據本發明一個方面的容性聲音轉換器的偏置電路的示意性方框 圖；-圖8示出了圖7中電路的某些電氣量的曲線圖；-圖9是呈現在圖7中的電路的邏輯定時電路的一種可能的電路實施例的概略性 的實施例；-圖10示出了圖7中偏置電路的可能實施例；-圖11示出了圖10中偏置電路的驅動級的電路實施例；-圖12示出了配置有容性聲音轉換器和圖7中的偏置電路的電子裝置的簡略方框 圖；以及-圖13示出了根據本發明的另一個實施例的容性聲音轉換器的偏置電路的概略 性的方框圖。
具體實施例方式如下文中清楚地描述的那樣，本發明的一個方面設想針對聲音轉換器的偏置電 路，特別是對電容型的MEMS擴音器，引入一個在啟動階段期間的操作狀態(一旦啟動或從 斷電狀態恢復)，其中MEMS擴音器的一個或兩個端子直接達到(brought to)期望的偏置電 壓，以便實現相同端子的電壓快速建立(以及耦合至聲音轉換器的濾波級的初始化)。在啟 動階段結束時(因此，其比傳統的解決方法快速得多)，MEMS擴音器的一個或兩個端子連接至高阻抗，它或者與濾波電阻器相連，或者與相應的讀取放大器級的輸入相連。具體地，如圖7中所示(其中與已經描述過的元件類似的元件用相同的參考標 記)，根據本發明的偏置電路的一個實施例，整體上用20表示，再次使用了低通濾波器12， 將其布置在此處由8a表示的電荷泵級8的輸出端子和MEMS擴音器1的第一端子m之間， MEMS擴音器1的第二端子N2再次連到了放大器級9的輸入電阻器10上。不同於已知類型(例如，圖3中所示類型)的偏置電路，該實施例中設想使用第 一開關21，其與濾波電阻器13並聯連接並且因此能夠選擇性地激勵以在該MEMS擴音器1 的第一端子附和電荷泵級8 (設定在泵電壓Vcp處)的輸出端子8a之間提供一個直接的 低阻抗連接；以及第二開關22，其與輸入電阻器10並聯連接並且因此能夠選擇性地激勵以 在該MEMS擴音器1的第二端子N2和參考電壓Vref之間提供一個直接的低阻抗連接。具體地，第一和第二開關21、22從控制邏輯23 (其被概略地示出，並且例如包括適 當的計數器和計時器)接收適當的控制信號(圖7中由S1和S2表示)，以這種方法使得在 偏置電路20的啟動階段保持閉合，從而確保該MEMS擴音器1的端子m和N2的電壓快速 穩定在期望的偏置值；以及以這種方式使得該偏置電路20在隨後的正常操作的階段期間 保持打開，從而確保端子m、N2的適當偏置以及由低通濾波器12對電荷泵級8的輸出進行 的濾波操作。只有在MEMS擴音器1的端子m和N2分別達到了期望的偏置電壓，即泵電壓 Vcp和參考電壓Vref之後，啟動階段才終止。在這種方式中，進一步還可「重置(reset)」 濾波器，也即，確保低通濾波器12在啟動時或從斷電條件到恢復時用最少的時間延遲來達 到正確的操作區域。更具體地，控制信號S1和S2的定時(其可是同相的或略微異相，以保證一個相對 系統參量的變化的更大的電阻)由控制邏輯23以這樣的方式產生，使得確保只有在泵電壓 Vcp已經有效地達到它最終的穩態值時，它們才從高電平切換到低電平。例如，圖8示出了控制信號S1在該條件下的可能的定時(在這種情況下控制信號 S2與控制信號S1是相同的)。具體地，在這種情況下，在從斷電狀態退出時(當斷電信號 PD從高電平切換到低電平時，指示該情況)，控制信號S1保持高電平足夠的時間，以保證電 荷泵級8已經達到正確的工作點(並且從而該泵電壓Vcp已經達到最終的穩態值)。只有 在這種延遲間隔已經過去，控制信號S1才切換到低電平，從而打開相應的開關。這種定時條件可以通過比如，在控制邏輯23中使用數字計數器來保證，該數字計 數器由斷電信號PD和時鐘信號CK啟動，將產生控制信號S 1，在切換斷電信號PD後延遲足 夠的時間後才切換。可替換的，可以使用來自斷電信號PD的信號差來啟動該數字計數器。一種可能的替換方案例如是如圖9中所示的。在這個方案中，控制邏輯23包括 數字計數器23a，其接收時鐘信號CK並且在輸出端提供控制信號Sl，S2。用於數字計數器 23a的啟動信號由閾值比較器23b產生，該比較器比較部分電壓Vpart和具有期望參考值的 比較電壓Vr，其中該部分電壓Vpart利用電阻分壓器23c從電荷泵級8的輸出端的泵電壓 Vcp獲得。使用時，只有在泵電壓Vcp已經超過某一電平(其一般都被設定得靠近穩定態電 平)後，數字計數器23a才開始計數，以便確保總是在電荷泵級8已經達到穩態條件並進行 適當的延遲後，控制信號SI、S2才從高電平切換到低電平。本發明的另一個方面包括提供開關21、22的電路實施方式，以便防止引入在
8正常操作條件下可能損害低通濾波器12性能的寄生元件。該電路實施方式還可設計 (envisage)成使用具有反並聯結構的二極體對來提供濾波電阻器13和輸入電阻器10，以 及適當地使用(N溝道或P溝道)M0S電晶體來實現反並聯結構中的二極體和開關21、22。更具體地，並且參考圖10，該偏置電路20包括二極體結構中的第一 nMOS電晶體 25，其連接在電荷泵級8的輸出端子8a和該MEMS擴音器1的第一端子附之間，並且其柵 極端子連接到漏極端子；PM0S電晶體26，其與該第一 nMOS電晶體25並聯連接在電荷泵級 8的輸出端子8a和第一端子m之間，並且它的柵極接收輸出控制信號Controlout (該信 號的產生將在下面具體描述)。第一 nMOS電晶體25總是處於關斷狀態，以便提供(provide)(如圖10所示)用 於構成濾波電阻13的反並聯配置的二極體中的第一二極體13a。依據輸出控制信號Controlout的電平，pMOS電晶體26可以或者處於關斷(OFF) 狀態或者處於導通(0N)狀態，其中在關斷狀態以便提供(通過單獨的固有的本體二極體) 第二二極體13b，其與第一二極體13a以反並聯配置方式連接，並與其構成濾波電阻13 ；在 導通狀態以便使得第一端子m能夠直接偏置(具有低導通電阻Ron)在泵電壓Vcp，並在啟 動階段期間使得該同一端子的電壓能夠快速穩定。因此該PM0S電晶體26執行雙重功能， 即在偏置電路20中作為濾波電阻器13的第二二極體13b以及第一開關21，該第一開關21 與該同一濾波電阻器13並聯連接且設計用於短路該電阻器。該偏置電路20進一步包括一個高壓驅動級28，具有用於接收泵電壓Vcp的第一 輸入端子和用於接收輸入控制信號Controljn的第二輸入端子，輸入控制信號Control in具有邏輯電壓值(低邏輯值，例如等於0V，以及高邏輯值，等於邏輯電源電壓VDD，比如 1. 6V-3V)。該輸入控制信號Controljn，例如由控制邏輯23產生(比如，對應於第一控制 信號S1或第二控制信號S2)。高壓驅動級28被配置成用來(如下面所詳細描述的)從輸入控制信號Control in以及泵電壓Vcp產生輸出控制信號Controlout，從而具有適於驅動低通濾波器12 的PM0S電晶體26的兩個電壓電平。例如，輸出控制信號Controlout與輸入控制信號 Contro l_in同步地在高電壓電平或低電壓電平之間切換。該偏置電路20進一步包括二極體元件29，其可由二極體配置的BJT電晶體充當 (其提供反並聯配置的二極體對中的第一二極體10a，用作輸入電阻10)，該二極體元件29 連接在MEMS擴音器1的第二端子N2和參考電壓Vref節點之間；以及第三nMOS電晶體30， 其與該二極體元件29並聯連接在MEMS擴音器1的第二端子N2和參考電壓Vref節點之間， 並且該第三nMOS電晶體30的柵極端子接收輸入控制信號Controljn，即與提供給高壓驅 動級28的輸入端的相同的控制信號。根據輸入控制信號Controljn的狀態，該第三nMOS電晶體30或者處於關斷狀 態或者處於導通狀態，其中在關斷狀態以便提供(依賴單獨的固有本體二極體)第二二極 管10b，其與第一二極體10a以反並聯配置方式連接，並與第一二極體10a構成輸入電阻 10 ；在導通狀態以便使得第二端子N2能夠直接偏置(具有低的導通電阻Ron)在參考電壓 Vref,並在啟動階段期間使得該同一端子的電壓能夠快速穩定下來。並且，因此該第三nMOS 電晶體30執行雙重功能，即在偏置電路20中作為輸入電阻器10的第二二極體10b以及第 二開關22，該第二開關與該同一輸入電阻器10並聯且設計用於短路該電阻器。
9
使用時，由於開關21、22的存在，所描述的電路結構可以實現在啟動階段期間獲 得的MEMS擴音器1的端子m和N2的非常快速的建立時間；以及在啟動階段結束時，具有 非常小的值(mHz級)的較低截止頻率的恰當的低通濾波，且同時不引入寄生元件到MEMS 擴音器1中。本發明的又一方面包括提供高壓驅動級28的具體電路實施方式，其吸收極低的 電流吸收，因而不會危害電荷泵級8的運行。更具體地，參考圖11，高壓驅動級28具有兩側基本對稱的電路結構第一側(定 義輸出支路)連接到高壓驅動級28的輸出端(此處與內部節點A重合)和第一 nMOS晶體 管26的柵極端，並為其提供輸出控制信號Controlout。以下詳細地描述標識為28a的第一側，對於第二側28b (與第一支路28鏡像對稱) 的描述類似，不再重複，其中元件使用相同的參考標號跟上撇號來標識。第一側28a包括連接到用於提供參考電流的電流發生器34的共源共柵電流鏡32， 其通過適當的縮放因子使得在輸出支路上獲得期望值的偏置電流I。詳細地，共源共柵電流鏡32包括第一低壓nMOS電晶體32a，其連接在接地節點 和內部節點B之間並且使其柵極端連接到漏極端；第二低壓nMOS電晶體32b，其連接在接 地節點和內部節點C之間並且使其柵極端連接到第一低壓nMOS電晶體32a的柵極端；第一 高壓nMOS電晶體33a，連接在內部節點B和電流源34之間並且使其柵極端連接到漏極端； 以及第二高壓nMOS電晶體33b，連接在內部節點C和內部節點A之間並且使其柵極端連接 到該第一高壓nMOS電晶體33a的柵極端。第一側28a進一步包括一個輸出pMOS電晶體35以及與該輸出pMOS電晶體35並 聯的一個輸出支路36。該輸出pMOS電晶體35連接到內部節點A和接收泵電壓Vcp的高壓驅動級28的第 一輸入端之間，並且其柵極端連接到第二側28b (第一側28a和第二側28b各自的輸出pMOS 電晶體35、35'因此如圖11中所示按「交叉」結構布置)的相應的內部節點A'。輸出支路36由輸出電阻器37和輸出二極體38串聯連接形成，輸出二極體38的 陽極連接到輸出電阻器37且其陰極連接到內部節點A。第一側28a通過插入(interposition)邏輯反向器39 (在第二側28b中沒有邏輯 反向器39)連接到高壓驅動級28的第二輸入端(其接收輸入控制信號Controljn)，並且 進一步包括第一關斷nMOS電晶體40和第二關斷nMOS電晶體41。第一關斷nMOS電晶體40的漏極端連接到高壓nMOS電晶體33a、33b的共同的柵 極端，其源極端接地，並且其柵極端連接到該邏輯反向器39的輸出。第二關斷nMOS電晶體 41的漏極端連接到內部節點C，其源極端接地，且其柵極端也連接到該邏輯反向器39的輸
出o使用時，當輸入控制信號Controljn為邏輯低值時，邏輯反向器39的輸出為邏輯 高值，觸發第一和第二關斷nMOS電晶體40、41 ；並且因此禁用第一側28a的共源共柵電流 鏡32和輸出支路上偏置電流I的產生。相反，第二側28b的共源共柵電流鏡32 『被觸發，產 生流向內部節點A'的偏置電流I'，且使得第一側28a的輸出pMOS電晶體35導通。第一 側28a的內部節點A的電壓基本上上升為泵電壓Vcp的值，從而使輸出控制信號Control out為高值(基本與泵電壓Vcp —致)。
在這種情況下(其對應於偏置電路20的正常操作步驟)，第一開關21和第二開關 22都打開(此時第三nMOS電晶體30由輸入控制信號Controljn的低值關斷且pMOS晶體 管26由輸出控制信號Controlout的高值關斷)，從而使低通濾波器12工作並使MEMS擴 音器1的端子N1，N2正常偏置。相反，當輸入控制信號Controljn為邏輯高值時，第一側28a的共源共柵電流鏡 32被激活(並且同時第二側28b中的鏡像電流被禁用)，從而第一側28a的內部節點A上產 生偏置電流I。在這種情況下，第一側28a的輸出pMOS電晶體35關斷，且輸出支路36 (由 輸出電阻器37和輸出二極體38串聯組成)中的偏置電流I流通，產生電壓降，其值比如等 於1V-2V，這取決於偏置電流I的值和同一輸出電阻器37和輸出二極體38的大小。因此， 第一側28a的內部節點A的電壓到達泵電壓Vcp減去該電壓降的值，從而將輸出控制信號 Control_out降至相對於泵電壓Vcp的合適的邏輯低值。在這種情況下(對應於偏置電路20的啟動階段)，第一開關21和第二開關22都 閉合(從而此時第三nMOS電晶體30由輸入控制信號Controljn的高值導通且pMOS晶體 管26由輸出控制信號Controlout的低值導通)，從而使MEMS擴音器1的端子Nl，N2直 接連接至各自的偏置電壓。特別地，可以設定由共源共柵電流鏡32產生的偏置電流I，使得高壓驅動級28從 電荷泵級8吸收的電流可以忽略；例如偏置電流I的值低於lOnA。根據本發明的電路和偏置方法的優點從前面的描述中清楚地顯現。特別地，需要再次強調，其利用設置在電荷泵級和MEMS擴音器之間的低通濾波器 的特性，有可能減少輸出端的來自電荷泵級的噪音；並且由於所描述的開關的使用，該開關 可使MEMS擴音器的端子快速達到所需的偏置電壓(在啟動階段期間)，因而沒有犧牲導通 和建立速度，從而保證了恆定的電荷偏置。換句話說，獲得了極短的導通時間，並且保證了 MEMS擴音器基本恆定的敏感度， 特別是在啟動階段期間防止了敏感度的任何偏移。上述方案還能夠避免在與MEMS擴音器相關聯的讀取接口的放大級的輸出端使用 高通濾波器，同時避免了與使用該元件相關的已知的問題。而且，所描述的偏置電路可以使用高壓器件並利用通常的模擬電子技術進行集 成，這是由於它的操作不需要特殊的器件。上面概述的特性使得在圖12中所示出的(電子裝置50甚至還可以包括另一個 MEMS擴音器1，這裡未示出)電子裝置50中利用偏置電路20和相應的MEMS擴音器1特別 有優勢。該電子裝置50優選地可以是移動通信裝置(比如行動電話)、PDA、筆記本計算機， 或者還可以是錄音機，具有錄音功能的複讀機等。可選地，該電子裝置50可以是可在水下 工作的水中聽音器，或者是助聽設備電子裝置50包括微處理器51，連接到微處理器51的存儲單元52，以及輸入/輸 出接口 53，該接口配置有比如鍵盤和顯示器，並且也連接到微處理器51。該MEMS擴音器1 通過信號處理單元54與微處理器51通信，信號處理單元54包括讀取接口以及特別的前面 描述過的放大器9。而且，揚聲器56設置在該電子裝置50的聲音輸出端(未示出)以用於
發出聲音。最後，很顯然，在不脫離如所附權利要求書所限定的本發明的保護範圍的情況下，這裡所描述和解釋的實施例可以進行改變和變形。具體地，如圖13所示，這裡提供了一個用20'標記的偏置電路的替代實施例，其 中MEMS擴音器1的第一端子m同樣電耦合至電荷泵級8的輸出端8a (其中插入濾波電阻 器13)，同時該MEMS擴音器1的第二端子N2連接到參考電壓(具體為接地)。因此低通濾波器12由同樣與第一開關21並聯連接的濾波電阻器13和該MEMS擴 音器1的電容組成，從而其具有產生檢測信號以及對噪聲進行濾波的雙重功能。在該情形 下，去耦合電容器60連接在第一端子m和放大器級9的輸入端之間(並連接到同樣與第 二開關22並聯連接的輸入電阻器10)。去耦合電容器60使得放大器級9與電荷泵級8之 間去耦合，並且特別地，隔離由於任何幹擾或不期望的耦合帶來的直流電壓。在某一操作條件下，這種變形具有確保更高魯棒性和更便於組裝的優勢，以致於 它能夠僅利用一個焊墊將MEMS擴音器1和相應的集成電路電連接。而且，根據本發明的偏置電路可有利地與不同類型的容性聲音轉換器一起使用， 所述容性聲音轉換器包括傳統類型和MEMS型。針對高壓驅動級，可以設計不同的電路結構。另外，與MEMS擴音器相關聯的放大器級的輸入端的電阻器可以不是用一對反並 聯二極體構成，而是簡單地對應於同一放大器級的高輸入阻抗，如前面所描述的那樣，其在 啟動階段期間被適當地短路。最後，該偏置電路可以設計成只有一個耦合到連接到低通濾波器的MEMS擴音器 的第一端子的開關元件。
權利要求
一種用於聲音轉換器(1)的偏置電路(20；20′)，包括偏置端子(8a)，配置成接收來自升壓級(8)的升壓電壓(Vcp)，以用於偏置所述聲音轉換器(1)的第一端子(N1)；以及濾波裝置(13)，配置成設置在所述偏置端子(8a)和所述聲音轉換器(1)之間，並且配置用於執行對所述升壓電壓(Vcp)上的幹擾進行濾波；其特徵在於，包括開關裝置(21、22)，其可操作用於在所述偏置電路(20)的啟動階段期間將所述第一端子(N1)直接連接到所述偏置端子(8a)，並且一旦所述啟動階段結束則通過所述濾波裝置(13)將所述第一端子(N1)連接到所述偏置端子(8a)。
2.根據權利要求1所述的電路，進一步包括控制級(23)，其配置成一旦所述聲音轉換 器(1)的第一端子(Ni)達到期望的偏置電壓時，確定所述啟動階段的結束，並隨後控制所 述開關裝置(21、22)的打開。
3.根據權利要求2所述的電路，其中所述控制級(23)包括計數器裝置(23a)，其配置 成確定時間間隔，以便所述偏置電壓基本上與由所述升壓級(8)產生的升壓電壓(Vcp)的 穩態值相對應。
4.根據權利要求1所述的電路，其中所述濾波裝置包括設置在所述偏置端子(8a)和所 述聲音轉換器(1)的第一端子(Ni)之間的第一高阻抗電阻器元件(13)；以及所述開關裝 置(21、22)包括第一開關元件(21)，其與所述第一高阻抗電阻器元件(13)並聯連接，且可 操作為在所述啟動階段期間短路所述第一高阻抗電阻器元件(13)。
5.根據權利要求4所述的電路，其中所述第一高阻抗電阻器元件(13)包括第一二極體 元件(13a)，且所述第一開關元件(21)包括第一電晶體(26)，其可操作為在第一操作條件 下，其構成第二二極體元件(13b)，以反並聯結構與所述第一二極體元件(13a)連接，從而 定義所述第一高阻抗電阻器元件(13)；以及在第二操作條件下，其在所述第一端子(Ni)和 所述偏置端子(8a)之間構成低阻抗連接，短路所述第一高阻抗電阻器元件(13)。
6.根據權利要求5所述的電路，進一步包括驅動級(28)，配置成接收所述升壓電壓 (Vcp)和定時信號(Controljn)，並且在輸出端提供控制信號(Controlout)給所述第一 電晶體(26)的控制端子；所述控制信號(Controlout)具有高電平和低電平，所述高電平 基本上與所述升壓電壓(Vcp) —致，所述低電平比所述升壓電壓低一個給定電壓降。
7.根據權利要求6所述的電路，其中所述驅動級(28)包括具有兩側(28a，28b)基本 上對稱的電路結構，其第一側(28a)連接到所述驅動級(28)的輸出端(A)，包括一個連接 到所述輸出端(A)並設計成產生偏置電流(I)的電流鏡像級(32)以及一個輸出支路，所 述輸出支路包括輸出電晶體(35)和電阻網絡(37，38)的並聯並且配置成接收所述升壓電 壓(Vcp)；所述定時信號(Control」!!)被設計成交替地啟動和禁用所述電流鏡像級(32)， 在啟動所述電流鏡像級(32)時使得所述偏置電流(I)流過所述電阻網絡(37，38)以產生 相對於所述升壓電壓(Vcp)的電壓降和所述控制信號(Controlout)的低電平，以及在禁 用所述電流鏡像級(32)時以便所述輸出電晶體(35)使所述輸出端(A)具有所述升壓電壓 (Vcp)，從而產生所述控制信號(Controlout)的高電平。
8.根據權利要求7所述的電路，其中所述驅動級(28)包括至少一個關斷電晶體元件 (40，41)，其由所述定時信號(Control」!!)控制並且配置成禁用所述電流鏡像級(32)。
9.根據權利要求6所述的電路，其中所述驅動級(28)配置成使得從所述升壓級(8)吸收的電流不高於ΙΟηΑ。
10.根據權利要求4所述的電路，進一步包括連接到放大器裝置(9)的輸入端的第二高 阻抗電阻器元件(10)，其配置成處理所述聲音轉換器(1)的電氣輸出量；並且所述開關裝 置(21、22)包括第二開關元件(22)，其與所述第二高阻抗電阻器元件(10)並聯連接並且可 操作為在所述啟動階段期間將所述第二高阻抗電阻器元件(10)短路，以及將所述放大器 裝置的輸入端連接到期望值的參考電壓線(Vref)上。
11.根據權利要求10所述的電路，其中所述第二高阻抗電阻器元件(10)包括相應的第 一二極體元件(IOa)；並且所述第二開關元件(22)包括相應的的電晶體(30)，所述電晶體 (30)可操作為在第一操作條件下，構成相應的第二二極體元件(10b)，以反並聯結構與所 述相應的第一二極體元件(IOa)連接，以便定義所述第二高阻抗電阻器元件(10)，並且在 第二操作條件下，其在所述 輸入端和所述參考電壓線(Vref)之間構成低阻抗連接，短路所 述第二高阻抗電阻器元件(10)。
12.根據權利要求1所述的電路，其中所述聲音轉換器(1)具有連接到參考電壓的第二 端子(N2)，所述電路進一步包括連接在所述第一端子(Ni)和放大器裝置(9)的輸入端之間 的去耦合電容器裝置(60)，其配置成處理所述聲音轉換器(1)的電氣輸出量。
13.一種電子裝置(50)，包括聲音轉換器(1)和根據權利要求1所述的所述聲音轉換 器⑴的偏置電路(20;20')。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中所述聲音轉換器(1)是容性MEMS擴音器；所述 電子裝置(50)可在包括下述的組中選擇行動電話、PDA、筆記本計算機、錄音機、具有錄音 功能的複讀機、視頻遊戲控制臺、水中聽音器以及助聽設備。
15.一種用於聲音轉換器(1)的偏置方法，包括下述步驟在偏置端子(8a)上形成用於偏置所述聲音轉換器(1)的第一端子(Ni)的升壓電壓 (Vcp)；以及通過濾波裝置(13)對所述升壓電壓(Vcp)上的幹擾進行濾波，其特徵在於，包括以下步驟在所述偏置的啟動階段期間將所述第一端子(Ni)直接連接到所述偏置端子(8a)，以 及在所述啟動階段結束時通過所述濾波裝置(13)將所述第一端子(Ni)連接到所述偏置端 子(8a)，其中所述偏置端子(8a)設定在所述升壓電壓(Vcp)。
16.根據權利要求15所述的方法，包括以下步驟在所述啟動階段期間利用低阻抗連接將所述第一端子(Ni)連接到所述偏置端子 (8a)，以及在所述啟動階段結束時將所述第一端子(Ni)連接到所述濾波裝置的第一高阻 抗電阻器元件(13)。
17.根據權利要求15所述的方法，進一步包括以下步驟一旦所述聲音轉換器(1)的第一端子(Ni)達到期望的偏置電壓，則確定所述啟動階段結束。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述確定步驟包括確定使得所述偏置電壓基本對應於所述升壓電壓(Vcp)的穩態值的時間間隔。
19.根據權利要求16所述的方法，進一步包括在所述啟動階段期間，利用低阻抗連接將放大器裝置(9)的輸入端連接到參考電壓線(Vref)，所述放大器裝置配置成處理所述聲音轉換器(1)的電氣 輸出量；以及在所述啟動 階段結束時，將放大器裝置(9)的輸入端連接到第二高阻抗電阻器元件(10)。
全文摘要
本發明提供了用於微型機電聲音轉換器的偏置電路及相關偏置方法。具體描述了一種用於聲音轉換器(1)的偏置電路(20；20′)，包括升壓級(8)，其在偏置端子(8a)上提供一個用於偏置該聲音轉換器(1)的第一端子(N1)的升壓電壓(Vcp)；以及設置在該偏置端子(8a)和該聲音轉換器(1)之間的用於對升壓電壓(Vcp)上的幹擾進行濾波的濾波元件(13)。該偏置電路(20；20′)還具有開關(21、22)，其可在該偏置電路(20)的啟動階段期間被激勵以將該第一端子(N1)直接連接到該升壓級(8)的偏置端子(8a)上，並且在該啟動階段結束時，通過該濾波元件(13)將該第一端子(N1)連接到該升壓級(8)的偏置端子(8a)上。
文檔編號H04R3/00GK101854575SQ201010187328
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者A·加斯帕裡尼, F·大衛 申請人:意法半導體股份有限公司