CN101400009A - 麦克风电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种麦克风电路。在一实施例中，该麦克风电路包括一麦克风、一自偏压放大器、以及一反馈电容。该麦克风耦接于一第一节点与一地电位之间，依据声波于该第一节点产生一第一电压。该自偏压放大器具有耦接至该地电位的一正输入端及耦接至该第一节点的一负输入端，并依据一有限增益放大该第一电压以于一第二节点产生一第二电压。该反馈电容耦接于该第一节点与该第二节点之间，将该第二电压反馈至该第一节点。其中该第二电压输出至耦接于该麦克风电路之后的一后续电路。

Description

麦克风电路
技术领域
本发明涉及麦克风，特别是涉及麦克风电路。
背景技术
图1A为已知麦克风电路100的区块图。麦克风电路100包括一麦克风102、一静电放电保护(electrostatic discharge protection)电路104、以及一后续电路108。麦克风102检测外部声波并将声波转换为一电压信号Vo，该电压信号Vo于节点131输出至后续电路108。在一实施例中，该后续电路108为一钳制放大器或一模拟至数字转换器。该静电放电保护电路104包括两个反相连接的二极管112与114，并钳住电压信号Vo的范围于一定界限，以保护后续电路108不受静电放电的冲击。
麦克风102包括两个导体平板，其构成具有电容值Cm的一电容器110。当声波挤压到导体平板时，导体平板间的距离随着声波而改变，因而使电容110的电容值Cm跟着变动。因此，声波被转换为随着电容110的电容值Cm变动的电压信号Vo，以输出至后续电路108。
麦克风电路100包含连接于节点131与地电位间的其它电容。举例来说，有一寄生电容Cp耦接于节点131与地电位之间。静电放电保护电路104也包括一电容Cesd。此外，后续电路108也包括介于节点131与地电位间的输入电容Cg。电容Cp、Cesd、Cg会衰减麦克风110产生的输出电压Vo并使麦克风电路100的效能下降。
图1B为图1A的麦克风电路100的等效电路150。等效电路150包括麦克风152与寄生电容154。麦克风152等效于图1A的麦克风102并包括具有电压值Vm的电压源161及具有电容值Cm的电容154。寄生电容154耦接于麦克风152的输出节点181与地电位之间并具有等于(Cp+Cesd+Cg)的电容值Cs。因此，后续电路接收的有效输出电压依据下式决定：
V o = C m C m + C s V m . - - - ( 1 )
因此，输出电压Vo被以[Cm/(Cm+Cs)]的因子衰减。当寄生电容值Cs越大，有效输出电压值Vo越小。举例来说，若寄生电容值Cs等于麦克风电容值Cm，输出电压Vo会被衰减50％。
为了减轻输出电压Vo的衰减程度，寄生电容Cs必须减小。然而，缩小寄生电容Cs会使麦克风电路100的效能下降。举例来说，缩小静电放电保护电路104的电容Cesd会使静电放电保护可承受的电压冲击减少。减小后续电路108的输入电容Cg会增加其收到的输出电压Vo携带的噪声。因此，必须提供其它方法防止输出电压Vo因寄生电容154带来的衰减效应。
图2为防止输出电压Vo因寄生电容204带来的衰减效应的已知麦克风电路200的区块图。除了麦克风202与寄生电容204以外，麦克风电路200还包括耦接于麦克风202与后续电路之间的一电荷放大器206。麦克风202与寄生电容204耦接于节点231与地电位之间。电荷放大器206包含一运算放大器222、具有电容值Cf的一反馈电容224、以及一偏压电路226。
运算放大器222包含一正输入端耦接至地电位，一负输入端耦接至节点231，以及一输出端耦接至一输出节点232。运算放大器222的增益很大，一般而言大于1000倍，因此被视为具有无限大的增益。反馈电容224耦接于节点231与输出节点232之间。因此，输出节点232的输出电压可由下式决定：
V o = V m · C m C f . - - - ( 2 )
麦克风电路200的输出电压Vo因此与寄生电容204的电容值Cs无关并且不会因寄生电容Cs造成输出电压Vo的衰减。
因为运算放大器222具有很大的增益，运算放大器222的正副输入端间的些微直流电压差便会导致运算放大器的饱和(saturation)。为了防止运算放大器的饱和，增加了偏压电路226。偏压电路226是一电阻228耦接于运算放大器222的输出节点232与负输入端之间。因为反馈电容224的电容值Cf是数个pF，偏压电阻228的阻值R因此必须达到数个GΩ的程度以提供一-3dB衰减点于(1/(2π×R×Cf))的频率。然而，1Ω的电阻占据很大的芯片面积并且很难于半导体工艺制造。因此，需要一新的麦克风电路以防止输出电压因寄生电容而衰减。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种麦克风电路，以解决已知技术存在的问题。在一实施例中，该麦克风电路包括一麦克风、一自偏压放大器、以及一反馈电容。该麦克风耦接于一第一节点与一地电位之间，依据声波于该第一节点产生一第一电压。该自偏压放大器具有耦接至该地电位的一正输入端及耦接至该第一节点的一负输入端，并依据一有限增益放大该第一电压以于一第二节点产生一第二电压。该反馈电容耦接于该第一节点与该第二节点之间，将该第二电压反馈至该第一节点。其中该第二电压输出至耦接于该麦克风电路之后的一后续电路。
本发明提供一种电荷放大器电路，耦接至依据声波于一第一节点产生一第一电压的一麦克风。在一实施例中，该电荷放大器电路包括一自偏压放大器与一反馈电容。该自偏压放大器具有耦接至一地电位的一正输入端及耦接至该第一节点的一负输入端，并依据一有限增益放大该第一电压以于一第二节点产生一第二电压。该反馈电容耦接于该第一节点与该第二节点之间，将该第二电压反馈至该第一节点。其中该第二电压输出至耦接于该电荷放大器电路之后的一后续电路。
为了使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1A为已知麦克风电路的区块图；
图1B为图1A的麦克风电路的等效电路；
图2为防止输出电压因寄生电容带来的衰减效应的已知麦克风电路的区块图；
图3依据本发明防止输出电压因寄生电容而衰减的麦克风电路的区块图；
图4是图3的麦克风电路的等效电路；
图5是依据本发明的自偏压电路的区块图；以及
图6是依据本发明包含一微机电系统麦克风的麦克风电路。
附图符号说明
102～麦克风；
104～静电放电保护电路；
108～后续电路；
112、114～二极管；
110、116、118～电容；
152～麦克风；
160、154～电容；
161～电压源；
202～麦克风；
206～电荷放大器；
210、204、224～电容；
211～电压源；
228～电阻；
222～运算放大器；
302～麦克风；
304～静电放电保护电路；
306～电荷放大器；
308～后续电路；
312、314～二极管；
316、324～电容；
322～运算放大器；
402～麦克风；
406～电荷放大器；
410、404、424～电容；
411～电压源；
422～运算放大器；
502～麦克风；
506～电荷放大器；
522～自偏压放大器；
562、556、554～电阻；
564～PMOS晶体管；
504、524～电容；
552～运算放大器；
602～微机电系统麦克风；
604～静电放电保护电路；
606～电荷放大器；
608～后续电路；
609～偏压电路；
624、672～电容；
674～电阻；
622～运算放大器。
具体实施方式
图3依据本发明防止输出电压Vo因寄生电容而衰减的麦克风电路300的区块图。麦克风电路300包含麦克风302、静电放电保护电路304、电荷放大器306、以及后续电路308。麦克风302耦接于节点331及地电位之间，并且依据声波于节点331产生一电压Vi。在一实施例中，麦克风302为一驻极体电容式麦克风(Electret Condenser Microphone，ECM)。静电放电保护电路304包含两二极管312与314反向并联于节点331与地电位之间。麦克风302的输出电压Vi主要由麦克风电容310的容值Cm决定。其它耦接于节点331与地电位间的电容包括静电放电保护电路304的电容Cesd与具有电容值Cp的寄生电容316。
为了防止后续电路308收到的电压因电容Cesd或Cp而衰减，因而增加了一电荷放大器306耦接于麦克风302与后续电路308之间。电荷放大器306包含一自偏压放大器322及一反馈电容324。虽然电荷放大器306有与图2的电荷放大器206类似的结构，两者间仍然有两个不同处。首先，不像图2的运算放大器222有无限大的增益，自偏压放大器322具有有限的增益g。在一实施例中，有限的增益g介于10～100倍间。其次，因为自偏压放大器322的增益g是有限的，电荷放大器306不需要如电阻228的一偏压电路。
图4是图3的麦克风电路300的一等效电路400。等效电路400包括麦克风402、寄生电容404、以及电荷放大器406。麦克风402等效于麦克风300并包括具有电压值Vm的电压源411与具有电容值Cm的麦克风电容410。寄生电容404具有电容值Cs并表示介于节点431与地电位间的所有电容和，例如寄生电容Cp与静电放电保护电容Cesd。电荷放大器406与电荷放大器306相同并包含具有现增益g的一自偏压放大器422以及具有电容值Cf的反馈电容424。
电荷放大器406产生的输出电压Vo因此可由下式决定：
V o = - C m · V m C f + C s g . - - - ( 3 )
因为有限增益g的范围介于10～100之间，公式(3)的分母的寄生电容值Cs被增益g除过而变得很小，以致于无法发挥衰减输出电压Vo的效果。因此，即使自偏压放大器422的有限增益g是有限的，输出电压Vo主要由麦克风电容Cm与反馈电容Cf的比值决定而与寄生电容值Cs没有很大关系。
图5依据本发明的自偏压电路522的区块图。自偏压电路522具有有限增益g并包括一源极跟随器电路(source follower)542及一放大电路544。源极跟随器电路542包括一电阻562与一PMOS晶体管564。电阻562耦接于一电压源及节点533之间。PMOS晶体管564的栅极耦接至节点531以接收麦克风502输出的电压。PMOS晶体管564的漏极耦接至地电位，而其源极耦接至节点533。因此，麦克风502产生的电压被反映于节点533上。
放大电路544包括两电阻554与556及一运算放大器552。电阻556具有电阻值RB并耦接于节点533与534之间。电阻554耦接于节点534及输出节点532之间。此外，电阻554具有等于增益g与电阻值RB的乘积的电阻值RA。运算放大器552的正输入端耦接至一参考电压Vb，其负输入端耦接至节点534，其输出端耦接至节点532。因此，放大电路544的输出电压Vo可依下式决定：
Vo＝Vb+g·Voffset；    (4)
其中Voffset是运算放大器522的正负输入端间的电压差。不同于图2的运算放大器222，因为增益g有限且介于10～100倍之间，依据公式(4)，若能适当的决定参考电压Vb值，则运算放大器522不容易达到饱和，因此不需额外的偏压电路。因此，已知技术中的偏压电阻228的阻值需要大于100MΩ的问题被解决了。
图6是依据本发明包含一微机电系统(MEMS)麦克风602的麦克风电路600。麦克风电路600大致与图3的麦克风电路300相似，除了微机电系统麦克风602及偏压电路609之外。偏压电路609耦接于微机电系统麦克风602与地电位之间，并提供微机电系统麦克风602所需的电荷。在一实施例中，偏压电路609包括电阻674及电荷泵浦电路672。电阻674耦接于微机电系统麦克风602与节点635之间。电荷泵浦电路672耦接于节点635与地电压之间并提供一偏压电压Vbias于节点635。因为电荷放大器606包括如图3的自偏压放大器322般具有限增益g的自偏压放大器622，后续电路608到的输出电压Vo几乎不受寄生电容Cp的影响，并且电荷放大器606不需偏压电路。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，当可作若干的更改与修饰，因此本发明的保护范围应以本发明的权利要求为准。

Claims (20)

1.一种麦克风电路，包括：
一麦克风，耦接于一第一节点与一地电位之间，依据声波于该第一节点产生一第一电压；
一自偏压放大器，具有耦接至该地电位的一正输入端及耦接至该第一节点的一负输入端，依据一有限增益放大该第一电压以于一第二节点产生一第二电压；
一反馈电容，耦接于该第一节点与该第二节点之间，将该第二电压反馈至该第一节点；
其中该第二电压输出至耦接于该麦克风电路之后的一后续电路。
2.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该有限增益介于10至100之间。
3.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该自偏压放大器包括：
一源极跟随器电路，耦接于一电压源、该地电位、及该第一节点之间，于一第三节点产生该第一电压；以及
一放大电路，耦接于该第三节点与该第二节点之间，依据该有限增益放大该第一电压以于该第二节点产生该第二电压。
4.如权利要求3所述的麦克风电路，其中该放大电路包括：
一第一电阻，耦接于该第三节点与一第四节点之间，具有一第一电阻值；
一第二电阻，耦接于该第四节点与该第二节点之间，具有等于该第一电阻值与该有限增益的乘积的一第二电阻值；以及
一运算放大器，有一耦接至一参考电压的一正输入端，耦接至该第四端点的一负输入端，以及耦接至该第二节点的一输出端。
5.如权利要求3所述的麦克风电路，其中该源极跟随器电路包括：
一第三电阻，耦接于该电压源与该第三节点之间；以及
一晶体管，有一栅极耦接至该第一节点，一源极耦接至该第三节点，以及一漏极耦接至该地电位。
6.如权利要求5所述的麦克风电路，其中该晶体管为一PMOS晶体管。
7.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该麦克风为一驻极体电容式麦克风。
8.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该麦克风为一微机电系统麦克风，且该麦克风还包括一偏压电路，耦接于该麦克风与该地电位之间，提供该麦克风需要的电荷。
9.如权利要求8所述的麦克风电路，其中该偏压电路包括：
一第四电阻，耦接于该麦克风与一第五节点之间；以及
一电荷泵浦电路，耦接于该第五节点与该地电位之间，于该第五节点提供一偏压。
10.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该麦克风还包括一静电放电保护电路耦接于该第一节点与该地电位之间。
11.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该静电放电保护电路包括：
一第一二极管，具有耦接至该第一节点的一正极及耦接至该地电位的一负极；以及
一第二二极管，具有耦接至该第一节点的一负极及耦接至该地电位的一正极。
12.如权利要求1所述的麦克风电路，其中该后续电路为一前置放大器或一模拟至数字转换器。
13.一种电荷放大器电路，耦接至依据声波于一第一节点产生一第一电压的一麦克风，该电荷放大器电路包括：
一自偏压放大器，具有耦接至一地电位的一正输入端及耦接至该第一节点的一负输入端，依据一有限增益放大该第一电压以于一第二节点产生一第二电压；
一反馈电容，耦接于该第一节点与该第二节点之间，将该第二电压反馈至该第一节点；
其中该第二电压输出至耦接于该电荷放大器电路之后的一后续电路。
14.如权利要求13所述的电荷放大器电路，其中该有限增益介于10至100之间。
15.如权利要求13所述的电荷放大器电路，其中该自偏压放大器包括：
一源极跟随器电路，耦接于一电压源、该地电位、及该第一节点之间，于一第三节点产生该第一电压；以及
一放大电路，耦接于该地三节点与该第二节点之间，依据该有限增益放大该第一电压以于该第二节点产生该第二电压。
16.如权利要求15所述的电荷放大器电路，其中该放大电路包括：
一第一电阻，耦接于该第三节点与一第四节点之间，具有一第一电阻值；
一第二电阻，耦接于该第四节点与该第二节点之间，具有等于该第一电阻值与该有限增益的乘积的一第二电阻值；以及
一运算放大器，有一耦接至一参考电压的一正输入端，耦接至该第四端点的一负输入端，以及耦接至该第二节点的一输出端。
17.如权利要求15所述的电荷放大器电路，其中该源极跟随器电路包括：
一第三电阻，耦接于该电压源与该第三节点之间；以及
一晶体管，有一栅极耦接至该第一节点，一源极耦接至该第三节点，以及一漏极耦接至该地电位。
18.如权利要求17所述的电荷放大器电路，其中该晶体管为一PMOS晶体管。
19.如权利要求13所述的电荷放大器电路，其中该麦克风为一驻极体电容式麦克风或一微机电系统麦克风。
20.如权利要求13所述的电荷放大器电路，其中该后续电路为一前置放大器或一模拟至数字转换器。
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