CN101583065A - 偏压麦克风的集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成电路。于一实施例中，该集成电路经由第一节点接收来自麦克风的第一信号，包括偏压电路及缓冲电路。该偏压电路耦接于该第一节点与一第二节点之间，以第一电压源驱动该麦克风，过滤该第一信号以于该第二节点产生第二信号，并包括第一电阻、第一电容、以及负载元件。其中该第一电阻耦接于该第一电压源与该第一节点之间，该第一电容耦接于该第一节点与该第二节点之间，而该负载元件耦接于该第二节点与第二电压源之间。该缓冲电路耦接于该第二节点与第三节点之间，缓冲该第二信号以于该第三节点产生第三信号。

Description

偏压麦克风的集成电路

技术领域

本发明是有关于麦克风，特别是有关于麦克风的偏压电路。

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包括麦克风102、偏压电路104、以及集成电路110。麦克风102为驻极式电容麦克风(ElectricCondenser Microphone，ECM)，包括传感器(transducer)112、电容114、以及晶体管116。当一声波传递至麦克风102的振动板(diaphragm)时，振动板会随声波而振动，从而使振动版与麦克风102的背板(back plate)间的距离随之变动，而改变振动版与背板(back plate)间的电容大小。因此，麦克风102可转换声波为电压信号并将电压信号输出于节点152。

因为麦克风102需要额外的驱动力才能工作，偏压电路104提供麦克风102电压源V_A的驱动能量。偏压电路104包括电阻122及电容124。电阻122耦接于电压源V_A与节点152之间。电阻122的阻值介于2.2kΩ至3.3kΩ之间。电容124将节点152的直流电压与节点154的直流电压相分隔开来，仅让节点152的交流电压部分通过而传递志节点154。

晶体管116与电阻122构成第一增益级，以放大晶体管116的栅极的电压信号而得到节点152的电压信号。第一增益级的电压增益G₁是依据下式所决定：

G₁＝g_m×(R₁₂₂||R₁₃₂)；    (1)

其中g_m为晶体管116的栅极与漏极间的跨导值(transconductance)，R₁₂₂为电阻122的阻值，而R₁₃₂为电阻132的阻值。一般而言，电压增益G₁的值等于1。

集成电路110包括前置放大器电路106及模拟至数字转换器108。前置放大器106包括两电阻132及134与一运算放大器136。前置放大器106形成第二增益级，放大节点154的电压信号以产生节点156的电压信号。输入电阻132耦接于节点154及运算放大器136的负输入端之间。反馈电阻134耦接于运算放大器136的输出端与负输入端之间。运算放大器136的正输入端耦接至电压源V_B。前置放大器电路106的电压增益G₂是依据下式决定：

$G_2=\frac{R_{\mathrm{fb}}}{R_{\mathrm{in}}};---\left(2\right)$

其中R_fb为反馈电阻134的阻值，R_in为输入电阻132的阻值。模拟至数字转换器108接着对节点156的电压进行模拟至数字转换，以供后续的数字处理。

输入电阻132与电容124形成高通滤波器(high pass filter)。图1B为由电阻132与电容124所形成的高通滤波器的波德图(Bode plot)。高通滤波器的截止频率(cut-off frequency)F_3dB是依据下式决定：

$F_{3\mathrm{dB}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×R_{132}\×C_{124}};---\left(3\right)$

其中R₁₃₂为电阻132的阻值，而C₁₂₄为电容124的电容值。因为人而可听见频率高于20Hz的声音，因此截止频率F_3dB必须高于20Hz，以防止人耳可听见的声波被电阻132与电容124所形成的高通滤波器不当衰减。

一般而言，电阻132的阻值R₁₃₂大小自10kΩ至50kΩ。为了使截止频率F_3dB大于20Hz，依据公式(3)电容124的容值C₁₂₄必须大于0.1μF。然而，因为已知半导体制程仅能于集成电路中生产电容值为1fF至100pF大小的电容，因此容值C₁₂₄必须大于0.1μF的电容124无法合并于集成电路110中。因此，电容124必须单独独立形成于电路板上，而占据较大的电路板面积。然而，可携式电子装置，例如手机或PDA，一般具有较小的体积，而无法具有空间容纳较大面积的电路板。因此，已知麦克风电路100因具有较大的电路板体积，而无法应用于可携式电子装置。因此，需要具有较小体积的麦克风电路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成电路，以解决已知技术存在的问题。于一实施例中，该集成电路经由第一节点接收来自麦克风的第一信号，包括偏压电路(biasing circuit)及缓冲电路。该偏压电路(biasingcircuit)耦接于该第一节点与第二节点之间，以第一电压源驱动该麦克风，过滤该第一信号以于该第二节点产生第二信号，并包括第一电阻、第一电容、以及负载元件(load element)。其中该第一电阻耦接于该第一电压源与该第一节点之间，该第一电容耦接于该第一节点与该第二节点之间，而该负载元件耦接于该第二节点与第二电压源之间。该缓冲电路耦接于该第二节点与第三节点之间，缓冲该第二信号以于该第三节点产生第三信号。

本发明还提供一种集成电路。于一实施例中，该集成电路经由第一节点接收来自麦克风的第一信号，并经由第一反向节点接收来自该麦克风的第一反向信号，包括偏压电路以及缓冲电路。该偏压电路(biasing circuit)耦接于该第一节点、该第一反向节点、第二节点、与第二反向节点之间，以第一电压源及第二电压源偏压该麦克风，过滤该第一信号以于该第二节点产生第二信号，过滤该第一反向信号以于该第二反向节点产生第二反向信号，并包括第一电阻、第一电容、第一负载元件(load element)、第二电阻、第二电容、以及第二负载元件。其中该第一电阻耦接于该第一电压源与该第一节点之间，该第一电容耦接于该第一节点与该第二节点之间，该第一负载元件耦接于该第二节点与第三电压源之间，该第二电阻耦接于该第二电压源与该第一反向节点之间，该第二电容耦接于该第一反向节点与该第二反向节点之间，且该第二负载元件耦接于该第二反向节点与该第三电压源之间。该缓冲电路(buffering circuit)耦接于该第二节点、该第二反向节点、第三节点、与第三反向节点之间，缓冲该第二信号以于该第三节点产生第三信号，并缓冲该第二反向信号以于该第三反向节点产生第三反向信号。

为了让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，并配合所附图示，作详细说明如下。

附图说明

图1A为已知麦克风电路的区块图；

图1B为由图1A的电阻132与电容124所形成的高通滤波器的波德图；

图2A为依据本发明的麦克风电路的区块图；

图2B为依据本发明的麦克风电路的电路图；

图3A为具有高阻值的负载元件的一实施例，用以作为图2的电阻226；

图3B为具有高阻值的负载元件的另一实施例，用以作为图2的电阻226；

图4A为依据本发明的差动输入型态的麦克风电路的区块图；以及

图4B为依据本发明的差动输入型态的麦克风电路的细部电路图。

[主要元件标号说明]

(图1A)

100～麦克风电路；          102～麦克风；

104～偏压电路；            106～前置放大器；

108～模拟至数字转换器；    110～集成电路；

112～电压源；              114、124～电容；

116～晶体管；              122、132、132、134～电阻；

136～运算放大器；

(图2A/2B)

200～麦克风电路；          202～麦克风；

204～偏压电路；            206～缓冲电路；

208～模拟至数字转换器；    210～集成电路；

212～电压源；              214、224～电容；

216～晶体管；              222、226～电阻；

232～运算放大器；

(图3A)

322、324～二极管；

(图3B)

332～晶体管；

(图4A/4B)

400～麦克风电路；          402～麦克风；

404～偏压电路；            406～缓冲电路；

408～模拟至数字转换器；    410～集成电路；

412～电压源；              414、424、425～电容；

416～晶体管；              422、423、426、427～电阻；以及

432、433～运算放大器。

具体实施方式

图2A为依据本发明的麦克风电路200的区块图。麦克风电路200包括麦克风202及集成电路(integrated circuit，IC)210。麦克风202转换一声波为电压信号S₁。集成电路210包括偏压电路(biasing circuit)204、缓冲电路(buffering circuit)206、以及模拟至数字转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)208。由于麦克风202需要外部的电源才能运作，偏压电路204位麦克风202提供外部电能。此外，偏压电路204过滤电压信号S₁以产生电压信号S₂。缓冲电路206接着缓冲储存信号S₂以产生信号S₃。最后，模拟至数字转换器208对信号S₃进行模拟至数字转换，以产生信号S₄，以供后续的数字处理。不像图1的已知技术的偏压电路104必须独立于集成电路110之外，偏压电路204是合并于集成电路210之中，以减少其所占据的电路板面积。因此，本发明的麦克风电路200具有较小的尺寸，而可应用于体积小的可携式装置(portable device)。

图2B为依据本发明的麦克风电路200的电路图。于一实施例中，麦克风202为驻极式电容麦克风(Electric Condenser Microphone，ECM)。麦克风202的电路与图1的麦克风102相同，包括传感器(transducer)212、电容214、以及晶体管216。偏压电路204经由节点252耦接至麦克风202，包括两电阻222、226以及电容224。电阻222耦接于节点252与电压源Vc之间。电容224耦接于节点252与节点254之间。电容224可将节点252的直流电压与节点254的直流电压相隔绝，而仅让节点254的交流电压通过而传递至节点254。电阻226耦接于节点254与电压源V_D之间。于一实施例中，电压源Vc的电位为2V，而电压源V_D的电位为0.3V。

电阻222的阻值范围介于2.2kΩ至4.7kΩ之间。电容224的电容值介于100fF至100pF。因为电容224的电容值范围可由半导体制程所制造，因此偏压电路204可被合并于集成电路210之中。电阻226的阻值大于1MΩ，因此电阻226的阻值远大于电阻222的阻值。因此，节点254的电压V₂₅₄可依据下式而决定：

$V_{254}=V_{252}\×\left(g_m{R}_{222}\right)\×\left[\frac{s{C}_{224}{R}_{226}}{1+s{C}_{224}{R}_{226}}\right]+V_D\left[\frac{1+s{C}_{224}{R}_{222}}{1+s{C}_{224}{R}_{226}}\right];---\left(4\right)$

其中V₂₅₂为节点252的电压，g_m为晶体管216的栅极与漏极间的跨导(transconductance)，R₂₂₂为电阻222的阻值，R₂₂₆为电阻226的阻值，s为角频率参数。依据公式(4)，偏压电路204的输出电压V₂₅₄的截止频率(cut-offfrequency)为当频率低于截止频率时，输出电压V₂₅₄可依据下式决定，而具有近似于电压源V_D的电位的值：

$V_{254}\≅V_{252}\×\left(g_m{R}_{222}\right)\×\left(s{C}_{224}{R}_{226}\right)+V_D;---\left(5\right)$

此外，当频率高于截止频率时，输出电压V₂₅₄可依据下式决定，而具有近似于(g_m×R₂₂₂)的交流电压增益值：

$V_{254}\≅V_{252}\left(g_m{R}_{222}\right)+V_D\×\frac{R_{222}}{R_{226}}.---\left(6\right)$

偏压电路204因此形成一高通滤波器(high pass filter)而以约等于

的截止频率对节点252的电压信号进行过滤，以产生节点254的电压信号。由于人耳可听见频率高于20Hz的声音，因此上述截止频率必须大于20Hz以避免将人耳可听见的声音成分不当的衰减而造成失真。因为电容224的电容值范围介于1fF至100pF之间，电阻226的阻值因此必须大于1MΩ。举例来说，当电容224的电容值为5pF时，电阻226的阻值必须大于1.6GΩ(＝1/[2×π×5pF×20Hz])。

已知的半导体制程仅能于集成电路中制造出阻值范围由1Ω至1MΩ的电阻。然而，集成电路难以制造出具有高于1MΩ的阻值的电阻。电阻226因此必须以二极管或晶体管来制成。图3A为具有高阻值的负载元件320的一实施例，用以作为图2的电阻226。负载元件320包括两二极管322与324，两者以相反方向耦接于偏压电路204的输出节点254与电压源V_D之间。节点254与电压源V_D之间的电压差小于0.3V以使二极管322及324均被关闭。

图3B为具有高阻值的负载元件330的另一实施例，用以作为图2的电阻226。负载元件330包括晶体管332，晶体管332耦接于偏压电路204的输出节点254与电压源V_D之间。此外，晶体管332的栅极耦接至电压源V_E。电压源V_D与电压源V_E之间的电位差较晶体管332的临界电压(threshold voltage)小0.7V，而使晶体管332被偏压在弱反转区域(weak inversion region)，因此晶体管332介于漏极与源极间的电阻高于1MΩ。

当图2B的偏压电路204于节点254产生一电压信号后，缓冲电路206缓冲储存节点254的电压信号并于节点256产生电压信号。于一实施例中，缓冲电路206包括运算放大器(operational amplifier)232，该运算放大器232的正输入端耦接至节点254，其负输入端耦接至节点256，而其输出端亦耦接至节点256。模拟至数字转换器208接着将节点256的模拟电压信号转换为数字信号，以供后续模块进行数字处理。

图2A及图2B的麦克风202有两端点，其中一端点耦接至地电位V_GND，而另一端点耦接至集成电路210。于另一实施例中，麦克风的两端点均耦接至集成电路，称之为差动输入(differential input)型态。图4A为依据本发明的差动输入型态的麦克风电路400的区块图。麦克风电路400包括麦克风402及集成电路410。麦克风402产生两信号S₁及S₁’，两者的电压以相反的方向变化。

集成电路410包括偏压电路404、缓冲电路406、以及模拟至数字转换器408。偏压电路404偏压麦克风402以使其能获得电能，过滤信号S₁以得到信号S₂，并过滤信号S₁’以得到信号S₂’。缓冲电路406接着缓冲储存信号S₂以得到信号S₃，并缓冲储存信号S₂’以得到信号S₃’。最后，模拟至数字转换器408对信号S₃与S₃’的差异信号进行模拟至数字转换，以得到数字信号S₄。

图4B为依据本发明的差动输入型态的麦克风电路400的细部电路图。集成电路410的每一子电路均与图2B的集成电路210的对应子电路有相类似的电路结构。偏压电路404包括电阻422、423、426、427，以及电容424、425。电阻422、423与图2的电阻222相似，其中电阻422耦接于电压源V_F与节点452之间，而电阻423耦接于电压源V_H与节点453之间。于一实施例中，电阻422、423的阻值为2.2kΩ，电压源V_F的电位介于2V～10V之间，而电压源V_H的电位约在0V。

电容424、425与图2的电容224类似，其中电容424耦接于节点452与节点454之间，而电容425耦接于节点453与节点455之间。于一实施例中，电容424、425的电容值为8pF。电阻426、427与第2图的电阻226类似，其中电阻426耦接于节点454与电压源V_G之间，而电阻427耦接于节点455与电压源V_G之间。如同图2的电阻226，电阻426、427的阻值约为1GΩ。电阻426、427可由图3A或图3B的负载元件320、330制成。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (18)

1.一种集成电路，经由第一节点接收来自麦克风的第一信号，包括：

偏压电路，耦接于该第一节点与一第二节点之间，以第一电压源驱动该麦克风，过滤该第一信号以于该第二节点产生第二信号，并包括：

第一电阻，耦接于该第一电压源与该第一节点之间；

第一电容，耦接于该第一节点与该第二节点之间；以及

负载元件，耦接于该第二节点与一第二电压源之间；以及

缓冲电路，耦接于该第二节点与第三节点之间，缓冲该第二信号以于该第三节点产生第三信号。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中该负载元件的电阻大于1MΩ。

3.根据权利要求1所述的集成电路，其中该负载元件包括：

第一二极管，耦接于该第二节点与该第二电压源之间；以及

第二二极管，以相反于该第一二极管的方向耦接于该第二节点与该第二电压源之间；

其中跨越该负载元件的电压差小于0.3V以使该第一二极管与该第二二极管皆关闭。

4.根据权利要求1所述的集成电路，其中该负载元件包括第一晶体管，具有漏极耦接至该第二节点，具有源极耦接至该第二电压源，并具有栅极耦接至第三电压源，其中该第二电压源与该第三电压源的电压差较该第一晶体管的临界电压小0.7V，以将该第一晶体管偏压于弱反转区。

5.根据权利要求1所述的集成电路，其中该偏压电路依据约等于20Hz的截止频率过滤该第一信号，以产生该第二信号。

6.根据权利要求1所述的集成电路，其中该缓冲电路包括放大器，具有正输入端耦接至该第二节点，具有负输入端耦接至该第三节点，并具有输出端耦接至该第三节点。

7.根据权利要求1所述的集成电路，其中该集成电路还包括模拟至数字转换器，经由该第三节点耦接至该缓冲电路，将该第三信号由模拟转换为数字格式。

8.根据权利要求1所述的集成电路，其中该麦克风为驻极式电容麦克风。

9.根据权利要求1所述的集成电路，其中该麦克风包括：

传感器，转换声波为电压信号；

第二电容，耦接于该传感器及第二晶体管的栅极之间；以及

该第二晶体管，耦接于该第一节点与地电位之间，转换该电压信号为该第一信号，并自该第一节点输出该第一信号。

10.一种集成电路，经由第一节点接收来自麦克风的第一信号，并经由第一反向节点接收来自该麦克风的第一反向信号，包括：

偏压电路，耦接于该第一节点、该第一反向节点、第二节点、与第二反向节点之间，以第一电压源及第二电压源偏压该麦克风，过滤该第一信号以于该第二节点产生第二信号，过滤该第一反向信号以于该第二反向节点产生第二反向信号，并包括：

第一电阻，耦接于该第一电压源与该第一节点之间；

第一电容，耦接于该第一节点与该第二节点之间；

第一负载元件，耦接于该第二节点与第三电压源之间；

第二电阻，耦接于该第二电压源与该第一反向节点之间；

第二电容，耦接于该第一反向节点与该第二反向节点之间；

第二负载元件，耦接于该第二反向节点与该第三电压源之间；以及

缓冲电路，耦接于该第二节点、该第二反向节点、第三节点、与第三反向节点之间，缓冲该第二信号以于该第三节点产生第三信号，并缓冲该第二反向信号以于该第三反向节点产生第三反向信号。

11.根据权利要求10所述的集成电路，其中该第一负载元件与该第二负载元件的电阻大于1MΩ。

12.根据权利要求10所述的集成电路，其中

该第一负载元件包括：

第一二极管，耦接于该第二节点与该第三电压源之间；以及

第二二极管，以相反于该第一二极管的方向耦接于该第二节点与该第三电压源之间；

其中跨越该第一负载元件的电压差小于0.3V以使该第一二极管与该第二二极管皆关闭；且

该第二负载元件包括：

第三二极管，耦接于该第二反向节点与该第三电压源之间；以及

第四二极管，以相反于该第三二极管的方向耦接于该第二反向节点与该第三电压源之间；

其中跨越该第二负载元件的电压差小于0.3V以使该第三二极管与该第四二极管皆关闭。

13.根据权利要求10所述的集成电路，其中该第一负载元件包括第一晶体管，该第一晶体管具有漏极耦接至该第二节点、源极耦接至该第三电压源、栅极耦接至第四电压源，而该第二负载元件包括第二晶体管，该第二晶体管具有漏极耦接至该第二反向节点、源极耦接至该第三电压源、栅极耦接至第五电压源，其中该第四电压源与该第三电压源的电压差较该第一晶体管的临界电压小0.7V以将该第一晶体管偏压于弱反转区，该第五电压源与该第三电压源的电压差较该第二晶体管的临界电压小0.7V以将该第二晶体管偏压于弱反转区。

14.根据权利要求10所述的集成电路，其中该偏压电路依据约等于20Hz的截止频率过滤该第一信号以产生该第二信号，并依据约等于20Hz的截止频率过滤该第一反向信号以产生该第二反向信号。

15.根据权利要求10所述的集成电路，其中该缓冲电路包括：

第一放大器，具有正输入端耦接至该第二节点，具有负输入端耦接至该第三节点，并具有输出端耦接至该第三节点；以及

第二放大器，具有正输入端耦接至该第二反向节点，具有负输入端耦接至该第三反向节点，并具有输出端耦接至该第三反向节点。

16.根据权利要求10所述的集成电路，其中该集成电路还包括模拟至数字转换器，经由该第三节点及该第三反向节点耦接至该缓冲电路，将该第三信号及该第三反向信号两者间的差异信号由模拟转换为数字格式。

17.根据权利要求10所述的集成电路，其中该麦克风为驻极式电容麦克风。

18.根据权利要求17所述的集成电路，其中该麦克风包括：

传感器，转换声波为电压信号；

第二电容，耦接于该传感器及第二晶体管的栅极之间；以及

该第二晶体管，耦接于该第一节点与该第一反向节点之间，依据该电压信号产生该第一信号及该第一反向信号，并自该第一节点及该第一反向节点输出该第一信号及该第一反向信号。

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