CN102224675B

CN102224675B - 动态偏置放大器

Info

Publication number: CN102224675B
Application number: CN200980147165.9A
Authority: CN
Inventors: 延斯·约尔延·戈德·亨里克森
Original assignee: InvenSense Inc
Current assignee: InvenSense Inc
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: US20110293115A1; CN102224675A; WO2010060892A1; US8958576B2

Abstract

本发明涉及一种包括具有动态偏置布置的输入级和输出级的放大器，其中，在相反方向上调整提供至输入级和输出级的DC偏置电流的各电平。

Description

动态偏置放大器

技术领域

本发明涉及包括具有动态偏置布置的输入级和输出级的放大器，其中，在相反方向上调整提供至输入级和输出级的各DC偏置电流的电平。

背景技术

在从次声频率到用于高级无线通信系统的GHz范围的范围内广泛应用对电压或电流信号进行放大的放大器。在需要检测、放大及以其他方式处理表示物理量或诸如声压、加速度、温度、压力等变量的电信号的情况下，换能器放大器是放大器的一种重要类型。在用于移动终端以及诸如移动电话、耳机以及助听仪器的其他便携通信装置的微型麦克风以及扬声器中使用换能器放大器。便携装置通常以可充电电池运行，并且包括大量的功耗电子部件。这使得将换能器放大器的功耗降低至与规定或给定性能要求兼容的最低可能电平变得极其重要。在许多情况下，对于换能器放大器，可能存在可用功率的固定量、或者功率预算。

上述性能要求通常对具体换能器放大器所需的功率或电流量施加一定约束。例如，一旦选择了电路布局和半导体技术，则对一定输入噪声电压的要求就导致对换能器放大器输入级的最小偏置电流的要求。类似地，一旦选择了电路布局(例如A类、AB类或B类)以及半导体技术，则对换能器放大器的输出级的一定负载处理能力的要求就导致对换能器放大器的输出级的最小偏置电流要求。

然而，根据本发明，响应于输入级处的输入信号电平，相对于提供至放大器的输出级的DC偏置电流的电平来动态地调整提供至输入级的DC偏置电流的电平。在有利的实施方式中，换能器放大器的总功耗保持在基本恒定水平，以符合固定功率预算。DC偏置的动态调整提供了换能器放大器的性能改善，原因在于可以在大换能器信号的条件下降低输入级中的DC偏置电流，而由于感知掩蔽并没有经放大的换能器信号的音频噪声劣化。同时，增大DC偏置电流并因此在大信号条件下增大输出级的功耗改善了为负载提供适当输出电压和电流所需的负载处理能力。

现有技术

US 6,175,279公开了一种用于RF信号的、具有可调偏置电流源的低噪声放大器(LNA)。可以连续或以不连续阶段调整偏置电流。执行偏置电流调整，以使LNA的噪声性能和线性度适应实际RF接收条件。在恶劣RF环境(例如，具有高电平的乱真RF信号)下设定高偏置电流，在良好RF环境下设定低偏置电流。

GB239305公开了一种用于RF信号的、具有可调偏置电流源的低噪声放大器(LNA)。LNA的偏置电流响应于控制信号以“提供与适当动态范围一致的最小功耗所需的最优DC偏置电流”。由输入RF信号的信号质量测量得到控制信号。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种放大器，包括适于接收并放大或缓冲输入信号并偏置有第一DC偏置电流的输入级。该放大器的输出级适于将输出信号提供至放大器负载并偏置有第二DC偏置电流。可调偏置电流生成器，其操作地耦接至输入级和输出级，以分别向输入级和输出级提供第一DC偏置电流和第二DC偏置电流。电平检测器，其操作地耦接至输入信号以及可调偏置电流生成器，以独立于输入信号的电平来控制第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的电平。可调偏置电流生成器以相反方向来调整第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的各电平。

放大器可以包括连接在输入级与输出级中间的一个或多个中间放大、缓冲或频率整形级。这些中间放大、缓冲或频率整形级可以连同基本固定的DC偏置电流(其与输入信号的电平无关)来操作。在本发明的实施方式中，输入级和输出级可以通过适当的电配线直接互连。

第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的动态调整提供了放大器的性能改善，这是因为，在大输入信号的条件下可以降低提供至输入级的第一DC偏置电流的电平，而由于输入级增大的热噪声的感知掩蔽并没有使经放大的输入信号的音频劣化。同时，通过增大第二DC偏置电流的电平改善输出级的负载处理能力，以在大信号的条件下为放大器负载提供足够的输出电压和电流电平。

在本发明的有利实施方式中，第一DC偏置电流和第二DC偏置电流之和保持基本恒定，而与输入信号的电平无关。这允许放大器利用先前提到的有关动态调整第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的优点，同时将放大器的功耗或总DC偏置电流保持在基本恒定的电平，而与输入信号的电平无关，从而符合固定功率预算。根据本发明的该实施方式，对于放大器的操作范围内的所有输入信号电平来说，第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的变化低于+/-10％，或者更优选地，低于+/-5％，诸如低于+/-2％。

第一DC偏置电流和第二DC偏置电流之和可以位于50μA与10mA之间，但是优选地，在50μA与500μA之间。如果放大器包括先前提到的连接在输入级与输出级中间的一个或多个中间放大、缓冲或频率整形级，则放大器的总DC偏置电流可以更大。

可以按照多种形式来表示输入信号的电平，诸如平均信号电平、RMS信号电平或峰值信号电平。在本发明的特定实施方式中，电平检测器的传感输入端可以直接耦接至输入级的输入信号。在其他实施方式中，以间接方式检测输入信号，例如通过将电平检测器的传感输入端耦接至中间信号节点或耦接至输出信号或耦接至放大器中承载了表示输入信号的电平的信号电压的任何其他合适的信号节点。

输入级可以包括基于MOS晶体管或双极晶体管或这二者混合的单端或差分放大器。放大器可以集成在单个半导体基板上——例如以CMOS或BiCMOS特定用途集成电路的形式，以提供能以低成本大量制造的非常紧凑的放大器方案。输入级优选地包括亚微米级PMOS或NMOS晶体管(其具有操作地耦接至输入信号的栅极端子)。由于它们的低闪烁噪声，因此亚微米级PMOS晶体管对于音频放大器(诸如低功率麦克风前置放大器)或者用于微型电声换能器的扬声器放大器尤其有利。

在本发明放大器的多个实施方式中，提供一定范围的输入信号电平可能是有益的，其中尽管动态DC偏置电流调整在相反方向上，但是第一DC偏置电流和/或第二DC偏置电流保持基本恒定。该范围可以通过设定用于输入信号电平的最小信号阈值来创建，从而落在该最小信号阈值以下的输入信号导致第一DC偏置电流的恒定电平以及第二DC偏置电流的恒定电平。这可以防止第一DC偏置电流的电平增大至不合适的较大值并防止在这种情况下第二DC偏置电流下降至零。因此，引入用于输入信号电平的最小信号阈值防止输出级的输出晶体管被迫进入高非线性截止区。该范围可以附加地包括最大信号阈值，从而，在该最大信号阈值以上的输入信号导致第一DC偏置电流的恒定电平以及第二DC偏置电流的恒定电平。这防止第二DC偏置电流的电平增大至不合适的较大值而第一DC偏置电流的电平降至零，且防止输入级的输入晶体管被迫进入高非线性截止区。

在本发明的一个实施方式中，第一DC偏置电流的电平降低，而第二DC偏置电流的电平随着输入信号电平从最小信号阈值增大至最大信号阈值而增大，而对于输入信号电平的降低来说则相反。可以通过使可调偏置电流生成器适于设定第二DC偏置电流的固定最小电平以及第一DC偏置电流的固定最小电平来便利地创建最小信号阈值和最大信号阈值。

最大信号阈值和最小信号阈值的实际值可以根据具体应用而宽泛地变化。在麦克风前置放大器中，第二DC偏置电流的固定最小电平可以对应于小于1mV RMS的输入信号电平，或者更优选地，小于0.5mV RMS(诸如小于100μV RMS)。

电平检测器可以包括控制第一DC偏置电流和第二DC偏置电流在时间上的各变化率的上升时间常数和/或释放时间常数。上升时间常数的内涵(例如，在1毫秒与20毫秒之间)和/或释放时间常数的内涵(例如，在10毫秒与2000毫秒之间)对于音频放大器来说可能是非常有益的，以避免通过使第一和/或第二DC偏置电流急剧改变而在音频信号中产生音频瞬时尖峰或喀哒声(click)。

根据本发明尤其有利的实施方式，放大器包括在输入级和输出级附近的反馈环。反馈环稳定放大器的小信号或AC增益，从而使其基本上保持恒定，而与第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的各电平无关。这使得尽管通过改变第一DC偏置电流和第二DC偏置电流的电平引起输入级中的小信号变化增益或输出级中的增益变化，仍确保在放大器预期通带中的小信号增益基本上保持恒定。与负反馈相关联的其他公知放大器益处保持完全有效，诸如对半导体和无源电子元件上的容差的改善的频率响应和线性度以及敏感度。

本发明的第二方面涉及包括集成半导体电路的电声换能器，该集成半导体电路包括根据上面公开的放大器实施方式中任一个的放大器。电声换能器的信号端子操作地连接至放大器的输入级或输出级。电声换能器可以包括电容式麦克风的电容式换能器元件。在本发明的另一实施方式中，扬声器或接收器(例如用于便携终端的微型动态扬声器)耦接至输出级用于声音生成。

附图说明

将结合附图更详细地描述本发明的优选实施方式，图中：

图1是根据本发明优选实施方式的集成电路麦克风前置放大器的示意图；

图2是用于图1所示的集成电路麦克风前置放大器的可调DC偏置电流生成器的示意图；以及

图3是包括图1所示的集成电路麦克风前置放大器的微型电容式麦克风的示意图。

具体实施方式

图1示出了集成电路麦克风前置放大器形式的换能器放大器1。集成电路麦克风前置放大器1或麦克风前置放大器包括输入级2(表示为第1级)，该输入级通过麦克风输入端子Vin可操作地连接至诸如用于移动终端的微型电容式麦克风的电声换能器(未示出)的换能器信号端子。耦接电容器Cin耦接在麦克风输入端子与输入级2之间，以在其间提供DC隔离。在本发明的一个实施方式中，输入级具有大于10GΩ(诸如大于100GΩ)的输入阻抗，以匹配微型电容式麦克风的非常大的生成器阻抗，从而使微型电容式麦克风产生的换能器信号的衰减最小化。该后者生成器的阻抗可以对应于具有0.5pF-2pF之间的值的电容器。输入级2可以包括基于MOS晶体管的单端或差分放大器，优选为PMOS晶体管的形式，以使闪烁噪声最小化。输入级2将经放大或缓冲的换能器信号传输至输出级(表示为第2级)，该第2级进而将经放大的输出信号提供至外部可接入端子Vout。可调偏置电流生成器或源6具有控制输入端V_lvl，以及两个电流输出口(其通过所示出的互连配线将各DC偏置电流提供至输入级2以及输出级3)。

可调偏置电流生成器6的控制输入端V_lvl按照增大对于输入级2的DC偏置电流的电平导致提供至输出级3的DC偏置电流的电平降低或与之相反的方式，在相反方向上操控对于输入级2和输出级3的各DC偏置电流的电平。在本发明的麦克风前置放大器1中，两个DC偏置电流之和保持基本恒定，优选地，在端子Vin上的输入信号的额定信号范围的+/-5％之内，或者更优选地，在+/-2％之内。然而，在本发明的其他实施方式中，两个DC偏置电流之和可以变化。表示在麦克风输入端子Vin上提供的换能器信号的电平的电压控制信号由电平检测器5确定，并被发送至可调偏置生成器6的控制输入端V_lvl。如结合下面的图2所详细解释的，该电压控制信号的电平设定两个DC偏置电流的各自电平。

即使在相反方向上对流至输入级2和输出级3的DC偏置电流的电平进行操控，本发明的本实施方式仍包括最小信号阈值。当换能器信号下降至该最小信号阈值以下时，输出级3中的DC偏置电流保持在恒定电平。该特征防止输出级3的DC偏置电流一直下降至零，而电流为零可能迫使输出晶体管或晶体管对进入截止状态。这种截止状态可能导致在非常低的换能器信号电平时的有害的交越失真。类似地，最大信号阈值确保提供至输入级2的DC偏置电流具有固定最小值，防止输入级DC偏置电流在非常高的换能器信号电平时下降至零进而驱动输入晶体管或输入级2的晶体管进入截止状态。

在本发明的本实施方式中，负载阻抗Z_L通过Vout端子(其指示要提供至本麦克风前置放大器1的外部装置的输出电压)耦接至输出级3。如图3所示，Vout端子是本发明的本实施方式中的微型麦克风30的外部可接入端子。在其他实施方式中，Vout端子用作较大麦克风放大器组件内部的中间电路节点，并且耦接至设置于该较大麦克风放大器上的另外的集成电路块。该另外的集成电路块可以包括，例如，数字麦克风放大器组件中的A/D转换器以及所示的表示A/D转换器的输入阻抗的负载阻抗Z_L。

如前所述，电平检测器5确定在麦克风输入端子Vin上提供的换能器信号的电平，并且生成要传输至可调偏置生成器6的控制输入端的电压控制信号V_lvl。换能器信号的电平可以各种形式来表示，诸如平均信号电平、RMS信号电平或峰值信号电平。优选地，利用上升时间常数以及释放时间常数来确定换能器信号的电平。这些常数可能在数值方面不同。上升时间优选地在1毫秒与20毫秒之间，释放时间在20毫秒与500毫秒之间。可以通过相应的连续时间RC电路或者诸如开关电容器网路的离散时间电路来生成与上升时间常数和释放时间常数相关联的时间常数。

在本发明的本实施方式中，电平检测器5的传感输入端7直接耦接至输入级2的输入端，以检测换能器信号的电平，但是可替换地，换能器信号的电平也可以按照间接方式检测，例如，通过将传感输入端7耦接至输入级的输出节点或Vout端子，或耦接至承载表示换能器信号的电平的信号电压的、麦克风前置放大器1的任何其他合适的信号节点。

在麦克风前置放大器1的示例性实施方式中，对于输入级2和输出级3的总DC偏置电流基本恒定地保持在125μA，以满足可行的功率预算，而与换能器信号的电平无关。在换能器信号电平低于最小信号阈值的情况下，将输入级2的DC偏置电流设定至100μA，相应地将输出级3的DC偏置电流设定为25μA。在换能器信号电平处于或高于最大信号阈值的情况下，输入级2的DC偏置电流保持恒定在25μA，相应地输出级3的DC偏置电流保持恒定在100μA。在换能器信号电平位于该最小信号阈值与最大信号阈值中间的区域中，根据由可调偏置电流生成器和电平检测器的特性设定的控制功能，以相反方向调整各DC偏置电流的电平。在本发明的该实施方式中，最小信号阈值和最大信号阈值可以分别对应40dB SPL和100dB SPL的微型电容式麦克风的声压水平。

图2是在图1中示意性示出的可调偏置电流生成器6的优选实现方式的晶体管级别的示意图。可调偏置电流生成器6或偏置生成器包括先前提到的、表示为V_lvl的控制输入端，该输入端被配置为接收由电平检测器5提供的控制信号。偏置生成器6适于在相反方向上操控对于输入级2和输出级3的DC偏置电流的各电平，从而增大对于输入级2的DC偏置电流的电平导致降低提供至输出级3的DC偏置电流的电平，或与之相反。分别通过所表示的电流输出口I_1st和I_2nd提供用于输入级2和输出级3的变化的DC偏置电流电平。偏置生成器的内部操作如下：在由M1、M2、M10、M3以及M4形成的差分放大器中，将提供至控制输入端V_lvl的控制信号的电平与参考DC电压V_REF比较。如果控制信号等于V_REF，则M3的偏置电流基本上等于M4中的偏置电流。由于M3和M4这两者都作为PMOS二极管耦接并且如符号1(其表示所图示的MOS晶体管之间的相对宽度/长度比)所示地具有相同尺寸，跨这些二极管的电压降相同，导致电流镜像耦接的PMOS晶体管M6和M9上的相同的栅极电压。这导致分别从M6和M9的漏极端子通过电流输出口I_1st和I_2nd提供的输出电流相应地增大，几乎增大10倍(对应于所示的晶体管尺寸比)。

通过电流输出口I_1st和I_2nd的输出电流附加地包括来自PMOS晶体管M8和M7的各电流贡献，但是这些贡献也是相同的，原因在于PMOS晶体管M8和M7具有相同的尺寸，并且都作为电流镜像而并联耦接至M5。因此，对于V_lvl＝V_REF的情况，假设所有相关MOS晶体管理想匹配，则对于输入级2的DC偏置电流的电平与对于输出级3的DC偏置电流的电平相同。通过选择合适的针对V_REF的DC电压，可以将用于偏置生成器6的该操作点设置未任何期望的换能器电压以及相应的声压水平。

将用于偏置生成器6的DC偏置源以示意形式示为耦接在NMOS晶体管M13与偏置生成器的DC电源电压V_DD之间的I1。电流镜像耦接的NMOS晶体管M10用来以基本恒定的偏置电流对差分放大器进行偏置。

当控制输入端V_lvl上的电压自上述操作点降低时，其或者可能指示增大换能器电压，或者指示降低换能器电压，这由电平检测器5的设计细节决定。在本情况下，已将电平检测器5设计为降低控制输入端V_lvl上的电压表示增大换能器电压，根据本设计目的，增大换能器电压应当导致对于第2级3的电流的增大，以改善大输出信号条件下的负载驱动能力。该目的已经实现，原因在于，通过PMOS晶体管M4、M6以及输出口端子l_2nd的各电流以基本上成比例的方式增大，用于降低在控制输入端V_lvl上提供的电压。由PMOS晶体管M8通过输出口端子l_2nd提供对于输出级3的DC偏置电流的固定贡献。该固定贡献独立于换能器信号的电平，原因在于示出的M8与M5的镜像耦接。因此，该固定的电流贡献确保输出级3的DC偏置电流保持在恒定电平，并且对于在最小信号阈值以下的小换能器信号(其中，通过M6的电流可能下降至零)，绝不会下降到零。

在控制输入端V_lvl上自上述操作点增大电压相当于降低换能器电压。根据本设计目的，降低换能器电压应导致通过电流输出口l_1st对于第1级2提供增大的DC偏置电流，以及对于第2级3的DC偏置电流的相应降低，从而在对输出级3的输出驱动能力具有有限需求的操作条件下，改善输入级以及作为整体的麦克风前置放大器1的噪声性能。由于前述的差分放大器的对称性以及M3与M9之间的电流镜像耦接等价于M4与M6之间的前述镜像耦接，因此根据对偏置生成器6的晶体管电平图的观察该功能是直接显而易见的。

图3是包括图1和图2所示的、根据本发明优选实施方式的集成电路麦克风前置放大器1的微型电容式麦克风30的示意图。该微型电容式麦克风30的大小和形状适于移动终端应用。微型麦克风可以具有在3mm与10mm之间的、如图所示的圆柱外壳轮廓。微型电容式麦克风30包括围绕电容式麦克风换能器元件的金属外壳33，该电容式麦克风换能器元件示例性地由按照电容Cmic形式的等价生成器阻抗以及Vmic形式的等价开路电压生成器示出。当经历从约20Hz到20kHz的音频范围内的声音时，Vmic对应于由电容式麦克风换能器元件生成的开路信号电压。电容式麦克风换能器元件包括设置在打孔背板结构附近的可更换振动膜，以形成电容器结构与由DC偏置电压源生成的中间电场的基本平行板。电容式麦克风换能器元件可以包括微机电(MEMS)换能器元件或传统电容式换能器元件。

输出端子Vout将经放大的麦克风信号提供至外部装置，同时外部可接入端子V_DD上的电源供给或DC电源电压将电力提供至集成电路麦克风前置放大器1。如前所述，电容Cmic可以对应于具有值在0.5pF至2pF之间的非常小的电容器，使得对于麦克风输入端子Vin的接口对来自电磁噪声的干扰非常灵敏且敏感。微型电容式麦克风30的示例性实施方式对于在1kHz的74dB SPL声压水平具有约1mV的电声灵敏度。

Claims

1.一种放大器，包括：

输入级，适于接收并放大或缓冲输入信号，并偏置有第一DC偏置电流；

输出级，适于将输出信号提供至放大器负载，并偏置有第二DC偏置电流；

可调偏置电流生成器，操作地耦接至所述输入级以及所述输出级，以分别向所述输入级和所述输出级提供所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流；

电平检测器，操作地耦接至所述输入信号以及所述可调偏置电流生成器，以独立于所述输入信号的电平来控制所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流的电平；

所述可调偏置电流生成器适于在相反方向上调整所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流的各电平。

2.根据权利要求1所述的放大器，其中，所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流的电平之和保持基本恒定，而与所述输入信号的电平无关。

3.根据权利要求1或2所述的放大器，其中，随着所述输入信号的电平从最小信号阈值增大至最大信号阈值，所述第一DC偏置电流的电平降低，所述第二DC偏置电流的电平增大，而对于所述输入信号的电平降低则相反。

4.根据权利要求3所述的放大器，其中，所述可调偏置电流生成器适于设定所述第二DC偏置电流的固定最小电流和/或所述第一DC偏置电流的固定最小电流。

5.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述第二DC偏置电流的所述固定最小电流对应于小于1mV RMS的输入信号电平。

6.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述第二DC偏置电流的所述固定最小电流对应于小于0.5mV RMS的输入信号电平。

7.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述第二DC偏置电流的所述固定最小电流对应于小于100μV RMS的输入信号电平。

8.根据权利要求1或2所述的放大器，其中，所述电平检测器包括控制所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流各自在时间上的变化比率的上升时间常数和/或释放时间常数。

9.根据权利要求1或2所述的放大器，其中，对于所述输入信号的额定电平来说，所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流的电平之和位于50μA与10mA之间。

10.根据权利要求1或2所述的放大器，其中，对于所述输入信号的额定电平来说，所述第一DC偏置电流和所述第二DC偏置电流的电平之和位于50μA与500μA之间。

11.根据权利要求1或2所述的放大器，其中，所述输入级包括亚微米级PMOS或NMOS晶体管，所述亚微米级PMOS或NMOS晶体管具有操作地耦接至所述输入信号的栅极端子。

12.根据权利要求1或2所述的放大器，包括在所述输入级和所述输出级周围的反馈环。

13.一种电声换能器，包括：

集成半导体电路，包括根据权利要求1至12中任意一项所述的放大器；

所述电声换能器的信号端子，操作地连接至所述放大器的所述输入级或所述输出级。

14.根据权利要求13所述的电声换能器，包括电容式麦克风换能器元件。