CN102611974B

CN102611974B - Mems麦克风电路

Info

Publication number: CN102611974B
Application number: CN201210060600.8A
Authority: CN
Inventors: 蒋振雷; 朱潇挺
Original assignee: WUXI NAXUN MICROELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: WUXI NAXUN MICROELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: CN102611974A

Abstract

本发明公开了一种MEMS麦克风电路，包括MEMS声电传感器和信号预放大电路，信号预放大电路包括放大器、电荷泵、接口控制电路和OTP存储器；电荷泵与MEMS声电传感器连接，放大器与MEMS声电传感器连接，OTP存储器与放大器连接，接口控制电路与放大器以及OTP存储器连接。本发明同时提供与MEMS麦克风电路相配合的上位机电路，以及MEMS麦克风电路进入编程模式的方法。本发明可对已完成封装的麦克风成品进行参数的修改，通过对部分由于工艺偏差引起的不良产品进行参数修正，使其达到规范要求。

Description

MEMS麦克风电路

技术领域

本发明属于集成电路（Integrated Circuit）的硬件实现，尤其涉及一种可配置参数的MEMS麦克风电路结构，以及与其配合的上位机电路结构，还涉及进入编程模式的方法。

背景技术

目前市场上销售的麦克风主要有动圈式、电容式、驻极体和最近新兴的硅微传声器，此外还有液体传声器和激光传声器等。动圈传声器音质较好，但体积庞大。驻极体ECM（Electret Condenser Microphone，驻极体电容麦克风）传声器体积小巧，成本低廉，在电话、手机等设备中广泛使用。基于CMOS MEMS（Micro Electro Meganetic System，微机电系统）技术的硅麦克风体积更小，特别适合高性价比的应用。

MEMS麦克风包含一个MEMS声电传感器和一个信号预放大电路。电容型的MEMS声电传感器将声压转换为电容容值的变化，由于储存的电荷数一定，这种变化会反应为电容两端的电压的变化。电压的变化通过信号预放大电路的处理，转化为后续电路可用的输出信号。同时信号预放大电路给MEMS声电传感器提供所需的偏置电压。

MEMS麦克风的灵敏度指的是在1Pa的声压下，电路输出的电信号幅度，单位是mV/Pa，他由MEMS传感器的灵敏度和放大器的增益组成。传统的ECM麦克风由于本身工艺的局限性，即使是同一批次的产品，灵敏度也有较大的偏差。MEMS麦克风由于基于的是硅工艺，一致性远好于ECM麦克风，但是仍然存在偏差。在很多应用中对麦克风的灵敏度的偏差都有一定的要求，偏差过大会导致过低的良率。因此，能对成品进行灵敏度的修正变的很有需要，目前在芯片的制造过程中，往往会通过修改几层掩膜，或者是在晶圆级测试过程中，通过额外的引脚，通过编程来实现对预放大器电路参数的修改。

鉴于产品的可靠性和制造成本考虑：一种结构简单，可直接对已完成封装的麦克风成品进行参数配置，而不需要修改掩膜的MEMS麦克风就成为一种需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可配置参数的MEMS麦克风电路，同时提供一种与MEMS麦克风电路相配合的上位机电路，还提供一种MEMS麦克风电路进入编程模式的方法。本发明可对已完成封装的麦克风成品进行参数的修改，通过对部分由于工艺偏差引起的不良产品进行参数修正，使其达到规范要求。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种MEMS麦克风电路，包括MEMS声电传感器和信号预放大电路，所述信号预放大电路包括放大器、电荷泵、接口控制电路和OTP存储器；所述电荷泵与MEMS声电传感器连接，用于为MEMS声电传感器提供偏置电压；所述放大器与MEMS声电传感器连接，用于放大MEMS声电传感器产生的电信号；所述OTP存储器与放大器连接，用于程序的存储；所述接口控制电路与放大器以及OTP存储器连接，用于实现输出引脚的复用并和上位机通讯，以及对OTP存储器进行读写以配置内部电路。

其进一步的技术方案为：所述放大器由电流源偏置电路、第一级放大电路和第二级驱动电路组成；所述电流源偏置电路上连接有第一开关，所述第二级驱动电路包括PMOS管和NMOS管，所述PMOS管的漏极和栅极之间连接有密勒补偿电路和第二开关，所述NMOS管的源极和栅极之间连接有第三开关，所述PMOS管的源极和栅极之间连接有第四开关。

本发明同时提供一种与MEMS麦克风电路相配合的上位机电路，包括相互连接的时序发生器电路和驱动电路；所述时序发生器电路用于产生可被MEMS麦克风内部的接口电路所识别的时序信号；所述驱动电路由三态门和上拉电阻组成，所述三态门的编程引脚通过所述上拉电阻与电源连接。

本发明更提供一种MEMS麦克风电路进入编程模式的方法，包括以下步骤：1）：MEMS麦克风电路上电，上位机处于强上拉状态；2）：等待高电平检测；3）：MEMS麦克风电路通过其接口电路中的比较器判断此时输出引脚的状态是否为高电平，若为高电平，则转入步骤4）；若为低电平，则转入步骤7）；4）：密码序列的输入；5）：判断输入的密码序列是否正确，若密码序列输入完全正确，则转入步骤6）；若密码序列输入错误，则转入步骤7）；6）：MEMS麦克风电路进入编程模式；7）：MEMS麦克风电路正常启动，进入普通工作模式。

本发明的有益技术效果是：

本发明能在成品测试阶段通过复用信号输出引脚，通过一定的编程时序，实现对芯片内部寄存器的控制，从而实现对电路增益，电荷泵电压等其他参数的修改。和传统的方法相比，本发明最大的优势在于对已完成封装的麦克风成品进行参数的修改，使对部分由于工艺偏差引起的不良产品，通过进行参数的修正，达到规范要求。另外不需要修改掩膜，仅通过对芯片的编程即可实现不同规格要求的产品（例如不同的灵敏度）。

附图说明

图1是MEMS麦克风电路的结构框图。

图2是MEMS麦克风电路中的放大器在编程模式下的配置示意图。

图3是MEMS麦克风电路在编程模式下和上位机的连接示意图。

图4是进入编程模式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明的MEMS麦克风电路的结构框图，其包括一个MEMS声电传感器1和一个信号预放大电路2。信号预放大电路2和传统的芯片结构不同，除了包括主要功能模块如放大器3、电荷泵4以外，还包括接口控制电路6和OTP（One Time Programmable，一次性可编程）存储器5。电荷泵4用来给MEMS声电传感器1提供偏置电压，放大器3放大MEMS声电传感器1产生的电信号。接口控制电路6用来实现OUT引脚的复用并且完成和上位机的通讯，通过接口控制电路6对OTP存储器5进行读写，达到配置内部电路的目的。

图2是放大器3增益级的简略图，其可以等效为一个两级运算放大器。左边是电流源偏置电路，中间的第一级放大电路图中未画出。右边是第二级驱动级电路。当处于正常工作模式时，开关S1闭合，电流源偏置正常工作；开关S2闭合，密勒补偿电路工作；开关S3和开关S4处于断开状态，此时放大器3的增益级即一个正常工作的二级运算放大器。当处于编程模式时，由于此时输出引脚被复用为编程引脚，为了避免出现外部驱动信号和内部放大器双驱动情况，内部放大器对外需进入一个高阻状态。此时开关S1断开，电流源偏置被切断；开关S2断开；开关S3和开关S4闭合，使上端的PMOS管和下端的NMOS管都处于截止状态，如此从OUT端往放大器看便呈现高阻状态。通过上述开关的控制，放大器3在正常情况下完成普通运算放大器的功能；在编程模式下，通过配置开关对外实现高阻的状态。

图3是本发明的MEMS麦克风电路和上位机的连接示意图，其中上位机包含一个时序发生器7，其用于产生满足一定要求的时序信号，此信号会被麦克风内部的信号预放大电路内部的接口控制电路识别。另外，上位机还包含驱动电路8。驱动电路8由三态门和上拉电阻组成。三态门可以控制电路是否强上拉到电源，以及是否下拉到地，或者三态门处于高阻状态，输出PRG引脚通过一电阻弱上拉到电源。需要此三种模式是为了被芯片所识别完成相对应的任务。在对麦克风内部芯片编程的时候。由于是单线协议，没有时钟信号，为了区分0和1。在芯片内部有一振荡器产生的时钟基准。当外部脉冲宽度大于此时钟基准时，即被认为是1，当脉冲宽度小于时候基准的时候即被认为是0。

图3中的MEMS麦克风和上位机除电源线和地线外，通过单线连接。驱动电路可以实现强上拉、强下拉和高阻并由电阻实现弱上拉三种逻辑状态。在和芯片通信的过程中，强下拉为低电平，弱上拉为高电平，并由高电平的长短区分0和1。之所以要采用弱上拉，是可以让芯片从内部通过下拉晶体管下拉OUT引脚以实现读出芯片内部状态的目的。

图4是本发明进入编程模式的流程图。为了使麦克风进入编程状态，上电时由内部比较器判断是否引脚状态为高电平，若为高，等待密码序列的输入，若密码序列正确，则进入编程状态。若上电时状态不为高或者密码输入错误，麦克风均进入正常工作模式。具体步骤为：在麦克风上电的时候（步骤S1），上位机处于强上拉状态。此时在上电后的10ms内（步骤S2），麦克风通过接口电路中的比较器检测是否此时OUT引脚处于强上拉状态（步骤S3）。如果是则等待密码的输入（步骤S4）。如果不是则正常启动（步骤S7）。密码是由多位0，1序列组成的验证码，为了防止在实际使用过程中误触发而进入编程状态。如果密码输错，状态机自动跳出，芯片正常启动（步骤S7）。如果密码输入完全正确（步骤S5），则芯片进入编程状态（步骤S6）。通过长短脉冲的方式给芯片内部写入0，1信号。可实现对内部OTP的配置和烧写。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种MEMS麦克风电路，其特征在于：包括MEMS声电传感器（1）和信号预放大电路（2），所述信号预放大电路（2）包括放大器（3）、电荷泵（4）、接口控制电路（6）和OTP存储器（5）；所述电荷泵（4）与MEMS声电传感器（1）连接，用于为MEMS声电传感器（1）提供偏置电压；所述放大器（3）与MEMS声电传感器（1）连接，用于放大MEMS声电传感器（1）产生的电信号；所述OTP存储器（5）与放大器（3）连接，用于程序的存储；所述接口控制电路（6）与放大器（3）以及OTP存储器（5）连接，用于实现输出引脚的复用并和上位机通讯，以及对OTP存储器（5）进行读写以配置内部电路；

所述放大器（3）由电流源偏置电路、第一级放大电路和第二级驱动电路组成；所述电流源偏置电路包括第一NMOS管，所述第一NMOS管的源极接地，漏极和栅极连接第一开关（S1）的一端，第一开关（S1）的另一端串联电流源后接电源电压；所述第二级驱动电路包括PMOS管和第二NMOS管，所述PMOS管的漏极和栅极之间连接有密勒补偿电路和第二开关（S2），所述第二NMOS管的源极和栅极之间连接有第三开关（S3），所述PMOS管的源极和栅极之间连接有第四开关（S4）；PMOS管的源极接电源电压，第二NMOS管的源极接地，PMOS管的栅极连接第一级放大电路的输出端，第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极相连；

所述MEMS表示微机电系统；所述OTP表示一次性可编程；所述NMOS表示N型金属氧化物半导体；所述PMOS表示P型金属氧化物半导体。