CN102685641B - 微麦克风读出电路及读出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有源电阻的传感器读出电路与其读出方法。为实现微麦克风的集成化，本发明采取的技术方案是，微麦克风读出电路及读出方法：当Vin处的电压大于500mV时，使PMOS管P1与NMOS管N1均导通，电荷从PMOS管P1经过NMOS管N1迅速释放到地，当Vin处的电压降低到500mV以下的时候，使PMOS管P1工作在亚阈值区，使NMOS管N1工作在线性区，电荷释放的速度有所减慢，当Vin处的电压降低到250mV以下得时候，此时的PMOS管P1为一个阻值很大的电阻，用来缓慢释放电荷。本发明主要应用于微麦克风设计制造。

Description

微麦克风读出电路及读出方法
技术领域
本发明涉及有源电阻的传感器读出电路与其读出方法，具体讲，微麦克风读出电路。
背景技术
MEMS微麦克风读出电路的结构主要由MEMS电容，前置放大器，电荷泵，带隙基准四个部分组成，其中，电荷泵给MEMS电容提供电荷。
图1为传统MEMS微麦克风读出电路的方法，在MEMS电容和前置放大器之间采用一个很大的电阻(阻值一般达到几G欧)使电荷缓慢释放，这个电阻无法集成到集成电路里面，只能在外围电路实现。这给MEMS微麦克风的集成化制造障碍。所以考虑采取一种替代的方法将电阻替代成可以集成到集成电路中的器件来实现。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种微麦克风信号引出技术方案，实现微麦克风的集成化，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，微麦克风读出电路，包括MEMS电容，前置放大器，电荷泵，带隙基准，放大器，滤波器，电荷泵给MEMS电容提供电荷，还包括有电荷释放装置，电荷释放装置的Z1、Z2、Z3端分别依次对应连接前置放大器的输入端、MEMS电容输出、电荷泵的输出；Z1、Z2端之间连接有一个电阻，Z1、Z2端分别各自连接一个二极管负极，二极管正极接地；两个PMOS管P1、P2栅极相连并接地，漏极相连并连接到NMOS管N1的源极，PMOS管P1源极接Z2端，PMOS管P2源极接PMOS管P3栅极，PMOS管P3源极、漏极通过短接电阻相连，PMOS管P3源极接Z3端；NMOS管N1的漏极接地，NMOS管N1的栅极由钳位电路给出固定直流电压。
除MEMS电容外，其它组成部分均集成在一块集成电路芯片中。
微麦克风读出方法，借助于微麦克风读出电路实现，并包括下列步骤：当电路启动时，电荷泵开始工作，通过MEMS转化器耦合到芯片内部的电荷迅速增加，当Vin处的电压大于500mV时，使PMOS管P1与NMOS管N1均导通，且均工作在饱和区，电荷从PMOS管P1经过NMOS管N1迅速释放到地，当Vin处的电压降低到500mV以下的时候，使PMOS管P1工作在亚阈值区，使NMOS管N1工作在线性区，电荷释放的速度有所减慢，但是仍然能够比较快速释放，当Vin处的电压降低到250mV以下得时候，PMOS管P1工作在截止区，使NMOS管N1工作在线性区，此时使PMOS管P1通路上利用微小的漏电流来释放电荷，此时的PMOS管P1为一个阻值很大的电阻，用来缓慢释放电荷。
本发明的技术特点及效果：
本发明采用MOS管、三极管、小电阻和二极管实现缓慢释放电荷装置，因而能够集成到集成电路中，并且功耗较小，在电荷较多的时候能够迅速释放电荷，建立时间能够大幅度减小。
附图说明
图1.传统MEMS微麦克风读出电路的方法。
图2.新设计的MEMS微麦克风读出电路的方法。
图3.最佳实施方式的电路结构图。
具体实施方式
由于MEMS麦克风工作时，会在前置放大器的输入部分积累电荷，因而需要一个释放电荷的装置，但是电荷释放的过程不能太快，否则MEMS电容产生的交流信号会产生失真，因而需要一个缓慢的释放电荷过程。
本发明的目的是采用MOS管、三极管、小电阻和二极管来实现这种缓慢释放电荷装置。
图2为新设计的MEMS微麦克风读出电路的方法，在MEMS电容和前置放大器之间采用一个电路结构，同样能够使电荷缓慢释放的功能。并且这个系统可以集成到集成电路里面，占用面积小，功耗低，省去了部分外围电路。图2中，本发明设置有MEMS电容，前置放大器，电荷泵，带隙基准，放大器，滤波器，电荷泵给MEMS电容提供电荷，还包括有电荷释放装置，电荷释放装置的Z1、Z2、Z3端分别依次对应连接前置放大器的输入端、MEMS电容输出、电荷泵的输出；Z1、Z2端之间连接有一个电阻，Z1、Z2端分别各自连接一个二极管负极，二极管正极接地；两个PMOS管P1、P2栅极相连并接地，漏极相连并连接到NMOS管N1的源极，PMOS管P1源极接Z2端，PMOS管P2源极接PMOS管P3栅极，PMOS管P3源极、漏极通过短接电阻相连，PMOS管P3源极接Z3端；NMOS管N1的漏极接地，NMOS管N1的栅极由钳位电路给出固定直流电压。
当给入一个偏置电流以后，A点的电压值会稳定在一个点，为电源电压VDD减去三极管导通电压，这里的电源电压可以是1.5V-3.3V的任意值。这时，由A点控制的NMOS管(N-Mental-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体晶体管)导通使得存储的电荷能够通过这个NMOS管泄露到地。电路中NMOS管与PMOS管(P-Mental-Oxide-Semiconductor，P型金属-氧化物-半导体晶体管)阈值电压均为500mV左右。
当电路启动时，电荷泵开始工作，通过MEMS转化器耦合到芯片内部的电荷迅速增加，当Vin处的电压较高的时候(大于500mV)，P1管与N1管均导通，工作在饱和区，电荷从P1经过N1迅速释放到地，当Vin处的电压降低到500mV以下的时候，P1管工作在亚阈值区，N1管工作在线性区，电荷释放的速度有所减慢，但是仍然能够比较快速释放，当Vin处的电压降低到250mV以下得时候，P1管工作在截止区，N1管工作在线性区，此时P1通路上利用微小的漏电流来释放电荷，此时的P1管可以看做一个阻值很大的电阻，能够起到图1中电阻器R的作用，来缓慢释放电荷。
图2中二极管和三极管都是作为ESD(Electro-Static discharge，静电释放)保护，防止瞬间高压损坏器件。电荷泵通过一个当作电容来使用的耐高压的MOS管来提供电荷。
图3为最佳实施方式的电路结构图，各管尺寸如表1所示。
图中Z1接微麦克风读出电路前置放大器的输入端，Z2接MEMS电容，Z3接电荷泵的输出。
表1给出的是电路结构中各晶体管的尺寸。其中P1、P2、P3为普通的PMOS管，N1为普通的NMOS管。Q1与D1、D2作为ESD保护使用。
表2给出的是电路结构中各电阻的阻值。
当电源电压为3.3V时，电路稳定后N1支路电流值约为0，R1支路电流值为2.59uA。
表1
  名称   W   L   M   名称   W   L   M
  P1   2u   1.5u   1   N1   0.5u   1u   1
  P2   2.5u   0.35u   1   D1   0.7u   5u   1
  P3   9u   37.5u   2   D2   0.7u   0.7u   1
  Q1   1u   1u   1
表2
  名称   阻值(单位：欧姆)
  R1   1000000
  R2   3000

Claims (3)

1.一种微麦克风读出电路，其特征是，包括MEMS电容，前置放大器，电荷泵，带隙基准，放大器，滤波器，电荷泵给MEMS电容提供电荷，还包括有电荷释放装置，电荷释放装置的Z1、Z2、Z3端分别依次对应连接前置放大器的输入端、MEMS电容输出、电荷泵的输出；Z1、Z2端之间连接有一个电阻，Z1、Z2端分别各自连接一个二极管负极，二极管正极接地；两个PMOS管P1、P2栅极相连并接地，漏极相连并连接到NMOS管N1的源极，PMOS管P1源极接Z2端，PMOS管P2源极接PMOS管P3栅极，PMOS管P3源极、漏极通过短接电阻相连，PMOS管P3源极接Z3端；NMOS管N1的漏极接地，NMOS管N1的栅极由钳位电路给出固定直流电压。
2.如权利要求1所述的微麦克风读出电路，其特征是，除MEMS电容外，其它组成部分均集成在一块集成电路芯片中。
3.一种微麦克风读出方法，其特征是，借助于权利要求1所述微麦克风读出电路实现，并包括下列步骤：当电路启动时，电荷泵开始工作，通过MEMS转化器耦合到芯片内部的电荷迅速增加，当Vin处的电压大于500mV时，使PMOS管P1与NMOS管N1均导通，且均工作在饱和区，电荷从PMOS管P1经过NMOS管N1迅速释放到地，当Vin处的电压降低到500mV以下的时候，使PMOS管P1工作在亚阈值区，使NMOS管N1工作在线性区，电荷释放的速度有所减慢，但是仍然能够比较快速释放，当Vin处的电压降低到250mV以下得时候，PMOS管P1工作在截止区，使NMOS管N1工作在线性区，此时使PMOS管P1通路上利用微小的漏电流来释放电荷，此时的PMOS管P1为一个阻值很大的电阻，用来缓慢释放电荷，其中芯片是指权利要求1所述微麦克风读出电路除MEMS电容外，其它组成部分均集成在一块集成电路芯片中。
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