CN102882481B - 用于电容信号源放大器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电容信号源放大器的系统和方法。根据实施方式，用于放大由电容信号源提供的信号的系统包括第一级和第二级。第一级具有：电压跟随器装置，包括被配置为耦接至电容信号源的第一端子的输入端子；以及第一电容器，具有耦接至电压跟随器装置的输出端子的第一端和被配置为耦接至电容信号源的第二端子的第二端。第二级包括电容耦接至电压跟随器装置的输出端子的差分放大器。

Description

用于电容信号源放大器的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及半导体电路和方法，更具体地涉及用于电容信号源的放大器。

背景技术

音频麦克风通常用在诸如蜂窝电话、数字音频录音机、个人计算机和电话会议系统的各种消费者应用中。特别地，成本较低的驻极体电容式麦克风（ECM）用在批量生产成本敏感的应用中。ECM麦克风通常包括安装在具有声音端口和电气输出端子的小封装中的驻极体材料的膜。驻极体材料粘附于隔膜或本身构成隔膜。大部分ECM麦克风还包括可以连接至在诸如蜂窝电话的目标应用内的音频前端放大器的前置放大器。前端放大器的输出可以耦接至另一模拟电路或用于数字处理的A/D转换器。因为ECM麦克风是由离散的部分构成的，所以制造处理涉及复杂的制造处理内的多个步骤。因此，难以实现产生高水平声音质量的高产量低成本的ECM麦克风。

在微型机电系统（MEMS）麦克风中，在集成电路上直接蚀刻压敏隔膜。这样，麦克风被包含在单个集成电路上而不是由单独的离散部分构成。MEMS麦克风的一体性产生了更高的产量、较低的成本的麦克风。

然而，由于麦克风的非常高的输出阻抗，所以MEMS麦克风或传感器与电气系统的连接造成大量的困难。例如，通过前置放大器的加载可潜在地减弱麦克风的输出信号，并且MEMS麦克风的高电阻性使得由于较低的电源抑制比（PSRR）易于受到EMI干扰和电源干扰。

发明内容

根据实施方式，一种用于放大由电容信号源提供的信号的系统包括第一级和第二级。第一级具有：电压跟随器装置，包括被配置为耦接至电容信号源的第一端子的输入端子；以及第一电容器，具有耦接至电压跟随器装置的输出端子的第一端和被配置为耦接至电容信号源的第二端子的第二端。第二级包括电容耦接至电压跟随器装置的输出端子的差分放大器。

在以下附图和说明中阐述了本发明的一个或多个实施方式的细节。从说明和附图以及从权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

为了更彻底的理解本发明及其优点，现在将结合附图来参考以下说明，其中：

图1示出了根据现有技术的放大器；

图2a至图2b示出了根据本发明实施方式的放大器；

图3示出了根据本发明的可选实施方式的放大器；

图4示出了根据本发明的另一可选实施方式的放大器；

图5示出了实施方式的第一级放大器；

图6示出了实施方式的第二级放大器；

图7a至图7d示出了实施方式的MEMS麦克风偏置电路的示意图和时序图；

图8示出了根据本发明实施方式的系统。

具体实施方式

以下将详细讨论当前优选的实施方式的制造和使用。然而，应理解，本发明提供可以各种具体环境实施的许多可应用的发明概念。所讨论的具体实施方式仅表示制造和使用本发明的具体方式，但不限制本发明的范围。

将关于在具体环境中的实施方式描述本发明，即，用于诸如MEMS或驻极体电容式麦克风（ECM）的电容信号源的放大器。然而，本发明也可应用于其他类型的电路和诸如音频系统、通信系统、传感器系统和连接至高阻抗信号源的其他系统的系统。

在实施方式中，用于MEMS麦克风的放大器具有第一级，该第一级包括电容耦接的增益升压（boosted）源跟随器级。该第一级提供对于MEMS器件的高阻抗接口和在源跟随器级的输出端的低输出阻抗。此外，放大器具有第二级，该第二级包括耦接至增益升压源跟随器级的输出端的电容耦接差分放大器。通过使用非常高电阻的偏置网络，可以实现从几mHZ扩展到几十KHz的带宽的放大器，从而使实施方式适于低频传感器和音频应用。应理解，虽然所述实施方式中的一些针对MEMS麦克风系统，但是本发明的实施方式也可针对MEMS传感器、电容传感器以及其他电容和高阻抗信号源。

图1示出了根据现有技术的与电容源104连接的电容传感器放大器100。可以是MEMS麦克风、ECM麦克风或其他类型的电容信号源的电容源104由与电容器Cmic（通常具有约1pF到约10pF之间的电容）串联耦接的电压源Vmic表示。放大器100的带内增益约Am=C1/C2。放大器100的传输特性具有约1/（2*pi*C2*R2）的下角频率，以及Gm/（2*pi*cl*Am）的上角频率。C1的值通常比传感器电容Cmic更小以最小化信号的衰减。

放大器100的噪声在低频时由电阻器R1和R2的噪声控制，并且在高频时由跨导放大器102的噪声控制。在较高频率时，放大器100的输出噪声是约Vnia*（C1+C2+Cmic）/C2，其中Vnia是跨导放大器102的输入基准噪声。可以看出，C2的大值产生更好的噪声性能。然而，C2的值实际上是有限的，因为相对于C2，C1需要足够大以实现高电压增益，但不能太大以避免由于Cmic和C1之间的电容分割而引起的输出信号101的衰减。

图2a示出根据本发明实施方式的放大系统200。MEMS器件202耦接至第一级放大器204，第一级放大器204进一步耦接至第二级206。第一级放大器204具有基于晶体管M1和电容器C11和C22的增益升压源跟随器电路，并且第二级放大器206具有在电容反馈配置中的全差分放大器224。MEMS器件202由电压源Vmic、麦克风电容Cmic和寄生电容Cp模拟。在实施方式中，MEMS器件202被与具有在GΩ区域中的电阻的电阻RB串联的电压源VB偏置。电阻RB与电容C2构成对来自电压源VB的噪声进行滤波的低通滤波器。可选地，较低的电阻值可以根据特定系统及其规格用于RB。

在实施方式中，偏置器件VB、RB、第一级204和第二级206设置在同一集成电路（IC）220上，MEMS麦克风202经由连接垫210和212连接到IC220。可选地，MEMS麦克风202也可作为第一级204和第二级206设置在同一IC220上，在该情况下，MEMS麦克风202的端子可以内部耦接至第一级204和偏置电阻器RB。

在实施方式中，MEMS麦克风202的一个端子耦接至晶体管M1的栅极，另一端子耦接至电容器C1和C2和电阻RB。晶体管M1和电容C11和C22的组合形成增益升压源跟随器电路。在实施方式中，M1被配置为在晶体管M1的栅极的信号在晶体管MI的源极缓冲的源跟随器或电压跟随器装置。因为在晶体管M1的栅极和晶体管M1的源极之间存在最小相移，所以晶体管M1具有对电压Vmic的升压效果。在实施方式中，相对于Vmic的第一级204的增益是约G1=1+C11/C22，忽视Cmic、寄生电容Cp、M1的跨导和其他寄生组件的影响。在实施方式中，G1被设置为在约0dB和约20dB之间。可选地，可以根据特定系统及其规格来使用G1的其他值。

在实施方式中，M1经由电流源IB在亚阈值区域中偏置，以减小热和闪变噪声。此外，装置M1具有较大面积，以进一步减小闪变噪声。

在实施方式中，第二级206包含具有构成电容反馈网络的电容器C3P、C3N、C4P和C4N的差分放大器224。第二级206电压增益约为C3/C4。在实施方式中，第二级206的增益被设置为约0dB到约20dB之间；然而，也可使用该范围之外的增益。高电阻反馈电阻器RFB用于偏置放大器224的输入。在一些实施方式中，电阻器RFB在GΩ范围中。可选地，可以根据特定的应用及其规格使用较低的电阻。在一个实施方式中，使用图2b所示的串联耦接的二极管连接MOS来实现电阻RFB。通过二极管连接晶体管，如果图2a中放大器224的输入偏置电压开始漂移，则二极管连接晶体管将导通，从而使临时DC反馈路径以将放大器224的输入保持在适当的偏置。

在实施方式中，放大器224被实现为具有共模反馈的全差分运算跨导放大器（OTA），然而，在可选实施方式中，可以使用包括但不限于对称放大器、折叠共源共栅（cascoded）放大器、仪器放大器和Miller放大器的其他放大器架构。

在实施方式中，关于存在于放大器电路内的电容器的电容器大小Cmic的影响显著减小，因为通过与跨端子210和212的输入信号同相地驱动在第一级204的输出的C11的相反端来实现低电容负载。引入频率特性的第二低频角，这是由源跟随器晶体管M1的输入电容Cin和模拟在M1的栅极的偏置网络的附加输入电阻Ri所定义的。在实施方式中，Ri在约10GΩ与1TΩ之间。可选地，Ri也可以在该范围之外。在一些实施方式中，图2a中所示的实现方式可以通过较小的传感器电容器值实现良好的噪声性能。

在一个实施方式中，Cmic的值约5.5pF，第一级放大器204的增益约为1，第二级放大器206的增益约为5，3dB下角频率约为20Hz，而3dB上角频率约为20kHz。这里，输出负载电容器CL限制放大器224的带宽，并可以用作用于具有与第二级206的输出连接的A/D转换器的系统的抗混叠（anti-aliasing）滤波器。在可选实施方式中，对于较高的带宽系统，或对于不需要滤波的系统，上角频率要高得多，例如200kHz。

在实施方式中，可以通过增大C22和C11来减少第二级206热噪声。因为通过第一级204缓冲第二级206，电容C11和C22的增加并不直接加载MEMS麦克风202的输出。在一些实施方式中，该电路可被配置为使得第一级204实现最大增益，例如，6db，并且第二级206用于信号模式转换，例如将单端信号转换为差分信号。第二级206也可用于灵敏度的适应，由于第一级204不能够单独提供30dB。

参考图3，示出了根据本发明另一实施方式的放大系统300。MEMS麦克风202耦接至与图2a中的第一级204类似的第一级304。在这里，升压源跟随器晶体管M1由PMOS晶体管320偏置，其反映了通过晶体管310的来自电流源322的电流。低通滤波器是由电阻器312和电容器314构成，以在晶体管320的栅极对偏置电压进行滤波。在实施方式中，由低通滤波器构成的角频率可在约1mHz到约1Hz的范围中；然而，在可选实施方式中，可使用其他角频率。

在第二级306中，通过二极管连接PMOS器件330、331、332和333偏置放大器224的负输入。通过二极管连接PMOS器件334、335、336和337偏置放大器224的正输入。在可选实施方式中，根据在第二级306内的节点电压的标称期望信号摆幅，可以串联耦接更多或更少的二极管连接器件。此外，除了PMOS器件的其他器件类型，例如，三阱NMOS器件（其中大量节点默认不耦接至基板）可用于反馈偏置电阻。

在实施方式中，MEMS器件202由跟随有低通滤波器302（其标称具有1mHz和约1Hz之间的角频率）的电压源VB偏置。偏置电压VB可以在约3V和约60V之间，但是根据所使用的特定的MEMS麦克风和/或电容传感器，该范围之外的电压也是可以的。

图4示出了适于放大具有耦接至第一级402的一个端子的ECM麦克风的输出的实施方式的放大系统400。此外，在使用ECM麦克风的实施方式中，麦克风偏置电压是没有必要的。应理解，ECM麦克风也可以用在其他实施方式中，诸如图3所示的实施方式。由Vmic和内部电容Cmic表示的麦克风406耦接至第一级402。第一级402具有由电流源410偏置的源跟随器PMOS器件M1。PMOS器件M1优选在用于更好的噪声性能的亚阈值区域中被偏置。在可选实施方式中，可以使用另一晶体管类型的源跟随器晶体管。此外，在其他实施方式中，源跟随器装置M1可在饱和区域中被偏置。

在实施方式中，使用具有由PMOS晶体管420和422（它们由电流源414偏置）构成的输出差分对的跨导放大器实现第二级404。晶体管420和422的漏电流被分别经由二极管连接NMOS器件424和426反映到NMOS器件430和428。可选地，第二级404的器件类型可以反转。例如，晶体管420和422可以通过NMOS器件实现和/或晶体管430、424、426和428可以通过PMOS器件或NMOS和其PMOS器件的不同组合来实现。向430和428提供电流的电流源412和416被共模反馈（CMFB）控制，该共模反馈将输出节点Voutp和Voutn的共模电压设置为预定义的电压和/或电压范围。经由定义晶体管420和422的输入DC电压电平的偏置电阻器R2来偏置晶体管420和422。在一些实施方式中，偏置电阻R2是使用诸如图2b所示的二极管连接晶体管实现的可变电阻器。在实施方式中，第二级404的增益约C1/C2，并且输出角频率通过输出负载电容CL和放大器404的跨导的值来设置。

在实施方式中，第一级402具有约为1的电压增益，并且第二级被设置为具有约5的电压增益，并且ECM麦克风406具有约5.5pF的电容Cmic。在实施方式中，第一级402具有高通特性，第二级的404具有带通特性。与第二级404级联的第一级402的合成的3dB带宽从约20Hz扩展到约20kHz。应理解，这些值仅是一个实施方式的实例，并且可选实施方式的增益、带宽和电容可以不同。

图5示出了第一级放大器500的实施方式连同其相关的偏置电路。在实施方式中，第一级放大器500可用作图2a、图3和图4所示的实施方式的第一级。PMOS源跟随器装置M1经由NMOS晶体管534和536偏置到接地电位。在实施方式中，晶体管534和536具有长的晶体管长度以增加输出阻抗。这两个晶体管实现了晶体管M1的输入偏置电阻。通过经由晶体管532将器件530的栅极与其漏极耦接，晶体管534和536的VGS通过晶体管532减小。由于该结构，534和536的VGS在mV区域中，晶体管处于非常弱的反转，536和534的输出阻抗在TΩ至100GΩ的区域中。应理解，然而，晶体管536和534没有完全截止。在一个实施方式中，电阻532在约300KΩ和约500KΩ之间，电流源510的电流在约400nA和约5uA之间。在可选实施方式中，可以实现其他组件值、电流电平和角频率。例如，如果输入电压VIN增加至高于VDD，则PMOS器件538提供ESD保护并将传导电流。可选地，根据特定应用和其规格可使用现有技术中已知的其他ESD保护方案。

在实施方式中，电流源512的电流经由PMOS器件520反映到PMOS器件M2。在器件520的栅极的电压被由PMOS器件526的电阻和电容器528的电容构成的RC低通滤波网络所低通滤波。在实施方式中，该RC低通网络的角频率为约100mHz。PMOS器件526通过PMOS器件522和电阻器524在线性区域中被偏置。在实施方式中，在启动期间闭合（close）可选开关502和504，以允许节点电压在放大器的操作之前快速地固定至其静态值。旁路这些电阻避免了由于长时间常量的较长的启动时间。这些开关例如可以在操作的第一个100ms或200ms期间关闭，然而在该范围之外的持续时间也可行。在断开（open）开关之后，偏置节点具有较高的时间常量。在启动时间不是问题的情况下和/或在具有较小时间常量的电路中，可以省略开关502和504。

图6示出了根据本发明实施方式的第二级放大器600的电路级示意图。在实施方式中，第二级放大器600可用作在图2a、图3和图4中所示的实施方式的第二级。全差分共源共栅放大器具有由电流源682偏置的器件626和628构成的PMOS差分对。来自这些器件的电流分别经由二极管连接NMOS器件630和632反映到NMOS器件640和638。由分别具有NMOS器件642和644的可选的共源共栅晶体管642和644在输出节点VOUTP和VOUTN实现高阻抗。晶体管642和644的栅极偏置电压由电压VCAS使表示，这可以通过使用在现有技术中已知的共源共栅偏置技术来生成。在实施方式中，可以使用共源共栅电流源实现电流源672和670，然而，可根据特定应用和可用的空间使用在本领域已知的其他电流源结构。

在实施方式中，使用共模反馈电路690将节点VOUTP和VOUTN的共模输出电平设置为电压VCM。例如，可以通过使用本领域已知的电压生成技术，例如使用带隙电压基准或在电源和地之间的电阻分压器产生电压VCM。共模反馈电路690具有分别耦接至VCM的NMOS器件652和654以及耦接至VOUTN和VOUTP的NMOS器件650和656。由电流源662、664、666和668提供的电流在经由电阻器658和660以及经由NMOS器件650、652、654和656在二极管连接NMOS器件646和648之间行进。通过NMOS器件646的电流分别经由NMOS器件634和636从PMOS器件626和628的漏极传导，从而形成封闭的共模环路。应理解，在本领域已知的其他共模偏置方案也可应用与实施方式的第二级。

在实施方式中，在输出VOUTP和VOUTN与PMOS器件628和626的栅极之间设置反馈。例如，反馈网络692具有电容C4P和以第一方向取向的二极管连接PMOS器件606和608以及以第二方向取向的PMOS器件610和612。根据所需的电路密度和信号线性使用例如高聚物-高聚物电容器、MIM电容器和栅极电容器来实现电容器C4P。

在实施方式中，向PMOS器件626和628的栅极提供DC偏置的二极管连接晶体管606、608、610和612以两个方向取向，以防止正和负瞬变值较长时间干扰放大器的偏置点。在一些实施方式中，可串联连接多于两个二极管连接晶体管或少于两个二极管连接晶体管。具有更多串联耦接的晶体管的实施方式具有放大器操作的高线性区域和较低的总谐波失真（THD），这以更慢且更难从瞬变干扰恢复为代价。在实施方式中，根据特定应用及其规格选择串联偏置器件的数量。具有电容器C4N和PMOS器件618、620、622和624的反馈网络694根据以上所述的反馈网络692的原理来操作。在实施方式中，耦接反馈网络692和694的输入和输出的可选开关676、674、678和680在启动期间闭合以更快速地偏置放大器。

在实施方式中，第二级600的电压增益约C3P/（C4P）。此外，在一些实施方式中，使电容器C4P和C4N相互匹配，通过使用现有技术中已知的技术使电容器C3P和C3N相互匹配，以提高电源抑制比（PSRR）和放大器的偏移。这些技术可以包括，例如，使用单元器件和共同质心布局技术。使用已知布局和尺寸改变技术可进一步提高PSRR和偏移性能，以在电路600内匹配剩余的有源和无源器件。

图7a至图7d示出了可以用于实现图2a和图3中所示的电压源VB的实施方式的偏置电路。图7a示出了用于提供约3V和约60V之间的升压电压的MEMS偏置电路700的顶层示意图。可选地，取决于使用的特定的MEMS麦克风和/或电容传感器，在该范围之外的电压也是可以的。在实施方式中，Dickson电荷泵结构用于提供升压输出电压VBIAS。电荷泵通过耦接至功能二极管块704、706、708、710和712的电容器740、742、744、746和748构成。在一个实施方式中，使用九个功能二极管块。可选地，可根据需要的升压电压使用任意数量的功能二极管块。在实施方式中，由放大器702对基准电压VREF进行缓冲，该基准电压被馈入第一功能二极管704。时钟发生器716提供驱动电容器740、740、742、744、746和748以及功能二极管块704、706、708、710和712的时钟信号Q1、Q1N、Q2N、Q3、Q2和Q3B。最后的功能二极管块712的输出耦接至电容器750和低通滤波器750。

图7b示出了具有PMOS器件722、724和726以及输出耦接电容器728和730的实施方式的功能二极管块720。PMOS器件722是将功能二极管720的输入IN与功能二极管720的输出OUT耦接的通道晶体管。交叉耦接的晶体管724和726与输入耦接电容器728和730在功能二极管处于非导通状态期间提供截止晶体管722的升压时钟。通过使用电路720，可以避免由于晶体管722的阈值电压所致的低效率。在可选实施方式中，可以使用PN结二极管、二极管连接晶体管或其他合适的器件来代替功能二极管720。

图7c示出了为电容器740、740、742、744、746和748以及功能二极管704、706、708、710和712提供定相时钟的实施方式的时钟发生器716的示意图。图7d示出时钟发生器716的时序图。在实施方式中，驱动电容器740、740、742、744、746和748的时钟信号Q1和Q1N具有最宽的脉冲宽度，驱动一些功能二极管的时钟信号Q2和Q2N具有较窄的脉冲宽度，驱动剩余的功能二极管的时钟信号Q3和Q3具有最窄的脉冲宽度。在实施方式中，相对于Q1的Q2的上升沿Q1、相对于Q2的Q1的下降沿、相对于Q2的Q3的上升沿和相对于Q3的Q2的下降沿被延迟Tnovl。通过使用实施方式的始终定相方案，诸如图7d所示出的那样，在驱动电容器740、740、742、744、746和748的信号改变状态之前，功能二极管704、706、708、710和712是稳定的。在可选实施方式中，可以使用其他的时钟相位关系。

图8示出了使用本发明的实施方式的系统900。根据本文所述的本发明的实施方式，电容传感器902耦接至具有具有第一级906和第二级908的集成电路。在实施方式中，第二级908的差分输出耦接至A/D转换器910。在一些实施方式中，A/D转换器被实现为音频Σ-△转换器。在其他实施方式中，A/D转换器可以是例如适于传感器应用的低频A/D。在实施方式中，A/D转换器的输出耦接至处理器912以进行有用的功能。通过系统900可实现的可能的应用程序的实例包括但不限于电话系统、数字录音机和遥感系统。

在一些实施方式中，例如，电容式传感器902可以是MEMS麦克风或诸如电容式压力传感器、ECM或另一种类型的浮置电容信号源的其他电容传感器。在可选的实施方式中，电容传感器902可以包括在集成电路904上。此外，A/D转换器910和/或处理器912可设置为独立于集成电路904。在一些实施方式中，可以使用单个集成电路或使用多个集成电路实现集成电路904的功能。

根据实施方式，一种用于放大由电容信号源提供的信号的系统包括第一级和第二级。第一级具有：电压跟随器装置器件，其包括被配置为耦接至电容信号源的第一端子的输入端子；以及第一电容器，具有耦接至电压跟随器装置器件的输出端子的第一端和被配置为耦接至电容信号源的第二端子的第二端。第二级包括电容耦接至电压跟随器装置的输出端子的差分放大器。

在一些实施方式中，第一级的电压跟随器装置包括可以在亚阈值区域中被偏置的MOS源极跟随器。第一级也可包括第二电容器，该第二电容器包括耦接至基准节点的第一端和被配置为耦接至电容信号源的第二端子的第二端。

在一些实施方式中，第二级还包括耦接在电压跟随器装置的输出端子和差分放大器的第一输入端子之间的输入电容器，以及耦接在基准节点和差分放大器的第二输入端子之间的基准电容器。第二级还可包括耦接在差分放大器的第一输出端子和差分放大器的第一输入端子之间的第一反馈电容器，以及耦接在差分放大器的第二输出端子和差分放大器的第二输入端子之间的第二反馈电容器。

在一些实施方式中，该系统可配置为耦接至外部电容信号源，然而，在一些实施方式中，电容信号源也可以包括在系统中。在一些实施方式中，电容信号源存在于在第一和第二级的相同集成电路上。在一些实施方式中，电容信号源可以包括MEMS或ECM麦克风，而在其他实施方式中，电容信号源可以包括电容传感器或其他高阻抗信号源。

根据另外的实施方式，一种用于放大由高阻抗信号提供的信号的方法器包括：源跟随器晶体管，具有被配置为耦接至高阻抗信号源的第一端子的栅极；以及第一电容器，具有耦接至源跟随器晶体管的第一端子和被配置为耦接至高阻抗信号源的第二端子的第二端子。在一些实施方式中，源跟随器晶体管可以在亚阈值区域中被偏置。第二电容器进一步耦接在源跟随器晶体管的源极和差分放大器的第一输入之间，并且第三电容器耦接在差分放大器的第一输出和差分放大器的第一输入之间。差分放大器被配置为相对于第一输入在第一输出产生负相，差分放大器的低频增益由第二电容器的电容和第三电容器的电容的比设置。在一些实施方式中，放大器还包括耦接在第一电容器的第二端子和电压基准之间的第四电容器。

在一些实施方式中，高阻抗信号源是诸如MEMS或ECM麦克风的电容信号源，并且放大器也可包括用于高阻抗信号源的偏置网络。例如，可以为被配置为放大MEMS麦克风的放大器提供MEMS偏置电路。在一些实施方式中，MEMS偏置电路耦接至第一电容器的第二端子。

在实施方式中，从高阻抗信号源的第一和第二端子到源跟随器晶体管的源极的电压增益取决于第一电容器的电容和第四电容器的电容的比。在一些实施方式中，该电压增益可以大于1。

在实施方式中，放大器还包括耦接在差分放大器的第二输入和基准电压之间的第五电容器，以及耦接在差分放大器的第二输出和差分放大器的第二输入之间的第六电容器。该差分放大器可以包括具有共模反馈的全差分放大器。在一些实施方式中，差分放大器包括运算跨导放大器（OTA）。

在实施方式中，偏置晶体管与第三电容器并联耦接。偏置晶体管可以具有至少100MΩ的值，然而，在可选的实施方式中，也可根据应用和其规格使用较小的值。在实施方式中，偏置电阻器由串接的二级管连接MOS器件构成。

根据另一实施方式，一种用于放大由浮置电容源提供的信号的集成电路包括：第一级，被配置为将浮置电容源的第一较高阻抗转换为在第一级的输出的第二较低阻抗。第一级被进一步配置为通过将正反馈经由第一电容器从第一级的输出提供到第一级的输入来增加第一级的输入阻抗。该放大器还包括第二级，用于将第一级的输出转换为在第二级的输出的差分信号。在一些实施方式中，该集成电路还包括被配置为向浮置电容源提供偏置电压的偏置网络。

在实施方式中，第一级包括升压源跟随器电路，升压源跟随器电路包括大于1的电压增益，第二级包括电容耦接至升压源跟随器电路的输出的差分放大器。第一级还可包括耦接在第一级的输入和基准节点之间的第二电容器，使得升压源跟随器电路的电压增益基于第一电容器的电容和第二电容器的电容的比。

根据另一实施方式，一种用于放大由浮置电容源所产生的信号的集成电路包括被配置为耦接至浮置电容源的升压源跟随器电路。在一些实施方式中，升压源跟随器电路具有大于1的电压增益。该集成电路还包括电容耦接至源跟随器电路的输出的差分放大器，和被配置为耦接至浮置电容源的至少一个端子的偏置网络。差分放大器可以是具有由电容反馈网络设置的增益的全差分放大器。

在实施方式中，升压源跟随器电路包括：MOS晶体管，被配置为耦接至浮置电容源的第一端子；第一电容器，具有耦接至MOS晶体管的漏极的第一端子和被配置为耦接至浮置电容源的第二端子的第二端子；以及第二电容器，耦接在第一电容器的第二端子和基准电压之间。在一些实施方式中，基准电压为接地电压。

根据进一步的实施方式，一种放大由电容源信号提供的信号的方法包括：在电压跟随器装置的控制端子从电容信号源的第一端子接收第一信号，在耦接至电压跟随器装置的输出节点的第一电容器从电容信号源的第二端子接收第二信号。在一些实施方式中，偏置电压可以提供至电容信号源。该方法还包括通过基于耦接在电容信号源的第二端子和基准节点之间的第一电容器和第二电容器的比施加电压增益来放大第一和第二信号。第三信号通过电容耦接的全差分放大器从电压跟随器装置的输出节点接收，并且第三信号被放大以产生差分输出信号。在一些实施方式中，对差分输出信号进行模数转换。

实施方式的优点包括放大器的处理由于实施方式的第二级放大器的差分结构而引起的较高信号摆幅的能力。该实施方式的差分结构也抑制了偶阶谐波。此外，通过使用实施方式的放大器中的两个级，对于放大器增益变化的敏感性较小。在一些实施方式中，该增益变化可以是最大约0.3dB。此外，可基于电容器的比设置系统的增益，从而降低系统的整体增益变化。此外，通过将MEMS器件的电容与第二级的输入电容器断开连接，由于较大的输入电容器耦至虚拟地面，所以MEMS器件的输出不衰减。由于MEMS电容与跟随器晶体管的栅极串联耦接，所以将MEMS器件加载电容的效果被进一步减小，这将MEMS的高阻抗节点转换为用于第二级的低阻抗节点。在实施方式中，第一级如同具有低阻抗的电压源和传感器的响应的电压摆幅那样操作。

实施方式的进一步有利的方面包括更好的噪声性能。通过在第一级提供增益升压，减少了第二级的噪声贡献。

实施方式的进一步的优点包括抑制EMI干扰和由MEMS传感器经历的光相关的干扰的能力，因为第二级差分放大器的差分结构抑制了由集成电路所观察到的EMI或电源干扰。相对于MEMS传感器本身所观察到的干扰，大部分EMI将作为共模信号影响传感器。因为传感器的两个端子都耦接至放大器的第一级，所以这些干扰被抑制。因此，在MEMS传感器的两个端子观察到的任何同相信号被拒绝或显著衰减。

虽然已参照示意性实施方式描述了本发明，但是该描述不旨在以限制的意义来解释。对于本领域的技术人员，参照说明，示意性实施方式的各种修改和组合以及本发明的其他实施方式将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在包括任何这样的修改或实施方式。

Claims (26)

1.一种用于放大由电容信号源提供的信号的系统，所述系统包括：

第一级，包括：

电压跟随器装置，包括被配置为耦接至所述电容信号源的第一端子的输入端子，以及

第一电容器，包括耦接至所述电压跟随器装置的输出端子的第一端，以及被配置为直接连接至所述电容信号源的第二端子的第二端；以及

第二级，电容耦接至所述电压跟随器装置的输出端子，所述第二级包括差分放大器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二级还包括：

输入电容器，耦接在所述电压跟随器装置的输出端子和所述差分放大器的第一输入端子之间；

基准电容器，耦接在基准节点和所述差分放大器的第二输入端子之间；

第一反馈电容器，耦接在所述差分放大器的第一输出端子和所述差分放大器的第一输入端子之间；

第二反馈电容器，耦接在所述差分放大器的第二输出端子和所述差分放大器的所述第二输入端子之间。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压跟随器装置包括MOS源跟随器。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述源跟随器装置在亚阈值区域被偏置。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一级还包括：第二电容器，包括耦接至基准节点的第一端和被配置为耦接至所述电容信号源的第二端子的第二端。

6.根据权利要求1所述的系统，还包括所述电容信号源。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述电容信号源包括MEMS麦克风。

8.一种用于放大由高阻抗信号源提供的信号的放大器，所述放大器包括：

源跟随器晶体管，具有被配置为耦接至所述高阻抗信号源的第一端子的栅极；

第一电容器，具有耦接至所述源跟随器晶体管的第一端子和被配置为直接连接至所述高阻抗信号源的第二端子的第二端子；

第二电容器，耦接在所述源跟随器晶体管的源极和差分放大器的第一输入之间；以及

第三电容器，耦接在所述差分放大器的第一输出和所述差分放大器的第一输入之间，其中，

所述差分放大器被配置为相对于所述第一输入在所述第一输出产生负相；

所述差分放大器的低频增益由所述第二电容器的电容和所述第三电容器的电容的比设置。

9.根据权利要求8所述的放大器，还包括第四电容器，耦接在所述第一电容器的第二端子和电压基准之间，其中，从所述高阻抗信号源的第一和第二端子到所述源跟随器晶体管的源极的电压增益取决于所述第一电容器的阻抗和所述第四电容器的阻抗的比。

10.根据权利要求9所述的放大器，其中，从所述高阻抗信号源的第一和第二端子到所述源跟随器晶体管的源极的电压增益大于1。

11.根据权利要求8所述的放大器，还包括：

第五电容器，耦接在所述差分放大器的第二输入和基准电压之间；以及

第六电容器，耦接在所述差分放大器的第二输出和所述差分放大器的第二输入之间。

12.根据权利要求8所述的放大器，其中，所述差分放大器包括具有共模反馈的全差分放大器。

13.根据权利要求8所述的放大器，其中，所述源跟随器晶体管在亚阈值区域中被偏置。

14.根据权利要求8所述的放大器，还包括与所述第三电容器并联耦接的偏压电阻器，所述偏压电阻器的取值为至少100MΩ。

15.根据权利要求14所述的放大器，其中，所述偏压电阻器包括串接的多个二级管连接的MOS器件。

16.根据权利要求8所述的放大器，其中，所述高阻抗信号源包括电容信号源。

17.根据权利要求16所述的放大器，其中，所述电容信号源包括MEMS麦克风。

18.根据权利要求17所述的放大器，还包括耦接至所述第一电容器的第二端子的MEMS偏置电路。

19.根据权利要求8所述的放大器，其中，所述差分放大器包括运算跨导放大器(OTA)。

20.一种用于放大由浮置电容源提供的信号的集成电路，所述集成电路包括：

第一级，被配置为将所述浮置电容源的第一阻抗转换为在所述第一级的输出的第二阻抗，所述第一阻抗大于所述第二阻抗，其中，所述第一级被配置为通过将正反馈经由第一电容器从所述第一级的输出提供至所述第一级的输入来增加所述第一级的输入阻抗；以及

第二级，用于将所述第一级的输出转换为在所述第二级的输出的差分信号。

21.根据权利要求20所述的集成电路，还包括被配置为向所述浮置电容源提供偏置电压的偏置网络。

22.根据权利要求20所述的集成电路，其中，所述第一级包括升压源跟随器电路，所述升压源跟随器电路具有大于一的电压增益。

23.根据权利要求22所述的集成电路，其中：

所述第一级，还包括耦接在所述第一级的输入与基准节点之间的第二电容器；以及

所述电压增益基于所述第一电容器的电容和所述第二电容器的电容的比。

24.一种放大由电容信号源提供的信号的方法，所述方法包括：

在电压跟随器装置的控制端子，从所述电容信号源的第一端子接收第一信号；

在耦接至电压跟随器装置的输出节点的第一电容器，从所述电容信号源的第二端子接收第二信号；

放大所述第一信号和所述第二信号，放大包括基于所述第一电容器和耦接在所述电容信号源的第二端子与基准节点之间的第二电容器的比施加电压增益；

通过电容耦接的全差分放大器从所述电压跟随器装置的输出节点接收第三信号；以及

放大所述第三信号，放大包括产生差分输出信号。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括对所述差分输出信号进行模数转换。

26.根据权利要求24所述的方法，还包括向所述电容信号源提供偏置电压。