CN102957388B - 用于低失真电容式信号源放大器的系统和方法 - Google Patents

用于低失真电容式信号源放大器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于低失真电容式信号源放大器的系统和方法。根据一个实施例，一种方法包括：放大由电容式信号源提供的信号以形成放大信号，检测放大信号的峰值电压，并且响应于检测到峰值电压而调节被耦合到电容式信号源的输出的可控阻抗。可控阻抗被调节为与检测的峰值电压成反比的值。

Description

用于低失真电容式信号源放大器的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及半导体电路和方法，并且更加具体地涉及一种用于低失真电容式信号源的放大器。
背景技术
通常在各种消费者应用诸如蜂窝电话、数字录音机、个人计算机和电信会议系统中使用音频麦克风。特别地，在大规模生产的成本敏感的应用中使用较低成本的驻极体电容麦克风（ECM）。ECM麦克风通常包括被安装在具有声音端口和电输出端子的小型封装中的驻极体材料薄膜。驻极体材料附着到膜片或者构成膜片自身。大多数ECM麦克风还包括能够与在目标应用诸如蜂窝电话内的音频前端放大器对接的前置放大器。另一种类型的麦克风是能够作为压力敏感膜片实现的微机电系统（MEMS）麦克风，其被直接地蚀刻到集成电路上。
环境声压水平跨越非常大的动态范围。例如，人类听力的阈值是大约0dBSPL，对话语言处于大约60dBSPL，而50m远处的喷气式飞机的声音是大约140dBSPL。虽然麦克风诸如MEMS麦克风的膜片可以能够承受高强度的声信号并且忠实地将这些高强度声信号转换成电子信号，但是应对这种高电平信号引起某些困难。例如，用于声学麦克风的很多放大器和前置放大器针对特定的动态范围而被优化。这样，这些系统可能不能够在不添加显著失真的情况下应对整个音频范围。
发明内容
根据一个实施例，一种方法包括：放大由电容式信号源提供的信号以形成放大信号，检测放大信号的峰值电压，并且响应于检测到峰值电压而调节被耦合到电容式信号源的输出的可控阻抗。可控阻抗被调节为与检测的峰值电压成反比的值。
下面在附图和说明中阐述了本发明的一个或者多个实施例的细节。根据说明和附图并且根据权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将是清楚的。
附图说明
为了更加完整地理解本发明及其优点，现在对与附图结合进行的以下说明进行参考，其中：
图1a-b示意根据本发明的实施例的放大器集成电路（IC）；
图2a-b示意使用可开关电容器衰减器的根据本发明的一个实施例的放大器概图；
图3a-d示意使用可变电阻衰减器的根据本发明的一个实施例的放大器概图和频率响应线图；
图4示意根据本发明的一个实施例的系统；
图5a-c示意实施例过零点检测器、峰值检测器和两相时钟时序图；
图6a-b示意使用可变麦克风偏压的根据本发明的一个实施例的放大器概图；并且
图7a-d示意实施例麦克风偏压电路的概图和时序图。
具体实施方式
下面详细地讨论了目前优选的实施例的实现和使用。然而，应该理解，本发明提供能够在多种具体背景中体现的、很多可应用的创造性概念。所讨论的具体实施例仅仅示意用于实现和使用本发明的具体方式，而非限制本发明的范围。
将关于在具体背景即用于电容式信号源诸如MEMS或者驻极体电容麦克风（ECM）的放大器中的实施例描述本发明。然而，本发明还可以被应用于其它类型的电路和系统，诸如音频系统、通信系统、传感器系统和与高阻抗信号源对接的其它系统。
在一个实施例中，放大器通过自动地调节在放大器的输入处的信号电平而维持电容式信号源诸如麦克风的大动态范围。在某些实施例中，通过调节被耦合到放大器的输入的阻抗，控制输入信号电平。例如，在一个实施例中，通过控制被耦合到放大器的输入的电容来调节输入电平。在另一实施例中，通过控制被耦合到放大器的输入的电阻来调节输入电平，这产生了一种可调节的高通网络。可替代地，可以在放大器的输入处使用其它阻抗类型。在进一步的实施例中，通过调节电容式传感器的偏压源来控制输入电平，这调节电容式传感器自身的声电信号增益。
在某些实施例中，使用峰值检测器在放大器级的输出处感测麦克风或者电容式传感器信号电平。输入信号的振幅然后得到调节，直至放大器级的输出小于由峰值检测器确定的峰值。在某些实施例中，当过零点检测器检测到输入信号或者放大输入信号的过零点时，输入信号的振幅得到调节。
图1a示意被配置为被耦合到MEMS麦克风102的实施例放大器集成电路（IC）100，MEMS麦克风102被以虚线示出以指示不必在IC 100上包括麦克风102。然而，在某些实施例中，还可以在IC 100上包括麦克风102。在可替代实施例中，可以替代MEMS麦克风102地使用其它麦克风类型诸如ECM麦克风或者其它类型的电容式传感器电路。
IC 100具有衰减器106、放大器108、峰值检测器110、控制器112和偏压发生器104。放大器108具有放大经由输入焊盘114而被耦合到IC 100的MEMS麦克风102的输出的一个或者多个级。在某些实施例中，可以例如如在2011年7月14日提交的、题目为“System andMethod for Capacitive Signal Source Amplifier”的共同未决申请号13/183,193中描述地实现放大器108，该申请已经在这里通过引用而被以其整体并入。可替代地，可以根据在本领域中已知的技术实现放大器108。在一个实施例中，放大器108向输出焊盘118输出放大器麦克风信号。可替代地，放大器输出信号未被耦合到焊盘，而是被内部使用。例如，在某些实施例中，使用模拟数字（A/D）转换器将输出放大器108转换到数字域中。
峰值检测器110检测在放大器108的输出处的峰值信号并且控制器112根据峰值检测器110的输出控制设置衰减器106。在某些实施例中，作为被耦合到放大器108的输入的可变阻抗实现衰减器106。在一个实施例中，如下面将描述地，衰减器106是通过使用可开关电容器阵列实现的可变电容。在进一步的实施例中，如下面也将描述地，衰减器106是使用可开关电阻器实现的可变电阻。
在某些实施例中，例如在使用MEMS麦克风的实施例中，偏压发生器104在引脚116处提供用于麦克风102自身的偏置电压。在某些实施例中，根据具体麦克风和系统实现，这个偏置电压可以在大约3V和大约60V之间。可替代地，可以使用其它电压范围。在进一步的实施例中，如果麦克风或者传感器102并不要求偏置电压或者如果在别处提供所要求的偏置电压，则可以省略偏压发生器104。应该进一步理解，在可替代实施例中可以使用多于一个构件和/或多于一个IC实现在IC 100上的构件。
图1b示意实施例IC 120，其中经由偏压发生器122控制到放大器108的输入信号。在一个实施例中，控制器124控制向MEMS麦克风102提供偏置电压的偏压发生器122。在某些实施例中，MEMS麦克风102的增益与所提供的偏置电压成比例。通过响应于峰值检测器110的输出改变偏置电压，可以实现通过改变在放大器108的输入处的信号电平进行的增益控制。
在一个实施例中，通过在麦克风或者传感器放大器的输入处提供可变电容，实现输入信号的衰减。图2a示意利用可变电容来衰减麦克风或者电容式传感器的输出的概念。电压源Vmic代表输出电压并且电容C0代表麦克风和/或电容式传感器自身的串联电容。应该理解，Vmic和C0是麦克风或者电容式传感器的简化模型，麦克风或者电容式传感器可以由进一步的构件诸如寄生电容、电阻和电感建模。可变电容Cdamping代表可变阻尼电容，并且电压ViAMPLIFIER代表到放大器的输入电压。在一个实施例中，电压ViAMPLIFIER能够被表达为：
。
如能够根据以上等式看到地，放大器输入振幅ViAMPLIFIER随着Cdamping增加而降低，因此可以作为Cdamping的函数控制放大器输入振幅ViAMPLIFIER。
图2b示意根据本发明的一个实施例的IC 200。在某些实施例中，IC 200的构件可以被用于实现在图1a中示意的IC 100的功能性。这里，作为开关电容器阵列204实现衰减器。在一个实施例中，IC 200经由放大器输入引脚244和偏压引脚248与MEMS麦克风202或者其它类型的电容式传感器对接。放大器206用作麦克风放大器并且在引脚246处产生输出信号。在某些实施例中，放大器206具有差分输出信号并且在一对引脚上产生差分输出信号。在其它实施例中，放大器206的输出是在芯片上使用的并且可以使用A/D转换器（未示出）而被转换到数字域中。到放大器206的输入被由电压源231和串联电阻器233代表的偏压发生器偏压。在实施例中，可以使用在本领域中已知的偏压技术实现这个偏压发生器。
放大器208执行放大器206的输出的单端到差分转换。通过将放大器206的单端输出转换成差分信号，所得到的信号变得对干扰诸如电源干扰更不敏感。在其中放大器206已经产生差分输出信号的实施例中，可以省略放大器208。正峰值检测器210和负峰值检测器212分别地被放大器208的输出260和262驱动。在一个实施例中，正和负峰值检测器210和212在有限的时间段中例如在大约10µs和大约1ms之间保持它们的峰值。可以使用如在图5b中所示并且下面进一步讨论的实现正和负峰值检测器210和212。在可替代实施例中，正和负峰值检测器210和212可以具有差分输入而非单端输入。
过零点检测器214被耦合到放大器206的输出。在一个实施例中，过零点检测器214的输出被用于确保仅当检测到过零点时才改变电容器阵列204的开关设置，由此在输入衰减器设置的改变期间减小声响失真。可替代地，过零点检测器214的输入可以被耦合到在信号链路中的其它地点，诸如单端到差分转换器208的输出。在本发明进一步的可替代实施例中，可以省略过零点检测器214。
差分比较器216比较正峰值检测器210和负峰值检测器212的输出与固定阈值Vnmax和Vlmin。在一个实施例中，这些固定阈值被设置为对应于在大约114dBSPL和大约118dBSPL之间的等效输入压力。这些阈值的绝对值依赖于麦克风敏感性、封装特性、偏压条件和其它因素。可替代地，可以使用对应于其它声压范围的阈值。可以使用施密特触发器实现比较器216，然而在可替代实施例中，可以使用其它比较器类型。在图2b的所示意实施例中，使用差分实现方式实现比较器216，其中单端到差分转换块208的差分输出被直接地与在正峰值检测器210中存储的最大正差分信号和在负峰值检测器214中存储的最大负差分信号相比较。
比较器216的输出产生经由与（AND）门222与过零点检测器的输出进行与运算的峰值检测信号264。应该理解，逻辑门222示意可以以在本领域中已知的各种方式实现的逻辑功能。
代表在被检测过零点处的检测峰值的与门的输出被耦合到向上/向下计数器224的输入。在一个实施例中，检测的峰值使向上/向下计数器224递增并且检测的峰值的缺失使向上/向下计数器224递减。向上/向下计数器的递减下降至限定的极限，该极限对应于其中无任何阻尼电容器被连接到输入的情形。如果比较器216总是指示输入信号低于阈值水平，则这得以实现。在某些实施例中，向下计数占用比向上计数更长的时间。在一个实施例中，向上计数和向下计数速率是可编程的。这些速率可以被选择为处于不产生声响伪迹（artifact）的范围中。例如，在某些实施例中，该速率被选择为处于大约50Hz和200Hz之间。可替代地，可以使用在这个范围以外的其它速率。
查找表（LUT）226被耦合到向上/向下计数器的输出。在实施例中，LUT 226输出二进制字，该二进制字由电容器阵列204中的解码器（未示出）解码以根据所期衰减来连接和断开电容器。可替代地，LUT可以直接地输出用于电容器阵列204的经解码的开关状态。
在一个实施例中，由电压源236、电阻器238和低通滤波器240代表的偏压发生器234在引脚248上输出用于麦克风202的偏置电压。可以例如使用电荷泵和/或在本领域中已知的其它技术来实现偏压发生器234。在一个实施例中，在电容器阵列204设置的改变期间，经由开关242绕过具有在mHz到Hz区域中的拐角频率的低通滤波器。绕过低通滤波器240允许麦克风202的偏压在改变电容器阵列204的设置之后快速地稳定下来。
在一个实施例中，电容器阵列204包括经由根据数字控制信号256选择的开关252被耦合到放大器206的输入的电容器250。在一个实施例中，使用32个电容器。可替代地，可以根据应用及其规范使用更多或更少的电容器。电容器250可以布置在以二进制加权子阵列布置的成组单值电容器中，和/或可以各自地布置在具有相等值的电容器的阵列中并且使用温度计编码选择进行选择。可替代地，可以使用其它电容器布置方案和分组或其组合。
在一个实施例中，未被选择为被耦合到放大器206的输入的电容器被耦合到放大器228的输出，其缓冲复制放大器206的输入偏置电压的偏压电路。这个复制偏压由与电阻器232串联的电压源230代表。在实施例中，以与由电压源231和电阻器233建模的偏置电压发生器类似的方式实现由电压源230和电阻器232建模的偏置电压发生器。
图5a示意可以被用于实现在图2b和3c中的过零点检测器214的实施例过零点电路500。到峰值检测器500的输入信号由与DC电压源503串联的AC电压源501代表。低通滤波器502对输入信号进行滤波，并且求和结点506从输入信号的未滤波型式减去经低通滤波的输入信号。在一个实施例中，低通滤波器502的拐角频率范围在大约1mHz和大约10Hz之间。可替代地，可以根据具体应用及其规范使用其它拐角频率。低通滤波器502和506的组合用作滤掉dc偏置电压以及低频漂移的高通网络。比较器504比较求和结点的输出与地或者基准电压。当Vsig改变极性时，信号Zdet相应地被激活。在实施例中，可以使用在本领域中已知的电路拓扑实现过零点检测器。在某些实施例中，使用施密特触发器实现比较器504。
图5b示意可以被用于实现在图2b和3c中的峰值检测器210和212的实施例峰值检测电路510。使用在相位 1期间工作的开关512在电容器514上采样输入电压Vin。放大器516的输出缓冲在电容器514上采样的电压，经由开关518在电容器520上采样。比较器522比较缓冲电压516的输出与在电容器520上的采样电压以提供峰值电压Voutpeak。在相位 1期间对比较器522采样并且当相位 2和比较器522输出Voutpeak两者均工作时开关518工作。在实施例中，可以使用例如在本领域中已知的开关电容器电路技术实现电路510。图5c示意非重叠相位 1和 2的实施例时序图。在实施例中，可以使用在本领域中已知的技术产生相位 1和 2。
在一个实施例中，通过在麦克风或者传感器放大器的输入处提供可变电阻来实现输入信号的衰减。图3a示意利用可变电阻来衰减麦克风或者电容式传感器的输出的概念。电压源Vmic代表输出电压并且电容C0代表麦克风和/或电容式传感器自身的串联电容。如上所指出地，应该理解，Vmic和C0是麦克风或者电容式传感器的简化模型并且可以包括其它构件诸如寄生电容。可变电阻器Ri代表可变电阻，并且电压ViAMPLIFIER代表到放大器的输入电压。
图3b示意关于Ri的一系列振幅传递函数。较低的拐角频率fL1、fL2、fL3和fL4对应于用于可变电阻器Ri的各种电阻值，从而对于电阻Ri的降低，较低的拐角频率存在相应的增加。在某些实施例中，例如在其中在较低的频率中存在大量能量的音频信号诸如语言信号中，通过调节较低的拐角频率fL，可以控制ViAMPLIFIER的峰值振幅。
图3c示意根据本发明的一个实施例的IC 300。除使用可变电阻302而非电容器阵列204来实现衰减器以外，IC 300类似于在图2b中的IC 200。在一个实施例中，在放大器208的输入处进入的高电平信号被可变电阻302衰减，这增加了信号被衰减所处的较低的拐角频率。在例如在大约10µs和大约100µs之间的限定的时间量之后，高通拐角频率再次移回至较低频率。如果如由峰值检测器210和212检测地，在输出焊盘处的输出电压摆动再次低于限定的电压极限，则内部计数器再次改变并且初始输入阻抗保持并且再次达到用于正常信号电平的标准配置。在一个实施例中，这个标准配置是在大约50GΩ和大约500GΩ之间的阻抗。
图3d示意可以在图3c的IC300中被用作可变电阻302的实施例可变电阻302的可能实现的概图。电流源320向具有在NMOS晶体管332的栅极和漏极之间耦合的可开关电阻器322的电阻器阵列提供电流源，根据n位输入控制字CTL接入和断开NMOS晶体管332的各个电阻器。在某些实施例中，在输入字CTL中的每一个各个位被与具体的可开关电阻器相关联。可替代地，输入控制字CTL可以使用解码器（未示出）解码。在一个实施例中，电阻器阵列可以进一步包括在NMOS晶体管332的栅极和漏极之间耦合的不可开关电阻器324。晶体管332的漏极进一步被耦合到输出NMOS晶体管334的栅极，输出NMOS晶体管334的漏极被耦合到图3c所示放大器208的输入。在一个实施例中，晶体管334在子阈值区域中被偏压。
在操作期间，当在晶体管332的漏极和电流源320之间的电阻减小时，晶体管332的栅极-源极电压增加，这引起晶体管334的gds增加。这导致在放大器208（图3c）的输入处的较低阻抗以及将较低的拐角频率移位至较高的频率，由此引起在放大器208的输入处的信号的衰减增加。
图6a示意集成电路600，其中通过在节点248处调节麦克风偏置电压而调节麦克风202的输出电平。正和负峰值检测器210和212如在以上实施例中描述地操作。向上/向下计数器的输出被馈送到在偏置电压调节块602中的DAC 604的输入中。输入/输出轨到轨缓冲器606基于DAC 604的输出向电荷泵608提供基准电压。电荷泵芯608进一步被时钟发生器610时控。
在一个实施例中，电荷泵芯的输出被放电电阻器612加载并且被低通滤波器240滤波。在某些实施例中，在引脚248处的偏置电压在操作期间不断地得到调节。当电压设置改变时和/或在启动期间，绕过低通滤波器240的开关242可以被激活。
在一个实施例中，可以使用被轨到轨缓冲器606缓冲的R-2R阶梯来实现DAC 604以产生如在图6b中所示的VDAC。开关620的状态由到DAC 604的数字输入确定。在某些实施例中，DAC 604是具有32或者64个输出电平的5位或者6位DAC；然而，可以使用其它分辨率。在可替代实施例中，可以使用在本领域中已知的DAC体系。
图7a-7d示意可以被用于实现图2a和3c所示的电压源236以及图6a所示的电荷泵芯608和时钟发生器610的实施例偏压电路。图7a示意被用于提供在大约3V和大约60V之间的升高电压的MEMS偏压电路700的顶层概图。可替代地，根据所使用的具体MEMS麦克风和/或电容式传感器，在这个范围以外的电压也是可能的。在一个实施例中，使用Dickson电荷泵结构来提供升高的输出电压VBIAS。电荷泵由被耦合到功能二极管块704、706、708、710和712的电容器740、742、744、746和748形成。在一个实施例中，使用九个功能二极管块。可替代地，根据所要求的升高电压，可以使用任何数目的功能二极管块。在一个实施例中，基准电压VREF被放大器702缓冲并且被馈送到第一功能二极管704中。在某些实施例中，放大器702对应于针对于使用可调节麦克风偏置电压的增益控制的、在图6a和6b中的输入/输出轨到轨缓冲器606。时钟发生器716提供驱动电容器740、742、744、746和748和功能二极管块704、706、708、710和712的时钟信号Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3和Q3N。最后的功能二极管块712的输出被耦合到电容器750和低通滤波器714。
图7b示意具有PMOS器件722、724和726和输入耦合电容器728和730的实施例功能二极管块720。PMOS器件722是将功能二极管720的输入IN耦合到功能二极管720的输出OUT的传输晶体管。交叉耦合的晶体管724和726和输入耦合电容器728、730提供在功能二极管在此期间处于非传导状态中的时间上切断晶体管722的升高时钟。通过使用电路720，可以避免由于晶体管722的阈值电压引起的低效性。在可替代实施例中，替代功能二极管720，可以使用pn结二极管、二极管连接的晶体管或者其它适当的器件。
图7c示意为电容器740、740、742、744、746和748和功能二极管704、706、708、710和712提供相控时钟的实施例时钟发生器716的概图。图7d示意时钟发生器716的时序图。在一个实施例中，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，驱动某些功能二极管的时钟信号Q2和Q2N具有较窄的脉冲宽度，并且驱动其余功能二极管的时钟信号Q3和Q3具有最窄的脉冲宽度。在一个实施例中，Q2关于Q1的上升沿、Q1关于Q2的下降沿、Q3关于Q2的上升沿和Q2关于Q3的下降沿被延迟了Tnovl。通过使用实施例时钟相控方案诸如在图7d中示意的方案，功能二极管704、706、708、710和712在驱动电容器740、740、742、744、746和748的信号改变状态之前处于稳定。在可替代实施例中，可以使用其它时钟相位关系。
图4示意使用本发明的实施例的系统400。根据在这里描述的本发明的实施例，电容式传感器402被耦合到具有放大器406的集成电路404。在一个实施例中，放大器406被耦合到A/D转换器410。在某些实施例中，作为音频∑-△（sigma-delta）转换器实现A/D转换器。在其它实施例中，A/D转换器能够是例如适合于传感器应用的低频A/D。在实施例中，A/D转换器的输出被耦合到处理器412以执行有用的功能。可由系统400实现的可能应用的实例包括但是不限于电话系统、数字录音器和远程感测系统。
在某些实施例中，例如电容式传感器402能够是MEMS麦克风或者其它电容式传感器诸如电容性压力传感器、ECM或者另一种类型的浮动电容式信号源。在可替代实施例中，能够在集成电路404上包括电容式传感器402。而且，A/D转换器410和/或处理器412能够从集成电路404分开地定位。在某些实施例中，可以使用单一集成电路或者使用多个集成电路来实现集成电路404的功能性。
在一个实施例中，一种方法包括：放大由电容式信号源提供的信号以形成放大信号，检测放大信号的峰值电压，并且响应于检测到峰值电压而调节被耦合到电容式信号源的输出的可控阻抗。可控阻抗被调节为与检测的峰值电压成反比的值。在一个实施例中，该方法可以进一步包括比较检测的峰值电压与预定阈值，并且调节可控阻抗可以包括：如果检测的峰值电压超过预定阈值则降低可控阻抗，并且如果检测的峰值电压并不超过预定阈值则增加可控阻抗。在某些实施例中，降低可控阻抗包括以第一速率降低可控阻抗，并且增加可控阻抗包括以第二速率增加可控阻抗。在某些情形中，第一速率大于第二速率和/或增加可控阻抗包括以多个步长将可控阻抗增加上至最大值。
在一个实施例中，调节可控阻抗包括调节被耦合到电容式信号源的输出的电容。调节电容还可以包括通过将电容器耦合到电容式信号源的输出和从其解耦而调节电容器阵列的电容。调节可控阻抗还可以包括调节被耦合到电容式信号源的输出的可控电阻。
在一个实施例中，该方法还包括检测由电容式信号源提供的信号的过零点，并且调节可控阻抗包括当检测到过零点时调节可控阻抗。电容式信号源可以包括MEMS麦克风，并且可调节阻抗可以受到控制，从而对于到MEMS麦克风的140dBSPL声输入，放大信号的总谐波失真小于10%。在某些实施例中，该方法包括对MEMS麦克风进行偏压。
在一个实施例中，一种方法包括：放大由电容式信号源提供的信号以形成放大信号，检测放大信号的峰值电压，并且响应于检测到峰值电压而调节电容式信号源的可控偏置电压。电容式信号源的偏置电压被调节为与检测的峰值电压成反比的值。在某些实施例中，电容式信号源可以是MEMS麦克风，并且可控偏压受到控制从而对于到MEMS麦克风的140dBSPL声输入，放大信号的总谐波失真小于10%。
在一个实施例中，一种用于放大由电容式信号源提供的信号的系统包括：包括被配置为被耦合到电容式信号源的输入节点的信号放大器；被耦合到信号放大器的输入节点的可控衰减电路，该可控衰减电路被配置为在信号放大器的输入节点处提供可控输入阻抗。该系统还包括：被耦合到信号放大器的输出的信号检测电路，该信号检测电路被配置为检测在信号放大器的输出处的峰值信号值；和在信号检测电路和可控衰减电路之间耦合的控制电路，该控制电路被配置为响应于检测到的峰值信号值的变化而调节可控衰减电路。在某些实施例中，信号检测电路被配置为检测正峰值信号值和负峰值信号值。
在一个实施例中，该信号检测电路进一步被配置为检测在信号放大器的输出处的信号的过零点，并且该控制电路进一步被配置为当信号检测电路检测到过零点时调节可控衰减电路。在某些实施例中，该控制电路进一步被配置为命令可控衰减电路：如果信号检测电路检测到大于阈值的峰值信号电平，则降低输入阻抗，并且如果信号检测电路没有检测到大于阈值的峰值信号电平，则以几个步长将输入阻抗增加上至最大值。控制电路可以命令可控衰减电路以第一速率降低输入阻抗并且以第二速率增加输入阻抗。在一个实施例中，第一速率大于第二速率。
在一个实施例中，可控衰减电路可以包括被耦合到信号放大器的输入节点的可选择电容器阵列，并且还可以包括被耦合到信号放大器的输入节点的可调节电阻。在某些实施例中，电容式信号源是MEMS麦克风。
在一个实施例中，一种用于放大由电容式信号源提供的信号的系统包括：包括被配置为被耦合到电容式信号源的输入节点的信号放大器；被配置为被耦合到电容式信号源的偏压节点的可控偏压电路；被耦合到信号放大器的输出的信号检测电路；和在信号检测电路和可控偏压电路之间耦合的控制电路。该可控偏压电路被配置为向电容式信号源提供可控偏置电压，该信号检测电路被配置为检测在信号放大器的输出处的峰值信号值，并且该控制电路被配置为响应于检测到的峰值信号值的变化而调节可控偏压电路。
在某些实施例中，该控制电路进一步被配置为命令可控偏压电路：如果信号检测电路检测到大于阈值的峰值信号电平，则降低可控偏置电压；并且如果信号检测电路没有检测到大于阈值的峰值信号电平，则增加可控偏置电压。控制电路可以命令可控偏压电路以第一速率降低可控偏置电压并且以第二速率增加可控偏置电压，其中第一速率大于第二速率。
在一个实施例中，可控偏压电路包括被耦合到控制电路的输出的数字模拟转换器（DAC）、被耦合到DAC的输出的电荷泵电路和在电荷泵电路和可控偏压电路的输出之间耦合的低通滤波器。该电容式信号源可以包括MEMS麦克风。
在一个实施例中，一种用于放大由电容式信号源提供的信号的集成电路包括：具有被配置为被耦合到电容式信号源的输入节点的信号放大器和被耦合到信号放大器的输入节点的可控衰减电路、被耦合到信号放大器的输出的峰值检测器、和被耦合到峰值检测器的输出和信号放大器的输出的比较器。该比较器可以被配置为比较峰值检测器的输出与阈值。该集成电路还包括在比较器的输出和可控衰减电路的控制输入之间耦合的控制电路。
在一个实施例中，该控制电路包括被耦合到比较器的输出的计数器和被耦合到计数器的输出的查找表电路。该控制电路可以被配置为如果峰值检测器的输出超过阈值则递增并且如果峰值检测器的输出并不超过阈值则递减。
在一个实施例中，该集成电路进一步包括在信号放大器和峰值检测器之间耦合的单端到差分转换电路。该峰值检测器包括正峰值检测器和负峰值检测器，并且该比较器包括被配置为比较正峰值检测器的输出与正阈值和比较负峰值检测器的输出与负阈值的差分比较器。该集成电路还可以包括被耦合到信号放大器的输出的过零点检测器。该控制电路被配置为当过零点检测器检测到过零点时调节可控衰减电路。
在一个实施例中，该可控衰减电路包括多个电容器和在该多个电容器和信号放大器的输入之间耦合的多个开关，其中该多个开关能够由控制电路控制。在某些实施例中，该可控衰减电路包括可控电阻器。这个可控电阻器可以包括在信号放大器的输入和基准电压之间耦合的第一晶体管、具有被耦合到第一晶体管的栅极的漏极的第二晶体管、和在第二晶体管的栅极和第二晶体管的漏极之间耦合的多个可开关电阻器、和被耦合到第二晶体管的栅极的电流源。在一个实施例中，该多个可开关电阻器能够由控制电路控制。
实施例系统的一个优点包括处理高声输入信号而不在系统中引入高非线性的能力。例如，在一个实施例中可以在140dBSPL的声输入电平下对于MEMS麦克风实现小于10%的总谐波失真（THD）。
虽然已经参考示意性实施例描述了本发明，但是该说明并非旨在于在限制性的意义上理解。在参考说明时，对于本领域技术人员而言，示意性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例将是明显的。因此旨在所附权利要求涵盖任何的这种修改或者实施例。

Claims (34)

1.一种用于放大由电容式信号源提供的信号的方法，包括：
放大由所述电容式信号源提供的所述信号以形成放大信号；
检测所述放大信号的具有高于较低拐角频率的频率的部分的峰值电压；和
响应于检测到所述放大信号的具有高于较低拐角频率的频率的部分的所述峰值电压，调节被耦合到所述电容式信号源的输出的衰减器的可控阻抗，所述可控阻抗被调节为与检测的峰值电压成反比的值，其中调节所述可控阻抗包括调节耦合到所述电容式信号源的输出的可调节高通网络，其中通过调节所述较低拐角频率来控制所述峰值电压。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
比较所述检测的峰值电压与预定阈值；并且
调节所述可控阻抗包括
如果所述检测的峰值电压超过所述预定阈值，则降低所述可控阻抗，
如果检测的峰值电压并不超过所述预定阈值，则增加所述可控阻抗。
3.根据权利要求2所述的方法，其中
降低所述可控阻抗包括以第一速率降低所述可控阻抗；并且
增加所述可控阻抗包括以第二速率增加所述可控阻抗。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一速率大于所述第二速率。
5.根据权利要求2所述的方法，其中增加所述可控阻抗包括以多个步长将所述可控阻抗增加上至最大值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述可控阻抗包括调节被耦合到所述电容式信号源的所述输出的电容。
7.根据权利要求6所述的方法，其中调节所述电容包括调节电容器阵列的电容，调节电容器阵列的所述电容将电容器耦合到所述电容式信号源的所述输出和从所述电容式信号源的所述输出解耦。
8.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述可控阻抗包括调节被耦合到所述电容式信号源的所述输出的可控电阻。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
检测由所述电容式信号源提供的信号的过零点；并且
调节所述可控阻抗包括当检测到过零点时调节所述可控阻抗。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述电容式信号源包括MEMS麦克风；并且
所述可控阻抗受到控制，从而对于到所述MEMS麦克风的140dBSPL声输入，所述放大信号的总谐波失真小于10%。
11.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述电容式信号源包括MEMS麦克风；并且
所述方法进一步包括对所述MEMS麦克风进行偏压。
12.一种用于放大由电容式信号源提供的信号的方法，包括：
放大由所述电容式信号源提供的所述信号以形成放大信号；
检测所述放大信号的具有高于较低拐角频率的频率的部分的峰值电压；和
响应于检测到所述峰值电压，由可控偏压电路调节所述电容式信号源的可控偏置电压，所述电容式信号源的偏置电压被调节为与检测的峰值电压成反比的值；
其中所述可控偏压电路包括用于对可控偏置电压进行滤波的低通滤波器；
其中所述低通滤波器在电压设置改变时和/或在启动期间经由开关被旁路；并且
其中通过调节所述较低拐角频率来控制所述峰值电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述电容式信号源包括MEMS麦克风；并且
所述可控偏置电压受到控制，从而对于到所述MEMS麦克风的140dBSPL声输入，所述放大信号的总谐波失真小于10%。
14.一种用于放大由电容式信号源提供的信号的系统，所述系统包括：
包括被配置为被耦合到所述电容式信号源的输入节点的信号放大器；
被耦合到所述信号放大器的所述输入节点的可控衰减电路，所述可控衰减电路被配置为在所述信号放大器的所述输入节点处提供可控输入阻抗，其中所述可控衰减电路包括耦合到所述信号放大器的输入节点的可调节高通网络，并且信号放大器的输入节点处的可控输入阻抗被配置为通过调节所述可调节高通网络而被调节；
被耦合到所述信号放大器的输出的信号检测电路，所述信号检测电路被配置为检测在所述信号放大器的所述输出处的信号的具有高于较低拐角频率的频率的部分的峰值信号值；和
在所述信号检测电路和所述可控衰减电路之间耦合的控制电路，所述控制电路被配置为响应于在所述信号放大器的所述输出处的信号的具有高于较低拐角频率的频率的所述部分的检测到的峰值信号值的变化而调节所述可控衰减电路，其中通过调节所述较低拐角频率来控制所述峰值信号值。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述信号检测电路被配置为检测正峰值信号值和负峰值信号值。
16.根据权利要求14所述的系统，其中：
所述信号检测电路进一步被配置为检测在所述信号放大器的所述输出处的信号的过零点；并且
所述控制电路进一步被配置为当所述信号检测电路检测到过零点时调节所述可控衰减电路。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制电路进一步被配置为命令所述可控衰减电路：如果所述信号检测电路检测到大于阈值的峰值信号值，则降低所述可控输入阻抗；并且如果所述信号检测电路没有检测到大于所述阈值的峰值信号值，则以几个步长将所述可控输入阻抗增加上至最大值。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述控制电路命令所述可控衰减电路以第一速率降低所述可控输入阻抗并且以第二速率增加所述可控输入阻抗。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一速率大于所述第二速率。
20.根据权利要求14所述的系统，其中所述可控衰减电路包括被耦合到所述信号放大器的所述输入节点的可选择电容器阵列。
21.根据权利要求14所述的系统，其中所述可控衰减电路包括被耦合到所述信号放大器的所述输入节点的可调节电阻。
22.根据权利要求14所述的系统，其中所述电容式信号源包括MEMS麦克风。
23.一种用于放大由电容式信号源提供的信号的系统，所述系统包括：
包括被配置为被耦合到所述电容式信号源的输入节点的信号放大器；
被配置为被耦合到所述电容式信号源的偏压节点的可控偏压电路，所述可控偏压电路被配置为向所述电容式信号源提供可控偏置电压；
被耦合到所述信号放大器的输出的信号检测电路，所述信号检测电路被配置为检测在所述信号放大器的所述输出处的信号的具有高于较低拐角频率的频率的部分的峰值信号值；和
在所述信号检测电路和所述可控偏压电路之间耦合的控制电路，所述控制电路被配置为响应于检测到的峰值信号值的变化而调节所述可控偏压电路；
其中所述可控偏压电路包括用于对可控偏置电压进行滤波的低通滤波器；
其中所述低通滤波器在电压设置改变时和/或在启动期间经由开关被旁路；并且
其中通过调节所述较低拐角频率来控制所述峰值信号值。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制电路进一步被配置为命令所述可控偏压电路：如果所述信号检测电路检测到大于阈值的峰值信号值，则降低可控偏置电压；并且如果所述信号检测电路没有检测到大于阈值的峰值信号值，则增加所述可控偏置电压。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述控制电路命令所述可控偏压电路以第一速率降低所述可控偏置电压并且以第二速率增加所述可控偏置电压，其中所述第一速率大于所述第二速率。
26.根据权利要求23所述的系统，其中所述可控偏压电路包括：
被耦合到所述控制电路的输出的数字模拟转换器（DAC）；和
被耦合到所述数字模拟转换器（DAC）的输出的电荷泵电路；
在所述电荷泵电路和所述可控偏压电路的输出之间耦合的低通滤波器。
27.根据权利要求23所述的系统，其中所述电容式信号源包括MEMS麦克风。
28.一种用于放大由电容式信号源提供的信号的集成电路，所述集成电路包括：
信号放大器，包括被配置为被耦合到所述电容式信号源的输入节点；
被耦合到所述信号放大器的所述输入节点的可控衰减电路，其中所述可控衰减电路包括耦合到所述信号放大器的输入节点的可调节高通网络，并且所述信号放大器的输入节点处的可控阻抗被配置为通过调节所述可调节高通网络而被调节；
峰值检测器，被耦合到所述信号放大器的输出并且检测放大的信号的具有高于较低拐角频率的频率的部分的峰值电压，其中通过调节所述较低拐角频率来控制所述峰值电压；
被耦合到所述峰值检测器的输出和所述信号放大器的所述输出的比较器，所述比较器被配置为比较所述峰值检测器的输出与阈值；和
在所述比较器的输出和所述可控衰减电路的控制输入之间耦合的控制电路。
29.根据权利要求28所述的集成电路，其中所述控制电路包括：
被耦合到所述比较器的所述输出的计数器，所述计数器被配置为如果所述峰值检测器的输出超过阈值则递增并且如果所述峰值检测器的输出并不超过阈值则递减；和
被耦合到所述计数器的输出的查找表电路。
30.根据权利要求28所述的集成电路，其中：
所述集成电路进一步包括在所述信号放大器和所述峰值检测器之间耦合的单端到差分转换电路；
所述峰值检测器包括正峰值检测器和负峰值检测器；并且
所述比较器包括被配置为比较所述正峰值检测器的输出与正阈值和比较所述负峰值检测器的输出与负阈值的差分比较器。
31.根据权利要求28所述的集成电路，进一步包括被耦合到所述信号放大器的所述输出的过零点检测器，其中所述控制电路被配置为当所述过零点检测器检测到过零点时调节所述可控衰减电路。
32.根据权利要求28所述的集成电路，其中所述可控衰减电路包括：
多个电容器；和
在所述多个电容器和所述信号放大器的所述输入节点之间耦合的多个开关，所述多个开关能够由所述控制电路控制。
33.根据权利要求28所述的集成电路，其中所述可控衰减电路包括可控电阻器。
34.根据权利要求33所述的集成电路，其中所述可控电阻器包括：
在所述信号放大器的所述输入节点和基准电压之间耦合的第一晶体管；
具有被耦合到所述第一晶体管的栅极的漏极的第二晶体管；
在所述第二晶体管的栅极和所述第二晶体管的漏极之间耦合的多个可开关电阻器，所述多个可开关电阻器能够由所述控制电路控制；和
被耦合到所述第二晶体管的所述栅极的电流源。
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