CN103200512B - 毛刺检测电路和检测毛刺的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毛刺检测和检测毛刺的方法。公开了用于检测毛刺的系统和方法。实施例包括增加第一电容器的偏置电压，利用时间周期取样第一电容器的第一极板的输入信号，混合输入信号和取样的输入信号，以及比较混合的信号和参考信号。

Description

毛刺检测电路和检测毛刺的方法

技术领域

本发明总体上涉及半导体电路和方法，且更尤其涉及毛刺检测电路。

背景技术

音频传声器通常用于多种消费者应用中，例如移动电话、数字音频记录器、个人电脑和电话会议系统。特别地，较低成本驻极体电容式传声器(ECM)用在大量生产的成本敏感应用中。ECM传声器通常包括驻极体材料膜，其安装在具有声音端口和电输出端子的小封装中。驻极体材料粘附到隔膜或本身构成隔膜。大多数ECM传声器还包括前置放大器，其可以对接到目标应用内的音频前端放大器，所述目标应用例如为移动电话。前端放大器的输出可以耦合到又一模拟电路或用于数据处理的A/D转换器。由于ECM传声器由分立部件制造，因此制造工艺包括复杂制造工艺内的多个步骤。因此，难以获得产生高级音质的高产出率、低成本ECM传声器。

发明内容

通过本发明的实施例，通常解决或回避了这些和其它问题，且通常获得了技术优点。

根据本发明的一个实施例，监测毛刺的方法包括：增加第一电容器的偏置电压、利用时间周期取样第一电容器的第一极板的输入信号、混合输入信号和所取样的输入信号、以及比较混合的信号和参考信号。

根据本发明的一个实施例，校准传声器的方法包括：基于第一偏置电压以正常的操作模式来操作传声器、以及激活校准模式。方法进一步包括操作校准模式，其中校准模式包括：增加第一电容器的偏置电压、利用时间周期取样第一电容器的第一极板的输入信号、根据取样的输入信号和输入信号计算输出信号、以及比较所计算的输出信号与参考信号。

根据本发明的一个实施例，一种电路包括：配置成接收输入信号的输入端子；配置成计算输出信号的第一加法器，所述第一加法器配置成接收输入信号和所取样的输入信号，所述所取样的输入信号基于输入信号；配置成比较所计 算的输出信号和参考信号的比较器；以及配置成提供比较信号的输出端子。

根据本发明的一个实施例，一种电路包括MEMS系统、毛刺检测电路、和开关，所述开关电连接到MEMS系统和毛刺检测电路。

附图说明

为了更完整地理解本发明以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了毛刺检测电路的实施例；

图2a-2e示出了功能图；以及

图3示出了检测毛刺的方法的流程图。

具体实施方式

下面更详细地讨论本优选实施例的制造和使用。然而，应当意识到本发明提供了许多可以包含在各种具体上下文中的合适的创新性概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明制造和使用本发明的具体方式，且并不限定本发明的范围。

将在具体上下文(即传声器)中参考实施例来描述本发明。然而，本发明还可以应用到其它类型系统，例如音频系统、通讯系统、或传感器系统。

在电容式传声器或电容传声器中，隔膜或膜片和后板形成电容器的电极。隔膜响应声压等级且通过改变电容器的电容来产生电信号。

传声器的电容是所施加的偏置电压的函数。在0偏压处，传声器显示出小电容，且在更高偏压处，传声器显示出增加的电容。作为偏置电压的函数的传声器的电容是非线性的。尤其是在靠近0位置的距离处，电容突然增加。

传声器的灵敏度是针对特定声压输入的电输出(声学信号的振幅)。如果两个传声器遭受相同的声压等级且一个具有比另一个更高的输出电压(更强信号振幅)，则认为具有更高输出电压的传声器具有更高灵敏度。

传声器的灵敏度还会受其它参数的影响，例如隔膜的尺寸和强度、气隙距离、以及其它因素。

在一个实施例中，利用毛刺检测电路来检测传声器系统中的毛刺。毛刺检测电路可以取样输入信号且可以增加、减去或比较取样的输入信号和即时或瞬时输入信号。所增加、减去或比较的信号然后与参考信号进行比较。

在一个实施例中，毛刺检测电路集成在传声器系统中。在一个实施例中，毛刺检测电路通过开关连接到传声器系统。在一个实施例中，当传声器系统处于校准模式中时开关切换到ON(通)，否则开关被切换到OFF(断)。在一个 实施例中，当传声器系统处于校准模式时，停用传声器系统传声器系统的正常操作模式。

图1示出了传声器系统101和毛刺检测电路102的等效电路。毛刺检测电路102可以是切换式电容比较器(SC-比较器)。传声器系统101经由开关103连接到毛刺检测电路102。毛刺检测电路102用于当传声器系统101工作在校准模式时检测毛刺。如果校准传声器系统101，则开关103闭合或处于ON状态；否则开关103打开或处于OFF状态。在一个实施例中，当停用传声器系统101的操作模式时，校准传声器系统101。

传声器系统101包括传声器或MEMS器件111、电荷泵112、和放大器113。传声器111示作电压源114和电容器C₀和C_P。电荷泵112示作电压源V_bias和电阻器R_in。在一个实施例中，放大器113示作缓冲器116、电阻器R_bias115、电压源117和反馈增益布置C₁和C₂。在一个实施例中，反馈增益大于1。例如，增益可以计算为增益＝1+C₁/C₂。缓冲器116例如可以是电压缓冲器或升压增益源跟踪器。在其它实施例中，放大器113可以包括不同的电路布置。

传声器系统101可以设置在单个芯片上。可替换地，传声器系统101可以设置在两个或更多芯片上。例如，传声器111设置在第一芯片上，以及放大器113、电荷泵112和毛刺检测电路102设置在第二芯片上。

在一个实施例中，毛刺检测电路102包括第一加法器121和第二加法器122。第一加法器121配置成计算输出信号。例如，第一加法器121配置成接收输入处的输入信号和倒相输入处的取样的输入信号。第一加法器121从输入信号减去取样的输入信号。输入信号可以是即时或瞬时信号。输入信号可以是电压V_in且取样的输入信号可以是取样电压V_strobe。根据构造，第一加法器121还可以将输入信号加到取样的输入信号或从取样的输入信号减去输入信号。

第二加法器122配置成计算参考信号。例如，第二加法器122配置成接收输入处的第一参考信号以及倒相输入处的第二参考信号。第二加法器122从第一参考信号减去第二参考信号。根据构造，第二加法器122还可以将第一参考信号加到第二参考信号或从第二参考信号减去第一参考信号。

第一加法器121电连接到比较器123且第二加法器122电连接到比较器123。比较器123比较来自第一加法器121的被计算的输入信号与来自第二加法器122的参考信号。

比较器123利用时间周期T_comp(或相关时钟频率f_comp)比较被计算的输出信号和参考信号，其中时间周期T_comp是在约1μs至约5μs的范围内的时间。比较器123电连接到输出端子124。输出端子124配置成提供输出信号或毛刺检测信号。

毛刺检测电路102进一步包括电连接到第一加法器121的输入端子120。输入端子120经由线131和线132电连接到第一加法器121。线132包括第一缓冲器141、开关142和第二缓冲器143。电容器C_s连接到线132。缓冲器的优点是不改变取样电容器C_s中的电荷以及加法器的输出阻抗是低的且不高。

输入信号在线132上被取样且被储存在电容器C_s中。通过开关142利用时间周期T_strobe(或相关频率f_strobe)来取样输入信号。时间周期T_strobe可以短于毛刺的时间周期(T_glitch)。时间周期T_strobe可以是在约10μs和约30μs之间的时间。第一参考信号可以是第一参考电压V_ref-p且第二参考信号可以是第二参考电压V_ref-n。第二加法器122可以从第一参考电压V_ref-p减去第二参考电压V_ref-n，以提供参考电压V_ref。差分结构的优点可以是其对来自正极或负极电源线的干扰不敏感。在替换实施例中，参考信号可以是单一参考信号。如果参考信号是单一参考信号，则第二加法器122可以被省略。

在一个实施例中，开关103经由电阻器R_cal104接地。电阻器R_cal104可以具有在约100kΩ和约10MΩ之间的电阻。电阻器R_cal104可以具有具体电阻值或电阻范围。电阻器R_cal104可以具有大大低于电阻器R_bias115的阻抗。在一个实例中，电阻器R_bias115具有在GΩ范围内(例如400GΩ)的电阻，而电阻器R_cal104可以具有在MΩ范围内(例如1MΩ)的电阻。电阻器R_cal104可以具有低阻抗，以便在合理时间帧内实现传声器101的校准。

在一个实施例中，电荷泵112增加了传声器或MEMS器件111的隔膜和后板之间的偏置电压V_bias。从后板至毛刺检测电路102的输入接地且绕过放大器113的高输入阻抗。可替换地，利用其它偏置电压的实施方式也是可能的。输入电压V_in利用时间周期T_strobe被取样且被储存在沿线132的电容器C_s处。从取样的输入电压V_strobe减去连续输入电压V_in。利用使用频率f_comp的SC-比较器中的参考电压V_ref来比较差别。如果输入电压Vin和取样的输入电压V_strobe之间的差大于参考电压V_ref，则产生毛刺。

图2a-2e示出了不同的功能图。图2a示出了这样的图，其中垂直轴对应于 偏置电压V_bias且水平轴代表时间t。在MEMS校准过程中，偏置电压V_bias可以随时间以线形方式增加。可替换地，偏置电压V_bias可以根据另一函数增加。利用虚线标记下拉电压V_pull-in。图2b示出这样的图，其中垂直轴对应于MEMS的电容C₀且水平轴对应于电压V_bias(例如V_bias＝vmic-vinpm)。图2b中的曲线图示出了台阶形式。MEMS的电容C₀仅仅在第一区域210改变。第一区域210表示校准电压低于下拉电压V_pull-in的情形。在第二区域220中，在下拉电压V_pull-in的附近或周围，MEMS的电容显著地增加。电容根据MEMS类型改变。在特殊实例中，MEMS的电容可以在约1pF的范围内改变。更大或更小的改变也是可能的。在第三区域230中，在下拉电压V_pull-in之上，MEMS的电容没有改变(或仅仅微小改变)，即使校准电压增加。

图2c示出这样的图，其中y轴对应于来自后板的输入电压V_in且其中时间t沿x轴被绘制。如可以从图2c中看到的，MEMS的后板的输入信号V_in的曲线图在后板接触到隔膜的时间处跃迁或升高。其后电压V_in下降。利用时间间隔T_strobe来取样输入电压V_in的曲线图。取样的输入电压在时间间隔T_strobe处的取样电压点V_strobe被储存在电容器C_s中。在图2d中取样电压点V_strobe标记为点241-250。从输入电压V_in减去取样电压点V_strobe。如图2d所示，第一区域210中的点241-250处的V_strobe和输入电压V_in之间的差是0。类似地，第三区域230中的点248-250处的V_strobe和输入电压V_in之间的差是0(或几乎为0)。然而，如可以在图2e中看到的，在第二区域220中，V_strobe和输入电压V_in之间的差是负的或正的。

图2e中的曲线图270示出了比较V_strobe和V_in的最终曲线图。如可以从图2e看到的，当两个电容器极板彼此接触时，曲线图270到达最高点。将曲线图270与参考电压V_ref进行比较。参考电压V_ref可以是预定的电压值或正电压值。如果曲线图270跃迁到参考电压V_ref之上，则存在毛刺。参考电压V_ref应当保证所检测的毛刺实际上对应于毛刺且避免在检测毛刺时的误差。可以利用图1所示的毛刺检测电路102来检测毛刺。

图3示出了本发明的实施例的流程图。在步骤310，取样来自传声器系统的后板的输入信号。在步骤320，第一加法器从输入信号和取样的输入信号计算输出信号。例如，计算输入信号和取样的输入信号之间的差。在步骤330，比较被计算的输出信号与参考信号。在步骤340，当被计算的输出信号高于或低于参考 信号的预定阈值时，检测到毛刺。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不超出由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在此可以作出各种改变、置换和变更。

此外，本申请的范围并不意味着被限定到说明书中描述的工艺、机器、制造、物质成分、手段、方法和步骤的具体实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开容易认识到的，根据本发明可以利用目前存在或后来将被开发的工艺、机器、制造、物质成分、手段、方法、或步骤，其执行与在此描述的相应实施例基本相同的功能或获得基本相同的结果。因而，所附权利要求旨在在它们的范围内包括这类工艺、机器、制造、物质成分、手段、方法、或步骤。

Claims (19)

1.一种用于检测毛刺的方法，所述方法包括：

增加第一电容器的偏置电压；

经由开关将所述第一电容器电连接到毛刺检测电路的输入端，并且利用取样时间周期T_strobe取样所述第一电容器的第一极板的输入信号；

从所述输入信号减去取样的输入信号以获得输出信号；以及

以幅度比较所述输出信号与参考信号从而检测毛刺。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括如果所述输出信号的幅度大于所述参考信号的预定幅度，则检测到毛刺。

3.根据权利要求1的方法，其中所述取样的输入信号被存储在第二电容器中。

4.根据权利要求1的方法，其中所述取样时间周期T_strobe小于毛刺时间周期T_glitch。

5.根据权利要求1的方法，其中比较所述输出信号与所述参考信号包括比较比较时间周期T_comp，且其中所述比较时间周期T_comp小于取样时间周期T_strobe。

6.一种用于校准传声器的方法，所述方法包括：

基于第一偏置电压在正常操作模式操作所述传声器；

通过经由开关将所述传声器电连接到毛刺检测电路的输入端来激活校准模式；以及

操作校准模式，其中所述校准模式包括：

增加第一电容器的偏置电压；

利用取样时间周期取样所述第一电容器的第一极板的输入信号；

使用加法器从所述输入信号和所取样的输入信号计算输出信号；以及

以幅度比较被计算的输出信号和参考信号。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括当激活校准模式时停用正常操作模式。

8.根据权利要求6的方法，其中激活校准模式包括将所述开关切换到ON位置。

9.根据权利要求6的方法，进一步包括如果被计算的输出信号的幅度大于所述参考信号的预定幅度，则检测到毛刺。

10.根据权利要求9的方法，进一步包括基于所检测到的毛刺将第一偏置电压调整到第二偏置电压。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括基于第二偏置电压在正常操作模式操作传声器。

12.一种半导体电路，包括：

配置成接收输入信号的输入端；

配置成计算输出信号的第一加法器，所述第一加法器配置成接收所述输入信号和取样的输入信号，所述取样的输入信号基于所述输入信号；

配置成以幅度比较被计算的输出信号和参考信号的比较器；

配置成提供比较结果的输出端，以及

经由开关电连接到所述输入端的MEMS器件。

13.根据权利要求12的半导体电路，其中所述参考信号是第一参考信号和第二参考信号之间的差。

14.根据权利要求12的半导体电路，其中利用取样时间周期T_strobe来取样所述输入信号，所述T_strobe小于毛刺时间周期T_glitch。

15.根据权利要求14的半导体电路，其中比较器利用比较时间周期T_comp来比较被计算的输出信号与参考信号，T_comp短于T_strobe。

16.一种半导体电路，包括：

MEMS器件；

用于执行根据权利要求1-5中任一项所述方法的毛刺检测电路；以及

开关，所述开关电连接到所述MEMS器件和所述毛刺检测电路。

17.根据权利要求16的半导体电路，其中所述毛刺检测电路是开关式电容比较器。

18.根据权利要求16的半导体电路，其中所述开关还经由第一电阻器接地。

19.根据权利要求18的半导体电路，其中所述MEMS器件包括第二电阻器，且其中所述第一电阻器具有kΩ或MΩ值且第二电阻器具有GΩ值。