CN103226368A - 快速加电偏置电压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及快速加电偏置电压电路。提供了一种DC偏置电压电路，该电路包括适于提供第一DC电压的DC偏置电压发生器。低通滤波器具有操作性地耦合到第一DC电压的输入，以便在该低通滤波器的输出产生第二DC电压。所述低通滤波器包括设置该低通滤波器截止频率的可调节开关电容电阻器和适于控制可调节开关电容电阻器的电阻的控制器。

Description

快速加电偏置电压电路

技术领域

本发明涉及一种DC偏置电压电路，该电路包括适于提供第一DC电压的DC偏置电压发生器。低通滤波器具有操作性地耦合到该第一DC电压的输入，以便在低通滤波器的输出产生第二DC电压。所述低通滤波器包括设置该低通滤波器的截止频率的可调节开关电容电阻器，并且控制器适于控制所述可调节开关电容电阻器的电阻。

背景技术

DC偏置电压电路是众所周知的，并且在很多种应用中用于向电子电路或者向例如电容性麦克风的换能器提供期望的DC电压。在许多这样的应用中，需要期望的DC电压具有非常低的噪声水平，以防止噪声注入由电子电路或换能器产生的信号中。DC偏置电压电路的噪声可以包括构成DC偏置电压电路的一部分的DC-DC转换器或电荷泵的热噪声和/或电压纹波或者时钟信号残余。常常需要DC-DC转换器或电荷泵从供电电源向电容性换能器产生适当的电力DC偏置电压。为了适当地把可听声音或者次声波或超声波声音转换成对应的电信号，需要DC偏置电压。特别地，为了确保通常的电容性麦克风的足够的性能水平，常常需要高DC电压，例如介于4V和20V之间。

为了降低DC偏置电压电路的输出处的噪声水平，在现有技术中已经使用了低通滤波器，其中基于RC的低通滤波器耦合到电荷泵级的输出，来衰减其输出的噪声。但是，为了让低通滤波有效，滤波器必须具有非常低的截止频率，例如低于10Hz。由于低通滤波器的稳定时间基本上与截止频率成反比，因此这种低截止频率固有地造成了DC偏置电压电路的长加电时间。此外，为了产生这种低截止频率，滤波器电阻器必须具有极高的电阻值，例如高于几GΩ或者甚至几十GΩ的值。遗憾的是，在集成电路技术中，如果没有半导体衬底或管芯无法接受的面积消耗，获得具有这么高电阻值的电阻器是不可能的。在现有技术中，已经通过用非线性设备(例如具有反并联配置的一对二极管)替代高值电阻器，解决了这个缺点，其中所述一对二极管能够在可接受的管芯面积约束中提供所需的高电阻值。但是，由这种非线性设备实现的实际电阻或阻抗值往往相对于操作温度、半导体加工结果和偏置条件广泛变化。因此，DC偏置电压电路的加电时间变得不定，这使得在制造测试过程中难以估计被测试的电路到达稳定或额定操作的时间点。同样，在需要正常操作的时候，加电时间变得不确定。

此外，低通滤波器的长稳定时间造成在DC偏置电压电路的制造测试或者包含作为电容式元件的偏置电压源的DC偏置电压电路的电容式麦克风组件的制造测试过程中制造测试时间不期望的延长。DC偏置电压电路的性能特性或者电容式麦克风组件的性能特性，例如电声灵敏度和噪声水平，只能在DC偏置电压电路的DC输出电压稳定之后适当地测量。这是因为麦克风灵敏度是由跨电容式麦克风组件的电容式元件的DC电压确定的，其中所述电容式元件一般包括偏转膜片结构和固定背板结构。因此，加电后跨电容式麦克风元件的DC偏置电压的快速且准确的稳定将允许更严格的灵敏度指标，这在很多应用中都是有用的，所述应用例如波束成形应用，其中严格匹配的电容式麦克风对、三元组等用于提供声音拾取的固定或适应性定向。

US2010/0246859描述了用于声换能器的偏置电路。该偏置电路具有可制动的开关，从而在偏置电路的启动步骤中直接把声换能器的第一端子连接到升压器级的偏置端子，并且在该启动步骤结束时通过滤波元件。

相应地，在本领域中需要能够在正常操作过程中不用牺牲噪声性能就可以快速加电的DC偏置电压电路。如果DC偏置电压电路还相对于半导体处理的变化、操作温度的变化提供明确定义的加电时间而且可以利用小的管芯面积消耗在集成电路技术中实现，那么还提供进一步的优点。后一个考虑对于像用于电子消费者产品的高容量低成本部件的成本敏感应用，例如用于便携式通信设备的微型ECM和MEMS麦克风组件，是特别重要的。

发明内容

本发明的第一方面涉及DC偏置电压电路，包括：

-适于提供第一DC电压的DC偏置电压发生器和具有操作性地耦合到所述第一DC电压的输入的低通滤波器，用以在该低通滤波器的输出产生第二DC电压。所述低通滤波器包括设置该低通滤波器的截止频率的可调节开关电容电阻器。控制器控制所述可调节开关电容电阻器的电阻。

通过选择截止频率的适当设置，所述低通滤波器可以确保对源自所述第一DC电压的白噪声和电压纹波的有效抑制。以这种方式，第二DC电压可以为电子电路或者耦合到其的换能器提供低噪声的DC电源电压。DC偏置电压发生器可以适于逐步升高或逐步降低(通常分别称为升压和降压操作)来自外部供电电源的DC电压或者逐步升高或逐步降低由外部或内部参考电压发生器提供的DC电压。外部供电电源可以包括一个或多个可充电的电池单元或者便携式通信设备的DC电源轨。在用于电容式麦克风的偏置电压源应用中，DC偏置电压发生器优选地适于逐步升高或者拉升来自外部或内部电压源的DC电压，例如，利用2和10之间的(像4和5之间的)倍增或升压因子。依赖于外部或内部供电电源的极性或者其它特性，DC偏置电压发生器可以包括基于电容器的或者基于电感器的电压升压电路，例如电荷泵或者反相或非反相拓扑结构的升压类型DC-DC转换器。在便携式通信设备中，外部供电电源可以例如提供大约1.5V和2.0V之间的正DC电压，而为了适当地DC偏置耦合到位于电路的低通滤波器输出处的第二DC电压的MEMS电容式麦克风，需要更大的DC偏置电压。MEMS电容式麦克风可能需要高于10V(例如10V和20V之间)的偏置电压，从而需要上述范围中的倍增或升压因子。

根据本发明，低通滤波器包括确定该低通滤波器的截止频率的可调节开关电容电阻器。通常，低通滤波器可以包括与所述可调节开关电容器电阻器结合的基于电容器的或者基于电感器的截止频率设置。低通滤波器优选地包括耦合在开关电容电阻器与信号地节点之间的滤波电容器，使得该滤波电容器与可调节开关电容电阻器的RC乘积确定截止频率。后一种实施方式特别适合该DC偏置电压电路的集成电路实现，因为电容器在集成电路技术中是很容易获得的而且电容器的比率可以进一步非常准确地控制。这使得低通滤波器截止频率的高度准确设置很大程度上专门依赖于根据以下等式驱动具有电阻R的开关电容电阻器的一对不重叠时钟信号的时钟信号频率：

$R=\frac{1}{C_1*f_{\mathrm{clk}}}$

f_clk＝时钟信号频率；

C₁＝可调节开关电容电阻器的开关电容器的值。

控制器可以通过调节时钟信号的频率以高度准确的方式控制开关电容电阻器的电阻，并由此控制低通滤波器的截止频率。依赖于该DC偏置电压电路的特定操作状态，时钟信号频率可以例如在多个不同的预设时钟频率之间调节。

因为非常准确的时钟信号在该DC偏置电压电路的许多数字受控应用类型中都是很容易获得的，因此，低通滤波器的截止频率可以由控制器通过调节时钟信号频率准确地调节到期望值或者目标值。特别地，控制器可以配置成在DC偏置电压电路的第一状态把时钟信号频率设置成第一预定频率并且在DC偏置电压电路的第二状态把时钟信号频率设置成第二预定频率。第一状态可以包括DC偏置电压电路的加电或启动状态。第二状态可以包括DC偏置电压电路的正常操作状态，即，低通滤波器的输出处的第二DC电压在额定DC电压限值内稳定的状态。所述第一预定频率优选地大于第二预定频率，例如第一预定频率是第二预定频率的10到1000倍(例如20到50倍)大或者高。在后一种实施方式中，由于在时钟信号的第一预定频率低通滤波器的稳定时间短或者低，而不需要牺牲正常操作过程中的噪声性能，因此该DC偏置电压电路能够快速加电。在时钟信号设置到第二预定频率的正常操作中，低通滤波器的截止频率低得多，例如低20到50倍，从而获得优良的噪声抑制。在第二种状态下，低通滤波器的截止频率优选地设置成低于10Hz的值，更优选地是低于2Hz，或者低于1Hz的值。按绝对值，时钟信号的第一预定频率可以设置成介于300kHz和10MHz之间的值，例如介于600kHz和2MHz之间的值，而时钟信号的第二预定频率根据上述因子范围设置成较小的值，导致由可调节开关电容电阻器和滤波电容器形成的开关电容器低通滤波器的相应较低的截止频率。

简而言之，DC偏置电压电路或者包含所述DC偏置电压电路的电容式麦克风组件(即，系统)的稳定时间需求可以用于确定加电过程中第一预定低通滤波器截止频率的设置。加电之后的正常操作过程中DC偏置电压电路的目标或期望噪声性能可以用于确定或者设置第二预定截止频率。

开关电容器的电容可以依赖于该DC偏置电压电路的具体实施方式而变，但是可以具有介于10fF(10＊10^-15F)与1000fF(10^-12F＝1pF)之间的值，例如大约100fF(100＊10^-15F)。低通滤波器可以只包括构成一阶低通滤波器的单个开关电容电阻器，如在以下参考图1所描述的实施方式中所示出的。在另一种实施方式中，低通滤波器包括2阶或者更高阶的低通滤波器。在这种实施方式中，低通滤波器可以包括设置该低通滤波器的至少一个截止频率的多个可调节开关电容电阻器。所述多个可调节开关电容电阻器还可以用于设置低通滤波器的质量因子。

在本发明的又一种实施方式中，低通滤波器包括多个级联的可调节开关电容电阻器，所述多个级联的可调节开关电容电阻器具有操作性地耦合到第一DC电压的级联输入，以便针对开关电容器给定的总电容进一步降低低通滤波器的截止频率。滤波电容器优选地耦合到位于低通滤波器输出处的第二DC电压，例如，在低通滤波器的输出与地或者DC参考电压之间。这种滤波电容器是非开关式的或者静态的。控制器优选地适于控制所述级联的可调节开关电容电阻器中每一个的电阻。在这种实施方式中，所述多个级联的可调节开关电容电阻器优选地包括5到15个开关电容电阻器。

控制器可以适于以各种方式控制在DC偏置电压电路的第一和第二状态之间的切换。在一种实施方式中，控制器检测或者监视第二DC电压的电平并且比较瞬时电平与某个预定的标准，例如，阈值电压，来确定从第一状态切换到第二状态的适当时刻。根据这种实施方式，DC偏置电压电路优选地包括具有耦合到第二DC电压的第一输入和耦合到预设阈值电压的第二输入的比较器。该比较器的输出优选地耦合到控制器，所述控制器配置成基于比较器的输出在DC偏置电压电路的第一和第二状态之间切换。比较器可以包括具有形成相应比较器输入的反相和正相输入的运算放大器。预设的阈值电压优选地大致对应于DC偏置电压电路处于完全稳定状态时第二DC电压的期望电平，或者有可能是稍微低于第二DC电压的期望电平的电平，以便把制造和/或温度变化考虑进来。

在另一种实施方式中，控制器适于根据从具体信号事件开始经过预定时间周期来控制DC偏置电压电路的第一和第二状态之间的切换。在这样一种实施方式中，计数器用于确定从DC偏置电压电路启动开始的预定时间周期的持续时间。根据后一种实施方式，DC偏置电压电路包括操作性地耦合到可控制时钟发生器的计数器，用于时钟信号的接收。控制器配置成基于计数器的输出在DC偏置电压电路的第一和第二状态之间切换。计数器可以适于在接收到由专用电路块为此目的提供的启动复位信号时初始化并启动计数。计数器还可以适于，如果DC偏置电压电路包括备用模式的话，在接收到指示离开这种备用模式的信号时初始化并启动计数。假定开关电容器低通滤波器的时间常量可以准确地设置为滤波电容器与开关电容器之间的比率，那么控制器就可以使用计数器来计数在低通滤波器的输出获得第二DC电压的期望稳定准确性所必需的时钟信号的时钟循环个数。在这种实施方式中，获得第二DC电压的期望准确性水平所需的最终计数独立于f_clk，因为，响应于f_clk变化，达到指定目标或最终计数

的实际时间通过与开关电容器低通滤波器的时间常量相同的因子缩放。

根据本发明的优选实施方式，DC偏置电压电路还包括操作性地耦合第一DC电压和在低通滤波器输出处的第二DC电压之间的半导体二极管。该半导体二极管优选地适于把来自第一DC电压的电流传导到第二DC电压，使得当正向偏置时，该半导体二极管与开关电容器的电阻并联地传导充电电流。由于在集成电路技术中半导体二极管可以设计成在正向导通状态下具有非常低的电阻，因此由二极管形成的并联充电路径可以显著加速第二DC电压的充电。一旦第二DC电压达到低于第一DC电压大约一个二极管压降的电平，该半导体二极管就逐步停止导通而且残余充电通过开关电容器的电阻实现。技术人员将理解，例如，附加的半导体二极管可以与所述半导体二极管串联和/或并联放置，以便减小或增加正向电压降的大小。

DC偏置电压电路的另一种优选实施方式包括麦克风前置放大器和耦合到该麦克风前置放大器输入以便设置麦克风前置放大器的DC操作点的DC偏置网络。麦克风前置放大器可以包括电压敏感输入部分，例如在如运算放大器的拓扑结构中的高阻抗差分输入级。在另一种实施方式中，麦克风前置放大器本质上作为积分器与反馈电容器耦合，所述反馈电容器耦合在前置放大器的输出和输入之间。技术人员将注意到，在后一种实施方式中，麦克风前置放大器包括电荷放大器。

位于麦克风前置放大器输入处的确切DC偏置输入电压是很重要的，因为它是跨电容式麦克风元件的膜片与背板结构的DC电压，如以上所解释的，确定麦克风的灵敏度。这个DC输入偏置电压常常是由耦合到预定或期望电位的DC偏置网络固定的。可控制的半导体开关优选地跨该DC偏置网络耦合。所述可控制的半导体开关确保在DC偏置电压电路的加电状态过程中麦克风前置放大器的输入可以被钳位到明确定义的电位。结合用于需要麦克风前置放大器的极高输入阻抗的电容式麦克风的麦克风前置放大器及其关联的DC偏置网络，对于避免声音信号衰减而言，这是特别有帮助的。由于麦克风前置放大器极高的输入阻抗，DC偏置网络只能够在DC偏置电压电路的加电过程中非常弱地将麦克风前置放大器的输入拉到期望的电位或者DC输入偏置电压，例如接地或DC参考电压。因为施加到电容式麦克风元件的第二DC电压经电容式元件的电容耦合到麦克风前置放大器的输入，所以(低通滤波器输出处的)第二DC电压快速上升的大小把麦克风前置放大器的输入拉到远离其期望的DC输入偏置电压。通过可控制半导体开关的低接通电阻或导通电阻，例如小于10kΩ或者小于1kΩ，本实施方式消除了这个问题。低接通电阻有效地把麦克风前置放大器的输入钳位到期望的电位。为了获得这个效果，控制器优选地适于：

-在DC偏置电压电路的第一状态，把可控制的半导体开关设置成导通状态；以及

-在DC偏置电压电路的第二状态，把可控制的半导体开关设置成非导通状态。由此，在DC偏置电压电路加电过程中，麦克风前置放大器的输入被有效地钳位到期望的电位。当控制器切换到第二状态时，它把可控制的半导体开关设置成非导通状态，以便除去DC偏置网络的旁路或短路，使得麦克风前置放大器及关联DC偏置网络的正常操作得以恢复。

本发明的第二方面涉及给DC偏置电压电路加电的方法，包括以下步骤：

-从输入电压源生成第一DC电压，

-在DC偏置电压电路的加电状态中，向低通滤波器的开关电容电阻器施加具有第一预定频率的时钟信号，

-对第一DC电压进行低通滤波，以在低通滤波器的输出处产生第二DC电压，

-通过低通滤波器对第二DC电压充电，直到匹配预定的充电标准，

-在DC偏置电压电路的正常操作状态中，把时钟信号调节到第二预定频率。其中第一预定频率高于第二预定频率。

如以上所提到的，时钟信号的第一预定频率优选地比第二预定频率大，例如第一预定频率是第二预定频率的10到1000倍(如20到50倍)高。由于在时钟信号的第一预定频率下低通滤波器的稳定时间小或者低，因此该DC偏置电压电路能够快速加电。通过在进入正常操作状态时把时钟信号切换到第二预定频率，第一DC电压上的噪声成分被低通滤波器的较低的截止频率有效抑制。以这种方式，该加电方法方便了该DC偏置电压电路的快速加电，而不需要在正常操作过程中牺牲噪声性能。

在一种实施方式中，DC偏置电压电路的第一和第二状态是通过比较第二DC电压与预设的阈值电压来检测的。如以上所提到的，预设的阈值电压可以大致对应于在DC偏置电压电路完全稳定的状态中第二DC电压的期望电平或额定电平，或者可能是稍微低于第二DC电压的额定电平的电平，以便把制造和/或温度变化考虑进来。

本发明的另一方面涉及包括根据以上所述其任何一种实施方式的集成DC偏置电压电路的半导体管芯或衬底。所述半导体管芯优选地通过亚微米CMOS半导体处理来制造，以允许以非常低的每单位/管芯的制造成本进行大规模制造。如以上所提到的，本低通滤波器特别适于集成电路实现方式，因为开关电容电阻器可以以小的管芯面积消耗制造。此外，如以上所提到的，低通滤波器的截止频率可以通过电容器比率非常准确地设置。

本发明的又一方面涉及一种电容性或电容式麦克风组件，包括：

-电容性换能器元件，具有以隔开关系布置的背板与膜片，响应于声音，膜片可相对于背板移位；

-根据以上所述其任何一种实施方式的DC偏置电压电路耦合到所述电容性换能器元件，使得膜片或背板电耦合到第二DC电压，以便为电容性换能器元件提供DC偏置电压。以这种方式，DC偏置电压电路的第二DC电压为电容性换能器元件提供了低噪声的DC偏置电压。电容式麦克风组件可以包括微型MEMS电容式胶囊，封装背板与膜片结构并且安装到用于组件的适当载体或衬底上。在一种实施方式中，该微型MEMS电容式胶囊可以集成到具有根据以上所述其任何一种实施方式的DC偏置电压电路的普通半导体管芯或衬底上，以便提供单管芯的MEMS电容式麦克风组件。

附图说明

本发明的实施方式将联系附图更详细地进行描述，在附图中：

图1是根据本发明第一实施方式、耦合到MEMS电容式麦克风的DC偏置电压电路的简化示意性电路图；及

图2a)和2b)是根据本发明第一实施方式、来自集成的原型DC偏置电压电路的信号图。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施方式的DC偏置电压电路100的简化示意性电路图。在该实施方式中，DC偏置电压电路100集成在半导体衬底上，并且可以方便地在亚微米CMOS处理中制造。DC偏置电压电路100通过布置在半导体衬底的表面上的一对焊盘电耦合到MEMS电容式麦克风C_MEMS相对的膜片与背板结构。MEMS电容式麦克风C_MEMS示意性地表示为可变电容器，示出其响应于入射的声音电容发生变化。

DC偏置电压电路100从外部供电电源103接收功率和电压。所述外部供电电源103可以是例如移动电话的便携式通信设备的DC电源轨。外部供电电源103可以提供1.5V和2.0V之间的DC电压，而为了适当地偏置MEMS电容式麦克风C_MEMS需要更大的偏置电压。在该实施方式中，MEMS电容式麦克风可能需要大约4-12V的DC偏置电压，但是技术人员将理解，其它电容式麦克风设计可能需要不同的偏置电压。DC偏置电压电路100包括电荷泵105形式的DC偏置电压发生器，该电荷泵105操作性地耦合到外部供电电源103。由外部供电电源103供电的参考电压发生器(未示出)优选地用于为电荷泵105产生准确而长期稳定的DC输入电压。该参考电压发生器可以包括基于带隙的电压发生器。电荷泵105使用具有相应泵电容器的泵级的级联，用生成期望的电压V_PUMP所需的因子去乘以以上提到的稳定DC输入电压。以这种方式，例如介于8和12V之间的处于V_PUMP的DC电压可以在电荷泵105的输出节点106生成。技术人员将认识到，在本发明的其它实施方式中，电荷泵105可以适于产生不同值的V_PUMP，和/或可以是从外部供电电源103或者从参考电压发生器接收负DC电压同时仍然产生正DC输出电压的反相类型。DC电压V_PUMP施加到包括开关电容器C₁、相应的第一和第二半导体开关SW₁、SW₂及非开关式或静态滤波电容器C₂的开关电容器低通滤波器。开关电容器低通滤波器优选地被调节成在DC偏置电压电路100的第二状态或正常操作模式中，它具有低于10Hz的截止频率或转角频率，如以下更具体地说明的。DC输出电压V_BIAS在开关电容器低通滤波器的输出提供。由于对开关电容器低通滤波器提供的白噪声和电压纹波都有有效的抑制，因此，与V_PUMP电压相比，该DC输出电压V_BIAS的噪声水平显著降低。在本发明的该实施方式中，在图1中绘出了单个开关电容器低通滤波器。技术人员将认识到，其它实施方式可以包括多个级联的开关电容电阻器，而不是所说明的单个开关电容电阻器。

DC电压V_BIAS通过前面提到的半导体衬底上的第一焊盘施加到MEMS电容式麦克风的膜片或背板电极。MEMS电容式麦克风的相对的电极通过半导体衬底上的另一个焊盘电耦合到麦克风前置放大器109的输入108，使得响应于声音，由膜片与背板电极之间的相对位移产生的AC麦克风信号被放大。放大的麦克风信号在麦克风放大器的输出V_OUT处提供。包括一对反并联半导体二极管的DC偏置网络111耦合到麦克风前置放大器109的输入108，以设置麦克风前置放大器109的DC偏置或操作点。在本实施方式中，DC偏置网络111把麦克风前置放大器109的输入108设置成大约为接地电平，但是在其它实施方式中，依赖于所选麦克风前置放大器109的电路拓扑结构，输入108当然可以设置成不同的电位，例如正或负DC参考电压。半导体开关包括跨DC偏置网络111耦合的NMOS晶体管M₁，通过控制NMOS晶体管M₁栅极端子GM₁的信号电平，使得其切换到导通状态或者接通状态，从而允许DC偏置网络111在DC偏置电压电路100的加电状态中基本上被旁路。

开关电容器低通滤波器的第一和第二半导体开关SW₁、SW₂分别被适当幅值的不重叠时钟信号φ₁、φ₂来定时，以便在导通与非导通模式之间切换每个半导体开关。不重叠的时钟信号是由时钟电路107产生的，该时钟电路又受控制器113或控制逻辑的控制。不重叠时钟信号φ₁、φ₂的幅值是根据处于V_PUMP的电压电平来调节的，以确保第一和第二半导体开关SW₁、SW₂中每一个都可以分别适当地断开和闭合(在非导通和导通状态之间切换)。由开关电容器C₁和相应的第一和第二半导体开关SW₁、SW₂形成的开关电容电阻器的电阻可以由控制器113通过调节不重叠时钟信号φ₁、φ₂的频率来调节，因为电阻R可以写成：

$R=\frac{1}{C_1*f_{\mathrm{clk}}}$

f_clk＝不重叠时钟信号φ₁、φ₂的频率。

因此，开关电容器低通滤波器的截止频率也是通过调节时钟信号φ₁、φ₂的频率来调节的。开关电容器C₁的电容可以位于10fF和1000fF之间。在DC偏置电压电路100的第一状态期间，时钟信号φ₁、φ₂的频率或者时钟频率可以设置成介于1和10MHz之间的值，所述第一状态可以对应于加电状态或者初始化状态。在DC偏置电压电路100的第二状态中，时钟频率优选地设置成比第一状态中时钟频率小10到100倍的值，这导致开关电容器低通滤波器相应较低的截止频率。

控制器113基于预定时间周期的持续时间来控制DC偏置电压电路100的加电顺序并且确保适当的状态切换。优选地利用计数器(未示出)来设置或确定从DC偏置电压电路的启动事件开始的预定时间周期的持续时间。该启动事件可以由通过MEMS电容式麦克风加电产生的外部启动信号或者由指示需要DC输出电压V_BIAS的另一个系统信号向计数器指示。所述启动信号可以是例如启动复位信号(检测供电电源电压VDD的存在)和备用退出信号的逻辑或(OR)。这种备用退出信号可以例如来自检测系统时钟恢复(即，操作从电荷泵105断电的备用(降低功率)模式恢复)的时钟检测器。计数器可以适于一接收到启动信号就初始化并启动计数。计数器还可以适于在DC偏置电压电路包括备用模式的情况下一接收到指示离开该备用模式的信号就初始化并启动计数。计数器操作性地耦合到可控制的时钟发生器107，用于接收时钟信号。控制器113配置成基于计数器的输出或值从DC偏置电压电路100的第一状态切换到第二状态。由于开关电容器低通滤波器的时间常量可以准确地设置成滤波电容器C₂与开关电容器C₁之间的比率，因此控制器113可以使用计数器来计数在低通滤波器的输出获得处于V_PUMP的期望稳定准确性所必需的时钟信号的时钟循环个数。在这种实施方式中，获得处于V_PUMP的期望准确性水平所需的最终计数独立于f_clk，因为，响应于f_clk变化，达到指定的目标或最终计数的实际时间通过与开关电容器低通滤波器的时间常量相同的因子缩放。

当控制器113检测到由计数器保持的计数小于指定的目标或最终计数时，DC偏置电压电路100加电。响应这种确定，控制器113把时钟信号φ₁、φ₂的时钟频率设置成前面讨论过的高值，例如大约2MHz，由此，开关电容器低通滤波器的截止频率被设置成高频率。时钟信号频率的这种设置显著地加速了开关电容器低通滤波器的输出电压的稳定。这导致快速增大的V_BIAS电压，使得用于MEMS电容式麦克风的偏置电压以相对快的方式达到其额定值。

当控制器113检测出到达到目标或最终计数时，DC偏置电压电路100就已经达到了其正常操作状态。控制器113相应地把时钟信号φ₁、φ₂的时钟频率降低到前面讨论过的第二预定值，例如大约100kHz或者甚至更低，使得开关电容器低通滤波器的截止频率被设置成低频率，优选地低于10Hz或者甚至低于2Hz或者1Hz。电荷泵输出电压V_PUMP的噪声现在被有效地抑制或衰减，而且低噪声的偏置电压提供给MEMS电容式麦克风。技术人员将注意到，通过截止频率切换，DC偏置电压电路100已经非常快地加电而且达到了正常操作状态。技术人员将认识到，一旦跨电容式麦克风元件的DC电压稳定在其额定或最终的值，麦克风灵敏度就已经达到其额定或稳态值。这种情况需要低通滤波器输出的DC电压V_BIAS稳定以及麦克风前置放大器的DC输入偏置电压稳定到其最终的值。在后一种运行状态或模式中，MEMS电容式麦克风组件的相关电声性能特性可以在制造测试过程中被准确地测量和评估。为了方便在上述DC偏置电压电路100的加电过程中麦克风前置放大器输入处的DC输入偏置电压的快速稳定，NMOS晶体管M₁优选地通过控制器113设置成导通状态，即，接通状态，使得麦克风前置放大器109的DC偏置网络111变得基本上被NMOS晶体管M₁的低接通电阻旁路。这可能是需要的，因为为了避免加载MEMS电容式麦克风的高阻抗电容性换能器元件，DC偏置网络111的阻抗常常非常大，例如几十GΩ。为此，DC偏置网络111只表现出非常弱地拉到麦克风前置放大器109的期望DC输入偏置电压，使得MEMS电容式麦克风的充电可以在加电过程中把麦克风前置放大器109的输入的操作点拉到远离期望的DC输入偏置电压处。与DC偏置网络111的阻抗相比，在其导通状态中，NMOS晶体管M₁的低接通电阻确保麦克风前置放大器109的输入节点108在加电过程中被有效地钳位到期望的电位。一旦控制器113检测到加电完成，如上所述，控制器113就把NMOS晶体管M₁切换到其非导通或断开状态，由此恢复DC偏置网络111的正常操作。

DC偏置电压电路100包括可选的半导体二极管D₁，该半导体二极管D₁针对特定的时间周期进一步加速电路的加电。半导体二极管D₁耦合在电荷泵输出电压V_PUMP与DC电压V_BIAS之间，使得，只要D₁被正向偏置，它就与开关电容器的电阻并联地从V_PUMP向V_BIAS传导电流。由于二极管D₁可以设计成在正向导通时呈现非常低的电阻，因此并联的偏置电压电荷路径可以显著地加速V_BIAS的充电。一旦偏置电压V_BIAS达到大约比电荷泵输出电压V_PUMP低一个二极管压降的电平，D₁就逐步停止导通，并且对V_BIAS的残余充电通过开关电容器的电阻实现，直到V_BIAS的电压电平基本上等于电荷泵输出电压V_PUMP。

图2a)的图201绘出了在加电过程中DC偏置电压电路的三种不同的测量信号波形。标记为V_BIAS的图是开关电容器低通滤波器输出的DC电压相对于时间的测量波形。下面标记为“clk_pump”的图示出了由时钟电路107生成的实测对应时钟频率信号。由于时钟信号相对于时间的高频率在以毫秒绘出所经过时间的图2a)上缩放，因此时钟信号波形是模糊的。所绘出的时钟频率信号驱动分别用于开关式容器的电阻的第一和第二半导体开关SW₁、SW₂的不重叠时钟信号φ₁、φ₂，如上所述。标记为“v(speed)”的信号波形示出了控制器的控制信号的逻辑状态，指示DC偏置电压电路的当前状态，即，加电/启动状态或者正常操作。该控制信号由控制器用于确定时钟信号何时要从第一预定频率切换到第二预定频率。如所说明的，控制信号“v(speed)”在大约5.20毫秒把逻辑状态从高切换到低，这指示从加电状态转移到正常操作状态。在该图中，第一预定频率设置成384kHz，而第二预定频率设置成48kHz。通过开关电容器低通滤波器输出的DC电压V_BIAS朝着其大约4.5V的最终或稳态值的快速增加，清楚地证明了该DC偏置电压电路100的快速加电能力，其中稳态电压在大约3.0毫秒之后就已经几乎达到了。

图2b)以从大约5.10毫秒到5.30毫秒延伸的扩展时间比例示出了在上面绘出的时钟频率信号“clk_pump”的图。如这个图上清楚地示出的，时钟频率从第一到第二预定频率的突然转变是由控制器响应控制信号“v(speed)”的逻辑状态的切换而在大约5.20毫秒实现的。

Claims (20)

1.一种DC偏置电压电路，包括：

-DC偏置电压发生器，适于提供第一DC电压；

-低通滤波器，具有操作性地耦合到所述第一DC电压的输入，用以在低通滤波器的输出产生第二DC电压，所述低通滤波器包括设置所述低通滤波器的截止频率的可调节开关电容电阻器；

-控制器，控制所述可调节开关电容电阻器的电阻。

2.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，其中所述可调节开关电容电阻器的电阻通过调节施加到所述可调节开关电容电阻器的时钟信号频率来调节。

3.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，其中所述低通滤波器包括耦合到所述可调节开关电容电阻器和所述低通滤波器的输出的滤波电容器。

4.如权利要求2所述的DC偏置电压电路，包括适于生成时钟信号的可控制的时钟发生器；其中所述控制器配置成：

-在所述DC偏置电压电路的第一状态下，把时钟信号频率设置成第一预定频率；及

-在所述DC偏置电压电路的第二状态下，把时钟信号频率设置成第二预定频率。

5.如权利要求4所述的DC偏置电压电路，包括：

-比较器，具有耦合到所述第二DC电压的第一输入、耦合到预设的阈值电压的第二输入和耦合到所述控制器的输出；

-所述控制器配置成基于比较器的输出在所述DC偏置电压电路的第一状态和第二状态之间切换。

6.如权利要求4所述的DC偏置电压电路，包括：

-计数器，操作性地耦合到所述可控制的时钟发生器，用于接收时钟信号，

-所述控制器配置成基于计数器的输出在所述DC偏置电压电路的第一状态和第二状态之间切换。

7.如权利要求4所述的DC偏置电压电路，其中所述第一预定频率是所述第二预定频率的10到1000倍高。

8.如权利要求4所述的DC偏置电压电路，其中所述DC偏置电压电路的所述第一状态包括加电状态，而所述第二状态包括正常操作状态。

9.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，还包括操作性地耦合在所述第一DC电压和所述低通滤波器的输出处的所述第二DC电压之间的半导体二极管。

10.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，其中所述DC偏置电压发生器包括电荷泵或者升压DC-DC转换器，其具有操作性地耦合到用于所述DC偏置电压电路的供电电源的输入。

11.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，还包括：

-麦克风前置放大器；

-DC偏置网络，耦合到所述麦克风前置放大器的输入，以设置所述麦克风前置放大器的DC操作点；

-可控制的半导体开关，跨所述DC偏置网络耦合。

12.如权利要求11所述的DC偏置电压电路，其中所述控制器还适于：

-在所述DC偏置电压电路的第一状态下，把所述可控制的半导体开关设置成导通状态；以及

-在所述DC偏置电压电路的第二状态下，把所述可控制的半导体开关设置成非导通状态。

13.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，包括多个级联的可调节开关电容电阻器，所述多个级联的可调节开关电容电阻器具有操作性地耦合到所述第一DC电压的级联输入；

-滤波电容器，耦合到所述低通滤波器的输出处的第二DC电压，

-所述控制器控制所述级联的可调节开关电容电阻器中每一个的电阻。

14.如权利要求1所述的DC偏置电压电路，其中所述低通滤波器包括二阶或者更高阶的低通滤波器；

-所述低通滤波器包括多个可调节开关电容电阻器，设置所述低通滤波器的至少一个截止频率。

15.一种给DC偏置电压电路加电的方法，包括以下步骤：

-从输入电压源生成第一DC电压；

-在所述DC偏置电压电路的加电状态下，把具有第一预定频率的时钟信号施加到低通滤波器的开关电容电阻器；

-对所述第一DC电压进行低通滤波，以在所述低通滤波器的输出生成第二DC电压；

-通过所述低通滤波器对所述第二DC电压充电，直到匹配预定的充电标准；

-在所述DC偏置电压电路的正常操作状态下，把时钟信号调节到第二预定频率；

-其中所述第一预定频率比所述第二预定频率高。

16.如权利要求15所述的给DC偏置电压电路加电的方法，其中所述DC偏置电压电路的加电和正常操作状态是通过比较所述第二DC电压与预设的阈值电压来检测的。

17.如权利要求15所述的给DC偏置电压电路加电的方法，其中所述DC偏置电压电路的加电和正常操作状态是通过比较计数器输出与预定的计数器值来检测的。

18.如权利要求15所述的给DC偏置电压电路加电的方法，其中所述第一预定频率是所述第二预定频率的10到1000倍高。

19.一种半导体管芯或衬底，包括集成的、如权利要求1所述的DC偏置电压电路。

20.一种电容性或电容式麦克风组件，包括：

-电容性换能器元件，具有以隔开关系布置的背板和膜片，响应于声音，所述膜片可以相对于所述背板移位；

-如权利要求1所述的DC偏置电压电路，耦合到所述电容性换能器元件，使得所述膜片或所述背板电耦合到所述第二DC电压，以便为所述电容性换能器元件提供DC偏置电压。

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