CN104581605A - 用于换能器的自动校准的系统和方法 - Google Patents

Abstract

依照实施例，一种接口电路包括：耦接至换能器的可变电压偏置生成器，以及耦接至换能器的输出的测量电路。测量电路被配置为测量换能器的输出幅度。接口电路还包括：耦接至偏置生成器和测量电路的校准控制器，并且被配置为在自动校准序列期间设置换能器和接口电路的灵敏度。

Description

用于换能器的自动校准的系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及换能器和电路，并且在特别的实施例中，涉及用于换能器的自动校准的系统和方法。

背景技术

换能器将信号从一个域转换到另一个域并且经常用在传感器中。日常生活中所见到的具有换能器的普通传感器是麦克风，一种将声波转换为电信号的传感器。

基于微机电系统（MEMS）的传感器包括使用微机加工技术生产的一系列换能器。MEMS，诸如MEMS麦克风，通过测量物理现象从环境收集信息，并且附接到MEMS的电子器件然后处理从传感器得到的信号信息。可以使用与用于集成电路的那些类似的微机加工制备技术来制造MEMS装置。

音频麦克风通常被用在各种消费者应用（诸如蜂窝电话，数字音频记录器，个人计算机和电话会议系统）中。在MEMS麦克风中，压强灵敏隔膜被直接设置在集成电路上。像这样，麦克风被包含在单个集成电路上而非从单独的分立部分制备麦克风。MEMS麦克风的单片性质产生更高产出、更低成本的麦克风。

MEMS装置可以被形成为振荡器、谐振器、加速度计、陀螺仪、压强传感器、麦克风、微镜以及其它装置，并且经常使用电容性感测技术以用于测量正被测量的物理现象。在这样的应用中，使用接口电路将电容性传感器的电容改变转换为可用电压。然而，MEMS装置的制备引入物理大小和形状的变化，由此引起所完成的MEMS装置的特性性能上的变化。例如，以相同的过程制备的具有相同设计的MEMS麦克风可能在灵敏度上具有某种变化。

发明内容

依照实施例，接口电路包括：耦接至换能器的可变电压偏置生成器，和耦接至换能器输出的测量电路。测量电路被配置为测量换能器的输出幅度。接口电路还包括：耦接至偏置生成器和测量电路的校准控制器，并且被配置为在自动校准序列期间设置换能器和接口电路的灵敏度。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照结合附图做出的下面的描述，在附图中：

图1图解实施例换能器系统的示意图；

图2图解实施例换能器灵敏度绘图的波形图；

图3图解实施例校准过程的流程图；

图4图解实施例校准控制器的框图；

图5a-5b图解实施例校准方法的波形图；

图6图解另一个实施例换能器系统的示意图；以及

图7图解实施例校准方法的框图。

不同图中的对应标号和符号一般提及对应的部分，除非另外指示。绘制各图以清楚地图解实施例的相关方面并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

以下详细讨论各个实施例的做出和使用。然而，应当领会的是，在此描述的各个实施例可应用在广泛的各种特定情形中。所讨论的特定实施例仅仅说明做出和使用各个实施例的特定方式并且不应以受限制的范围被解释。

关于特定情形（即麦克风换能器，并且更特别地，MEMS麦克风）下的各个实施例做出描述。在此描述的各个实施例中的一些包括MEMS换能器系统、MEMS麦克风系统、用于换能器和MEMS换能器系统的接口电路以及校准MEMS换能器系统的自动方法。在其它实施例中，各方面还可以被应用于牵涉根据现有技术中已知的任何方式将物理信号转换到另一个域并且校准这样的传感器或换能器以及接口电子器件的任何类型的传感器或换能器的其它应用。

所制备的MEMS装置展现出性能特性的变化。例如，即使是在同一晶片上制备的MEMS麦克风当中，MEMS麦克风也展现不同的灵敏度值。根据在此描述的各个实施例，提出能够执行如下的自动校准过程的接口电路：所述自动校准过程确定偏置电压和放大器增益以便针对MEMS装置在目标范围内设置总的换能器系统灵敏度值。

根据各个实施例，自动校准过程包括：对系统应用已知幅度的音频信号和应用自动校准开始条件。在自动校准过程期间，应用到MEMS的偏置电压和/或可变增益放大器的增益被调整直到系统的总灵敏度接近目标灵敏度。在一些实施例中，该自动校准过程一旦开始就在芯片上发生（例如在接口电路和MEMS麦克风内）。

图1图解具有经由端子126和128耦接到麦克风120的接口电路110的实施例换能器系统100的示意图。麦克风被示出为电容性MEMS麦克风120，具有耦接至端子128的可偏转膜124和耦接至端子126的穿孔刚性背板122。根据实施例，入射在膜124上的来自声音端口（未示出）的声波引起膜124偏转。该偏转改变膜124和背板122之间的距离并且改变电容，因为背板122和膜124形成平行板电容器。电容的改变被检测为端子126和128之间的电压改变。接口电路110测量端子126和128之间的电压改变并且在输出130处提供与入射在膜124上的声波对应的输出信号。

根据实施例，MEMS麦克风120的灵敏度受制备变化影响而使得：即使是使用相同的过程在相同晶片上制备的具有相同设计的MEMS麦克风也可能具有不同的灵敏度值。在各个实施例中，MEMS麦克风120的灵敏度取决于跨端子126和128应用的偏置电压。包括MEMS麦克风120的灵敏度和接口电路110的灵敏度的换能器系统100的总灵敏度也可能受可以被耦接至端子126的放大器104的增益G影响。常规地，在制造期间将校准过程应用于MEMS麦克风，并且接口电路被编程或者被从有限数目的变化中选择以便设置偏置电压和灵敏度，从而设置完成的换能器系统的灵敏度。

在实施例中，接口电路110包括校准控制器102，校准控制器102能够经由电荷泵108设置被供应到MEMS麦克风120的偏置电压并且能够设置放大器104的增益G。在各个实施例中，电荷泵108是可变电压电荷泵并且放大器104是可变增益放大器。在一些实施例中，放大器104可以被例如实现为2012年10月31日提交的并且标题为“System and Method for Capacitive Signal Source Amplifier”的美国专利申请号13/665,117（该申请通过引用以其整体被合并于此）中所描述的那样。放大器104可以经由耦接至背板122的端子126从MEMS麦克风120接收输入信号。电荷泵108可以经由耦接至膜124的端子128将可变的偏置电压提供至MEMS麦克风120。电荷泵108可以被例如实现为如2011年8月25日提交的并且标题为“System and Method for Low Distortion Capacitive Signal Source Amplifier”的美国专利申请号13/217,890（该申请通过引用以其整体被合并于此）中所描述的那样。根据替换的实施例，背板122可以被耦接至端子128并且膜124可以被耦接至端子126。

根据所示出的实施例，接口电路110包括经由电阻性元件116耦接至端子126的偏置电压源112。放大器104被耦接到测量电路106。在所示出的实施例中，测量电路106被实现为模拟到数字转换器（ADC）106并且被耦接至输出130和校准控制器102。如所示出那样，校准控制器102接收时钟信号132，检测控制信号134，并且耦接至保险丝114。在各个实施例中，保险丝114可以包括被设置为防止在初始校准后进一步校准的非暂态存储器。在一些实施例中，保险丝114可以被实现为物理保险丝、闪速存储器或任何其它非易失性物理存储器。

根据各个实施例，校准控制器102检测校准过程开始条件，使电荷泵108的偏置电压斜坡化直到检测到吸合（pull-in），基于所检测到的吸合电压设置电荷泵108的偏置电压，测量来自ADC 106的输出信号，并且如果需要的话调整放大器104的增益G。下面参照其余各图描述实施例校准过程的更详细的描述。

在一些实施例中，校准控制器102可以包括具有数字控制逻辑的状态机。在其它实施例中，校准控制器102可以被实现为微控制器。在另一实施例中，校准控制器102可以被实现为模拟控制电路。接口电路110可以是完全定制或半定制的集成电路（IC）。在各个实施例中，接口电路110可以被分离地封装或作为系统（诸如芯片上系统（SoC））的部分被包括。在一些实施例中，MEMS麦克风和接口电路110可以在同一半导体管芯上被制备并切片。本领域技术人员将容易想象很多其它实现方式和配置并且这样的变化在这里描述的实施例的范围内。

图2图解可以在校准过程期间被使用以便确定MEMS装置（诸如例如，MEMS麦克风）的吸合电压的实施例换能器灵敏度绘图200的波形图。根据所示出的实施例，针对应用于MEMS麦克风的板的增加的偏置电压来描绘灵敏度波形210。例如，灵敏度波形210可以指示经由可变偏置生成器（诸如电荷泵108）应用到MEMS麦克风120的膜124的偏置电压。在所示出的实施例中，随着所应用的偏置电压增加，MEMS麦克风的灵敏度增加。如所示出那样，灵敏度波形210可以继续增加直到在吸合电压220处出现吸合。对于MEMS麦克风而言，吸合是在偏置电压达到如下点之时：在该点处，背板和膜之间的静电作用力足够强而引起各板拉到一起并物理接触。如由灵敏度波形210所示那样，一旦大于或等于吸合电压220的偏置电压被应用到各个板中的一个时，MEMS麦克风灵敏度就实质地减小。

根据各个实施例，灵敏度波形210的特征可以在测试中被用于确定针对MEMS麦克风（诸如例如MEMS麦克风120）的吸合电压220。在一些实施例中，随着电荷泵108增加被应用到MEMS麦克风120的各个板中的一个的偏置电压，恒定的已知输入声波被提供到MEMS麦克风120。根据各个实施例，校准控制器102随着偏置电压被增加而监测来自ADC 106的电输出信号。芯片上控制块在出现吸合时检测电输出信号电平中的降低，并且可以存储吸合电压220的值。根据各个实施例，在如在此描述的许多个实施例的情况下，可以由接口电路110来部分地或完全地执行这些步骤。

图3图解包括外部过程310和内部过程320（两者都可以在制备或封装期间被执行）的实施例校准过程300的流程图。内部过程320可以例如被同时地在接口电路内执行并且可以被执行以便通过设置灵敏度来校准MEMS装置。根据实施例，外部过程310包括：在步骤312中把MEMS装置放置在模块测试器中，在步骤314中应用已知幅度和频率的测试音调，在步骤316中对MEMS装置和接口电路通电，以及在步骤318中设置用于测试的控制信号。步骤312中的模块测试器可以包括被配置为耦接至麦克风并且提供声学测试信号的声学测试固定装置（text fixture）或测试单元。在各个实施例中，MEMS装置可以包括MEMS麦克风120，接口电路可以包括接口电路110，并且设置控制信号可以包括设置控制信号134。

在特定的实施例中，步骤314中的测试音调可以具有1kHz频率和94dB声压水平（SPL），一般等于大约1帕斯卡。在一些实施例中，步骤318中的设置控制信号可以包括在一定的一段时间内坚持控制信号。在各个实施例中，控制信号（诸如控制信号134）可以是高有效或低有效并且可以是在立体声系统的正常操作期间被使用以指示麦克风信号是被路由到左扬声器还是右扬声器的左-右（LR）指示器控制输入。在这样的实施例中，LR输入可以针对步骤318在启动期间被设置为低以指示正在执行校准过程。

根据各个实施例，在步骤318中设置控制信号还可以包括将外部时钟信号设置到专用频率并且与内部振荡器进行比较。一些实施例可以包括根据预定的模式设置LR输入。另外的实施例可以包括外部地将输出引脚拉高或拉低。在一些实施例中，应用至接口电路的供应电压可以在开始条件期间被修改。设置控制信号可以包括应用测试音调。附加地，这样的示例控制信号的任何组合也可以作为在步骤318中设置控制信号的一部分。

在一些实施例中，当MEMS装置和接口电路在步骤316中被通电时，校准状态机开始内部过程320的步骤322中的操作。内部过程320然后在步骤324中检查校准超时。如果校准尚未超时，则在步骤326中检查校准开始条件。在一些实施例中，开始条件可以包括控制信号（诸如控制信号134）被设置为特定值和/或特定音调被供应到MEMS装置。在特定实施例中，LR输入被设置为低并且1kHz和94dB SPL信号在开始条件期间被MEMS麦克风检测到。根据各个实施例，如图1中的保险丝114所指示那样，在步骤326期间检查校准存储器位（bit）或保险丝位。在一些实施例中，如果保险丝位指示校准已经发生，则不管其它控制信号如何而不检测校准开始条件。

根据各个实施例，如果在步骤326检测到开始条件，则在步骤328中使偏置电压增加或斜坡化，并且在步骤330中检查灵敏度降低，如参照图2描述的那样。如果未检测到校准开始条件，则步骤324和326被连续地重复直到检测到超时或开始条件。在一些实施例中，一旦偏置电压开始斜坡化，步骤328和330就被连续地重复直到在步骤330中由于灵敏度降低而检测到吸合或者应用了最大偏置电压。

根据所示出的实施例，如果检测到吸合，则在步骤332中使用所确定的吸合电压来计算固定偏置电压，以在步骤334中应用于MEMS装置（诸如设置电荷泵108以将固定偏置电压应用于膜124）。在步骤336中，MEMS装置和接口电路的灵敏度可以被测试并与目标灵敏度范围进行比较。在一些实施例中，如果灵敏度不在目标灵敏度范围内，则在步骤338中调整放大器增益，并且在步骤340中可以第二次测试灵敏度并将灵敏度与目标灵敏度范围进行比较。根据各个实施例，如果在步骤336或步骤340中灵敏度在目标灵敏度范围内，则可以执行密封步骤342，密封步骤342防止在此之后执行任何校准过程。步骤342可以包括设置可以耦接到校准状态机的保险丝。在其它实施例中，步骤342可以包括设置诸如闪速存储器之类的非暂态存储器中值。

根据各个实施例，内部过程320的最终步骤包括在步骤342中关闭校准状态机并且在步骤344中进入正常MEMS装置和接口电路操作。在一些实施例中，校准状态机可以是校准控制器102或可以被包括在校准控制器102中。在其中接口电路110提供模拟输出130的替换的实施例中，步骤344还可以切断对耦接至校准状态机的测量电路（在一些实施例中，诸如ADC）的供电。被描述为校准过程300的一部分的各步骤可以以各种不同的顺序被执行并且可以被修改为包括附加的步骤或更少的步骤。各种组合、顺序和修改在这里所描述的实施例的范围内。

图4图解实施例校准控制器400的框图，校准控制器400包括数字控制逻辑402、阈值比较器404、偏置电压寄存器406和增益寄存器408。根据各个实施例，校准控制器400针对MEMS装置（诸如MEMS麦克风120）执行校准过程（诸如校准过程300）并且可以是校准控制器102的实现方式。

根据各个实施例，数字控制逻辑402可以包含具有状态寄存器、下一状态逻辑和输出逻辑的状态机，数字控制逻辑402可以被实现为由时钟信号416时控的同步状态机。在各个实施例中，数字控制逻辑接收可以与开始条件检测对应的控制信号418。在特定实施例中，控制信号418可以是用于麦克风系统的左-右控制信号。数字控制逻辑402还接收可以源自校准存储器位或保险丝位（诸如例如图1中的保险丝114）的校准位420。在一些实施例中，校准位420指示校准过程已经被执行并且可以防止进一步的校准过程。

在所示出的实施例中，数字控制逻辑402被耦接至阈值比较器404，阈值比较器404把有关于MEMS装置的输出水平的信息提供给数字控制块402。阈值比较器404接收来自幅度输入410的关于输出水平的信息。在实施例中，幅度输入410可以来自诸如图1中的ADC 106的测量电路。在各个实施例中，阈值比较器404可以把指示输出水平在目标范围内的比较结果提供给数字控制逻辑402。阈值比较器402可以具有固定的目标范围或可编程的目标范围。

根据所示出的实施例，数字控制逻辑402被耦接至偏置电压寄存器406和增益寄存器408并且可以被配置为通过实现校准状态机来执行校准过程300。在各个实施例中，数字控制逻辑402可以被配置为基于由阈值比较器404提供的信息来确定MEMS装置（诸如MEMS麦克风120）的灵敏度和吸合电压，并且分别利用偏置电压寄存器406和增益寄存器408来设置偏置电压值和/或增益值。所设置的偏置电压值和增益值可以分别经由输出412和414被提供给可变电压偏置生成器和可变增益放大器。

在特定的示例中，偏置电压寄存器406经由输出412把偏置电压值提供给图1中的电荷泵108并且增益寄存器408经由输出414把增益值提供给图1中的放大器104。数字控制逻辑402基于校准过程（诸如校准过程300）选择由偏置电压寄存器406和增益寄存器408供应的特定值。根据各个实施例，可以使用本领域技术人员已知的各种技术和组件将根据过程300的校准状态机实现在数字控制逻辑402中。例如，校准状态机可以包括寄存器、下一状态逻辑和输出逻辑；其可以被实现为米利（Mealy）或莫尔（Moore）机；并且/或者其可以包括用于特定比较、计算或其它步骤的各种功能模拟或数字块。

图5a-5b图解包括用于针对MEMS装置设置偏置电压的校准步骤500和校准步骤501的实施例校准方法的波形图。在特定实施例中，校准步骤500和501可以被应用于把由电荷泵108供应的偏置电压设置到图1中的MEMS麦克风120的膜124。图5a和图5b图解随着所应用的偏置电压增加的针对MEMS麦克风的灵敏度波形510。在各个实施例中，校准步骤500和501可以对应于图3中的步骤328—338，并且可以被执行以便在校准过程期间设置偏置电压（诸如在步骤334中）和放大器增益（诸如在步骤338中）。图5a描绘具有适当远离吸合电压520和峰值灵敏度522的偏置电压的目标灵敏度512。在这样的实施例中，可以针对MEMS麦克风选择偏置电压以把灵敏度设置在目标灵敏度512附近的范围内。

图5b描绘具有更接近于吸合电压520的偏置电压的目标灵敏度512。在这样的实施例中，偏置电压可以被调整为与吸合电压520相距更远。将偏置电压设置得更低引起MEMS麦克风具有更低的灵敏度514。在特定的实施例中，偏置电压被设置为不大于吸合电压520的70%。在其它实施例中，偏置电压可以被设置为吸合电压520的任何百分比。在一些实施例中，当所设置的偏置电压产生更低的灵敏度514时，可以增加放大器增益以便在不增加偏置电压的情况下将系统灵敏度增加至达到目标灵敏度512的水平。在特定的示例中，用于放大器104的放大器增益G可以由校准控制器102或校准控制器400的输出设置。

图6图解另一个实施例换能器系统600的示意图，换能器系统600包括MEMS麦克风620和提供模拟输出630的接口电路610。因为输出630是模拟输出，所以放大器604和输出630之间未放置ADC 606。ADC 606可以包括任何类型的测量电路并且在校准过程期间把输出信号信息提供给校准控制器602。在各个实施例中，ADC 606可以在校准之后在正常操作期间被禁用或断电。在一些实施例中，ADC 606可以被实现为比图1中的ADC 106更慢或更简单的ADC。例如，可以使用具有后滤波的高阶sigma-deltaADC来实现图1中的ADC 106以便提供高质量音频性能（例如，具有高动态范围）。在一些实施例中，因为ADC 606不提供输出数字信号，所以ADC 606可以仅提供幅度信息并且可以利用简单的、低功率的连续近似ADC来实现ADC 606。在另一个实施例中，ADC 606可以是具有数字化输出的模拟幅度检测电路。图6中描绘的其它组件可以具有与参照图1描述的那些类似的功能。

图7图解实施例校准方法700的框图，方法700包括用于校准MEMS装置和接口电路的步骤710，720，730和740。步骤710包括把用于校准的已知基准信号应用于MEMS装置。在一些实施例中，MEMS装置是MEMS麦克风并且基准信号可以是1kHz和94 dB SPL音调。还可以使用其它频率和压强水平。

根据各个实施例，可以通过接口电路，并且具体地通过接口电路内的校准状态机来执行步骤720，730和740。步骤720包括检测开始条件。在各个实施例中，开始条件可以包括：检查写保护存储器，检查重置之后的超时，检查控制信号和/或检测特定音调（例如，1kHz音调）。控制信号和开始条件可以包括参照在前各图描述的要素中的任何要素。特别是，参照图3中的步骤318和326描述的实施例可以被包括在步骤720的开始条件中。步骤730包括确定偏置电压以应用于MEMS装置以便设置特定的灵敏度。确定偏置电压可以包括确定吸合电压并且选择作为吸合电压的一定百分比的偏置电压。在特定的实施例中，偏置电压被选择为吸合电压的70%。步骤740包括把所确定的偏置电压应用于MEMS装置。在各个实施例中，将偏置电压供应至MEMS装置可以包括利用来自存储器的值设置耦接至MEMS麦克风的偏置生成器的值。附加的实施例可以包括设置放大器增益并且一起测量MEMS装置和接口电路的灵敏度（未示出）。

根据各个实施例，接口电路包括：被配置为耦接至换能器的可变电压偏置生成器，被配置为耦接至换能器的输出的测量电路，以及耦接至偏置生成器和测量电路的校准控制器。测量电路被配置为测量换能器的输出幅度，并且校准控制器被配置为在自动校准序列期间设置换能器和接口电路的灵敏度。

在一些实施例中，接口电路包括换能器。校准控制器可以被配置为检测校准序列开始条件，确定换能器的吸合电压，基于吸合电压确定固定的偏置电压，并且将固定的偏置电压供应至换能器。接口电路还可以包括被配置为耦接至换能器、校准控制器和测量电路的放大器。在一些实施例中，测量电路包括模拟到数字转换器（ADC）。校准控制器还可以被配置为确定换能器和接口电路的灵敏度，并且如果灵敏度不在目标灵敏度范围内则调整放大器增益。

在一些实施例中，换能器包括耦接至放大器的第一电容性板和耦接至偏置生成器的第二电容性板。接口电路还可以包括耦接至第一电容性板和放大器的偏置电压源。根据各个实施例，偏置生成器、测量电路和校准控制器全都布设在同一集成电路上。校准控制器可以包括耦接至偏置生成器的数字控制逻辑。校准控制器可以进一步包括耦接至数字控制逻辑的偏置电压存储器和耦接至数字控制逻辑和测量电路的阈值比较器。接口电路还可以包括写保护保险丝，写保护保险丝被配置为在执行第一自动校准序列之后禁用自动校准序列。

根据各个实施例，校准换能器的方法包括把用于校准的基准输入信号供应至换能器并且执行自动校准过程。自动校准过程可以包括：检测校准过程开始条件，确定固定的偏置电压，并且把固定的偏置电压供应至换能器。方法还可以包括：把自动校准接口电路附接至换能器。在一些实施例中，确定固定的偏置电压包括：确定换能器的吸合电压以及基于吸合电压计算固定的偏置电压。

根据进一步的实施例，方法还可以包括：第一次确定换能器的灵敏度以及如果灵敏度不在目标灵敏度范围内则调整放大器增益。方法可以包括：第二次确定换能器的灵敏度以及当第二次计算的灵敏度在目标灵敏度范围内时防止进一步的校准。方法可以包括：在第二次计算的灵敏度不在目标灵敏度范围内时指示失败的校准。

在一些实施例中，检测校准过程开始条件包括检查校准存储器位并且检测第一控制信号值。检测校准过程开始条件还可以包括检查校准存储器位并且检测基准输入信号。基准输入信号可以包括具有第一频率和第一声压水平的音调。

在各个实施例中，方法包括：交替地增加供应至换能器的偏置电压并且测量通过供应基准输入信号所产生的输出信号，检测所测量的输出信号减小处的第一阈值，并且基于第一阈值计算固定的偏置电压。方法还可以包括：第一次确定换能器的灵敏度，如果灵敏度不在目标灵敏度范围内则调整放大器增益，第二次确定换能器的灵敏度，如果第二次计算的灵敏度在目标灵敏度范围内则防止进一步的校准，以及如果第二次计算的灵敏度不在目标灵敏度范围内则指示失败的校准。

根据各个实施例，换能器系统包括MEMS麦克风以及自动校准接口电路，MEMS麦克风具有带有第一端子的背板和带有第二端子的膜。自动校准接口电路可以包括：模拟到数字转换器（ADC），耦接至第二端子的偏置生成器以及耦接至偏置生成器的校准状态机。偏置生成器可以被配置为执行自动校准过程，自动校准过程包括：确定MEMS麦克风的吸合电压以及基于所确定的吸合电压设置偏置生成器。在一些实施例中，ADC、偏置生成器和校准状态机被布设在同一集成电路上。

换能器系统还可以包括耦接至第一端子和ADC的放大器。在一些实施例中，校准状态机被耦接至放大器并且可以被配置为将换能器和接口电路的灵敏度与目标灵敏度范围进行比较，并且如果换能器和接口电路的灵敏度在目标灵敏度范围之外则改变放大器增益。校准状态机可以包括：耦接至偏置生成器的数字控制逻辑，耦接至数字控制逻辑的偏置电压存储器，以及耦接至数字控制逻辑和ADC的阈值比较器。校准状态机还可以包括耦接至数字控制逻辑的放大器增益存储器，并且数字控制逻辑可以被耦接至放大器。在各个实施例中，MEMS麦克风和自动校准接口电路被布设在同一集成电路上。

一些实施例的优点包括用以在不使用外部测量和/或校准设备的情况下校准音频系统的信号路径的能力。特别是，在一些实施例中，实现在接口芯片上的外部接口控制器、外部控制开关和外部接口电路不必执行校准。在一些实施例中另一优点是归因于校准过程的大部分在没有由外部测试器引起的过多的接口总线流通量的情况下发生的短测试时间。

尽管已经参照说明性的实施例描述了本发明，但是不意图以限制性的意义来解释本描述。当参照描述时，对于本领域技术人员来说各种修改和说明性实施例的组合以及本发明的其它实施例将是明显的。因此意图是，所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。 

Claims (28)

1.一种接口电路，包括：

可变电压偏置生成器，被配置为耦接至换能器；

测量电路，被配置为耦接至所述换能器的输出，所述测量电路被配置为测量所述换能器的输出幅度；以及

校准控制器，耦接至所述偏置生成器和所述测量电路，其中所述校准控制器被配置为在自动校准序列期间设置所述换能器和所述接口电路的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的接口电路，还包括所述换能器。

3.根据权利要求2所述的接口电路，其中所述校准控制器还被配置为：

检测校准序列开始条件；

确定所述换能器的吸合电压；

基于所述吸合电压确定固定的偏置电压；以及

把所述固定的偏置电压供应至所述换能器。

4.根据权利要求3所述的接口电路，还包括：被配置为耦接至所述换能器、所述校准控制器和所述测量电路的放大器。

5.根据权利要求4所述的接口电路，其中所述测量电路包括模拟到数字转换器（ADC）。

6.根据权利要求4所述的接口电路，其中所述校准控制器还被配置为：

确定所述换能器和所述接口电路的灵敏度；以及

如果灵敏度不在目标灵敏度范围内，则调整放大器增益。

7.根据权利要求4所述的接口电路，其中所述换能器包括耦接至所述放大器的第一电容性板和耦接至所述偏置生成器的第二电容性板。

8.根据权利要求7所述的接口电路，还包括：耦接至所述第一电容性板和所述放大器的偏置电压源。

9.根据权利要求1所述的接口电路，其中所述偏置生成器、所述测量电路和所述校准控制器全都布设在同一集成电路上。

10.根据权利要求1所述的接口电路，其中所述校准控制器包括耦接至所述偏置生成器的数字控制逻辑。

11.根据权利要求10所述的接口电路，其中所述校准控制器还包括：

耦接至所述数字控制逻辑的偏置电压存储器；以及

耦接至所述数字控制逻辑和所述测量电路的阈值比较器。

12.根据权利要求1所述的接口电路，还包括写保护保险丝，其中所述写保护保险丝被配置为在执行第一自动校准序列之后禁用自动校准序列。

13.一种校准换能器的方法，包括：

把用于校准的基准输入信号供应至所述换能器；以及

执行自动校准过程，包括：

      检测校准过程开始条件；

      确定固定的偏置电压；以及

      把所述固定的偏置电压供应至所述换能器。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：将自动校准接口电路耦接至所述换能器。

15.根据权利要求13所述的方法，其中确定固定的偏置电压包括：

确定所述换能器的吸合电压；以及

基于所述吸合电压计算固定的偏置电压。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

第一次确定所述换能器的灵敏度；以及

如果灵敏度不在目标灵敏度范围内，则调整放大器增益。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

第二次确定所述换能器的灵敏度；以及

当第二次所计算的灵敏度在目标灵敏度范围内时防止进一步的校准。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：当第二次所计算的灵敏度不在目标灵敏度范围内时指示失败的校准。

19.根据权利要求13所述的方法，其中检测校准过程开始条件包括：检查校准存储器位以及检测第一控制信号值。

20.根据权利要求13所述的方法，其中检测校准过程开始条件包括：检查校准存储器位以及检测基准输入信号。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述基准输入信号包括：具有第一频率和第一声压水平的音调。

22.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法还包括：

交替地增加供应至所述换能器的偏置电压以及测量通过供应所述基准输入信号所产生的输出信号；

检测所测量的输出信号减小处的第一阈值；

基于所述第一阈值计算固定的偏置电压；

第一次确定所述换能器的灵敏度；

如果灵敏度不在目标灵敏度范围内，则调整放大器增益；

第二次确定所述换能器的灵敏度；

如果第二次所计算的灵敏度在目标灵敏度范围内，则防止进一步的校准；以及

如果第二次所计算的灵敏度不在目标灵敏度范围内，则指示失败的校准。

23.一种换能器系统，包括：

微机电系统（MEMS）麦克风，具有带有第一端子的背板和带有第二端子的膜；以及

自动校准接口电路，包括：

      模拟到数字转换器（ADC）；

      耦接至所述第二端子的偏置生成器；以及

      耦接至所述偏置生成器并且被配置为执行自动校准过程的校准状态机，包括：

            确定所述MEMS麦克风的吸合电压；以及

            基于所确定的吸合电压设置所述偏置生成器；

      其中所述ADC、所述偏置生成器和所述校准状态机被布设在同一集成电路上。

24.根据权利要求23所述的换能器系统，还包括耦接至所述第一端子和所述ADC的放大器。

25.根据权利要求24所述的换能器系统，其中所述校准状态机被耦接至所述放大器并且还被配置为：

将所述换能器和接口电路的灵敏度与目标灵敏度范围进行比较，以及

如果所述换能器和接口电路的灵敏度在目标灵敏度范围之外，则改变放大器增益。

26.根据权利要求24所述的换能器系统，其中所述校准状态机包括：

耦接至所述偏置生成器的数字控制逻辑；

耦接至所述数字控制逻辑的偏置电压存储器；以及

耦接至所述数字控制逻辑和所述ADC的阈值比较器。

27.根据权利要求26所述的换能器系统，其中所述校准状态机还包括：耦接至所述数字控制逻辑的放大器增益存储器，并且其中所述数字控制逻辑被耦接至所述放大器。

28.根据权利要求23所述的换能器系统，其中所述MEMS麦克风和所述自动校准接口电路被布设在同一集成电路上。