CN104782048A

CN104782048A - 具有滤波器的单级缓冲器

Info

Publication number: CN104782048A
Application number: CN201380051688.XA
Authority: CN
Inventors: M·詹宁斯; C·施泰因; D·巴迪洛
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Lou IPC (Malaysia) Pte Ltd
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-07-15
Also published as: WO2014055520A1; EP2904706A1; EP2904706A4; US9590571B2; EP2904706B1; US20140097906A1

Abstract

一种单级缓冲设备包括第一晶体管、第二晶体管和高通滤波网络。所述第一晶体管被配置为从麦克风接收输入信号。所述第二晶体管被配置为作为级联晶体管进行工作。所述高通滤波网络连接到所述第一晶体管和所述第二晶体管。所述第二晶体管使所述第一晶体管从所述单级缓冲设备的输出电断开。所述第二晶体管的栅极端子由所述高通滤波网络驱动，所述高通滤波网络由所述第一晶体管驱动。

Description

具有滤波器的单级缓冲器

相关申请的交叉引用

本专利依据35U.S.C.§119(e)要求2012年10月2日提交的名称为“具有滤波器的单级缓冲器”的美国临时申请No.61/708728的权益，其内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本专利涉及声学配件，更准确地说，涉及这些装置内的缓冲电路。

背景技术

多年来，各种类型的麦克风系统已经用于各种应用。这些系统中的麦克风通常接收声能并将声能转换成为电压。该电压可以进一步由其它应用处理或者针对其它目的进行处理。例如，当用于听觉仪器(例如助听器)时，麦克风可以接收声能，并将声能转换成电压。电压可以通过放大器或者通过其它信号处理电子电路进行放大或者另外处理，然后通过接收器作为声能呈现给助听器的用户或佩带者。作为另一个具体示例，蜂窝电话中的麦克风系统通常接收声能，将该能量转换成为电压，然后该电压可以进一步被处理以由蜂窝电话中的其它应用使用。麦克风也用于其它应用和其它装置。

在许多声学系统中，噪声可能成为问题。例如，在听觉仪器系统中，风的噪声可以干扰接收的语音信号，并且该噪声可以使得难以辨别实际的语音信号。

先前尝试利用多级缓冲器来减少噪声。更准确地说，麦克风所产生的电信号被过滤。即使这些缓冲器已经一定程度上成功地减少了噪声，它们有时还遭受各种缺点的困扰。例如，因为这些装置具有多级，所以它们在尺寸上可能变大。大尺寸在期望小部件的应用中(例如在助听器中或者在微电子应用中)可能是不利的。

附图说明

为了更完全地理解本发明，应该参照以下详细说明和附图，附图中：

图1包括声学系统的方框图，该声学系统包括根据本发明的各种实施方式的单级缓冲器；

图2包括根据本发明的各种实施方式的单级电压跟随电路的电路图；

图3包括当根据本发明的各种实施方式在低频工作时图2的等效电路的电路图；

图4包括当根据本发明的各种实施方式在高频工作时图2的等效电路的电路图；

图5包括根据本发明的各种实施方式的背栅偏置、单级、高通滤波器源跟随器的电路图；

图6包括根据本发明的各种实施方式的具有三线布置的单级缓冲电路的电路图；

图7包括根据本发明的各种实施方式的具有双线布置的单级缓冲电路的电路图；

图8包括根据本发明的各种实施方式的另一种单级缓冲电路的电路图；

图9包括根据本发明的各种实施方式的具有三线布置的单级缓冲电路的电路图。

图10包括一个图表，该图表显示根据本发明的各种实施方式在此呈现的由缓冲电路实现的高通滤波功能。

熟练的技术人员将理解附图中的元件是为了简单并清楚地图示。将进一步理解的是，特定动作和/或步骤可以按照特定的发生顺序来描述或表明，而本领域技术人员将理解，实际上不需要这种顺序的特定性。还应该理解的是，除非在此另外阐明特定的含义，否则在此使用的术语和表达具有一般的含义，与它们各自相应的领域的调查和研究中的这些术语和表达相符。

具体实施方式

此处所述的方法提供了微机电系统(MEMS)装置和麦克风中的单级缓冲电路。通过“MEMS”麦克风或装置，并且如在此使用的，意指驻极体麦克风或装置，或者基于MEMS的麦克风或装置。

有利地，在此呈现的单级缓冲电路具有快速输出电压稳定时间和一体的高通和/或低通滤波器以提供噪声滤波能力。相对于声学实现，使用电子滤波的一个优点在于，对于滤波功能，所述电子滤波比声学实现通常实现了更少的噪声。此处所述的单级缓冲电路在比先前的二级缓冲电路低得多的电流电平上工作，并且仍然具有与先前的二级(或其它多级)缓冲电路相当的工作特性。在其它方面，单级缓冲电路占用的空间与先前的二级缓冲电路比起来显著地减少了。

在许多这些实施方式中，单级缓冲电路包括第一晶体管，并且该第一晶体管作为用于从麦克风(例如，从麦克风的MEMS装置)接收输入信号的输入晶体管。单级缓冲电路还包括第二晶体管，并且该第二晶体管作为级联晶体管。高通滤波器连接到第一晶体管和第二晶体管。第二晶体管使第一晶体管与单级缓冲电路的输出电断开(decouple)。通过“断开”，意指第一级的输出能够通过信号路径来仅影响第二晶体管的输出，所述信号路径包括高通和低通滤波器以及第二晶体管的栅极这两个输出。换句话说，从第一晶体管的输出到第二晶体管的输出没有通过第二晶体管的漏极的前向路径。通过利用高通滤波网络驱动第二晶体管的栅极来生成高通滤波器能力，高通滤波网络其本身是由第一晶体管驱动的。在一些方面，第一晶体管和第二晶体管两者的背栅经由高通滤波电阻器直流偏置到接地，并经由高通滤波器的电容器利用同相输出信号进行调制。

现在参照图1，描述了包括单级缓冲电路的声学系统的一个示例。输入声能102由麦克风104接收。例如，声能102可以从任何来源(例如人声、音乐等)接收。麦克风104是任何微机电系统(MEMS)装置，其包括隔膜和背板。麦克风104的配置还可以是任何配置，例如上端口或下端口麦克风。声能102使得隔膜运动，这改变了隔膜和背板之间的电位。产生的电压表示已经由麦克风104接收到的声能102。

麦克风104产生的电压被发送到缓冲电路106。缓冲电路106从自麦克风104接收的信号中去除噪声。在这方面并且如此处更详细地描述的，缓冲电路106是单级或一级缓冲电路，其中并入了高通滤波器。另选地，缓冲电路可以包括低通滤波器或带通滤波器。

缓冲电路106连接到消费电子设备108。消费电子设备108是任何应用、电路或者其它类型的装置，其使用或者处理来自缓冲电路106的信号。例如，举几个示例，消费电子设备108可以是助听器应用、蜂窝电话应用或者个人计算机应用。消费电子设备108可以执行任何处理、显示、通信或其它功能。麦克风104和缓冲器106可以被设置在外壳107中(相对于声能102从外界环境的入口具有适当的开口)。

如此处所使用的，单级或一级缓冲器是在单级缓冲器的输入与单级缓冲器的输出之间的信号路径上执行独立工作或处理的装置。在一方面，独立工作或处理包括输入与输出之间执行的滤波。利用二级装置，另一组晶体管在输入与输出之间执行(滤波以外的)另一功能。换句话说，一级装置从其它级电断开并且驱动单级装置内(输入与输出之间)的全部其它级。

举例来说并且如此处其它地方所详细描述的，高通滤波器被并入一级麦克风缓冲电路106，并且该装置使用输入晶体管和级联晶体管。在一方面，级联晶体管使输入晶体管的源极与高通滤波缓冲器输出断开。这是有利的，因为信号由晶体管缓冲和处理，这些晶体管共享所有偏置电流，这实现了针对指定偏置电流和最低总偏置电流的最大噪声性能。在另一个示例中，通过利用高通滤波网络驱动级联晶体管的栅极来生成高通滤波能力。

在其它方面，可以通过将并联片状电容器从缓冲器输出连接至配件上的接地来实现低通滤波器。在其它方面，还可以将带通滤波器并入缓冲器106。

现在参照图2，描述了单级缓冲电路200的一个示例。电路200包括第一晶体管202(M2)、第二晶体管204(M3)、电容器206(C3)和电阻器208。缓冲器200的一个目的是提供单位增益放大，另一个目的是减小噪声。晶体管202和204包括栅极(G)、源极(S)、漏极(D)以及基极或背栅极(B)端子，并且在该示例中，晶体管202和204是PMOS器件。在一个示例中，电容器206(C3)具有大约500pF的值，并且电阻器208(R2)具有大约4M欧姆的值。也可能是其它值。电阻器210是偏压电阻器并且在一个示例中是大约41K欧姆。

在图2的电路中，基极端子(B)连接到源极端子(S)。当晶体管在这种配置中工作时，源极电压(Vs)等于栅极电压(Vg)加上阈值电压和过驱动电压(Vs＝Vg+(Vth+Vod))。换句话说，Vs(M2)等于Vg(M2)偏移固定电压(假设偏置电流是固定的)。该关系适用于直流条件和瞬变条件。因此，施加电压信号到M2的栅极，Vs(M2)将跟踪该信号或者“跟随”该信号。从而该配置是“源极跟随器”。该电路的小信号电压增益(忽略在M2的输入处的电容性负载，两个晶体管的输出电导，并且假定gm2＝gm3)是：

Av＝gm*RL/(1+gm*RL)，

其中，gm2是晶体管202(M2)的跨导(栅极-源极电压到漏极-源极电流转换增益)，gm3是晶体管204(M3)的跨导(栅极-源极电压到漏极-源极电流转换增益)，并且RL是连接到源极的负载电阻。如果gmRL＞＞1，则电压增益接近单位增益。

高通滤波器(HPF)被并入该电路并且包括电容器206(C3)和电阻器208(R2)。第一晶体管202(M2)的漏极端子(D)连接到接地。

将被理解的是，这里呈现的电路仅是缓冲器的一种可能实现。例如，还可以使用NMOS器件和电流阱。电阻器R2使第二晶体管204(M3)的栅极偏置，并且电容器C3和电阻器R2被配置为针对(M3的)Vout1和Vg的高通滤波器。

如所提及的，图2的电路包括集成到缓冲电路中的高通滤波器(例如，该高通滤波器不放置在电路的输入或输出处)，并且相比在缓冲器的输入或输出处设置该器件提供了许多优点。例如，不再需要大电阻器(其增加了大量噪声)和/或大电容器(其难以集成到缓冲器中)，而如果高通滤波器元件串联连接在缓冲器输入处(例如，晶体管202的栅极处)，就需要大电阻器和/或大电容器。此外，在输入或输出处增加大电容器将起相反作用，因为滤波电容器将看起来是与相对小的麦克风电容器串联。这将是成问题的，因为在输入处将经由由电机和高通滤波电容器形成的电容式分压器使增益严重衰减。

此处所述的集成方法还避免了向缓冲器的输出增加高通滤波器，从而消除与这种配置关联的问题(包括使直流偏置点不可用)。使直流偏置点不可用是不期望的，因为消费者通常直流连接到麦克风输出，并且在该配置中经由高通滤波电阻器在接地处提供直流偏置点。然而，由于因麦克风性能/封装而在模具中产生的区域限制，集成电容器限制了可以放入模具的总电容量，因而高通滤波电阻器必须在兆欧姆范围内。这让该配置的输出阻抗很大并且可能影响系统的总体增益和噪声。在输出处放置滤波器还使得电路无法按照双线模式使用。最终，不管在输出还是输入处，本方法还避免了使用电感器，其在采用时又大又贵。

现在参照图3，描述了当电路在低频下工作时，图2的等效电路的一个示例。晶体管204(M3)的表现是频率相关的。在频率远低于HPF转角频率时，J_HPF((J_HPF＝1/2pi*R2*C3)，其中(R2)是电阻器208(R2)的电阻，C2是电容器206(C3)的电容)，电容器206(C3)可以大致接近于开路。这如图10的曲线图所示。换句话说，晶体管204(M3)的栅极通过电阻器208(R2)连接到接地。输出Vout连接到晶体管204(M3)的源极，晶体管204(M3)起到源极跟随器的作用。因为晶体管204(M3)的栅极连到接地的直流电位，所以与在Vg(M2)处提供的振幅无关，晶体管204(M3)的源极电压Vs(M3)(其等于Vout)不会呈现任何信号。

现在参照图4，描述当电路在高频下工作时，图2的电路的等效电路的示例。在J_HPF以上的频率处，电容器206(C3)可以接近于短路。在该情况下，Vout1驱动电阻器208(R2)。换句话说，Vg(M3)＝Vout1。晶体管204(M3)的漏极电压和栅极电压相等。晶体管204(M3)的该偏置配置被称为“二极管连接的”(diode connected)，因为仅两个端子(源极和漏极/栅极)有效，并且对于指定的偏置电流，这两个端子间的电压大致固定。在这些频率处，Vout1的全振幅将被呈现在Vout处。

总之，在低频处，晶体管204(M3)作为源极跟随器工作并且阻碍信号抵达Vout。在高频处，晶体管204(M3)是二极管连接的，并且信号被传递到Vout。

如所提及的，取决于gmRL＞＞1的程度，作为源极跟随器的晶体管的增益接近单位增益。增加晶体管204(M3)不改变该要求。

将被理解的是，MOSFET是具有四个端子的器件：栅极、漏极、源极以及基极或背栅极。信号可以施加于MOSFET的任何端子。在源极跟随器应用中，信号被施加于栅极，在源极端子进行输出。然而，相同的信号还可以施加于基极。从基极电压-源极电压到漏极-源极电流的跨导表示成gmb。因为MOSFET可以从基极驱动，这个端子通常被称为背栅极。gmb大约是gm(对于工作在强反型、饱和区的晶体管)的三分之一，因此施加信号到背栅极生成的增益比在背栅极交流接地的情况下高。

现在参照图5，描述单级缓冲电路500的一个示例。电路500包括第一晶体管502(M2)、第二晶体管504(M3)、电容器506(C3)和电阻器508。缓冲器500的一些目的是提供单位增益放大和噪声减小。晶体管502和504包括栅极(G)、源极(S)、漏极(D)以及基极或背栅极(B)端子，并且在该示例中是PMOS器件。在一个示例中，电容器506(C3)具有大约500pF的值，电阻器508(R2)具有大约4M欧姆的值。也可能是其它值。电阻器510(RL)是偏压电阻器，并且在一个示例中对于0.9V电池处的10uA偏置电流是大约41K欧姆。

在图5的示例中，与在交流接地使背栅偏置相比，通过利用晶体管502(M2)的输出驱动背栅极来增加电路的增益。按照该方式使背栅极偏置提供了其它益处。因为背栅极(B)的直流偏置点比源极端子低，所以体效应(body effect)降低了PMOS晶体管的有效阈值电压。通过“体效应”，意指阈值电压由于源极与基极节点之间的电位差而偏移。这使得晶体管能够工作在宽电压范围上，这在低电源电压下是有益的。最后，该方法对于阈值电压变化稳定了Vout的直流工作点。假定偏置电流固定，更低的阈值电压通常将减小Vout。然而，更低的Vout还将减小源极-基极电压，减小体效应。因为体效应已经用于降低阈值电压，减小体效应将增加阈值电压，部分地补偿初始下降，从而减少Vout对阈值电压处理变化的灵敏度。

现在参照图6，描述缓冲电路600的一个示例。缓冲电路600包括第一二极管602、第二二极管604、第一晶体管606、第二晶体管608、电阻器610和电容器612。源极(S)、漏极(D)、栅极(G)以及基极或背栅极(B)节点示出在图6所示的器件中。

第一晶体管606是输入晶体管，在该示例中是PMOS器件。第二晶体管608是级联晶体管，在该示例中是PMOS器件。

由二极管602和604、电阻器610以及电容器612形成高通滤波器。在一个示例中，电阻器610具有大约4M欧姆的值，电容器612具有大约500pF的值。

高通滤波器被并入使用第二晶体管608的缓冲电路，以在Vout处将输入晶体管606的源极节点从高通滤波缓冲器的输出断开。这是有益的，因为信号可以由输入晶体管缓冲，并由驱动级联的无源网络滤波，最终允许级联向缓冲器提供输入的缓冲和滤波版本，同时使用所有偏置电流来执行该功能。通过利用高通滤波网络驱动第二晶体管608的栅极来生成高通滤波功能，该高通滤波网络由Vout1驱动。

另外，输入晶体管606和级联器件608两者的背栅极经由高通滤波电阻器610交流偏置到接地，并且经由高通滤波电容器612利用同相输出信号进行调制。该布置使得晶体管606和608的动态偏移能够最大化跨导(gm)(利用背栅极跨导，gmb)并能够使级联器件上的净空最大化，而不使输入晶体管宽度-长度(W/L)比过大(其将使缓冲电路的增益劣化)。

图6所示的电路按照三线模式配置。该三线模式是指可用于消费者的连接的数量(在该情况下是三个)或者消费者与/到电路的连接的数量。这些连接在电路中的三个位置上进行：Vbat、Vout和Vgnd处。电池提供电流源605。

现在参照图7，描述双线缓冲电路700的示例。缓冲电路700包括第一二极管702、第二二极管704、第一晶体管706、第二晶体管708、电阻器710和电容器712。

关于图7，组件与那些已经图示的组件相同，并以相同方式工作，这里不再重复说明。双线模式通过使Vbat和Vout短路(在模具外部的电路配件级上并且合并附加组件)并使消费者提供电流源偏置(消费者可以从该电流源偏置感测输出信号)来实现。将被理解的是，先前的双级麦克风缓冲电路不能按照双线模式工作，因为这些电路的第一级与第二级没有断开。

现在参照图8，描述缓冲电路800的另一个示例。缓冲电路800包括第一二极管802、第二二极管804、第一晶体管806、第二晶体管808、第三晶体管809、第一电阻器810、第二电阻器811和电容器812。电池提供电流源805。

第一晶体管806是输入晶体管。在该示例中，第一晶体管806是PMOS器件。第二晶体管808是级联晶体管。在该示例中，第二晶体管808是PMOS器件。

由二极管802和804、电阻器810以及电容器812形成高通滤波器。在一个示例中，电阻器810具有大约4M欧姆的值，电容器812具有大约500pF的值。

高通滤波器被并入使用第二晶体管808的缓冲电路，以在Vout处将输入晶体管806的源极节点从高通滤波缓冲输出断开。这是有益的，因为信号可以由输入晶体管缓冲，并由驱动级联的无源网络滤波，最终使得级联能够向缓冲器提供输入的缓冲和滤波版本，同时使用所有偏置电流来执行该功能。通过利用高通滤波网络驱动第二晶体管808的栅极来生成高通滤波功能，该高通滤波网络由Vout1驱动。

在一个示例中，第三晶体管809是NMOS下拉晶体管，其工作在“准”级AB模式(如本领域技术人员所公知的)，并可以改进一级电路的输出阻抗，以与用于更低直流偏置电流的先前的双级缓冲电路匹配。在这方面，对于指定的偏置电流，无任何反馈的先前的双级缓冲电路比单级缓冲器通常具有更低的输出阻抗，这是由于第二级为缓冲输出断开了输入晶体管806的寄生叠加电容(回到非常高的输入阻抗)。第三晶体管809提供的输出阻抗改进允许此处所述的单级缓冲器对于指定的电流偏置，匹配或者超过先前的双级电路(无自身反馈的一个电路)。第二电阻器811的功能是感测输入晶体管中的电流的改变，该输入晶体管用来检测到缓冲器的负载电流(在VOUT上，未示出)的改变，该缓冲器使得晶体管809的vgs响应于输入或输出晶体管406和/或808的负载电流的增加或减小而增加或减小。该反馈使得406和808中的电流保持恒定，因为晶体管406和809中的电流增加或者减少取决于是否需要附加电流对VOUT(未示出)上的负载进行充电或放电。

现在参照图9，描述缓冲电路900的一个示例。缓冲电路900包括第一二极管902、第二二极管904、第一晶体管906、第二晶体管908、第一电阻器910、第二电阻器914、第一电容器912和第二电容器914。源极(S)、漏极(D)、栅极(G)以及基极或背栅极(B)节点示出在图9所示的器件中。

第一晶体管906是输入晶体管，在该示例中是PMOS器件。第二晶体管908是级联晶体管，在该示例中是PMOS器件。

由二极管902和904、电阻器910和电容器912形成高通滤波器。在一个示例中，电阻器910具有大约4M欧姆的值，电容器912具有大约500pF的值。

高通滤波器被并入使用第二晶体管908的缓冲电路，以在Vout处将输入晶体管906的源极节点从高通滤波缓冲输出断开。这是有益的，因为信号可以由输入晶体管缓冲，并且由驱动级联的无源网络滤波，最终允许级联向缓冲器提供输入的缓冲和滤波版本，同时使用所有偏置电流来执行该功能。通过利用高通滤波网络驱动第二晶体管908的栅极来生成高通滤波功能，该高通滤波网络由Vout1驱动。

另外，输入晶体管906和级联器件908两者的背栅极经由高通滤波电阻器910直流偏置到接地，并且经由高通滤波电容器912利用同相输出信号进行调制。该布置使得晶体管906和908的动态偏移能够最大化跨导(gm)(利用背栅极跨导，gmb)并且能够使级联器件上的净空最大化，而不使输入晶体管宽度-长度(W/L)比过大(其将使缓冲电路的增益劣化)。

图9所示的电路按照三线模式配置。该三线模式是指可用于消费者的连接的数量(在该情况下是三个)或者消费者与/到电路的连接的数量。这些连接在电路中的三个位置处进行：Vbat、Vout和Vgnd处。电池提供电流源905。

缓冲电路还具有低通滤波器，该低通滤波器包括电阻器914(例如，具有4K欧姆的值)、在VOUT1处的第一级的输出阻抗以及电容器916(例如，具有500pF的值)。向输入晶体管906的输出增加低通滤波器而不是在VOUT处增加的好处是，电容器可以更容易地集成到整个器件的结构中。通过向第一级输出906增加串联电阻，可以减少该电容器值和其物理范围，其中总输出电阻和串联电阻形成低通滤波电阻器。向906的输出增加电阻器还是期望的，因为这样不在VOUT处增加整个缓冲器的输出阻抗。削减低通滤波电容器916并增加串联电阻的另一好处是，对于指定的输出振幅，低通滤波电容器916需要较小的峰值充电电流(电压转换速率)，并将具有较小的互调制失真(其可以导致音频波段伪像)。这对于同时应用高频、高振幅输入信号的音调尤其重要，由于对低通滤波电容器916进行充电和放电所需的高电压转换速率电流，该高频、高振幅输入信号的互调制结果在音频波段中产生了解调制伪像。

本发明的优选实施方式如此处所述，包括发明人所知的用于实现本发明的最佳方式。应当理解，例示的实施方式仅是示例性的，不应当限制本发明的范围。

Claims

1.一种单级缓冲设备，该单级缓冲设备包括：

第一晶体管，该第一晶体管被配置为从麦克风接收输入信号；

第二晶体管，该第二晶体管被配置为作为级联晶体管进行工作；

高通滤波网络，该高通滤波网络连接到所述第一晶体管和所述第二晶体管；

其中，所述第二晶体管将所述第一晶体管从所述单级缓冲设备的输出电断开；

其中，所述第二晶体管的栅极端子由所述高通滤波网络驱动，所述高通滤波网络由所述第一晶体管驱动。

2.根据权利要求1所述的单级缓冲设备，其中，所述第一晶体管的第一背栅极和所述第二晶体管的第二背栅极直流偏置到接地。

3.根据权利要求2所述的单级缓冲设备，其中，所述第一晶体管的所述第一背栅极和所述第二晶体管的所述第二背栅极经由所述高通滤波网络的高通滤波电阻器直流偏置到接地，并且经由所述高通滤波器的电容器利用同相输出信号进行调制。

4.根据权利要求1所述的单级缓冲设备，其中，所述麦克风是微机电MEMS麦克风。

5.根据权利要求1所述的单级缓冲设备，其中，所述第一晶体管的第一背栅极偏置在交流接地。

6.根据权利要求1所述的单级缓冲设备，其中，所述高通滤波网络使用所述第二晶体管来使所述第一晶体管的源极节点与所述单级缓冲设备的输出断开。

7.根据权利要求1所述的单级缓冲设备，其中，所述单级缓冲设备按照双线模式工作。

8.根据权利要求1所述的单级缓冲设备，其中，所述单级缓冲设备按照三线模式工作。