CN105376683A - 一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器，包括：电荷泵，输入缓冲器，偏置缓冲器，偏置匹配模块，放大器和稳压电源，电荷泵的输出端与硅麦克风器件的高压偏置端相连，用于产生高压偏置，将硅麦克风偏置到合适的工作电压；电荷泵的输出端还与偏置匹配模块的输入端相连，偏置匹配模块用于对电荷泵的噪声进行特定增益的衰减，以匹配电荷泵噪声经过硅麦克风器件和输入焊盘这一信号通路所产生的衰减；输入缓冲器与硅麦克风器件的输入端相连，用于实现电容电压转换；偏置缓冲器与偏置匹配模块的输出端相连，用于实现电容电压转换；放大器用于对输入缓冲器和偏置缓冲器的输出信号进行差分放大，放大有用的电压信号并抑制电荷泵的噪声。

Description

一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器

技术领域

本发明涉及麦克风领域，具体而言，涉及一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器。

背景技术

硅麦克风具有体积小，可回流焊表面贴装等优点而被广泛应用于手机、笔记本电脑、平板电脑等消费电子领域。而随着智能手机和智能家居的普及，高信噪比的硅麦克风受到了越来越多的追捧。硅麦克风系统由硅麦克风器件和放大器芯片两部分组成。硅麦克风器件完成声音信号到电容变化信号的转换，放大器芯片一方面产生高压偏置电压，将硅麦克风器件偏置在合适的工作状态，提高硅麦克风的灵敏度，另一方面完成电容变化信号到电压信号的转换和放大。硅麦克风系统的信噪比等于麦克风的灵敏度与系统总噪声的比值。分析系统的噪声源可知，硅麦克风器件本身的机械热噪声，电荷泵产生的高压偏置热噪声和放大器信号放大通路的噪声是麦克风系统的主要噪声源。一般地，电荷泵产生的高压偏置的热噪声在一般信噪比(58dB～63dB)的麦克风系统中贡献很小，但对于信噪比高于65dB的高信噪比麦克风就会产生明显的作用。

如何降低麦克风放大器的噪声，提高麦克风系统的信噪比，成为本领域技术工作人员亟需解决的问题。

图1给出了一种公知的硅麦克风系统。该硅麦克风系统由硅麦克风器件100，电荷泵101，输入缓冲器102，放大器103和稳压电源104组成。电荷泵101的输出端与硅麦克风器件100的高压偏置端106相连，用于产生高压偏置，将硅麦克风偏置到合适的工作电压，提高灵敏度。硅麦克风器件100的另一端输入端107与输入缓冲器102相连，实现电容电压转换。放大器103对缓冲器102的输出信号进一步放大，以得到合适的麦克风灵敏度。

电荷泵可以等效为具有很高输出阻抗的电压源，它的噪声主要就是电阻的热噪声。从附图1可见，电荷泵101的噪声经过MEMS麦克风100和输入焊盘107这一通路的衰减再被放大器103放大，与信号的传递函数完全相同。一般地，提高电荷泵的输出阻抗，增大电荷泵的负载电容，可以降低音频带宽内电荷泵的噪声。但是受到充电速度和电容面积的限制，电荷泵的噪声不可能无限地降低，因此在高信噪比的麦克风系统中电荷泵的噪声就变得突出了。

发明内容

本发明提供一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器，包括：电荷泵，输入缓冲器，偏置缓冲器，偏置匹配模块，放大器和稳压电源，其中：

电荷泵的输出端与硅麦克风器件的高压偏置端相连，用于产生高压偏置，将硅麦克风偏置到合适的工作电压；

电荷泵的输出端还与偏置匹配模块的输入端相连，偏置匹配模块用于对电荷泵的噪声进行特定增益的衰减，以匹配电荷泵噪声经过硅麦克风器件和输入焊盘这一信号通路所产生的衰减；

输入缓冲器与硅麦克风器件的输入端相连，用于实现电容电压转换；

偏置缓冲器与偏置匹配模块的输出端相连，用于实现电容电压转换；

放大器用于对输入缓冲器和偏置缓冲器的输出信号进行差分放大，放大有用的电压信号并抑制电荷泵的噪声。

进一步地，放大器的输出为模拟输出。

进一步地，放大器还与模数转换器相连，对放大器的输出进行模数转换。

进一步地，偏置匹配模块包括n个电容和n-1个开关，其中1个电容与其它n-1个电容构成串联分压关系，其它n-1个电容中的每一个电容通过一个开关并联或者不并联在串联节点与地之间，通过控制串联节点与地之间并联的电容数量来调节电压增益，其中n为大于0的自然数。

相比于普通的麦克风放大器，本发明通过添加偏置匹配模块和偏置缓冲器，可以消除电荷泵的热噪声，在高信噪比的麦克风系统中会有明显的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种公知的硅麦克风系统示意图；

图2为本发明一个实施例的可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器模块框图；

图3本发明一个优选实施例的硅麦克风放大器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明一个实施例的可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器模块框图；如图所示，该硅麦克风放大器包括电荷泵201，输入缓冲器202，偏置缓冲器203，偏置匹配204，放大器205和稳压电源209。电荷泵201的输出端与硅麦克风器件200的高压偏置端206相连，用于产生高压偏置，将硅麦克风偏置到合适的工作电压，提高其灵敏度，其中，这里的高压是指电压高于电源电压，一般为5～15V；同时电荷泵201的输出端连接到偏置匹配模块204的输入端。偏置匹配模块204的作用是对电荷泵201的噪声进行特定增益的衰减，以匹配电荷泵噪声经过硅麦克风器件200和输入焊盘207这一信号通路所产生的衰减。输入缓冲器202207与硅麦克风器件的输入端相连，实现电容电压转换。偏置缓冲器203与偏置匹配模块204的输出端相连，实现电容电压转换。放大器205对输入缓冲器202和偏置缓冲器203的输出信号进行差分放大，一方面放大有用的电压信号，另一方面抑制电荷泵的噪声，提高系统信噪比。其中，放大器205的输出可以是模拟输出，此时该麦克风放大器是模拟麦克风放大器；也可以接模数转换器ADC进行模数转换，此时该麦克风放大器是数字麦克风放大器。

图3本发明一个优选实施例的硅麦克风放大器示意图。如图所示，该硅麦克风放大器包括电荷泵201，输入缓冲器202，偏置缓冲器203，偏置匹配模块204，放大器205和稳压电源209。电荷泵201的输出端与硅麦克风器件200的高压偏置端206相连，用于产生高压偏置，将硅麦克风偏置到合适的工作电压，提高其灵敏度，同时电荷泵201的输出端连接到偏置匹配模块204的输入端。偏置匹配模块204包括一系列电容和开关，共有n个电容和n-1个开关，n为大于0的自然数，其中1个电容与其它n-1个电容构成串联分压关系，其它n-1个电容中的每一个电容通过一个开关并联或者不并联在串联节点218与地之间，通过控制串联节点218与地之间并联的电容数量来调节电压增益。硅麦克风器件的输入端207与输入缓冲器202相连，实现电容电压转换。偏置匹配模块204的输出端与偏置缓冲器203的输入端相连，实现电容电压转换。放大器205对输入缓冲器202和偏置缓冲器203的输出信号进行差分放大，一方面放大有用的电压信号，另一方面抑制电荷泵的噪声，提高系统信噪比。

对于图3实施例，以下结合工作原理进行详细说明。硅麦克风器件是将声音信号转换为电容变化信号的传感器。根据电荷守恒，芯片输入端207的电压Vin可以表示为Vin＝Vbias*(△C/C)*C/(C+Cp)(其中Vbias表示高压偏置的电压，△C表示硅麦克风器件的电容变化量，C表示硅麦克风器件的本征电容，Cp代表输入端的寄生电容)。一般地，为了减小电荷泵201的带内热噪声，电荷泵201会带有一个很大的电容负载，一般为几十pF。这样大的电容保证了输入端207的电压信号Vin不会传到高压偏置端206，即高压偏置端206对于信号来说可以认为是交流接地的。但实际上高压偏置端206并不是理想的电压源，它有很大的输出电阻，是一个噪声源。用Nbias来表示高压偏置端206的噪声，则Nbias分别通过硅麦克风器件200和输入端207这一通路和偏置匹配模块204这一通路的传递函数分别为：

H_mems＝C/(C+Cp)(其中C表示硅麦克风器件200的本征电容，Cp代表输入端207的寄生电容)

H_bm＝Cb/(Cb+Ca)(其中Cb表示电容210的容值，Ca代表节点218和地之间的电容阵列的电容)

调整并入节点218和地之间的电容数量，可以得到H_mems＝H_bm。

输入缓冲器202和偏置缓冲器203是相互匹配的具有极低噪声的缓冲器，一般地可以用简单的PMOS作为输入的源跟随器构成。考虑到线性度问题，还可以用线性度更好的PMOS超级源跟随器构成。合理设置源跟随器或者超级源跟随器的参数，可以实现极低的等价输入噪声。

由于Nbias通过硅麦克风器件200和输入端207这一通路和偏置匹配模块204这一通路的传递函数相同，再经过匹配的输入缓冲器202和偏置缓冲器203，到达放大器205的正负输入端的Nbias的比例相同，从而达到消除电荷泵201的噪声的目的。

综上，本发明的有益效果在于：

相比于普通的麦克风放大器通过添加偏置匹配模块和偏置缓冲器，可以消除电荷泵的热噪声，在高信噪比的麦克风系统中会有明显的优势。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种可消除电荷泵噪声的硅麦克风放大器，其特征在于，包括：电荷泵，输入缓冲器，偏置缓冲器，偏置匹配模块，放大器和稳压电源，其中：

所述电荷泵的输出端与硅麦克风器件的高压偏置端相连，用于产生高压偏置，将硅麦克风偏置到合适的工作电压；

所述电荷泵的输出端还与所述偏置匹配模块的输入端相连，所述偏置匹配模块用于对所述电荷泵的噪声进行特定增益的衰减，以匹配电荷泵噪声经过硅麦克风器件和输入焊盘这一信号通路所产生的衰减；

所述输入缓冲器与硅麦克风器件的输入端相连，用于实现电容电压转换；

所述偏置缓冲器与所述偏置匹配模块的输出端相连，用于实现电容电压转换；

所述放大器用于对所述输入缓冲器和所述偏置缓冲器的输出信号进行差分放大，放大有用的电压信号并抑制电荷泵的噪声。

2.根据权利要求1所述的硅麦克风放大器，其特征在于，所述放大器的输出为模拟输出。

3.根据权利要求1所述的硅麦克风放大器，其特征在于，所述放大器还与模数转换器相连，对放大器的输出进行模数转换。

4.根据权利要求1所述的硅麦克风放大器，其特征在于，所述偏置匹配模块包括n个电容和n-1个开关，其中1个电容与其它n-1个电容构成串联分压关系，其它n-1个电容中的每一个电容通过一个开关并联或者不并联在串联节点与地之间，通过控制串联节点与地之间并联的电容数量来调节电压增益，其中n为大于0的自然数。