CN105530564B

CN105530564B - 电压生成器及其偏置

Info

Publication number: CN105530564B
Application number: CN201510671790.0A
Authority: CN
Inventors: E·巴赫; C·埃布纳
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: KR101786205B1; US9628920B2; US20160111954A1; DE102015117579A1; CN105530564A; KR20160045024A

Abstract

本发明涉及电压生成器及其偏置。根据本发明的一种实施例，操作电压生成器的方法包括提供用于旁路与功率变换器耦合的纹波滤波器的旁路开关。耦合电容器包括第一板和第二板。第一板耦合到旁路开关的控制节点。接收旁路控制信号。通过基于旁路控制信号触发耦合电容器的第二板来在第一电压与不同于第一电压的第二电压之间触发旁路开关的控制节点。

Description

电压生成器及其偏置

技术领域

本发明总体上涉及电压生成器，并且在特别的实施例中涉及用于偏置电压生成器的装置和方法。

背景技术

音频麦克风通常用在诸如蜂窝电话、数字音频记录仪、个人计算机和电话会议系统等各种客户应用中。特别地，低成本驻极体电容式麦克风(ECM)用在大批量生产的成本敏感的应用中。ECM麦克风通常包括安装在具有声音端口和电输出端子的小的封装件中的驻极体材料的膜。驻极体材料粘附至隔膜并且构成隔膜本身。多数ECM麦克风还包括可以接口连接到目标应用(诸如手机)内的音频前端放大器的前置放大器。另一类型的麦克风是微机电系统(MEMS)麦克风，其可以实现为直接蚀刻到集成电路上的压敏隔膜。MEMS传感器通常实现在单独的晶片上。结合另一晶片上的ASIC，通过将两个芯片放置到单个声学封装件中来组装MEMS封装件。在现代麦克风中，MEMS传感器在单个声学封装件中与专用集成电路(ASIC)组合，其中ASIC执行由MEMS递送的信号的读出以及以模拟方式(所谓的模拟硅麦克风)或者通过包括模数变换并且与例如移动设备上的编解码器单元交换数字数据(数字硅麦克风)与外部世界的通信。

环境声压级跨非常大的动态范围。例如，人类听力的门限是大约0dBSPL，对话语音是大约60dBSPL，而50m之外的喷气式飞机的声音是大约140dBSPL。MEMS麦克风可以被小心地设计和构造成承受高强度的声学信号并且将这些高强度的声学信号如实地变换成电信号。

除了性能，另一重要的因素涉及生产成本。传统的硅麦克风的ASIC可以使用增加单位成本的大量非标准或特殊部件。例如，高压部件在使用的情况下可以显著增加最终产品的成本。“标准的CMOS工艺”是包括用于逻辑设计的核心器件和用于I/O处理的器件的工艺，用于I/O处理的器件能够处理最大3.6V。因此，标准的CMOS器件包括核心器件和I/O器件，例如，其可以是具有更厚的栅极氧化物的器件。

发明内容

根据本发明的一种实施例，操作电压生成器的方法包括提供用于旁路与功率变换器耦合的纹波滤波器的旁路开关。提供了包括第一板和第二板的耦合电容器。第一板耦合到旁路开关的控制节点。接收旁路控制信号。通过基于旁路控制信号触发耦合电容器的第二板来在第一电压与不同于第一电压的第二电压之间触发旁路开关的控制节点。

根据本发明的一种备选实施例，电压生成器包括多级电荷泵电路，多级电荷泵电路包括输出高压的高压输出节点和输出中电压的中压输出节点。纹波滤波器耦合在多级电荷泵电路的高压输出节点与电压生成器的输出节点之间。旁路开关耦合到纹波滤波器。旁路开关耦合在多级电荷泵电路的高压输出节点与电压生成器的输出节点之间。电压生成器还包括启用和停用旁路开关的电容耦合电路。电容耦合电路在高压状态中耦合到多级电荷泵电路，并且在低压状态中被配置成接收旁路控制信号。

根据本发明的一种备选实施例，电子设备包括被配置成输出高于输出节点处的电源电压的电压的电压生成器。电压生成器中的所有器件包括标准的CMOS器件。MEMS麦克风耦合到电压生成器的输出节点。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图给出的以下描述，在附图中：

图1图示包括MEMS传感器和ASIC的数字硅麦克风的集成的电路块；

图2图示用于MEMS麦克风的传统的高压偏置生成器的基本框图；

图3A和图3B图示相邻阱之间的阱设计，其中图3A图示传统的设计，图3B图示通过增加阱之间的隔离距离来避免相邻阱之间的横向击穿的本发明的实施例；

图4图示用于使用传统的设计来操作旁路开关的示例电平移位器；

图5图示根据本发明的一种实施例的具有由电容耦合来控制的输出纹波滤波器旁路开关的高偏置电压生成器的示意图；

图6图示根据本发明的一种实施例的电容耦合单元的实施方式的简化的电路图；

图7图示根据本发明的一种实施例的与电容耦合单元的操作相关联的时序图的示意图；

图8图示根据本发明的一种实施例的用于两相电荷泵的电容耦合单元的实施方式的简化的电路图；

图9A和图9B图示具有MEMS声学传感器的硅麦克风的一种实施例，其中图9A图示数字硅麦克风，而图9B图示模拟硅麦克风；以及

图10图示使用如以上在各个实施例中描述的电容耦合原理的实施方式获得的测量结果的截屏。

具体实施方式

本发明的实施例教导电容耦合(AC耦合)而非DC耦合以控制位于高偏置电压生成器的高压域中的输出纹波滤波器的旁路。由此，在电压生成器的设计中不再需要能够处理超过5V的电压电平的高压技术(例如CMOS闪存或DeMOS)。如下面进一步描述的，使用本发明的实施例，能够在不使用高压技术的情况下设计高压偏置生成器的所有部件。

通过解决高偏置电压生成器的这一瓶颈，本发明的实施例使得能够使用标准的CMOS技术。处理层和对应的处理的显著减小产生生产成本的不同节省。

本发明的实施例可以不同地实现电容耦合方案。然而，这样的实施例可以遵循通过改变电容的底板的电压来对电容器充电和控制旁路器件的控制节点的总体构思。

图1图示MEMS麦克风的集成电路块。

MEMS麦克风包括两个块，MEMS块102和ASIC块104。MEMS块102电耦合到ASIC块104，例如，可以一起封装作为单个部件并且可以不必包括在单个集成电路(IC)中。此外，在各种实施例中，ASIC块104可以是单个芯片或者多个芯片。在一些实施例中，MEMS块102还可以包括在IC上(连同ASIC块104)或者在容置在相同的封装件内的单独的裸片上。在备选实施例中，可以使用其他麦克风类型(诸如ECM麦克风)或者其他类型的电容传感器电路代替MEMS块102中的MEMS麦克风(或者与其结合使用)。

ASIC块104包括用于操作MEMS块102中的MEMS器件105的所有相关联的电路。ASIC块104产生用于MEMS器件105的偏压Vmic。因此，ASIC块104包括用于对MEMS块102施加高压Vmic的电荷泵电路以及用于测量来自MEMS器件105的输出的读出路径106。ASIC块104包括高偏置电压生成器并且向MEMS块102提供超过电源电压VDD的可编程的电压电平，例如从～3V到～15V。读出路径106从MEMS器件105接收差分信号并且使用包括PMOS晶体管的源极跟随器放大器107和108对其放大，其然后使用ADC 109被转换成数字信号。可以如MEMS器件的传统的信号处理来执行信号的随后处理。ASIC块104还可以包括耦合到VDD引脚的电压调节器并且可以向电荷泵111和ADC 109提供恒定的固定的电源电压。

通常使用在所提供的时钟FS上操作的电荷泵电路来设计用于超过VDD的电压的电压生成器，时钟FS可以与ADC 109同步。电荷泵设计是标准的构建块并且可以从传统的设计中选择合适的方法。

参考图1，来自可编程高偏置电压Vmic的输出通常在从3V到15V的范围内，其超过电源电压VDD。高压输出由ASIC块104生成并且应用于MEMS块102内的MEMS器件。

作为示例，高偏置电压通常用于校准以确定麦克风的灵敏度。例如，可以将MEMS器件105的隔膜充电到高偏置电压，同时以由ASIC读出路径确定的相对低的电压电平(例如0.5V)偏置两个背板。用于测试的编程代码以及来自校准的结果存储在非易失性存储装置存储器中。可以在出厂设置期间、在初始开机期间或者在用户模式下执行校准。然而，通常可以仅在组装之后执行校准。在以上示例中，在声学封装件中校准包括MEMS块102和ASIC块104的全麦克风。

传统的高偏置电压生成器使用高压器件，高压器件使用不同的处理技术(诸如CMOS EEPROM技术(闪存)或漏极扩展MOS(DeMOS)技术)来制作。由于需要明显更多数目的处理步骤以将例如厚的氧化物并入到EEPROM单元的高压器件)，这些技术比标准的CMOS工艺技术昂贵得多。

在各种实施例中，如下面在高偏置电压生成器的用于在各种应用(例如包括一个或多个MEMS电容传感器和ASIC的硅麦克风)中使用的设计中进一步描述的，本发明克服这些和其他问题。

在各种实施例中，使用电荷泵生成高偏置电压而没有使用昂贵的高压器件。为了实现以上效果，保持更高电压的电路区域与保持低压器件的电路分离。使用纹波滤波器去除电荷泵的输出中的电压纹波。通过用于旁路纹波滤波器的开关以及使用标准的CMOS器件的相关联的开关控制电路的使用来实现用于MEMS麦克风器件的快速启动时间。组装之后的编程代码存储在非易失性存储装置中，诸如下面进一步描述的电融合技术，其不需要高压用于在存储器读取期间操作。

在各种实施例中，高偏置电压生成器通过非常小的电流来加载，例如泄漏电流。在各种实施例中，使用提供整个系统的成本节约选项的标准的CMOS技术来设计高偏置电压生成器。传统上，使用高压器件来实现旁路开关的控制电路。在一个或多个实施例中，在标准的CMOS工艺中实现旁路开关的控制电路而没有高压器件，从而实现用于整个高偏置电压生成器的标准的CMOS技术。

图2图示传统的高压偏置生成器的基本框图。

高压偏置生成器包括电荷泵211、纹波滤波器213和由电平移位器217来控制的旁路开关215。电荷泵接收例如通过运算放大器(OpAmp)212的输入电压Vin以及可以与ASIC块中的ADC和其他块同步的时钟信号。输出由泄露电流来加载，该泄露电流足够小以致仅能引起大约几十mV的从Vout到Vout_filtered的小的偏移。

操纵旁路开关215的电平移位器确保旁路开关215的栅极电势(例如被配置为二极管的一个或多个PMOS晶体管的堆叠)被绑定到电荷泵211的输出电压(Vout)。由于泄露电流(Ileakage)，纹波滤波器213的输出电压(Vout_filtered)低于电荷泵211的输出电压。由此，可以通过将栅极连接到电荷泵211的输出电压而将旁路开关215完全关断，使得旁路开关215的阻抗能够远高于稍微正向偏置的PMOS二极管纹波滤波器的阻抗。通常，在传统的设计中，如果旁路被启用，则将旁路开关215的栅极切换至VSS。这在旁路开关215的栅极电介质两端施加高压。为了防止旁路开关215的故障，传统的设计使用足够厚的栅极氧化物来维持高压差，例如在CMOS闪存工艺中可用的器件。

CMOS闪存技术使得能够在泵送级也使用MOS电容器。但是由于大的栅极氧化物厚度，面积特定的电容相对较小。因此，在传统的设计中，需要为泵送、保持和滤波电容器花费更大量的布局空间。这样的电容器的更大的占位面积增加了生产成本。

在本发明的各种实施例中，使用金属电容器来支持超过20V的电压，同时使用与基于厚的栅极氧化物MOS电容器的设计类似或者甚至更小的布局面积。

可以用通常包括泵电容器221和二极管或MOSFET二极管223以耦合在相邻的级之间并且可以在不同的时钟相位操作的一系列泵送级来设计电荷泵。堆叠方法保持相邻的级之间的电压差足够小使得不需要专门的处理技术。

由于相邻的泵级之间的相对较小的电压阶跃，通常在局部n阱中使用PMOS器件从而在级之间以及朝着其他电路部分提供隔离。然而，随着电压在电荷泵的随后级期间增加，在所生成的越来越高的电压与VSS之间生成大的电势差。这需要比仅通过使用标准工艺更强的隔离(在图2中图示为高电压隔离)，所述标准工艺由通过互补掺杂的p阱分离的n阱组成(两种阱都位于公共的低p型掺杂的衬底中)。

因此，如图3A所示，标准工艺包括被p阱303围绕并且位于低p掺杂的衬底300中的n阱301。因此，在包括泵级的n阱301之间提供隔离。然而，如果泵送级中的电压超过～5V，则n阱301被p阱303简单地紧密围绕，而不再提供充分的隔离。

图3B图示通常用于避免横向击穿的附加间隙。

高掺杂n阱301和p阱303的分离通过低掺杂的p型材料(例如CMOS工艺的p衬底300)来获得。横向击穿电压是掺杂和所引入的间隙距离d_sepsration的函数。大约1μm的分离距离可以足以隔离超过20V的电压。在没有分离的情况下，二极管击穿电压为大约5V并且因此电荷泵先于达到输出电压而击穿。有利地，这一横向隔离不需要附加的掩膜层或者甚至处理步骤。可以根据隔离需要来修改现有n阱301与p阱303之间的间隔。

钟控电荷泵产生叠加到高输出电压的、时钟频率(或者时钟频率的倍数)的不期望的电压纹波。通常需要过滤这一电压纹波。在其中偏置电压噪声可以添加到系统噪声的应用中，必须在最大可能的程度上过滤这一纹波。因此使用最高可能衰减(即使用用于纹波滤波器的最低可能转角频率)来进行过滤。

返回图2，可以通过用连接到电荷泵211的输出节点Vout的公共n阱实现的两个PMOS二极管的堆叠来设计传统的纹波滤波器。使用电荷泵211的相对较低的输出阻抗来驱动这一节点，使得可以在输出处忽略从n阱到VSS的泄露。这样的设计具有输出阻抗在千兆欧姆范围内的纹波滤波器。因此，大约10pF的小的滤波器电容C_filter可以足以用于实现转角频率在10Hz以下的纹波滤波器。

然而，常设的纹波滤波器会引起过多的启动时间。例如，将MEMS器件(例如具有3-5pF的电容)充电至10V的电压电平可以在10ms内。纹波滤波器213在激活的情况下可以降低启动行为。因此，普通的解决方案是在启动期间使用旁路开关215回避(shunt)纹波滤波器。一旦确定输出电压，则关断旁路开关215并且通过低转角频率纹波滤波器213来提供全纹波抑制。启动期间的电压纹波不明显，并且因此在启动期间纹波滤波器可以是非激活的。

旁路功能以及因此旁路开关215在高电压电平操作。为了动态地启用和停用旁路选项，传统的设计使用高压技术，其使得电平移位器实现能够操纵旁路开关功能。

图4图示用于操作使用传统的设计的旁路开关的电平移位器。

电平移位器217(还参见图2)可以是包括使用例如CMOS闪存技术实现的交叉耦合PMOS晶体管的标准的电平移位器。CMOS闪存技术用作具有非常厚(例如25nm)的栅极氧化物、长的沟道长度和特殊注入物的EEPROM单元器件的一部分，使得这些器件能够维持跨所有端子(即栅极到源极或者漏极到源极)的超过例如25V的电压。其他技术选项包括漏极扩展MOSFET(DeMOS)器件，其可以通过MOSFET器件的专门设计来维持高的漏源电压，其通常在最大栅源电压方面被限制。因此，用于电平移位器217的传统的设计使用闪存或者DeMOS器件用于维持高压操作。

CMOS闪存和DeMOS技术二者提供存储能力并且因此用在传统的用于非易失性存储装置的设计中。闪存工艺使用EEPROM单元，而DeMOS工艺使用电融合(eFuse)。

因此，在传统设计中使用高压技术用于高偏置电压生成器、电压泵送和隔离、纹波抑制、快速旁路和编程数据的非易失性存储。然而，高压技术明显增加生产成本。

本发明的实施例通过使用被小心地选择以避免对于使用高压设计的需要的设计的组合来避免使用高压技术。本发明的实施例避免使用高压技术(闪存或者DeMOS)。本发明的实施例解决与控制旁路选项并且存储编程数据的电平移位器的设计相关的设计。

在一个或多个实施例中，可以使用电融合来完成编程数据的存储，电融合可以是通过由于自对准硅化物的破裂、凝聚或电迁移所致的熔断窄的自对准硅化物(自对准硅化物)的多晶硅电阻器而形成的多晶硅电阻器。剩余多晶硅电阻器形成与未熔断的低欧姆参考器件相比(自对准硅化物多晶硅电阻器)更高欧姆的电阻器器件。可以对封装的器件编程。因此，在各种实施例中，使用根据标准的CMOS技术设计的电融合在封装件中编程非易失性存储器。

可以使用如下面详细描述的标准的CMOS部件来形成电压生成器的其他部件。

在电荷泵211中，金属电容器可以用于电压泵送。金属电容器可以形成为横向金属电容器(相同的金属层而非不同的金属层的两个相邻的金属线)，这有助于形成更低占位面积的电容器而没有使电容妥协。横向金属电容器有利地具有更高的电容，因为相同金属层中的金属线可以制成与相邻(竖直)金属层的金属线相比更近而没有违反设计规则。

局部n阱内的MOSFET二极管223(PMOS二极管或者PMOS开关)用于电荷泵211的泵级耦合。类似地，纹波滤波器213使用标准的CMOS技术中的PMOS二极管。

如使用图3所描述的，通过在相邻的n阱310与p阱303之间添加分离空间使用标准的CMOS工艺(没有附加成本)来获得电荷泵211内的高压的横向隔离(图3)。

图5图示根据本发明的一种实施例的具有由电容耦合控制的输出纹波滤波器旁路开关的高偏置电压生成器的示意图。

在各种实施例中，电容耦合(AC耦合)而非DC耦合(电平移位)用于耦合到旁路开关的栅极。如下面进一步描述的，使用这样的电容耦合实现了低压器件的使用。

参考图5，电容耦合单元511在低压域接收旁路控制信号enable_bypass_VDDlow和时钟输入CLK以及在高压域接收电荷泵211的输出电压Vout以及最高泵级的输入电压Vout_N-1。在其他实施例中，还可以使用电荷泵的其他级，例如对应于Vout_N-2、Vout_N-3的更低级输出等。

作为电容耦合单元511的操作的说明，如果输入enable_bypass_VDDlow被设置为“0”，则旁路晶体管的栅极被电荷泵到Vout。否则，如果输入enable_bypass_VDDlow被设置为“1”，则AC耦合在Vout与低于Vout的电压之间触发旁路开关215的栅极，其足以接通旁路开关215。因此，在旁路开关215的栅极处生成周期图案。使耦合图案的频率与电荷泵211的操作频率对准并非强制性的而是有益的。

图6图示根据本发明的一种实施例的电容耦合单元的实施方式的简化的电路图。

参考图6，电容耦合单元511包括耦合到耦合电容器617的晶体管615。晶体管615的栅极耦合到电荷泵211的N-1级输出。

在备选实施例中，可以选择电荷泵链路内的任何电压输出以在两个电压电平(例如Vout和更低电压电平)之间正确地触发电压。在备选实施例中，可以使用上一电荷泵级内部的电压。例如，这一级可以使用开关结构而非简单的PMOS二极管以将泵送电压耦合到输出。

电容耦合单元511还包括被配置成接收enable_pass_VDDlow和CLK信号并且输出指示要激活还是去激活旁路开关215(图5)的pump_bypass_n_Vout信号。在NAND栅极613处接收pump_bypass_n_Vout，NAND栅极613的输出在VDDlow与VSS之间切换。在备选实施例中，可以使用互补设计。例如，可以使用OR栅极或者低活动使能信号，诸如enable_bypass_n_VDDlow。这样的设计将迫使底部电极电压Vcbot在旁路开关215处于关断状态的情况下变高。

电容耦合单元511确保旁路开关215的栅极电势绑定到电荷泵输出Vout。由于泄露电流Ileakage，纹波滤波器213的输出电压Vout_filtered(图5)低于电荷泵输出电压Vout。可以通过将旁路开关215的栅极耦合到Vout来关断旁路开关215，并且可以通过使栅极电势降低到低于Vout的电压来接通旁路开关215。

在现有技术的设计中，不是将栅极电势降低到低于电荷泵输出电压(Vout)的电压，而是在电荷泵输出电压(Vout)与地电势Vss之间触发栅极电势。这产生跨需要使用高电压晶体管的晶体管的栅极电介质的大的电压。例如，在图6中的所说明的电路中，晶体管615的源极节点与栅极节点之间或者晶体管615的漏极节点与栅极节点之间的最大电压为VDDlow(Vout与Vout_N-1之间的最大电压差)，其是操作低压。因此，跨晶体管615的栅极电介质的电压在VDDlow与接地之间触发。因此，在各种实施例中，晶体管615可以是在标准电压(例如小于3.6V)操作的标准的CMOS晶体管。

图7图示根据本发明的一种实施例的与电容耦合单元的操作相关联的时序图的示意图。

参考图7，时钟信号CLK是周期信号，例如在操作低压VDDlow与接地之间触发。

节点enable_bypass_n_Vout处的动态电压变化通过触发耦合电容Cac的底板电压Vcbot来生成。如果旁路功能使用enable_bypass_VDdlow被停用(即enable_bypass_VDdlow＝“0”)，则这一电容的顶板和信号enable_bypass_n_Vout通过由作为电荷泵的上一泵级的电压的电压Vout_N-1控制的晶体管615(例如PMOS晶体管)被充电到Vout。

在这一时间阶段，底板电压Vcbot是VDDlow并且耦合电容器617被充电到(Vout-VDDlow)。随后，当旁路功能被启用时(即enable_bypass_VDdlow＝“1”)，耦合电容器617的底板电压Vcbot在VDDlow与VSS之间触发。

通过电荷泵211的N-1级输出Vout_N-1的时序与从主时钟得到的时钟相位选择器611的输出(pump_bypass_n_Vout)适当对准，在Vout_N-1上升到Vout时，电容耦合电路511的输出节点(enable_bypass_n_Vout)下降(在Vout_N-1上升到Vout时，晶体管615Tsw关闭)。在时钟相位的第二半，晶体管615再次接通并且电容耦合电路511的输出节点(enable_bypass_n_Vout)处的电压上升到电荷泵输出电压Vout并且向旁路开关递送的任何电荷可以重新存储在耦合电容器上。

图8图示根据本发明的一种实施例的用于两相电荷泵的电容耦合单元的实施方式的简化的电路图。

在图6所示的电容耦合单元以及相关的时序图(图7)的示例中，假定单相充电。因此，仅在一个时钟相位执行泵送。本发明的实施例可以应用于使用具有非交叠的时钟方案的两个时钟相位的电荷泵设计。这样的设计可以包括对应于NAND栅极613、晶体管615、耦合电容器617的附加部件，如图8所示。

电容耦合单元511的两相操作通过将电路翻倍以包括第二耦合电容器817Cac、第二晶体管815以及添加由与第二时钟相位对准的信号控制的第二NAND栅极813来实现。修改旁路开关电路以包括与第一旁路晶体管Tbpa平行的第二旁路晶体管Tbpb使得每个旁路晶体管由一个选择单元来驱动。这一设计的优点在于，如果时钟相位之间的非交叠时间与时钟周期相比很小，则将旁路的接通时间翻倍几乎实现永久接通。

在另外的备选实施例中，可以使用三阱布置中的NMOS器件来代替PMOS器件。在这一情况下，改变低活动操作为高活动方案，但是可以应用相同的操作原理。由于三阱工艺，需要附加的层用于隔离NMOS器件，这可能增加这一选项的成本。附加的层是用于隔离p衬底的N+掩埋层、连接N+掩埋层的N+凹陷(sinker)、N+掩埋层的顶上的P阱以及正确地设置用于NMOS器件的基础掺杂的特别深的本体层。

图9A和图9B图示具有MEMS声学传感器的硅麦克风的一种实施例。图9A图示数字硅麦克风，而图9B图示模拟硅麦克风。

用于偏置电压生成器的本发明的实施例可以应用于使用MEMS传感器以及其他MEMS器件的所有种类的硅麦克风。

硅麦克风可以分类成数字和模拟硅麦克风，分别如图9A和图9B中所示。在这两个实施例中，ASIC块104(ASIC芯片)包括产生用于MEMS电容器的偏置电压Vmic的高偏置电压生成器。

如图9B所示，模拟硅麦克风包括驱动由MEMS器件105递送的信号的缓冲器电路。在所说明的实施例中，输出两个单独的单端模拟信号以形成差分模拟接口。例如，对于检测立体声，通过两个模拟硅麦克风输出四个模拟信号。

相比而言，数字硅麦克风对由MEMS缓冲器电路驱动的差分信号执行A/D转换并且输出数字信号。因此，可以由数字硅麦克风输出单个数字信号。

虽然使用双背板MEMS传感器和差分实施方式来说明以上示例，然而本发明的实施例可以应用于其他设计，诸如单背板硅麦克风和单端实施方式。在两种情况下，可以在高偏置电压生成器中(例如在电荷泵内)使用电容耦合，用于操纵输出纹波滤波器的旁路。

在需要高压的很多应用(诸如硅麦克风)中，对于MEMS电容器的偏置电压Vmic的电压要求不是非常高，例如高达15V。另外。仅配置位的小的集合足以设置电压电平。与基于电融合的非易失性存储器和n阱分离结合的所建议的电容耦合技术实现用于这样的电压偏置生成器的标准的CMOS技术的选择。对于这些高容量产品，这是很重要的成本节省因素。

图10图示根据本发明的一种实施例的电容耦合电路的实施方式的操作。

图10图示使用如以上在各个实施例中描述的电容耦合原理的实施方式获得的测量结果的截屏。第一曲线C1001追踪向MEMS器件递送Vmic的电荷泵电路的启动。在启动期间，启用纹波滤波器旁路。开始DATA信号(曲线1002)之前的一毫秒，旁路开关再次打开。如所说明的，先于开始DATA信号来确定输出电压Vmic。另外，如果旁路被停用，则在Vmic处没有观察到任何干扰。

因此，在各种实施例中，控制旁路开关以使用电容耦合来控制高偏置电压生成器输出纹波滤波器。另外，在各种实施例中，高偏置电压生成器仅使用标准的CMOS技术，其不提供能够承受大的电压(例如大于5V)的高压器件。因此，标准的CMOS技术器件不包括承受大于5V的栅源或漏源电压所需要的厚的栅极氧化物或者能够承受大于5V的漏源电压的漏极扩展MOSFET器件(DeMOS)。通常在标准的CMOS处理技术中可用的用于执行输入/输出操作的器件(例如高达3.6V)完全足够。另外，在各种实施例中，启用能够存储高偏置电压的编程代码的电融合。另外，可以使用金属电容器(诸如横向金属电容器)来执行电容耦合以及作为偏置电压生成器的一部分的电荷泵中的泵送电容器。本发明的实施例使用标准的CMOS技术用于高偏置电压生成器的设计并且使用n阱分离以隔离相邻的n阱与p阱以增加横向击穿电压。本发明的实施例使用标准的CMOS技术用于设计在硅麦克风(数字/模拟/单端/差分)上使用的高偏置电压生成器以设置MEMS电容的偏置电压。

虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，然而这一描述并非意在要在限制意义上来理解。本领域技术人员在参考描述时将很清楚说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，所附权利要求旨在包括任何这样的修改或实施例。

Claims

1.一种操作电压生成器的方法，包括：

提供用于旁路与功率变换器耦合的纹波滤波器的旁路开关；

提供包括第一板和第二板的耦合电容器，所述第一板耦合到所述旁路开关的控制节点；

接收旁路控制信号；

通过基于所述旁路控制信号触发所述耦合电容器的所述第二板来在第一电压与不同于所述第一电压的第二电压之间触发所述旁路开关的所述控制节点；以及

提供耦合晶体管，所述耦合晶体管包括：

第一源极/漏极，耦合至所述功率变换器的第一输出，以及

控制节点，耦合至所述功率变换器的第二输出，其中所述第二输出是来自所述功率变换器内的中间节点的电压，并且其中所述第一输出处的电压与所述第二输出处的电压之差总是小于或等于所述旁路控制信号的最大电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电压低于所述第一电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电压高于所述第一电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其中触发所述旁路开关的所述控制节点包括如果所述旁路控制信号指示启用所述旁路开关则从所述第一电压向所述第二电压触发所述旁路开关的所述控制节点。

5.根据权利要求1所述的方法，其中触发所述旁路开关的所述控制节点包括如果所述旁路控制信号指示停用所述旁路开关则向所述第一电压切换所述旁路开关的所述控制节点。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过所述旁路开关对耦合到所述纹波滤波器的输出的微机电系统器件充电。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在对所述微机电系统器件充电之后，

接收指示停用所述旁路开关的旁路控制信号；以及

将所述旁路开关的所述控制节点设置到所述第一电压。

8.根据权利要求1所述的方法，其中从所述第一电压向所述第二电压触发所述旁路开关的所述控制节点接通所述旁路开关。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合晶体管进一步包括第二源极/漏极，其中所述第二源极/漏极耦合到所述耦合电容器的所述第一板。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述功率变换器包括多级电荷泵电路，其中所述功率变换器的所述第一输出是所述多级电荷泵电路的输出电压，并且其中所述功率变换器的所述第二输出是所述多级电荷泵电路的中间级的、到所述耦合晶体管的控制节点的输出电压。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多级电荷泵电路包括通过衬底的低掺杂区域隔离的多个n阱和p阱或者n阱和n阱。

12.根据权利要求9所述的方法，其中触发所述旁路开关的所述控制节点包括：

在所述第一源极/漏极处施加所述第一电压；以及

在所述第一电压与所述第二电压之间触发所述耦合晶体管的所述控制节点，其中在所述第二板处于第一电压电平时所述耦合晶体管的所述控制节点处于所述第一电压，并且其中在所述第二板处于第二电压电平时所述耦合晶体管的所述控制节点处于所述第二电压。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合电容器包括金属电容器。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述金属电容器是横向电容器，其中所述第一板和所述第二板是相同的金属层的一部分。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在生成之前，读取在包括电融合的非易失性存储器中存储的配置位。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述旁路开关被配置成以低电压来操作。

17.一种电压生成器，包括：

多级电荷泵电路，包括输出高电压的高压输出节点和输出中电压的中压输出节点；

纹波滤波器，耦合在所述多级电荷泵电路的所述高压输出节点与所述电压生成器的输出节点之间；

旁路开关，耦合到所述纹波滤波器并且耦合在所述多级电荷泵电路的所述高压输出节点与所述电压生成器的所述输出节点之间；以及

电容耦合电路，启用和停用所述旁路开关并且在高压状态中耦合到所述多级电荷泵电路并且在低压状态中被配置成接收旁路控制信号，

其中所述电容耦合电路包括耦合晶体管，所述耦合晶体管包括：

第一源极/漏极，耦合到所述高压输出节点，以及

控制节点，耦合到所述中压输出节点，其中所述高压输出节点处的电压和所述中压输出节点处的电压之差总是小于或等于所述旁路控制信号的最大电压。

18.根据权利要求17所述的电压生成器，其中所述电容耦合电路和所述旁路开关包括被配置成以小于3.6V的电压来操作的低压器件。

19.根据权利要求17所述的电压生成器，其中所述多级电荷泵电路、所述纹波滤波器、所述旁路开关和所述电容耦合电路中的所有部件是兼容标准CMOS的标准电压部件。

20.根据权利要求17所述的电压生成器，其中所述电容耦合电路包括耦合到所述旁路开关的控制节点的耦合电容器。

21.根据权利要求20所述的电压生成器，其中所述耦合电容器包括金属电容器。

22.根据权利要求21所述的电压生成器，其中所述金属电容器包括布置在相同的金属化层中的第一金属线和第二金属线。

23.根据权利要求17所述的电压生成器，其中所述多级电荷泵电路包括金属电容器。

24.根据权利要求17所述的电压生成器，其中所述多级电荷泵电路包括Dickson电荷泵。

25.根据权利要求17所述的电压生成器，其中所述耦合晶体管进一步包括耦合到所述旁路开关的控制节点的第二源极/漏极节点；以及其中所述电容耦合电路进一步包括：

耦合电容器，耦合到所述旁路开关的所述控制节点。

26.根据权利要求25所述的电压生成器，其中所述纹波滤波器、所述旁路开关和所述耦合晶体管包括标准的CMOS器件。

27.一种电子设备，包括：

电压生成器，被配置成输出高于输出节点处的电源电压的电压，其中所述电压生成器中的所有器件包括标准的CMOS器件，并且其中所述电压生成器包括：

耦合晶体管，包括源极/漏极节点和控制节点，

功率变换器电路，包括耦合到所述源极/漏极节点的高压输出节点和耦合到所述控制节点的中压输出节点，

旁路开关，耦合在所述功率变换器电路的高压输出节点与所述电压生成器的输出节点之间，以及

电容耦合电路，包括启用和停用所述旁路开关的耦合电容器，所述电容耦合电路被耦合到所述功率变换器电路并且被配置为接收旁路控制信号，其中所述高压输出节点处的电压与所述中压输出节点处的电压之差总是小于或等于所述旁路控制信号的最大电压；以及

微机电系统麦克风，耦合到所述电压生成器的所述输出节点。

28.根据权利要求27所述的电子设备，其中所述电压生成器进一步包括：

纹波滤波器，耦合到所述功率变换器电路的高压输出节点并且耦合到所述电压生成器的所述输出节点，并且其中所述旁路开关耦合到所述纹波滤波器。

29.根据权利要求28所述的电子设备，还包括：

缓冲器，用于接收、衰减和/或放大来自所述微机电系统麦克风的数据信号。

30.根据权利要求29所述的电子设备，还包括将从所述微机电系统麦克风接收的所述数据信号转换到数字域的模数(A/D)变换器。

31.根据权利要求28所述的电子设备，还包括非易失性存储器，所述非易失性存储器包括用于存储所述微机电系统麦克风的配置数据的电融合。