CN105592383A - 用于麦克风的偏置电路及其包括偏置电路的麦克风 - Google Patents

Abstract

根据本发明的示例性实施方式的麦克风包括向传感器提供可变偏置电压的偏置电路。所述偏置电路包括：稳压器，其接收参考电压和控制电压以输出可变电压；数模转换器，其接收数字控制信号以向稳压器提供控制电压；以及电荷泵，其接收从稳压器输出的可变电压以输出比所述可变电压更高的可变电压。

Description

用于麦克风的偏置电路及其包括偏置电路的麦克风

技术领域

本发明涉及一种麦克风，并且特别涉及一种麦克风的偏置电路。

背景技术

在移动装置、音频装置、车辆等中使用的麦克风将声音即声波转换成电信号。麦克风正在逐渐缩小。因此，正在发展一种利用微机电系统(MEMS)技术的麦克风。

与传统的驻极体电容传声器(ECM)相比，这样的MEMS麦克风具有更耐湿热的优点，并且它可以被缩小并集成有信号处理电路。

所述MEMS麦克风包括感测声波以产生电信号的传感器。该传感器通过半导体工艺形成，并且传感器的灵敏度根据工艺尺寸的偏差而产生偏差。然后由连接到传感器的偏置电路来确定麦克风的灵敏度，以提供固定的偏置电压和可变增益放大器(VGA)。通常，利用传感器和VGA的工艺偏差来确定麦克风的灵敏度。

上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于该国本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

发明内容

本发明已在尽力提供一种用于麦克风的偏置电路和包括偏置电路的麦克风，其具有增加在麦克风上的传感器的工艺偏差的余量的优点。

本发明的示例性实施方式提供一种用于向麦克风的传感器提供可变偏置电压的偏置电路。

上述偏置电路包括：稳压器，其接收参考电压和控制电压以输出可变电压；数模转换器，其将接收到的数字控制信号转换成发送到该稳压器的控制电压；以及电荷泵，其接收从该稳压器输出的可变电压以相应地输出比上述可变电压更高的可变电压。

上述偏置电路还可以包括：振荡器，其产生脉冲信号；以及电平转换器，其从该振荡器接收脉冲信号以及从上述稳压器接收可变电压，并且将脉冲信号调整到该可变电压的电平，以将调整后的脉冲信号提供到上述电荷泵。

上述数字控制信号可以包括8比特的信号。

上述稳压器可以包括低压差(LDO)稳压器。

上述电荷泵可以包括三倍电压的倍增器。

根据本发明示例性实施方式的麦克风包括传感器和向传感器提供可变偏置电压的偏置电路。该偏置电路包括：低压差(LDO)稳压器，其接收参考电压和控制电压以输出可变电压；数模转换器，其将所接收的数字控制信号转换成发送到该LDO稳压器的控制电压；振荡器，其产生脉冲信号；电平转换器，其从该振荡器接收脉冲信号以及从该稳压器接收可变电压，并且将脉冲信号调整到该可变电压的电平，以输出调整后的脉冲信号；以及电荷泵，其接收从该稳压器输出的可变电压和从该电平转换器输出的调整后的脉冲信号，以输出比上述可变电压更高的可变电压。

上述传感器可以包括具有电容器特性振动膜和的固定电极。

上述数字控制信号可以包括8比特的信号。

上述可变偏置电压可以在大约4.5V到大约13.5V的范围内。

由于根据本发明的偏置电路，VGA的可变范围可以减少，并且能够应对传感器的灵敏度偏差。特别是，相对于传感器的工艺偏差的余量可以增加。因此，传感器的制造成品率增加，使得麦克风的制造成本可以降低。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施方式的麦克风的示意性剖视图；

图2是示出根据本发明的示例性实施方式的偏置电路的框图；以及

图3是示出图2所示的示例性实施方式的偏置电路的仿真结果的图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明中仅某些示例性实施方式已经通过简单地说明性方式来被示出和描述。正如本领域技术人员将认识到的，所描述的实施方式能够以不脱离本发明的精神或范围的各种不同的方式来修改。

因此，附图和描述将被视为说明性的而不是限制性的。相同的附图标记通篇指代相同的元件。

在整个说明书和所附权利要求中，当描述一个元件“连接(coupled)”到另一元件时，该元件可以“直接连接”到另一元件或通过第三元件“电连接”到其他元件。另外，除非明确描述为相反的，词语“包括”及其变形如“包含”或“具有”将被理解为表明包括所陈述的元件但不排除任何其它元件。

下文中，根据本发明示例性实施方式的用于麦克风的偏置电路将参考附图进行详细的描述。用于麦克风的偏置电路可以简称为偏置电路。

图1是根据本发明的示例性实施方式的麦克风的示意性剖视图。

参照图如图1所示，上述麦克风包括基板100、振动膜120和固定电极130。该振动膜120和固定电极130构成传感器，其感测声波以根据该声波产生电信号。

上述基板100可以由硅制成，并且在基板100上形成通孔110。

上述振动膜120设置在基板100上。该振动膜120覆盖上述通孔110。部分振动膜120暴露在通孔110，暴露在通孔110的部分振动膜120振动以响应于外部声音。该振动膜120可以由多晶硅或导电材料制成。该振动膜120可以具有圆形形状。

以通过在该振动膜120的边缘上形成的弹簧121，振动膜120被可振动地固定到基板100上。

与上述振动膜120隔开的固定电极130设置在振动膜120的上方。该固定电极130包括多个进气口131。

上述固定电极130设置在支撑层31上。该支承层31设置在振动膜120的边缘部分，并且它支持固定电极130。在此情况下，该固定电极130可以由多晶硅或金属制成。

在固定电极130和振动膜120之间形成空气层32。该固定电极130和振动膜片120通过预定间隔x彼此隔开。

外部声音通过形成在固定电极130上的进气口131引入，从而刺激振动膜120。响应于此，该振动膜120振动。

构成麦克风的传感器的振动膜120和固定电极130具有电容器特性。当根据声波的外部声压被施加到振动膜120时，因为振动膜120振动使得振动膜120和固定电极130之间的距离被改变，所以电容值发生变化。因此，声波由麦克风的传感器转换成电容变化。例如，通过连接到固定电极130的第一衬垫140和连接到振动膜120的第二衬垫145使得电容变化输入到信号处理电路(未示出)，并且可以通过该信号处理电路进行处理以用于各种用途。

为了操作传感器，偏置电压V_b应该施加在传感器的振动膜120和固定电极130之间。用于施加偏置电压V_b到传感器的电路被称为偏置电路(未示出)。该偏置电路连同信号处理电路等一起安装在一个芯片上以配置成专用集成电路(ASIC)。

传感器的灵敏度ΔV是由下面的公式定义。

$\mathrm{\Δ}V=-\frac{C_0{V}_b\mathrm{\Δ}X}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}=-\frac{\mathrm{\Δ}X}{X_0}{V}_b$

$\mathrm{\Δ}V=-\frac{\mathrm{\Δ}X}{X_0}{V}_b=-\frac{V_b}{X_0}\frac{\mathrm{\Δ}PA}{k_m}\∝-\frac{\mathrm{\Δ}PA}{X_0}\frac{I^3}{{\mathrm{wt}}^3}\×V_b$

在上述等式中，C₀表示不施加声压的状态下的初始电容，V_b表示在振动膜和固定电极之间提供的偏置电压，ε₀表示空气的介电常数，A表示电容器的有效区域，P表示声压，k_m表示弹簧常数，I表示弹簧的长度，w表示弹簧的宽度，以及t表示弹簧的厚度。

因此，上述传感器的灵敏度ΔV反比于固定膜120和振动膜130之间的初始间隔x₀，以及正比于相对于声压的间隔变化量Δx。换句话说，为了获得传感器的灵敏度与声压的恒定比值ΔV/ΔP，弹簧的宽度w、弹簧的长度l、弹簧的厚度t、初始间隔x₀等应该是恒定的。然而，上述值由于工艺偏差而被改变。

在麦克风的一般结构中，假设确定弹簧的厚度t的工艺(例如，沉积如化学气相沉积(CVD))的误差是±10％，以及确定弹簧的长度l和宽度w的工艺(例如，光刻)的误差是±5％，则传感器的灵敏度具有的偏差范围是上述方程的初始值的约0.56ΔV至约1.86ΔV。

如果传感器的灵敏度具有从约0.56ΔV到约1.86ΔV的范围，则用于接收上述灵敏度偏差的偏置电压V_b具有从约0.54V_b到约1.79V_b的范围。换句话说，通过施加具有对应于工艺偏差的上述范围的偏置电压V_b可以得到相同的灵敏度。通常，由于偏置电压V_b设计为具有约8V的固定电压，如果用于输出例如在约4.5V到约13.5V范围内的电压的偏置电路被配置成与其匹配，则传感器的工艺偏差可以由该偏置电路进行补偿。

在下文中，将会描述能够输出在上述范围内变化的电压的可变偏置电路。

图2是示出根据本发明的示例性实施方式的偏置电路的框图。

上述偏置电路包括低压差(LDO)稳压器210、数模转换器(DAC)220、振荡器230、电平转换器240和电荷泵250。

基本上，上述偏置电路输出根据数字控制信号改变的电压。该偏置电路包括可变电压输出电路，其配置成根据数字控制信号确定改变的程度，并且通过模拟电路输出在预定范围内的电压。

如图2所示，上述偏置电路可以设计成接收约5V的参考电压V_R，并且根据数字控制信号输出从约4.5V到约13.5V的范围内的电压。然而，电压的范围仅是说明性的目的。该输出电压的范围可以根据输入参考电压V_R的大小或该偏置电路的特性来改变。

上述LDO稳压器210接收外部参考电压V_R以输出在预定范围内的电压。例如，该LDO调节器210可以设计成接收约5伏的电压，并且输出约1.5伏到约4.5V的电压。该LDO稳压器210的输出电压的大小可以根据从上述DAC220输入的控制电压来进行调节。虽然LDO稳压器是以示例的方式进行说明的，但是如果稳压器接收固定的电压而输出在预定范围内的可变电压，则该稳压器可以用于根据本发明示例性实施方式的偏置电路。

上述DAC220将外部输入的数字控制信号转换为模拟信号，以输出该模拟信号，并且该输出的模拟信号被施加到LOD稳压器210作为控制电压。例如，该DAC220可以设计成将8比特的数字控制信号转换成约0.5伏至约1.5V的电压。例如，该数字控制信号可以从麦克风的控制电路(未示出)输入。虽然8比特的信号以示例方式被示为数字控制信号，但是也可以使用较小的信号如4比特的信号或较大的信号如16比特的信号。

因为8比特有256个级别(即0到255)，从DAC220输出的电压可以具有在从约0.5伏到约1.5V的范围内的256个电压级别。例如，约0.5V对应于0级，约1.5V对应于255级以及约1.0V对应于128级。因此，在该说明性数字范围中，如果在0级的数字控制信号输入到DAC220，则约0.5伏的电压输出，使得控制电压施加到LDO稳压器210，并且LDO稳压器210可以输出约1.5V的电压。如果在255级的数字控制信号输入到DAC220，则约1.5伏的电压输出，使得控制电压施加到LDO稳压器210，并且LDO稳压器210可以输出约4.5V的电压。此外，如果在255级的数字控制信号输入到DAC220，约1.5伏的电压输出，使得控制电压施加到LDO稳压器210，并且LDO稳压器210可以输出约4.5V的电压。

从上述LDO稳压器210输出的电压被提供给电平转换器240和电荷泵250。

上述电平转换器240从振荡器230接收信号来控制该接收到的信号的电平。例如，该电平转换器240可以从振荡器230接收约1MHz和2.5V的脉冲信号。该电平转换器240将从振荡器230接收到的信号的电平控制到从LDO稳压器210接收到的电压电平以输出控制后的信号。因此，在示出的范围内，该电平转换器240可以输出从约1.5V到约4.5V范围内的脉冲。该电平转换器240的输出脉冲可以被过滤以减少噪声如谐波。该输出脉冲提供到电荷泵250。

上述电荷泵250根据从电平转换器240提供的脉冲来进行操作，并且根据从LDO稳压器210提供的电压而被驱动。响应于输入脉冲，该电荷泵250可以输出超过输入电压的泵浦电压。当电荷泵250设计成三倍电压的倍增器时，如果输入电压在约1.5伏到约4.5伏的范围内，则输出电压在约4.5伏到约13.5V的范围内。

从电荷泵250输出的电压可以是偏置电路的最终输出电压，并且其作为偏置电压V_b可以施加到麦克风的传感器。

如上所述，偏置电路的输出电压可以根据数字控制信号来进行控制以对应于传感器的工艺偏差。因此，虽然根据传感器的工艺偏差使得传感器的灵敏度产生偏差，但是通过适当地控制偏置电路的输出电压使得麦克风可以具有预定的灵敏度。

图3是示出图2所示的示例性实施方式的偏置电路的仿真结果的图。

当施加5V的参考电压到偏置电路时，仿真表示当0级的控制信号和255级的控制信号分别被输入时的电压输出。当在0级的控制信号被输入时，输出电压约为4.47V。当255级的控制信号被输入时，输出电压约为13.47V。因此，能够通过8比特的输入来改变在0～255级的范围内的输出的偏置电路的操作可以被确认。

尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施方式已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的示例性实施方式，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同形式。

Claims (9)

1.一种用于向麦克风的传感器提供可变偏置电压的偏置电路，所述偏置电路包括：

稳压器，其接收参考电压和控制电压，并且输出与接收到的控制压相对应可变电压；

数模转换器，其将接收到的数字控制信号转换成发送到所述稳压器的控制电压；以及

电荷泵，其接收从所述稳压器输出的可变电压，并且相应地输出比所述可变电压更高的可变电压。

2.如权利要求1所述的偏置电路，还包括：

振荡器，其产生脉冲信号；以及

电平转换器，其从所述振荡器接收脉冲信号以及从所述稳压器接收可变电压，并且将脉冲信号调整到所述可变电压的电平，以将调整后的脉冲信号提供到所述电荷泵。

3.如权利要求2所述的偏置电路，其中所述数字控制信号包括8比特的信号。

4.如权利要求2所述的偏置电路，其中所述稳压器包括低压差(LDO)稳压器。

5.如权利要求2所述的偏置电路，其中所述电荷泵包括三倍电压的倍增器。

6.一种麦克风，包括：

传感器；以及

偏置电路，其向所述传感器提供可变偏置电压，

其中所述偏置电路包括：

低压差(LDO)稳压器，其接收参考电压和控制电压，并且输出与接收到的控制电压相对应的可变电压；

数模转换器，其将所接收的数字控制信号转换成发送到所述LDO稳压器的控制电压；

振荡器，其产生脉冲信号；

电平转换器，其从所述振荡器接收脉冲信号以及从所述稳压器接收可变电压，并且将脉冲信号调整到所述可变电压的电平，以输出调整后的脉冲信号；以及

电荷泵，其接收从所述稳压器输出的可变电压和从所述电平转换器输出的调整后的脉冲信号，并且相应地输出比所述可变电压更高的可变电压。

7.如权利要求6所述的麦克风，其中所述传感器包括具有电容器特性振动膜和的固定电极。

8.如权利要求6所述的麦克风，其中所述数字控制信号包括8比特的信号。

9.如权利要求6所述的麦克风，其中所述可变偏置电压在大约4.5V到大约13.5V的范围内。