CN105981296A - 差分高阻抗设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于声学设备的差分高阻抗电路，其包括第一组晶体管器件和第二组晶体管器件。第一组晶体管器件包括第一晶体管(302)和第二晶体管(306)，并且第一晶体管(302)被耦接至Vdd，以及第二晶体管(306)耦接到地。第二组两个晶体管器件包括第三晶体管(304)和第四晶体管(308)。第三晶体管(304)被耦接至第一晶体管(302)并提供第一输出(Out+)，并且第四晶体管(308)被耦接至第二晶体管(306)并提供第二输出(Out‑)。该第一输出和该第二输出被配置成提供电阻。

Description

差分高阻抗设备
相关申请的交叉引用
本专利根据35U.S.C.§119(e)要求于2013年10月17日提交的题为“DifferentialHigh Impedance Apparatus”的美国临时申请No.61892153的权益，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及麦克风，并且更具体地涉及麦克风的阻抗元件。
背景技术
微机电系统(MEMS)麦克风通常由两个主要组件组成：接收声能并将声能转换成电信号的MEMS器件；以及专用集成电路(ASIC)(或者诸如缓冲器、放大器和模数转换器的其它电路)。这些器件通常从MEMS器件获得电信号，并且对该信号执行后处理和/或缓冲该信号用于更大的电子环境中的接下来的电路级。
音频应用的集成电路利用具有在大约0.01秒至10秒范围内的时间常数的器件。这可以使用大值电容器或大值电阻器来实现。
集成电路工艺中的电阻器通常实际被限制为大约1-10M欧姆。这是由于电阻器通常使用具有每平方1-10k欧姆的电阻率的高电阻多晶硅(例如，2μm宽和2μm长的电阻器元件)来实现的事实。大于100pF的电容器也无法实现。
因此，大电阻器占用大面积，并且对于代表值为1-2fF/sqμm的片上电容器同样如此。电容器无法制成比100-200pF大得多。
以前的方法没有适当地提供不具有某一类型的性能问题的小的电阻器。这导致一些用户对这些以前的方法不满意。
附图说明
为了更完整地理解本公开，应参照下面详细的描述以及附图，其中：
图1包括利用根据本发明的各种实施方式的差分高阻抗元件的麦克风的框图；
图2包括利用根据本发明的各种实施方式的差分高阻抗元件的差分放大器的框图；
图3包括根据本发明的各种实施方式的高阻抗差分设备的电路图；
图4示出根据本发明的各种实施方式的图3中的电路的操作区域的图。
本领域技术人员应当理解，出于简洁和清晰的目的示出图中的元素。应进一步理解的是，某些动作和/或步骤可能以特定的发生顺序被描述或描绘，但本领域的技术人员应当明白，实际上并不需要相对于顺序的特定性。还应理解的是，除非本文已经另行阐述了特定的含义，否则本文所使用的术语和表述具有同关于所对应的各自的调查和研究领域的该术语和表述相一致的一般的含义。
具体实施方式
本文所描述的方法提供了一种差分高阻抗设备或电路。在一个示例中，使用了包括一组NMOS器件(两个器件)和一组PMOS器件(两个器件)的四个互补CMOS器件。两组晶体管都以因子M进行缩放并通过Ibias+和Ibias-电流源进行偏置。基准电压发生器高于地(GND)对差分电路进行偏置。当晶体管对中的一对开始导通并且变为低阻抗时，另一对仍然具有高阻抗。在一个方面，当被以VDD/2为中心(或者至少不接近VDD或GND)偏置时，电路操作，因为寄生(体效应)二极管将开始导通。
本文所提供的电路可以与全差分模拟电路(例如，放大器)相结合来操作。在该示例中，放大器以接近大约VDD/2的DC电平进行操作。
在许多这些实施方式中，用于声学设备的差分高阻抗电路包括：第一组晶体管器件，该第一组晶体管器件包含第一晶体管和第二晶体管；以及第二组两个晶体管器件，第二组晶体管器件包含第三晶体管和第四晶体管。第三晶体管被耦接至第一晶体管并提供第一输出，并且第四晶体管被耦接至第二晶体管并提供第二输出。该第一输出和第二输出被配置成提供电阻。
第一晶体管和第二晶体管中的每个被选择性地驱动成导通，并且以使得第三晶体管和第四晶体管交替地驱动成导通或解驱动成弱导通。第三晶体管和第四晶体管的驱动和解驱动有效地提供大体上随时间恒定的高电阻。
在其它方面，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管中的所选择的多个是NMOS器件。在某些其它方面，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管中的所选择的多个是PMOS器件。
在一些示例中并且当第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管或第四晶体管中的任一个导通时，电阻处于千欧姆范围。在其它示例中并且当第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管或第四晶体管中的任一个都不导通时，电阻处于千兆欧姆范围。
在其它方面，差分高阻抗电路被设置在差分放大器中。在又一些其它方面，差分放大器被设置在专用集成电路(ASIC)上。ASIC可以包括微机电系统(MEMS)元件。
现在参照图1，示出了数字微机电系统(MEMS)麦克风100的一个示例。该麦克风100包括MEMS器件102、缓冲器104、差分放大器106以及模数转换器108。
MEMS器件102是将声能101(由Vacoustic表示)转换成模拟电信号的任何类型的MEMS麦克风器件。MEMS器件102还可以包括形成电容器103的隔膜和背板，该电容器103随所接收到的声能而变化以产生模拟电信号。该模拟电信号被馈送至缓冲器104，该缓冲器104缓冲该信号以用于后续处理。然后，将该模拟信号从缓冲器馈送至差分放大器106。
差分放大器106提供由包括模数转换器108在内的各种组件所使用的差分电阻。因为本文所描述的方案，该元件的物理尺寸较小，但是其提供的电阻量很大。因为该元件可以供应这样的大电阻，所以其可以与在它们的操作中需要或利用大电阻的其它电路一起使用。模数转换器108将(从差分放大器106接收的模拟信号转换成数字信号。
该数字信号可以被发送至麦克风100外部的其它电子电路。在这些方面，应当理解，麦克风100可以被设置在诸如蜂窝电话或个人计算机的其它装置中。其它示例是可能的。麦克风100的元件可以被设置在一个或更多个印刷电路板、壳体或其它组件上。
现在参照图2，描述了差分放大器200(例如，图1中的差分放大器106)的一个示例。差分放大器200的功能在于放大信号并将该信号从单端信号转换为差分信号。
放大器200包括第一高电阻阻抗202、第二高电阻阻抗204、第一电容器206、第二电容器208、第三电容器210、第四电容器212、运算放大器214以及共模反馈块(CMFB)216。该共模反馈块216确保差分放大器的共模电压被偏置接近VDD/2。这确保放大器可以在输出端传送最大可能的信号摆动。
第一高电阻阻抗202和第二高电阻阻抗204提供高阻抗，如下面参照图3和图4所描述的。
第一电容器206、第二电容器208、第三电容器210和第四电容器212的功能在于设定放大器的差分增益。运算放大器214的功能在于提供高差分开环增益，使得通过增益电容器设定的增益被精确地限定。
现在参照图3和图4，示出了差分高阻抗元件300(诸如，图2中的元件202和204)的一个示例。该元件300包括第一NMOS晶体管器件302、第二NMOS晶体管器件304、第一PMOS晶体管器件306以及第二PMOS晶体管器件308。器件302、304、306和308的内部结构和操作对于本领域的技术人员来说是公知的，并且在此将进行进一步讨论。
该电路还包括第一电流源310和第二电流源312。偏置电压314被施加到晶体管302和306的源极并从而高于地(GND)对差分电路进行偏置。输出电压呈现在Out+和Out-之间。
两组晶体管(晶体管302/306以及304/308)都以因子M(例如，M＝1)进行缩放，并且由Ibias+电流源310和Ibias电流源312进行偏置。“缩放”意味着相似或等效器件并联连接。
如图4所示，图3的电路在三个区域中操作。跨输出电压(图3中的OUT+和OUT-之间)施加差分电压以产生不同的电流并且从而产生不同的电阻。在这方面，如图3所示，流经晶体管304和308的电流316(I)在+/-Ibias/M之间变化。在每个区域中，小信号等效电阻值可以被计算，即，针对跨电路的输出端两端的电压的小的变化，电流将近似线性地变化。结果是，电路将起到电阻器的作用。这就是被称为等效电阻器。如先前所描述的，该电阻器值将跨越三个区域变化。
在第一区域402中，晶体管304是低阻抗(导通)并且晶体管308是高阻抗(弱导通)。在第二区域404中，晶体管304和晶体管308都是高阻抗(二者均弱导通)。在第三区域406中，晶体管304是高阻抗(弱导通)，并且晶体管308是低阻抗(导通)。在所有区域中，晶体管302和晶体管306被激活(导通)。“低阻抗”意味着等效电阻器处于千欧姆范围。“高阻抗”意味着等效电阻器处于千兆欧姆范围。
在所有的区域中，跨电路两端的输出电阻是高阻抗并且在各个区域内变化相对较小(例如，十(one decade))。这与阻抗在整个操作范围内可以改变数十(many decades)的先前的方案形成对比。例如，一些方案具有器件开始导通并且阻抗急剧地并且以非线性的方式下降数十的区域。
因为本文所描述的方法，该元件的物理尺寸较小，但是其提供的电阻量很大。因为该元件可以供应这样的大电阻，所以该元件可以与需要大电阻来操作的其它电路一起使用。
本文描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳的方式。应当理解，所例示的实施方式仅是示例性的，并且不应被认为限制本发明的范围。

Claims (8)

1.一种用于声学设备的差分高阻抗电路，所述电路包括：
第一组晶体管器件，该第一组晶体管器件包括第一晶体管和第二晶体管；
第二组两个晶体管器件，包括第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管被耦接至所述第一晶体管并且提供第一输出，所述第四晶体管被耦接至所述第二晶体管并且提供第二输出，所述第一输出和所述第二输出被配置成提供电阻；
使得所述第一晶体管和所述第二晶体管中的每个都被选择性地驱动成导通并且使得所述第三晶体管和所述第四晶体管交替地被驱动成导通或解驱动成弱导通，所述第三晶体管和所述第四晶体管的所述驱动和解驱动有效地提供大体上随时间恒定的高电阻。
2.根据权利要求1所述的差分高阻抗电路，其中，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管中的所选择的多个是NMOS器件。
3.根据权利要求1所述的差分高阻抗电路，其中，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管中的所选择的多个是PMOS器件。
4.根据权利要求1所述的差分高阻抗电路，其中，当所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管或第四晶体管中的任一个导通时，所述电阻处于千欧姆范围。
5.根据权利要求1所述的差分高阻抗电路，其中，当所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管或第四晶体管中的任一个都不导通时，所述电阻处于千兆欧姆范围。
6.根据权利要求1所述的差分高阻抗电路，其中，所述差分高阻抗电路被设置在差分放大器中。
7.根据权利要求6所述的差分高阻抗电路，其中，所述差分放大器被设置在专用集成电路ASIC上。
8.根据权利要求7所述的差分高阻抗电路，其中，所述ASIC包括微机电系统MEMS元件。
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