CN105981406B - 除去对麦克风电源抑制的3d寄生效应 - Google Patents

Abstract

描述一种MEMS麦克风封装，其包括具有相对于麦克风封装的前置放大器几乎相等的3D寄生电容的第一节点和第二节点，使得在第一节点上生成的任何噪声等于在第二节点上生成的任何噪声。外部电源被连接到第一节点并且经由第一节点向MEMS麦克风封装提供偏压信号。反相放大器被连接在电源与第二节点之间。第三节点通过封装寄生电容器被连接到第一节点，而第二节点通过预期的寄生电容器或者显式电容器被连接到第三节点。从外部电源耦合到第三节点的噪声然后通过将反相电源噪声总计到该第三节点中而被消除。

Description

除去对麦克风电源抑制的3D寄生效应

相关申请

本申请要求于2014年2月10日提交的美国临时专利申请号61/937,711的权益，所述美国临时专利申请号61/937,711的全部内容通过引用被并入在本文中。

背景技术

本发明涉及麦克风系统和用于减少由麦克风系统的电源导致的信号噪声的方法。

发明内容

在一些实施例中，本发明提供一种用于除去由于封装寄生电容器耦合到高阻抗前置放大器输入的电源噪声的效应的技术。该技术创建电源噪声的反相并且将它耦合回到前置放大器输入中，这将减少或者甚至消除封装寄生电源噪声耦合的效应。

在一些实施例中，本发明提供一种不受限于由于封装寄生电容器的电源抑制比（PSRR）性能的麦克风系统。在没有本技术的情况下在系统中的最佳能实现PSRR将通过由封装寄生和MEMS传感器设置的电容分压器确定。因此，利用这种技术我们能够允许PSRR由电路性能而不是封装环境来支配，这应该为大得多的电源噪声抑制创造条件。

在一个实施例中，本发明提供一种包括MEMS麦克风封装和在MEMS麦克风封装外部的电源的麦克风系统。MEMS麦克风封装包括具有相对于麦克风封装的前置放大器几乎相等的3D寄生电容的第一节点和第二节点，使得在第一节点上生成的任何噪声在前置放大器输入处被在第二节点上生成的任何噪声减少或者消除。电源被连接到第一节点并且经由第一节点向MEMS麦克风封装提供偏压信号。麦克风系统还包括在MEMS麦克风封装内并且位于专用集成电路（ASIC）上的反相放大器。反相放大器被连接在电源与第二节点之间。反相放大器经由第二节点向MEMS麦克风封装的前置放大器提供反相电压信号。位于MEMS麦克风封装内的第三节点经由寄生电容器被连接到第一节点和第二节点两者，使得在偏压信号上的噪声被在反相电压信号上的对应的噪声减少或者消除。来自第三节点的噪声减少的偏压信号被施加到麦克风。麦克风向位于MEMS麦克风封装之内的前置放大器提供输出信号。

本发明的其它方面将通过考虑具体实施方式和附图而变得显而易见。

附图说明

图1是根据一个实施例的麦克风管芯封装的透视图。

图2是图解耦合到在图1的麦克风系统中放大器中的电源噪声的电子效应的电路图。

图3是针对图1的麦克风系统的电源噪声抑制系统的电路图。

图4是图解用于由图3的电源噪声抑制系统使用的用于设置增益修整（gain trim）模块的方法的流程图。

图5是针对各种麦克风系统封装的作为增益的函数的电源抑制比的图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，要理解的是本发明不限于其到在以下描述中阐述的或者在以下附图中图解的组件的布置和构造的细节的应用。本发明能够是其它实施例并且能够以各种方式被实现或者被实践。

图1图解不但存在于包含麦克风的集成电路的管芯100之内而且存在于所述管芯100外部的3D寄生电容。管芯100被连接到接合导线，所述接合导线提供电力（接合导线102A）、地（接合导线102B）和输入/输出信号（接合导线102C）。接合导线102A、102B、102C与彼此的接近创建在接合导线102A、102B、102C之间的寄生电容106。寄生电容106还能够由于将接合导线102A、102B、102C分别连接到连接焊盘104A、104B、104C的焊料接点而产生。除了在接合导线102A、102B、102C之间的寄生电容106之外，寄生电容108在接合导线102A、102B、102C（以及连接焊盘104A、104B、104C）与在管芯100上的金属线路（route）112之间产生。附加的寄生电容110在管芯100上的各种金属线路112之间产生。

图2图解（如在图1中描述的）3D寄生电容对麦克风输出信号的质量具有的电子效应。电容麦克风200的第一端子被直接连接到前置放大器202的输入。电容麦克风200的其它端子被连接到地。电源线204向节点210供应电力（例如，针对电容麦克风200的偏压）。电源204的位置创建在电路节点208之间的电容耦合206。在一些实施例中，焊盘210是连接焊盘104A、104B、104C中的一个或者多个并且具有将接合导线固定到芯片的一个或者多个焊料球。电容耦合206在前置放大器202的输入处产生不想要的噪声。如由图1示出的附加的电容耦合创建将直接耦合到前置放大器202中的不想要的噪声。

通过设计，麦克风200被连接所在的前置放大器202的输入是非常高的阻抗，这意味着来自电源线204的不想要的噪声耦合到该节点中并且具有由总的3D寄生电容确定的量值。该量值直接影响电路能够实现的总的能实现电源抑制比或PSRR。为了实现不受限于到该节点中的封装寄生电容的高PSRR，需要减轻电源噪声耦合的效应。

图3图解改进能实现的PSRR的麦克风系统300的实施例。系统包括创建电源信号302的反相副本的反相放大器304。增益修整模块306允许反相信号的量值被调整。电源信号302和修整的反相信号均通过焊料球被耦合到位于离前置放大器314输入近似相同距离处的分离的焊盘308A、308B。焊盘308经由寄生电容器耦合到麦克风封装的内部上的连接节点310使得形成电容分压器。耦合电容对于电源信号302和来自反相放大器304的反相信号是几乎同样的。因此，从电源生成的任何噪声遭遇与反相放大器输出到前置放大器输入几乎相等的到前置放大器输入的传递函数。结果，存在于原始信号与反相信号两者中的噪声在前置放大器314输入处被减少或者消除。在前置放大器输入处的电源电压信号302的噪声分量的该减少或者消除导致对于麦克风系统300的较高PSRR。

在其它实施例中，能够以其它方式生成用来匹配3D寄生电容所需要的相等的耦合电容。另一种方法是给在管芯上的反相放大器的输出定线路使得它创建匹配电压馈送信号的寄生电容的电容。附加地，替代反相放大器或者与反相放大器组合，耦合电容器能够被调整以改变反相信号的幅度。

在图3中的示意图图解允许PSRR在最终设备测试时被调整的一个实施例的架构。应该理解的是在其它构造中PSRR能够在制造后被调整。在这样的实施例中，微处理器和存储器模块能够例如在设备的每次加电时短暂地（episodically）执行增益修整调整。

在一个实施例中，使用晶体管电平开关手动调整增益修整模块306。图4图解关于这样的方法400。测试者（自动测试系统或用户）将增益修整模块306设置为最低增益设置（步骤402）。测试者然后用外部设备测量PSRR（步骤404）。只要存在更高的可用增益设置（步骤406），则测试者继续将增益设置调整为下一个最高增益设置（步骤408）同时测量在每个增益设置处的PSRR（步骤404）。当针对每个增益设置的PSRR值已经被测量410时，测试者将增益修整模块设置为与最高测量的PSRR值相关联的增益值（步骤410）。

将确定对于麦克风中的最大PSRR所需要的增益设置的参数将通常不随时间明显改变。因此，在最终设备测试期间执行一次该测试可以是足够的。在其中仅执行一次校准的实施例中，通过在麦克风系统之内的晶体管电平开关来设置增益设置。

图5图解用于使用图4的方法增加对于一系列麦克风封装（HAC22、HAC26、HAC35、HAC42、HAC46、HAC53、HAC54、HAC62、HAC66）的修整增益设置的PSRR值的示例。在垂直轴上，以分贝显示PSRR中的改变。在水平轴上，从最低到最高显示针对反相放大器304的增益修整码。增益修整码表示针对晶体管电平开关的连续步骤，其中每个数字表示针对反相放大器304的增益中的增加。在曲线图的主体中的曲线均表示针对不同麦克风设计的特性曲线。这些曲线在没有任何噪声消除的情况下被标准化为零PSRR值。在曲线图的底部的平坦线示出不使用在图3中的系统的噪声消除的麦克风。

对于麦克风设备中的每个，识别实现PSRR中的最高改变的单个增益设置。对于HAC66，最优增益设置是4。对于HAC35，最优增益设置是6。对于在图5中图解的所有其它麦克风系统，用于提供最佳电源噪声消除的最优增益设置是增益设置5。

因此，除了其它许多东西之外，本发明提供一种能够改进电源噪声消除的麦克风系统和一种调整这样的麦克风系统的反相放大器的增益设置以实现最优电源噪声抑制设置的方法。在所附权利要求中阐述各种特征和优点。

Claims (16)

1.一种麦克风系统，包括：

MEMS麦克风封装，包括：

麦克风组件，

前置放大器，被连接到所述麦克风组件并且被配置成从所述麦克风组件接收输出信号，

第一节点和第二节点，所述第一节点和所述第二节点具有相对于所述前置放大器相等的3D寄生电容，使得从电源生成的任何噪声遭遇与反相放大器输出到前置放大器输入相等的到前置放大器输入的传递函数，

电源，在所述MEMS麦克风封装外部并且被连接到所述第一节点以向所述MEMS麦克风封装提供偏压信号；

反相放大器，在所述MEMS麦克风封装内被连接在所述电源与所述第二节点之间，所述反相放大器向所述MEMS麦克风封装提供反相电压信号；以及

求和节点，位于所述MEMS麦克风封装内并且被连接到所述第一节点和所述第二节点两者使得在所述求和节点上的噪声被在所述反相电压信号上的噪声减少或者消除。

2.如权利要求1的麦克风系统，其中所述反相放大器包括可调整增益反相放大器。

3.如权利要求2的麦克风系统，进一步包括一个或者多个电平开关，其中使用所述一个或者多个电平开关手动调整所述反相放大器的增益。

4.如权利要求2的麦克风系统，进一步包括被配置成向所述反相放大器供应增益设置的增益修整模块。

5.如权利要求2的麦克风系统，进一步包括微处理器，所述微处理器被配置成：

将所述反相放大器设置为第一增益设置，

确定在所述第一增益设置处的电源抑制比，

将所述反相放大器的增益调整为第二增益设置，

确定在所述第二增益设置处的电源抑制比，

将在所述第一增益设置处的电源抑制比与在所述第二增益设置处的电源抑制比相比较；

当在所述第一增益设置处的电源抑制比大于在所述第二增益设置处的电源抑制比时，以所述第一增益设置操作所述麦克风系统。

6.如权利要求2的麦克风系统，进一步包括：

微处理器和非暂时性计算机可读存储器模块，被配置成：

确定在多个增益设置中的每个处的电源抑制比，并且被配置成基于在每个增益设置处的确定的电源抑制比来识别最优增益设置。

7.如权利要求1的麦克风系统，其中所述第一节点和所述第二节点是对于焊料接点的外部焊盘连接。

8.一种用于偏置MEMS麦克风的方法，包括以下步骤：

构造包括麦克风组件、前置放大器、第一节点和第二节点的MEMS麦克风封装，所述第一节点和所述第二节点具有相对于所述前置放大器相等的3D寄生电容，使得在所述第二节点上生成的噪声是在所述第一节点上生成的噪声的反相；

连接在所述MEMS麦克风封装外部的电源使得所述电源向MEMS麦克风提供偏压信号；

连接在所述电源与所述第二节点之间的反相放大器使得所述反相放大器向所述第二节点供应反相电压信号；

经由电容耦合将所述第一节点和所述第二节点连接到求和节点，所述求和节点位于所述MEMS麦克风封装内并且被连接使得在所述求和节点上的噪声被来自所述第一节点和来自所述第二节点的噪声的组合减少或者消除。

9.如权利要求8的方法，进一步包括调整所述反相放大器的增益的步骤。

10.如权利要求9的方法，其中，使用一个或者多个电平开关手动调整该调整所述反相放大器的增益的步骤。

11.如权利要求9的方法，进一步包括以下步骤：

将可调整增益修整模块连接到所述反相放大器。

12.如权利要求11的方法，进一步包括以下步骤：

将微处理器和非暂时性计算机可读存储器模块连接到所述可调整增益修整模块使得所述微处理器控制所述反相放大器的增益。

13.如权利要求12的方法，其中所述微处理器遵循以下步骤：

将所述反相放大器设置为第一增益设置；

确定在所述第一增益设置处的电源抑制比；

将所述反相放大器的增益调整为第二增益设置；

确定在所述第二增益设置处的电源抑制比；

将在所述第一增益设置处的电源抑制比与在所述第二增益设置处的电源抑制比相比较；

当在所述第一增益设置处的电源抑制比大于在所述第二增益设置处的电源抑制比时，以所述第一增益设置操作麦克风系统。

14.如权利要求12的方法，进一步包括以下步骤：

确定在多个增益设置中的每个处的电源抑制比；

通过选择带有最高电源抑制比的增益设置来识别最优增益设置；

以所述最优增益设置操作麦克风系统；以及

将导致所述最高电源抑制定额的所述最优增益设置的值存储在非暂时性计算机可读存储器模块中。

15.如权利要求13的方法，其中确定在各种增益设置处的电源抑制比的步骤包括所述MEMS封装将信号驱动到电压馈送上。

16.如权利要求8的方法，进一步包括调整位于所述第一节点与所述第二节点之间的寄生电容器的电容的步骤。