CN108023573B

CN108023573B - 感测装置

Info

Publication number: CN108023573B
Application number: CN201610970688.5A
Authority: CN
Inventors: 杨思哲; 林文琦; 陈耿男
Original assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Current assignee: Silicon Integrated Systems Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: CN108023573A

Abstract

一种感测装置具有微机电传感器、源极随耦器与放大器；源极随耦器具有第一输出模块；第一输出模块具有第一晶体管与第二晶体管，微机电传感器用以产生输入信号，第一晶体管的第一端用以接收第一参考电压，第一晶体管的第二端电性连接第一输出端，第一晶体管的控制端电性连接第一电流源，第二晶体管的第一端电性连接第一晶体管的第二端，第二晶体管的第二端电性连接第一晶体管的控制端，第二晶体管的控制端用以接收输入信号，放大器的第一输入端电性连接第一输出端，放大器的第二输入端用以接收共模电压。本发明的感测装置中的源极随耦器输出端所电性连接的放大器不需要使用太大的电阻，得以降低放大器的输出信号的噪声。

Description

感测装置

技术领域

本发明涉及一种感测装置，尤其涉及一种具有微机电传感器的感测装置。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是一种将微电子技术与机械工程融合的一种工业技术。微机电系统的大小一般在微米(micrometer，μm)到毫米(micrometer，mm)之间。微机电系统一般是由类似于生产半导体的技术制造而成。其中，包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻与电火花加工等等。

在微机电系统所处的尺寸范围中，日常的物理经验往往不再适用。举例来说，由于微机电系统的面积对体积的比例比一般日常生活中的机械系统要小得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等来的更重要。换句话说，由于尺寸比例导致的物理特性，使得微机电系统的后端电路需要更重视其噪声的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种感测装置，由此降低输出信号中的噪声。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种感测装置，所述的感测装置包括微机电传感器、源极随耦器与放大器；源极随耦器包括第一输出模块；第一输出模块包括第一晶体管与第二晶体管，微机电传感器用以依据环境变化产生输入信号；第一晶体管的第一端用以接收第一参考电压，第一晶体管的第二端电性连接第一输出端，第一晶体管的控制端电性连接第一电流源，第二晶体管的第一端电性连接第一晶体管的第二端，第二晶体管的第二端电性连接第一晶体管的控制端，第二晶体管的控制端用以接收输入信号，第二晶体管与第一晶体管同为P型晶体管或同为N型晶体管；放大器的第一输入端电性连接第一输出端，放大器的第二输入端用以接收共模电压，放大器的输出端关联于第一输出端的电压电平与共模电压的差值。

更好地，该第一输出模块更包括一第一偏压单元，其电性连接于该第二晶体管的控制端与一第二参考电压之间。

更好地，该第一偏压单元包括一第一二极管与一第二二极管，该第一二极管的阳极端与该第二二极管的阴极端电性连接该第二晶体管的控制端，该第一二极管的阴极端电性连接该第二二极管的阳极端，且该第一二极管的阴极端与该第二二极管的阳极端用以接收该第二参考电压。

更好地，该第一二极管与该第二二极管为多晶硅二极管。

更好地，该源极随耦器更包括一第二输出模块，该第二输出模块包括：

一第三晶体管，其具有一第一端用以接收该第一参考电压，且该第三晶体管具有一第二端电性连接一第二输出端，该第三晶体管的控制端电性连接一第二电流源；以及

一第四晶体管，其具一第一端电性连接该第三晶体管的第二端，该第四晶体管的第二端电性连接该第三晶体管的控制端，该第四晶体管的控制端用以接收一第二参考电压；

其中，该第二输出模块用以经由该第二输出端提供该共模电压，对应于该第一晶体管与第二晶体管，该第三晶体管与第四晶体管同为N型晶体管或P型晶体管。

更好地，该第一电流源的输出电流大小与该第二电流源的输出电流大小相同。

更好地，该第一输出模块更包括一第一偏压单元，且该第二输出模块更包括一第二偏压单元，该第一偏压单元电性连接于该第二晶体管的控制端与该第二参考电压之间，该第二偏压单元电性连接于该第四晶体管的控制端与该第二参考电压之间。

更好地，该第一偏压单元包括一第一二极管与一第二二极管，该第二偏压单元包括一第三二极管与一第四二极管，该第一二极管的阳极端与该第二二极管的阴极端电性连接该第二晶体管的控制端，该第一二极管的阴极端电性连接该第二二极管的阳极端，且该第一二极管的阴极端与该第二二极管的阳极端用以接收该第二参考电压，该第三二极管的阳极端与该第四二极管的阴极端电性连接该第四晶体管的控制端，该第三二极管的阴极端电性连接该第四二极管的阳极端，且该第三二极管的阴极端与该第四二极管的阳极端用以接收该第二参考电压。

更好地，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管与该第四二极管为多晶硅二极管。

综合以上所述，本发明提供了一种感测装置，感测装置具有源极随耦器。所述的源极随耦器中各元件的连接方式使得源极随耦器具有相当小的输出阻抗，从而使源极随耦器输出端所电性连接的放大器不需要使用太大的电阻，因此得以降低放大器的输出信号的噪声。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求保护范围更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例的感测装置的功能方块图；

图2为本发明另一实施例的感测装置的功能方块图；

图3为本发明一实施例源极随耦器的电路示意图；

图4为本发明另一实施例源极随耦器的电路示意图；

图5为本发明更一实施例源极随耦器的电路示意图；

图6为本发明再一实施例源极随耦器的电路示意图；

图7为本发明一实施例放大器的电路示意图。

【附图标记说明】

1、1’ 感测装置

12、12’ 微机电传感器

14、14’、14a、14b、14c、14d 源极随耦器

142a～142d 第一输出模块

1422a、1424a、1422b、1424b、1422c、1424c、1442a、1444a、1442b、1444b、1442c、1444c 晶体管

144b～144d 第二输出模块

1426c、1426d、1446d 偏压单元

16、16’ 放大器

162 运算放大器

164、166 电阻

18’ 电能模块

181’ 带隙基准电路

183’ 电荷泵

185’ 偏压产生电路

N1、N2、NOUT 输出端

NIN1、NIN2 输入端

CS1、CS2 电流源

D1、D2、D3、D4 二极管

VCM 共模电压

VIN 输入信号

VINSF 随耦信号

VDD 参考电压

VOUT 输出信号

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所记载的内容、权利要求保护范围及附图，任何本领域普通技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

图1为本发明一实施例的感测装置的功能方块图。如图1所示，感测装置1具有微机电传感器12、源极随耦器14与放大器16。微机电传感器12用以环境变化产生输入信号VIN。源极随耦器14用以调整放大器16的前端电路提供给放大器16的等效输出阻抗，且源极随耦器14用以依据输入信号VIN产生随耦信号VINSF。而放大器16用以放大随耦信号VINSF以产生输出信号VOUT。其中，微机电传感器12例如可用以侦测声音、速度、温度或压力等环境变化，并据以产生输入信号VIN。上述仅为举例示范，然实际上并不以此为限。

当微机电传感器12用以侦测不同的环境变化时，感测装置还可以具有其他的功能模块。以下举感测装置1做为微机电麦克风时的架构进行介绍，请一并参照图2以说明，图2为本发明另一实施例感测装置的功能方块图。如图2所示，感测装置1’更具有电能模块18’。电能模块18’具有带隙基准电路181’(bandgap)、电荷泵183’(charge pump)与偏压产生电路185’(bias voltage generator)。带隙基准电路181’分别电性连接电荷泵183’与偏压产生电路185’。电荷泵183’电性连接微机电传感器12’，偏压产生电路185’电性连接源极随耦器14’与放大器16’。带隙基准电路181’用以提供一相对精准的系统参考电压给电荷泵183’与偏压产生电路185’。电荷泵183’用以依据此系统参考电压产生高压给微机电传感器12’，偏压产生电路185’用以依据此系统参考电压提供电流给源极随耦器14’与放大器16’。带隙基准电路181’、电荷泵183’与偏压产生电路185’的相关细节为本领域普通技术人员经详阅本说明书后可以依实际所需自由设计，于此并不多加赘述。

请接着参照图3以说明本发明所提供的感测装置中的源极随耦器，图3为本发明一实施例源极随耦器的电路示意图。如图3所示，源极随耦器14a具有第一输出模块142a。第一输出模块142a具有第一晶体管1422a与第二晶体管1424a。第一晶体管1422a的第一端用以接收第一参考电压VDD。第一晶体管1422a的第二端电性连接第一输出端N1。第一晶体管1422a的控制端电性连接第一电流源CS1。第二晶体管1424a的第一端电性连接第一晶体管1422a的第二端。第二晶体管1424a的第二端电性连接第一晶体管1422a的控制端。第二晶体管1424a的控制端用以接收输入信号VIN。源极随耦器14a的第一输出模块142a用以经由第一输出端N1提供随耦信号VINSF给后端电路进行处理。

其中，第一参考电压VDD例如为系统中的相对高电压电平。第一电流源CS1为一定电流源，在此并不限制第一电流源CS1的实做架构。在此实施例中，第二晶体管1424a与第一晶体管1422a同为P型晶体管或同为N型晶体管，但于实务上并不以此为限。借着这样的电路架构，本发明所提供的感测装置中的源极随耦器的输出阻抗得以大幅地下降。就电路特性来说，以往的源极随耦器的输出阻抗通常会大于100K欧姆(Ohm，Ω)，而图3中的源极随耦器的输出阻抗则小于1K欧姆。

请参照图4以说明本发明所提供的感测装置中的源极随耦器，图4为本发明另一实施例源极随耦器的电路示意图。相较于图3所示的实施例，在图4所示的实施例中，源极随耦器14b更包括第二输出模块144b。第二输出模块144b具有第三晶体管1442b与第四晶体管1444b。第三晶体管1442b的第一端用以接收第一参考电压VDD，第三晶体管1442b的第二端电性连接第二输出端N2。第三晶体管1442b的控制端电性连接第二电流源CS2。第四晶体管1444b的第一端电性连接第三晶体管1442b的第二端。第四晶体管1444b的第二端电性连接第三晶体管1442b的控制端。第四晶体管1444b的控制端用以接收第二参考电压。在此实施例中，第二参考电压例如为接地电压。

第二输出模块144b用以经由第二输出端N2提供共模电压VCM，以供后端电路依此消除共模偏压或其他运算。在此实施例中，对应于第一晶体管1422b与第二晶体管1424b，第三晶体管1442b与第四晶体管1444b同为N型晶体管或P型晶体管。另一方面，第二电流源CS2为一定电流源，在此并不限制第二电流源CS2的实做架构。而在此实施例中，第一电流源CS1的输出电流大小与第二电流源CS2的输出电流大小相同。

请再接着参照图5，图5为本发明更一实施例源极随耦器的电路示意图。在图5的实施例中，源极随耦器14c的第一输出模块1更包括一第一偏压单元1426c。第一偏压单元1426c电性连接于第二晶体管1424c的控制端与第二参考电压之间。第二参考电压例如为接地电压，但不以此为限。在此实施例中，第一偏压单元1426c包括第一二极管D1与第二二极管D2。第一二极管D1的阳极端与第二二极管D2的阴极端电性连接第二晶体管1424c的控制端。第一二极管D1的阴极端电性连接第二二极管D2的阳极端。且第一二极管D1的阴极端与第二二极管D2的阳极端用以接收第二参考电压。从另一个角度来说，第一偏压单元1426c为一高阻抗串联偏压至第二参考电压(high impedance in serious with the referencevoltage)，第二参考电压例如为接地电压。其中第一二极管D1与第二二极管D2为多晶硅二极管(polo-silicon diode)。

请再参照图6，图6为本发明再一实施例源极随耦器的电路示意图。在图6所示的实施例中，源极随耦器14d的第二输出模块144d更包括第二偏压单元1446d。第二偏压单元1446d电性连接于第四晶体管1444d的控制端与第二参考电压之间。在此实施例中，第二偏压单元144c包括第三二极管D3与第四二极管D4。相仿地，第三二极管D3的阳极端与第四二极管D4的阴极端电性连接第四晶体管1444c的控制端。第三二极管D3的阴极端电性连接第四二极管D4的阳极端。且第三二极管D3的阴极端与第四二极管D4的阳极端用以接收第二参考电压。对应于第一二极管D1与第二二极管D2，第三二极管D3与第四二极管D4为多晶硅二极管。

其中，以图1所示的实施例来说，放大器16常常是以运算放大器(OperationalAmplifier，OP)辅以至少一电阻连接成非反向放大器的架构。请参照图7以说明放大器可能的实施形态，图7为本发明一实施例放大器的电路示意图。放大器16的第一输入端NIN1电性连接源极随耦器14的第一输出端N1，以接收得随耦信号VINSF。放大器16的第二输入端NIN2用以接收共模电压VCM。所述的共模电压例如可由前述源极随耦器的第二输出模块接收得。放大器16的输出端的电压电平关联于随耦信号VINSF的电压电平与共模电压VCM的差值。

更详细地来说，放大器16具有运算放大器162与电阻164、166。电阻164电性连接于运算放大器162的反向输入端与第二输入端NIN2之间。电阻166电性连接于运算放大器162的反向输入端与放大器16的输出端NOUT之间。依据这样的架构，放大器16中的电阻阻值对应于源极随耦器14的输出阻抗而被设定。因此，当源极随耦器14的输出阻抗越大，放大器16中的电阻164、166的阻值也须随的匹配而提高。由于电阻164、166所产生的热噪声关联于其阻值，因此当电阻164、166提高时，其所产生的热噪声大小或者说是噪声功率也会跟着变大。依据放大器16的电路结构不同，放大器16输出信号中的噪声成份会对应其电路结构而有所不同。而在图6所示的实施例中，当提高了电阻164、166的阻值时，也相当于提高了放大器16输出信号中的噪声功率。相关模型推导为本领域普通技术人员可自行推知，在此不予赘述。而本发明前述实施例中的源极随耦器的输出阻抗远较公知技术的源极随耦器的输出阻抗小，换句话说，放大器16中的电阻164、166也得以具有小的阻值。

综合以上所述，本发明提供了一种感测装置，感测装置具有微机电传感器、源极随耦器与放大器，源极随耦器电性连接放大器。因此，放大器的输入阻抗与源极随耦器的输出阻抗相互匹配。以往的源极随耦器具有相对较高的输出阻抗使得放大器也必须具有较大的输入阻抗，使得放大器的输出噪声也因此提升。在本发明所提供的感测装置中，源极随耦器中各元件的连接方式使得本发明所提供的源极随耦器具有具有相当小的输出阻抗，从而使源极随耦器输出端所电性连接的放大器不需要使用太大的电阻，因此得以降低放大器的输出信号的噪声。

Claims

1.一种感测装置，其特征在于，包括：

一微机电传感器，用以依据环境变化产生一输入信号；

一源极随耦器，其包括一第一输出模块，该第一输出模块包括：

一第一晶体管，其具有一第一端用以接收一第一参考电压，且该第一晶体管具有一第二端电性连接一第一输出端，该第一晶体管的控制端电性连接一第一电流源；以及

一第二晶体管，其具有一第一端电性连接该第一晶体管的第二端，且该第二晶体管具一第二端电性连接该第一晶体管的控制端，该第二晶体管的控制端用以接收该输入信号，该第二晶体管与该第一晶体管同为P型晶体管或同为N型晶体管；以及

一放大器，其具有一第一输入端电性连接该第一输出端，且该放大器具一第二输入端用以接收一共模电压，该放大器的输出端关联于该第一输出端的电压电平与该共模电压的差值，

其中该源极随耦器更包括一第二输出模块，该第二输出模块包括：

2.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于，该第一输出模块更包括一第一偏压单元，其电性连接于该第二晶体管的控制端与该第二参考电压之间。

3.如权利要求2所述的感测装置，其特征在于，该第一偏压单元包括一第一二极管与一第二二极管，该第一二极管的阳极端与该第二二极管的阴极端电性连接该第二晶体管的控制端，该第一二极管的阴极端电性连接该第二二极管的阳极端，且该第一二极管的阴极端与该第二二极管的阳极端用以接收该第二参考电压。

4.如权利要求3所述的感测装置，其特征在于，该第一二极管与该第二二极管为多晶硅二极管。

5.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于，该第一电流源的输出电流大小与该第二电流源的输出电流大小相同。

6.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于，该第一输出模块更包括一第一偏压单元，且该第二输出模块更包括一第二偏压单元，该第一偏压单元电性连接于该第二晶体管的控制端与该第二参考电压之间，该第二偏压单元电性连接于该第四晶体管的控制端与该第二参考电压之间。

7.如权利要求6所述的感测装置，其特征在于，该第一偏压单元包括一第一二极管与一第二二极管，该第二偏压单元包括一第三二极管与一第四二极管，该第一二极管的阳极端与该第二二极管的阴极端电性连接该第二晶体管的控制端，该第一二极管的阴极端电性连接该第二二极管的阳极端，且该第一二极管的阴极端与该第二二极管的阳极端用以接收该第二参考电压，该第三二极管的阳极端与该第四二极管的阴极端电性连接该第四晶体管的控制端，该第三二极管的阴极端电性连接该第四二极管的阳极端，且该第三二极管的阴极端与该第四二极管的阳极端用以接收该第二参考电压。

8.如权利要求7所述的感测装置，其特征在于，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管与该第四二极管为多晶硅二极管。