CN108156565A - 传感装置 - Google Patents

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Abstract

一种传感装置包括微机电传感器与可调放大器；微机电传感器用以依据环境变化产生输入信号，可调放大器具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端与第一输出端，第一输入端电性连接微机电传感器，以接收输入信号，第二输入端电性连接第一信号端，以接收第一共模信号，第三输入端电性连接第一输出端，第四输入端电性连接第二信号端；其中，可调放大器于第一输出端的第一输出信号的电位关联于输入信号、第一信号端与第二信号端的电位。本发明的传感装置，借助于将微机电传感器直接耦接可调放大器，通过高阻抗输入的可调放大器作为微机电传感器的输入接口，达到减少电流的效果，并节省电路(源极跟随器)的占用，以提升电路可利用的面积。

Description

传感装置
技术领域
本发明涉及一种传感装置，尤其涉及一种应用于微机电的传感装置。
背景技术
随着科技的发展以及人们对视听娱乐的重视，使得数字麦克风的应用越来越普及。无论是在公领域的场合(例如公司会议、公开展场)，或是私人领域的场合(例如个人视听室)，都少不了数字麦克风的使用。一般来说，数字麦克风的内部电路通常具有微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)与一个特定用途集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)。通过微机电(MEMS)装置取得电气信号之后，该特定用途集成电路(ASIC)中所包括的源极跟随器(Source Follower)、可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier，PGA)与模拟数字转换器(Analog to Digitalconverter，ADC)等电子元件，会针对此电气信号进行后续的处理或缓冲，进一步转换成数字信号，以达到高信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)。然而，此种电路架构(具有源极跟随器、可编程增益放大器与模拟数字转换器)，会消耗许多的电流且造成电路空间上的占用。
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传感装置，借助于将微机电传感器直接耦接可调放大器，以达到减少电流且节省电路占用的面积。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种传感装置，包括：微机电传感器与可调放大器；微机电传感器用以依据环境变化产生输入信号，可调放大器具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端与第一输出端，可调放大器的第一输入端电性连接微机电传感器，以接收输入信号，第二输入端电性连接第一信号端，以接收第一共模信号，第三输入端电性连接第一输出端，第四输入端电性连接一第二信号端；其中，可调放大器于第一输出端的第一输出信号的电位关联于输入信号、第一信号端与第二信号端的电位。
更好地，更包括一第一电阻器，该第一电阻器包括：一第一电阻，该第一电阻的第一端电性连接一第三信号端，该第三信号端提供一第三共模信号，该第一电阻的第二端电性连接该第三输入端；以及一第二电阻，该第二电阻的第一端电性连接该第三输入端，该第二电阻的第二端电性连接该第一输出端。
更好地，该可调放大器更具有一第二输出端，且该传感装置更包括一第二电阻器，该第二电阻器包括：一第三电阻，该第三电阻的第一端电性连接该第二信号端，该三电阻的第二端电性连接该第四输入端；以及一第四电阻，该第四电阻的第一端电性连接该第四输入端，该第四电阻的第二端电性连接该第二输出端。
更好地，该可调放大器包括：一主动负载模块，具有一第一负载端与一第二负载端；一第一差动对，具有一第一差动输入端、一第二差动输入端、一第一差动输出端、一第二差动输出端与一第一电源端，该第一差动输入端接收来自该第一输入端的该输入信号，该第二差动输入端接收来自该第二输入端的该第一共模信号，该第一差动输出端电性连接该第二负载端，该第二差动输出端电性连接该第一负载端；一第二差动对，具有一第三差动输入端、一第四差动输入端、一第三差动输出端、一第四差动输出端与一第二电源端，该第三差动输入端电性连接该第一输出端，该第四差动输入端接收来自该第四输入端的一第二共模信号，该第三差动输出端电性连接该第一负载端，该第四差动输入端电性连接该第二负载端；以及一电源模块，电性连接该第一电源端与该第二电源端，该电源模块用以经由该第一电源端提供一第一电流给该第一差动对，该电源模块用以经由该第二电源端提供一第二电流给该第二差动对；其中，该电源模块用以调整该第一电流或该第二电流至少其中之一。
更好地，该第一差动对包括：一第一晶体管，该第一晶体管的第一端电性连接该第二负载端，该第一晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第一晶体管的主控端接收该输入信号；以及一第二晶体管，该第二晶体管的第一端电性连接该第一负载端，该第二晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第二晶体管的主控端接收该第一共模信号。
更好地，该第二差动对包括：一第三晶体管，该第三晶体管的第一端电性连接该第一负载端，该第三晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第三晶体管的主控端接收该第一输出信号；以及一第四晶体管，该第四晶体管的第一端电性连接该第二负载端，该第四晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第四晶体管的主控端接收该第二共模信号。
更好地，该主动负载模块包括：一第五晶体管，该第五晶体管的第一端用以接收一第一工作电压，该第五晶体管的第二端电性连接该第一负载端，该第五晶体管的主控端电性连接该第一负载端；以及一第六晶体管，该第六晶体管的第一端用以接收该第一工作电压，该第六晶体管的第二端电性连接该第二负载端，该第六晶体管的主控端电性连接该第一负载端。
更好地，更包括：一电荷泵，电性连接该微机电传感器，该电荷泵用以提供一参考电压，使该微机电传感器依据环境变化与该参考电压产生该输入信号；以及一模拟数字转换器，电性连接该可调放大器的该第一输出端，用以将该第一输出信号由模拟形式转换为数字形式。
综合以上所述，本发明提供的传感装置，借助于将微机电(MEMS)传感器直接耦接可调放大器，通过具有高阻抗输入的可调放大器作为微机电传感器的输入接口，从而达到减少电流的效果，并节省电路(源极跟随器)的占用，以提升电路可利用的面积。
以上关于本发明记载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传感装置的功能方块图；
图2为本发明一实施例的传感装置的电路示意图；
图3为本发明另一实施例的传感装置的电路示意图；
图4为本发明另一实施例的传感装置的电路示意图；
图5为本发明一实施例的可调放大器的内部电路架构图；
图6为本发明另一实施例的可调放大器的内部电路架构图。
【附图标记说明】
10：传感装置
102：微机电传感器
104：可调放大器
106：电荷泵
108：模拟数字转换器
110：参考电路
112：偏压产生电路
1：第一输入端
2：第二输入端
3：第三输入端
4：第四输入端
Vcm1：第一信号端
Vcm2：第二信号端
Vcm3：第三信号端
OUT_1：第一输出端
OUT_2：第二输出端
RD_1：第一电阻器
RD_2：第二电阻器
R1：第一电阻
R2：第二电阻
R3：第三电阻
R4：第四电阻
ALM：主动负载模块
PSM：电源模块
OPM_1：第一输出模块
OPM_2：第二输出模块
DP_1：第一差动对
DP_2：第二差动对
LD1：第一负载端
LD2：第二负载端
P1：第一电源端
P2：第二电源端
DO1：第一差动输出端
DO2：第二差动输出端
DI1：第一差动输入端
DI2：第二差动输入端
DO3：第三差动输出端
DO4：第四差动输出端
DI3：第三差动输入端
DI4：第四差动输入端
T1：第一晶体管
T2：第二晶体管
T3：第三晶体管
T4：第四晶体管
T5：第五晶体管
T6：第六晶体管
T7～T23：晶体管
C1、C2：电容
I1：第一电流
I2：第二电流
C_ext：电流源
Ibias：输入电流
VDD：第一工作电压
VSS：第一参考电压
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，其内容足以使本领域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，本领域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传感装置的功能方块图。如图1所示，传感装置10包括微机电传感器102与可调放大器104。微机电传感器102用以依据环境变化产生输入信号，所谓环境变化，指环境中的声音变化。于一个例子中，微机电传感器102由一层较薄且应力较低的多晶硅(或是氮化硅)形成一个振膜，再搭配一个较厚的多晶硅(或是金属层)所形成的背板，两者进而形成一组以空气作为介电层的电容器。利用微机电传感器102中的电容结构，可以将于环境中所侦测到的声压转换成电容变化，且进一步地依据电容变化产生一个电信号，也就是前述的输入信号。
图2为本发明另一实施例的传感装置的电路示意图。如图2所示，可调放大器104具有第一输入端1、第二输入端2、第三输入端3、第四输入端4与第一输出端OUT_1。第一输入端1电性连接微机电传感器102，以接收输入信号。第二输入端2电性连接第一信号端Vcm1，以接收第一共模信号。第三输入端3电性连接第一输出端OUT_1。第四输入端4电性连接第二信号端Vcm2。可调放大器104于第一输出端OUT_1的第一输出信号的电位关联于输入信号、第一信号端Vcm1与第二信号端Vcm2的电位。于此实施例中，第一信号端Vcm1的电位等于第二信号端Vcm2的电位，于本发明的传感装置10中，由于可调放大器104具有高阻抗输入的特性，因此借助于微机电传感器102直接耦接可调放大器104的高阻抗输入端(也就是图2中的第一输入端1)，可以减少电流消耗。再者，于本发明的传感装置10中，由于微机电传感器102与可调放大器104直接耦接，两者之间并未如同现有技术中，需要设置一个源极跟随器，由此可以为电路板节省更多可利用的空间，亦可以达到信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)的效果。
请再次参考图1，于一个例子中，如图1所示，传感装置10更包括电荷泵106与模拟数字转换器108。电荷泵106电性连接微机电传感器102。电荷泵106用以提供参考电压，使微机电传感器得以依据环境变化与参考电压产生输入信号。于一实施例中，微机电传感器依据环境声音的变化与参考电压来产生输入信号。模拟数字转换器108电性连接可调放大器104的第一输出端OUT_1，用以将输出信号由模拟形式转换为数字形式。也就是说，由调放大器104的第一输出端OUT_1所输出的输出信号为模拟形式的信号，通过模拟数字转换器108的运作，可以将模拟形式的输出信号转换成数字形式。而此数字形式的输出信号可以进一步地供给外部电路使用。于一个实际的例子中，传感装置10被应用于数字麦克风。因此，所述的传感装置10更与参考电路110与偏压产生电路112耦接。
请一并参照图1与图3，图3为本发明另一实施例的传感装置的电路示意图。相较于图2的实施例，如图3所示，传感装置10更包括第一电阻器RD_1。第一电阻器RD_1包括第一电阻R1与第二电阻R2。第一电阻R1的第一端电性连接第三信号端Vcm3，第三信号端Vcm3提供第三共模信号。第一电阻R1的第二端电性连接第三输入端3。第二电阻R2的第一端电性连接第三输入端3。第二电阻R2的第二端电性连接第一输出端OUT_1。于实务上，第一电阻器RD_1用来调整第一输出信号。具体来说，可以借助于调整第一电阻器RD_1中的第一电阻R1与第二电阻R2的电阻值，进而调整第一输出信号的电位大小。于此实施例中，第二信号端Vcm2的电位等于第三信号端Vcm3的电位。
请一并参照图1与图4，图4为本发明另一实施例的传感装置的电路示意图。相较于图3的实施例，如图4所示，该可调放大器更具有第二输出端OUT_2且更包括有第二电阻器RD_2。第二电阻器RD_2包括第三电阻R3与第四电阻R4。第三电阻R3的第一端电性连接第二信号端Vcm2。第三电阻R3的第二端电性连接第四输入端4。第四电阻R4的第一端电性连接第四输入端4。第四电阻R4的第二端电性连接第二输出端OUT_2。第二信号端Vcm2的电位等于第三信号端Vcm3的电位，于图4的实施例中，依据需求，第三输入端3耦接第一电阻R1与第二电阻R2，以及第四输入端4耦接第三电阻R3与第四电阻R4可以用来调节第一输出端OUT_1与第二输出端OUT_2的电位大小。而第一输入端1用来提供一个高阻抗输入给微机电传感器102。如此一来，于微机电传感器102与可调放大器104之间，不需要设置源极跟随器。
图5为本发明一实施例的可调放大器的内部电路架构图，其对应图2的可调放大器104。如图5所示，可调放大器104包括主动负载模块ALM、第一差动对DP_1、第二差动对DP_2与电源模块PSM。主动负载模块ALM具有第一负载端LD1与第二负载端LD2。第一差动对DP_1具有第一差动输入端DI1、第二差动输入端DI2、第一差动输出端DO1、第二差动输出端DO2与第一电源端P1。第一差动输入端DI1接收来自第一输入端1的输入信号。第二差动输入端DI2接收来自第二输入端2的第一共模信号。第一差动输出端DO1电性连接第二负载端LD2。第二差动输出端DO2电性连接第一负载端LD1。于一实施例中，如图5所示，第二差动对DP_2具有第三差动输入端DI3、第四差动输入端DI4、第三差动输出端DO3、第四差动输出端DO4与第二电源端P2。第三差动输入端DI3电性连接第一输出端OUT_1。第四差动输入端接收来自第四输入端4的第二共模信号。第三差动输出端DO3电性连接第一负载端LD1。第四差动输入端电性连接第二负载端LD2。于实务上，第一差动对DP_1与第二差动对DP_2用来放大所接收到的信号。举例来说，当差动对接收到的为差模信号(同振幅但相位相反)，信号电流会倍增。当差动对接收到的为共模信号(同振幅且同相位)时，信号电流会相互抵消，而一般所说的噪声即为所述的共模信号。
电源模块PSM电性连接第一电源端P1、第二电源端P2与第一参考电压Vss。电源模块PSM用以经由第一电源端P1提供第一电流I1给第一差动对DP_1。电源模块PSM用以经由第二电源端P2提供第二电流I2给第二差动对DP_2。其中，电源模块PSM包括晶体管T7～T8与晶体管T11～12，电源模块PSM可用以调整第一电流I1或第二电流I2至少其中之一。而如图5所示，晶体管T14接收电流源C_ext的输入电流Ibias且与晶体管T11形成一电流镜，而晶体管T13则与晶体管T7形成另一电流镜，第一电流I1由此两电流镜映射而产生。而同样地，晶体管T14与晶体管T12形成一电流镜，晶体管T13与晶体管T8形成另一电流镜，第二电流I2由此两电流镜映射而产生。
于一实施例中，第一差动对DP_1包括第一晶体管T1与第二晶体管T2。第一晶体管T1的第一端电性连接第二负载端LD2。第一晶体管T1的第二端电性连接电源模块PSM。第一晶体管T1的主控端接收输入信号。第二晶体管T2的第一端电性连接第一负载端LD1。第二晶体管T2的第二端电性连接电源模块PSM。第二晶体管T2的主控端接收第一共模信号。于一实施例中，第二差动对DP_2包括第三晶体管T3与第四晶体管T4。第三晶体管T3的第一端电性连接第一负载端LD1。第三晶体管T3的第二端电性连接电源模块PSM。第三晶体管T3的主控端接收第一输出信号。第四晶体管T4的第一端电性连接第二负载端LD2。第四晶体管T4的第二端电性连接电源模块PSM。第四晶体管T4的主控端接收第二共模信号。
于一实施例中，主动负载模块ALM包括第五晶体管T5与第六晶体管T6。第五晶体管T5的第一端用以接收第一工作电压VDD。第五晶体管T5的第二端电性连接第一负载端LD1。第五晶体管T5的主控端电性连接第一负载端LD1。第六晶体管T6的第一端用以接收第一工作电压VDD。第六晶体管T6的第二端电性连接第二负载端LD2。第六晶体管T6的主控端电性连接第一负载端LD1。第五晶体管T5与第六晶体管T6。共同形成一个电流镜，一般来说，集成电路中不适合使用电阻作为负载，因此将第五晶体管T5的栅极与漏极连接，使其成为一个主动负载。于实务上，如图5所示，可调放大器104更包括第一输出模块OPM_1。于第一输出模块OPM_1中，晶体管T9的主控端电性连接第二负载端LD2，第一端用以接收第一工作电压VDD。晶体管T10与晶体管16分别与晶体管13形成电流镜。晶体管T15的主控端电性连接晶体管T9的第二端，晶体管T15的第一端以接收第一工作电压VDD，第二端电性连接第一输出端OUT_1。请参照图6，图6为本发明另一实施例的可调放大器的内部电路架构图，其对应图4的可调放大器104。相较于图5，不同之处是于图6的电路架构中，具有两个输出端，也就是第一输出端OUT_1与第二输出端OUT_2。且包括晶体管17～19以及第二输出模块OPM_2。晶体管17分别与晶体管T5与晶体管T6形成电流镜，而第二输出模块OPM_2包括晶体管T20～T23，其连接与作动方式和第一输出模块OPM_1相似，故于此不再赘述，值得注意的是，于图6的电路架构中，具有两个输出端(也就是第一输出端OUT_1与第二输出端OUT_2)，本领域普通技术人员皆知悉图6的电路架构需具有共模反馈电路，因此于图中未示出共模反馈电路。
综合以上所述，于本发明的传感装置，借助于微机电传感器直接地耦接具有高阻抗输入的可调放大器，不必设置源极跟随器来进行电路缓冲，借助于可调放大器的高阻抗输入减少电流消耗，且可以提升电路板上空间的利用，并达到输出高信噪比的信号，以供后续电路利用。

Claims (8)

1.一种传感装置，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；以及
一可调放大器，具有一第一输入端、一第二输入端、一第三输入端、一第四输入端与一第一输出端，该第一输入端电性连接该微机电传感器，以接收该输入信号，该第二输入端电性连接一第一信号端，以接收一第一共模信号，该第三输入端电性连接该第一输出端，该第四输入端电性连接一第二信号端；
其中，该可调放大器于该第一输出端的一第一输出信号的电位关联于该输入信号、该第一信号端与该第二信号端的电位。
2.如权利要求1所述的传感装置，其特征在于，更包括一第一电阻器，该第一电阻器包括：
一第一电阻，该第一电阻的第一端电性连接一第三信号端，该第三信号端提供一第三共模信号，该第一电阻的第二端电性连接该第三输入端；以及
一第二电阻，该第二电阻的第一端电性连接该第三输入端，该第二电阻的第二端电性连接该第一输出端。
3.如权利要求2所述的传感装置，其特征在于，该可调放大器更具有一第二输出端，且该传感装置更包括一第二电阻器，该第二电阻器包括：
一第三电阻，该第三电阻的第一端电性连接该第二信号端，该三电阻的第二端电性连接该第四输入端；以及
一第四电阻，该第四电阻的第一端电性连接该第四输入端，该第四电阻的第二端电性连接该第二输出端。
4.如权利要求1所述的传感装置，其特征在于，该可调放大器包括：
一主动负载模块，具有一第一负载端与一第二负载端；
一第一差动对，具有一第一差动输入端、一第二差动输入端、一第一差动输出端、一第二差动输出端与一第一电源端，该第一差动输入端接收来自该第一输入端的该输入信号，该第二差动输入端接收来自该第二输入端的该第一共模信号，该第一差动输出端电性连接该第二负载端，该第二差动输出端电性连接该第一负载端；
一第二差动对，具有一第三差动输入端、一第四差动输入端、一第三差动输出端、一第四差动输出端与一第二电源端，该第三差动输入端电性连接该第一输出端，该第四差动输入端接收来自该第四输入端的一第二共模信号，该第三差动输出端电性连接该第一负载端，该第四差动输入端电性连接该第二负载端；以及
一电源模块，电性连接该第一电源端与该第二电源端，该电源模块用以经由该第一电源端提供一第一电流给该第一差动对，该电源模块用以经由该第二电源端提供一第二电流给该第二差动对；
其中，该电源模块用以调整该第一电流或该第二电流至少其中之一。
5.如权利要求4所述的传感装置，其特征在于，该第一差动对包括：
一第一晶体管，该第一晶体管的第一端电性连接该第二负载端，该第一晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第一晶体管的主控端接收该输入信号；以及
一第二晶体管，该第二晶体管的第一端电性连接该第一负载端，该第二晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第二晶体管的主控端接收该第一共模信号。
6.如权利要求4所述的传感装置，其特征在于，该第二差动对包括：
一第三晶体管，该第三晶体管的第一端电性连接该第一负载端，该第三晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第三晶体管的主控端接收该第一输出信号；以及
一第四晶体管，该第四晶体管的第一端电性连接该第二负载端，该第四晶体管的第二端电性连接该电源模块，该第四晶体管的主控端接收该第二共模信号。
7.如权利要求4所述的传感装置，其特征在于，该主动负载模块包括：
一第五晶体管，该第五晶体管的第一端用以接收一第一工作电压，该第五晶体管的第二端电性连接该第一负载端，该第五晶体管的主控端电性连接该第一负载端；以及
一第六晶体管，该第六晶体管的第一端用以接收该第一工作电压，该第六晶体管的第二端电性连接该第二负载端，该第六晶体管的主控端电性连接该第一负载端。
8.如权利要求1所述的传感装置，其特征在于，更包括：
一电荷泵，电性连接该微机电传感器，该电荷泵用以提供一参考电压，使该微机电传感器依据环境变化与该参考电压产生该输入信号；以及
一模拟数字转换器，电性连接该可调放大器的该第一输出端，用以将该第一输出信号由模拟形式转换为数字形式。
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