CN110383680A - Mems传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于操作MEMS传感器(特别是MEMS电容式传感器(CMEMS)，诸如麦克风)的方法和装置。放大器装置(300)被布置为放大在感测节点(104)处从所述MEMS电容式传感器接收的输入信号(VINP)。反相信号生成器(201；304)生成与所述输入信号(VINP)反相的第二信号(VINN)，且放大器布置(105；305)被配置为在第一输入处接收所述输入信号(VINP)且在第二输入处接收所述第二信号(VINN)且输出对应的经放大的第一输出信号和第二输出信号。这将单端输入信号有效地转换为差分输入信号。

Description

MEMS传感器
本申请涉及用于操作微机电系统(MEMS)传感器(诸如，MEMS麦克风)的方法和装置，且尤其涉及来自MEMS传感器的信号的读出和放大。
MEMS传感器(诸如，MEMS电容式麦克风)正变得越来越普及，这至少部分地是由于它们的小尺寸。例如，MEMS麦克风可以有效地用在便携式电子设备(诸如，移动电话或平板计算机等)上。语音控制的越来越普及也正导致麦克风被设置在一系列设备上，诸如，被设置在智能手表或其他可穿戴设备上或被设置在其他消费者电子产品上，且MEMS麦克风正有效地用在这些产品上。
MEMS电容式麦克风通常包括一个电极，该电极响应于入射声波而相对于至少一个固定电极可移动，以形成可变电容，通常为大约1pf左右。该可移动的电极可以例如由柔性膜支撑。在使用中，所述电极中的第一电极可以通过相对高的稳定的偏置电压VBIAS(比如，在某些情况下为12V左右)偏置，而第二电极经由非常高的阻抗而被偏置到另一固定电压VREF，通常为地，例如大约10GΩ。入射在电容式换能器上的声波将导致该可移动的电极相对于该固定电极的移位，因此改变这些电极之间的间隔，从而改变电极间电容。由于换能器的第二电极经由非常高的阻抗而被偏置，所以这些电容改变导致信号电压出现在输入端子处。考虑到MEMS传感器的小电容，输入信号是相对小的，从而该信号通过低噪声放大器布置来放大。
这样的MEMS麦克风出现的一个问题是提供足够的动态范围。为了在较低的输入声学信号电平下提供可接受的输出信号电平，要求一定的放大器增益。然而，在较高的声学信号电平下，这可能导致过载，在过载的情况下，所得到的相对大的输入信号量级超过输入和/或输出处的放大器的线性范围且引入失真。在大多数情况下，可以被放大的最大信号电平受功率供应电压减去净空(headroom)的限制。
解决此问题的一种方法是使用压缩，在压缩的情况下，系统参数被调整以基于对信号幅度的指示来有效地降低传感器的灵敏度，例如可以减小供应至第一电极的偏置电压。然而，这增加了复杂性且导致在操作范围内的可变灵敏度。
因此，本公开内容的实施方案涉及用于MEMS传感器的方法和装置，所述方法和装置至少减轻了上文所提及的问题中的至少一些。
因此，根据一方面，提供了一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：
一个感测节点，用于接收所述输入信号；
一个反相信号生成器，用于生成与所述输入信号反相的第二信号；以及
一个放大器布置，所述放大器布置被配置为在第一输入处接收所述输入信号和在第二输入处接收第二信号，且输出对应的第一输出信号和第二输出信号。
所述放大器装置还可以包括偏置电路系统，用于在偏置节点处生成偏置电压，所述偏置电压用于偏置所述MEMS电容式传感器。在一些实施方案中，所述放大器装置被配置为使得用基于所述第二信号的调制信号来调制所述偏置节点处的偏置电压。在一些实施方案中，存在一个反馈路径，用于将所述第二信号或所述第二输出信号反馈至所述偏置节点。所述反馈路径可以包括一个偏置电容器。
在一些实施方案中，所述反相信号生成器基于所述第一输出信号和第二输出信号的共模电压生成所述第二信号。所述反相信号生成器可以包括一个反馈放大器，所述反馈放大器被配置为接收共模参考电压和指示所述第一输出信号和第二输出信号的共模电压的共模信号，以及驱动所述放大器布置的第二输入处的所述第二信号，从而保持所述第一输出信号和第二输出信号的共模电压等于所述共模参考电压。可以存在第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻串联连接在用所述第一输出信号驱动的第一输出节点和用所述第二输出信号驱动的第二输出节点之间，其中所述共模信号是从所述第一电阻和第二电阻的中点导出的。共模参考生成器可以基于输入参考电压生成所述共模参考电压。所述共模参考生成器可以包括一个晶体管，所述晶体管是所述放大器布置的输入晶体管的缩放复制品。
在一些实施方式中，所述反相信号生成器可以包括一个倒相放大器，该倒相放大器被配置为从所述感测节点接收所述输入信号。
所述放大器布置可以包括用于放大所述输入信号的第一单端放大器。在一些实施方式中，还可以存在用于放大所述第二信号的第二单端放大器。所述第一单端放大器和第二单端放大器(如果存在的话)中的每个可以包括一个源极跟随器或超级源极跟随器放大器，所述超级源极跟随器放大器具有用于驱动相应的第一输出信号或第二输出信号的AB类驱动器。第一放大器可以包括一个输入晶体管和一个自举电路，所述输入晶体管具有连接至所述感测节点的栅极端子，所述自举电路用于驱动所述输入晶体管的漏极端子与所述第一输出信号同相。
在一些情况下，输入旁路开关可以将所述放大器布置的所述第一输入连接至所述第二输入。箝位控制器可以选择性地控制所述输入旁路开关，以将所述输入信号箝位在一个限定的电压范围内。所述箝位控制器可以被配置为对照一个输入信号箝位限制来监控所述输入信号和/或对照一个输出信号箝位限制来监控所述第一输出信号和第二输出信号中的至少一个。所述装置可以被配置为响应于启动控制信号来闭合所述输入旁路开关。
所述偏置电路系统包括用于输出所述偏置电压的电压源以及位于所述电压源与所述偏置节点之间的电阻。偏置旁路开关可以提供一个旁路路径，所述旁路路径将位于所述电压源和所述偏置节点之间的电阻旁路。所述偏置旁路开关可以包括至少一个PMOS晶体管。所述电压源可以被配置为生成控制电压，所述控制电压高于所述偏置电压，其中所述偏置电路系统被配置为使得在正常操作中所述控制电压被施加至所述偏置旁路开关的栅极端子。
多个实施方案涉及一种具有耦合至所述感测节点的MEMS电容式传感器的装置。在一些实施方式中，所述MEMS电容式换能器与所述放大器布置集成在集成电路中。所述MEMS电容式传感器可以是MEMS麦克风。
多个方面涉及一种电子设备，包括如上文变体中的任何一个中所描述的放大器布置。所述设备可以是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；通信设备；移动电话；计算设备；平板计算机、膝上型计算机或笔记本计算机；可穿戴设备；语音控制设备。
在另一方面，提供了一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：
一个放大器布置，所述放大器布置具有第一输入和第二输入；
其中所述第一输入被配置为接收所述输入信号，且所述第二输入被配置为接收与所述输入信号反相的第二信号；
一个信号生成器，用于生成所述第二输入处的所述第二信号；以及一个偏置源，用于用偏置电压偏置所述MEMS电容式传感器；
其中基于所述第二信号调制所述偏置电压。
又一方面提供了一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器布置，包括：
第一单端输入放大器，所述第一单端输入放大器被配置为接收且放大所述输入信号作为第一输出信号；
第二单端输入放大器，所述第二单端输入放大器被配置为接收且放大第二信号作为第二输出信号；
其中所述第二信号由所述放大器布置生成为与所述第一信号反相；以及
一个调制器，用于基于所述第二信号调制施加至所述MEMS电容式传感器的偏置电压。
为了解释本公开内容的多个方面，现在将仅通过实施例的方式参考附图描述多个实施方案，其中：
图1例示了MEMS传感器布置的一个实施例；
图2例示了根据一个实施方案的MEMS传感器布置；
图3a和图3b例示了根据其他实施方案的MEMS传感器布置；
图4更详细地例示了图3a的实施例；
图5a、图5b和图5c例示了不具有自举和具有自举的多个LNA实施方式的实施例；
图6例示了用于生成共模参考的一个实施例；
图7例示了具有电压箝位的放大器布置；
图8a和图8b例示了偏置电路系统的实施例；以及
图9例示了具有增益的放大器布置。
图1例示了用于操作MEMS电容式传感器(诸如，MEMS麦克风)的MEMS传感器布置100的一个实施例。该MEMS麦克风被例示为可变电容CMEMS。MEMS传感器CMEMS的第一电极或板通过来自电压源101的偏置电压VBIAS偏置。电压源101可以例如是电荷泵，该电荷泵可以将输入电压升高至所限定的偏置电压VBIAS。偏置电压VBIAS可以经由包括电阻102(例如，包括多晶硅二极管)和偏置电容器CBIAS的滤波器布置而被施加至第一电极，以为换能器提供稳定的偏置电压。
MEMS电容式换能器CMEMS的第二板或电极经由高阻抗元件103而被耦合至参考电压VREF，该高阻抗元件103可以例如是大约千兆欧姆左右。高阻抗元件103可以例如包括多晶硅二极管或类似物。
MEMS传感器CMEMS的电容通常仅是大约1pf左右，因此在连接至第二板的感测节点104处所接收的感测信号要求本地缓冲/放大。因此，可以布置电压放大器105以生成经缓冲的电压输出。放大器105可以呈现高输入阻抗，因此MEMS电容上的电荷保持恒定。连接至第二板的感测节点104处的电压因此与该电容成反比例地变化，该电容本身与板间距成反比例，因此总体上检测到的电压VIN依赖于MEMS电容式传感器CMEMS的板的移位。压力波导致MEMS电容式传感器CMEMS的板的移位，该移位导致电压变化VSIG，该电压变化VSIG被检测为来自感测节点且通过放大器105放大的输入电压VIN。
在图1中例示的实施例中，放大器105被配置为提供差分输出信号，即，VOUTP和VOUTN的输出，VOUTP和VOUTN彼此相反地变化，以提供随着输入信号VIN变化的差分电压。放大器105因此还接收电压参考VREF。提供差分输出信号可以通过增加MEMS传感器布置的功率供应抑制比(power-supply-rejection-ratio，PSRR)来改善噪声性能。差分输出具有益处，因为最大差分输出信号是2×Vdd减去净空。然而，与单端输入、单端输出LNA相比，在此实施例中存在由额外的输入设备导致的噪声损失。
在图1中例示的布置中，可以被线性地放大的最大输入信号受放大器105的输入范围(例如，功率供应电压VDD减去足够的净空)限制。越来越多地要求麦克风能够在嘈杂的环境或具有大低频分量(诸如，风噪声)的环境中操作而不失真，因此通常期望通过能够在无削波(clipping)的情况下应对高输入声压级来改善麦克风布置的线性操作范围，即，改善过载性能。
可以通过增加供应电压来增加放大器的操作范围，但是这将增加功率消耗，功率消耗是不期望的，尤其是对于以电池功率操作且其中电池寿命是重要考虑因素的便携式设备。如果例如使用DCDC转换器来升高供应电压，则增加的供应电压也将导致增加的供应噪声。
已经通过使用压缩技术来使麦克风的灵敏度变化，例如通过对于较大幅度声学信号降低偏置电压VBIAS以便降低感测节点处的信号VIN的电压，扩展了动态范围。然而，这导致麦克风的总体响应是非线性的或时变的，或当VBIAS被改变时发生瞬态伪像，所述瞬态伪像在一些实施方式中可能是不期望的。
在本公开内容的实施方案中，从MEMS传感器接收输入电压信号，且生成与该输入信号反相的附加信号。输入信号和所生成的反相信号可以被用来提供差分输出信号。在一些实施方案中，输入信号和所生成的反相信号可以被用作差分输入，例如，用于差分放大器布置。因此，输入信号被用来提供第一输出信号，且导出与第一输出信号相反地变化的互补的第二输出信号。实际上，单端输入信号被转换为具有两个反相信号分量的差分信号。这将放大器的输入范围从等于供应电压减去净空的值扩展到供应电压减去净空的值的两倍。因此，改善了放大器的操作范围，而不要求供应电压的任何增加或对PSRR的负面影响。
图2例示了根据一个实施方案的放大器布置200，其中与已经讨论的部件类似的部件由相同的附图标记标识。在此实施方案中，反相信号生成器被配置为从感测节点处的测量信号生成反相信号。在此实施方案中，该反相信号生成器包括耦合至感测节点104的倒相放大器201。倒相放大器201被耦合至感测节点104和放大器105之间的信号路径。倒相放大器201可以呈现高阻抗输入，像放大器105一样，因此MEMS传感器可以以恒定电荷模式操作，如上文所描述的。来自感测节点104的电压信号可以被用作放大器105的第一输入信号VINP。倒相放大器201还生成信号VINN，该信号VINN是信号VINP的互补和倒相型式，即，反相信号。反相信号VINN作为第二输入信号被提供至放大器105，且还被耦合至偏置电容器CBIAS。此信号VINN因此通过CBIAS电容器耦合至MEMS传感器CMEMS的第一板。由于MEMS传感器CMEMS的板或电极的间距的变化所引起的电压变化VSIG因此被施加在倒相信号VINN上，结果是VSIG变为两个输入信号VINP和VINN之间的差分电压。这样，对于给定的信号电压变化VSIG，与参考图1所描述的单端输入型式相比，每个输入信号VINP和VINN是量级的一半。
差分输入信号电平因此等于VINP-VINN，且与单端输入信号VIN相比，具有大体上两倍的输入范围。
此线性操作范围增加不仅增加了可以被精确地检测的声压级(SPL)的范围，而且可用的增加的操作范围可以在多个系统参数的设计中允许更大自由度，诸如，换能器灵敏度和放大器增益，它们可以允许总体噪声的减少。
然而，倒相放大器201本身将是可以将噪声引入到输出信号内的附加噪声源。
图3a例示了另一实施方案，其中反相信号生成器从共模输出反馈信号生成反相信号。在此实施方案中，第一单端低噪声放大器(LNA)301接收来自感测节点104的信号作为第一输入信号VINP，且放大此信号以提供输出信号VOUTP。第二单端LNA 302被布置为放大所生成的反相信号VINN以提供输出信号VOUTN。两个输出被连接在电阻303的任一侧上，且这些电阻之间的中点电压被分接作为共模电压。放大器304被布置在共模分接点和LNA 302的输入之间的反馈路径中。放大器304接收反馈共模电压和参考VCMREF。实际上，此反馈路径试图基于VCMREF将共模电压维持为恒定值。放大器304可以是相对高增益的放大器，因此将LNA 302的输出VOUTN驱动为LNA 301的输出的倒相，以便维持共模电压。因此，LNA 302的输出VOUTN与来自LNA 301的输出VOUTP互补且是来自LNA 301的输出VOUTP的倒相，即反相。共模反馈放大器304因此可以被看作反相信号生成器。
输出电压信号VOUTN以与上文参考图2所描述的类似方式经由电容CBIAS反馈至MEMS传感器CMEMS的第一板，从而电压变化VSIG表现为差分电压VINP-VINN。
由LNA 302所引入的任何噪声通过包括共模反馈放大器304的反馈路径的动作而被抑制。换言之，图3a中的LNA 302在用于共模反馈放大器304的反馈回路内。在一些实施方式中，这可以放宽为了期望的噪声性能而对LNA 302的尺寸和/或电流的要求。在一些实施方案中，可能不需要LNA 302放大或缓冲所生成的反相信号。图3b例示了与图3a中例示的实施方案类似的一个实施方案，但是其中省略了LNA 302。共模反馈放大器304的输出驱动负信号路径，因此反相信号VINN可以被用来提供输出信号VOUTN，而不要求任何缓冲等。
在用于第一输入信号VINP的LNA 301包括PMOS跟随器的情况下，可以设置电平偏移块(level shift block)306，以将所生成的反相信号向下电平偏移至输入DC偏置电压电平以用于DC偏置目的。
共模反馈放大器304因此可以被用来生成反相信号，该反相信号可以大体上直接驱动用于反相信号输出的第二信号路径，例如，共模反馈放大器304的输出可以被直接耦合至用于反相信号的放大器布置的输入节点。在一些情况下，LNA或缓冲器302可以被包括在用于反相信号的第二信号路径中，在用于共模反馈放大器304的反馈回路内，但是在一些情况下，对于由共模反馈放大器304所生成的反相信号的缓冲可以不是必需的。
由共模反馈放大器304所引入的和/或在参考VCMREF上出现的噪声将仅作为共模噪声出现，且可以容易地被接收输出信号VOUTP和VOUTN的下游部件(例如，音频编解码器等)拒绝。
注意，图3a中所例示的实施方案示出的两个单端LNA 301和302提供差分输入/差分输出放大器布置305的功能。在一些实施方案中，可以使用一个差分放大器而不是两个LNA 301和302，虽然与VOUTN相关联的噪声的抑制可能不那么好。
图4例示了如何更详细地实施图3a的实施方案的一个实施例，仅示出了放大器布置400。LNA 301和302各自被实施为包括PMOS源极跟随器，其中AB类输出级401和402分别被布置为闭合反馈回路，以驱动输出VOUTP和VOUTN。使用AB类输出级401和402来闭合反馈回路提供了改善线性度和驱动强度的超级源极跟随器配置。
然而，存在由于LNA 301的PMOS 403的栅极-漏极的电容所引起的次级噪声效应，如关于图5a例示的。由于VINN处的低阻抗，LNA 302(如果存在的话)不产生此效应。
图5a例示了被实施为超级源极跟随器的LNA 301，因此包括附加MOS 501，且还包括上文所讨论的AB类输出驱动器401。图5a将PMOS401的栅极-漏极电容例示为分立的电容CGD以便解释。可以看到，此栅极-漏极电容CGD与MEMS传感器CMEMS的电容有效地串联连接，因此这两个电容形成分压器。相对于PMOS 401的栅极，漏极处的任何共模噪声将被看作栅极处的信号分量，该信号分量因此将被表示在输出信号VOUTP中。相反，LNA 302的栅极-漏极电容CGD不与输入传感器形成电容式分压器，因此它不将共模噪声转换为输入信号。因此，共模噪声可以被转换为差分信号中的噪声。
为了减轻此效应，PMOS 401的漏极可以被自举至输出信号，如图5b中例示的。在此实施方案中，MOS 501的栅极由输出信号驱动，可能是在为了优化电压净空而施加某个电平偏移电压VLS之后。这导致与输入信号同相的信号被施加到PMOS 401的漏极，这消除了共模噪声到输入信号的转换。
这还具有的效果是使LNA 301的输入电容表现为零，这减小了信号衰减且可以允许使用与其他情况相比更大的PMOS，具有所得到的闪烁噪声的减少。输入信号VINP也将具有较小的衰减，因为CGD通常是占主导的负载电容。
图5c例示了以与图5a中例示的类似的方式被实施为超级源极跟随器的LNA 301，因此包括附加MOS 501且还包括上文所讨论的AB类输出驱动器401。图5c的实施方案包括级联设备502，该级联设备502通过输出信号的电平偏移型式(例如，从输出导出的输出信号的型式且通过电平偏移器503适当地电平偏移)驱动。图5c的此布置有助于避免将热噪声或闪烁噪声施加至输入设备403的漏极节点上，这在一些应用中可能是有利的。
用于共模反馈放大器304的参考电压VCMREF可以以任何方便的方式生成。图6例示了可以使用复制品PMOS 601从输入参考VREF-IN所生成的参考电压VCMREF，该复制品PMOS 601是输入PMOS 403的缩小副本。输入参考VREF-IN可以是某个合适的参考，例如，带隙导出的参考电压。
在一些实施方案中，输入信号(即，VINP)可以是电压箝位的，以便避免输入信号，因此避免输出信号超过规定的电压电平。图7例示了具有电压箝位的一个实施方案。
在此实施方案中，输出信号VOUTP和VOUTN由箝位控制器702监控。监控输出信号避免了将监控直接应用于感测节点104的需求，因此避免了此节点的附加泄漏和电容式负载，然而在其他实施方案中，该箝位控制器可以监控信号VINP和/或所导出的反相信号VINN。箝位控制器对照箝位限制CL有效地监控输出信号。假设输出信号VOUTP和VOUTN是互补信号，则可以将两个信号与单个箝位限制比较，以为正电压漂移和负电压漂移提供箝位。因此，高正电压漂移可以导致VOUTP上升到正箝位限制以上或导致VOUTN下降到负箝位限制以下。同样，高负电压漂移可能导致VOUTN上升正到正箝位限制以上或导致VOUTP下降到负箝位限值以下。
在任一输出信号超过箝位限制的情况下，则生成控制信号以接通旁路开关701。旁路开关在用于VINP和VINN的输入之间提供避免高阻抗103的旁路路径。因此，箝位电流可以流动通过开关701，如果VOUTN超过箝位限制，则从VINP节点到VINN节点，且如果VOUTP超过箝位限制，则从VINN节点到VINP节点。在此实施方案中，旁路开关701由两个串联连接的NMOS设备701a和701b实施，其中p阱被连接至中点而不是地，以减少泄漏。箝位控制器701可以包括具有中等增益的放大器，以避免稳定性问题。
旁路开关701还可以在传感器布置启动时使用，以允许传感器装置快速充电至操作电压/电荷电平，因此避免与高阻抗元件103相关联的长时间常数。启动控制703因此可以响应于启动信号SU以激活旁路开关701。
与分立的旁路和箝位布置相比，使用旁路开关701进行快速启动和电压箝位还减少了连接至感测节点104的部件的数目，因此还有助于减少感测节点104处的泄漏和负载。
还可以存在与用于偏置MEMS传感器CMEMS的第一板的电压偏置路径相关联的启动旁路开关。与该偏置路径相关联的旁路开关可以提供横跨阻抗102的旁路路径。然而，如上文所述，在本公开内容的实施方案中，用于偏置MEMS传感器CMEMS的偏置节点可以在使用中经历经由偏置电容器CBIAS反馈的信号分量，例如，VINN或VOUTN。这可以影响旁路开关的操作。
图8a例示了具有合适的偏置旁路开关801的偏置布置的一个实施例。在此实施例中，偏置旁路开关801可以包括串联连接的PMOS设备，所述PMOS设备提供横跨阻抗102的旁路路径。电压源101(例如，电荷泵)在正常操作中经由阻抗102提供偏置电压VBIAS。为了确保旁路开关在正常操作中保持关断，考虑到经由偏置电容器CBIAS施加至偏置节点的信号分量，电压源还可以提供高于偏置电压VBIAS且经由电阻器802施加至开关801的栅极的电压V+。相比于旁路开关801在正常操作中对于预期的操作条件保持断开的偏置电压，此较高的电压V+应足够地高。对于典型的MEMS传感器，较高的电压V+可以比偏置电压VBIAS高大约1V左右。对于启动操作，控制器803响应于启动控制SU以使偏置旁路开关801的栅极电压下降从而使该开关接通且提供用于MEMS传感器CMEMS的快速充电的旁路路径。
图8b例示了具有旁路开关801的偏置布置的一个替代实施例。在
图8b所例示的实施例中，用于控制旁路开关801的栅极控制信号通过一个或多个附加电荷泵级804生成。电荷泵101可以例如是Dickson型电荷泵，且所述附加电荷泵级可以包括电荷泵的可以通过启动控制信号SU选择性地激活或去激活的一个或多个附加级。附加级的电压输入V1可以从倒数第二级或前一级导出，以使得输入至附加级804的电压V1低于偏置电压。在正常操作中，可以激活附加级，使得供应到旁路开关的电压高于偏置电压VBIAS，以确保旁路开关在操作中保持断开。在启动期间，附加级804被去激活，且较低的电压V1被供应至旁路开关。应理解，尽管为了清楚起见在图8b中被示出为两个分立的块，但是电荷泵101和附加级804的功能可以通过具有来自适当的泵级的输出的一个电荷泵来实施。
如先前所述，所导出的差分信号VOUTN(或VINN)可以经由偏置电容器CBIAS被反馈至MEMS传感器CMEMS的偏置节点。这有效地提供偏置电压的电平移位，使得满量程电压变化VSIG被提供作为差分电压。然而，在一些实施方案中，偏置电压可以代替地通过来自差分信号中的一个(例如，VOUTN(或VINN))的某个适当反馈而被适当地电平偏移，以例如使用电荷泵来控制电压源101。
图9例示了包括增益的放大器布置的又一实施例。图9例示了与图4中所例示的放大器布置类似的放大器布置，所述放大器布置以大致相同的方式操作。然而，图9的布置包括电阻器901，该电阻器901导致电压增益被施加至输出信号。如先前所述，围绕LNA 301和302的PMOS的AB类反馈提供超级源极跟随器行为，以使得PMOS在电流源的恒定电流下操作，因此信号相关电流流动通过电阻器303。相同的电流将流动通过附加电阻器901，因此相关的输出电压增加1+(R901/R303)倍，其中R901是电阻器901的电阻，R901是电阻器303的电阻。这允许将电压增益施加至MEMS放大器布置的前端处的信号(假设存在足够的净空)，这可以放宽信号处理路径中的后续级的噪声约束，且在一些情况下可以允许一些增益修整，例如，以考虑待补偿的灵敏度的部分-部分变化。应注意，经由CBIAS施加至偏置节点的反相信号从PMOS的源极分接，因此此信号从输入VINN看到单位增益。
因此，本公开内容的实施方案提供了用于MEMS电容式传感器的放大器布置，所述放大器布置通过导出与所接收的输入信号反相的信号且使用具有差分输入和差分输出的放大器布置而在相对大的操作范围内提供良好的线性度和噪声性能。
实施方案特别适用于MEMS电容式换能器的读出电路系统，且尤其适用于MEMS麦克风。然而，所述原理可以被应用于来自其他换能器或其他类型传感器的感测信号。实施方案可以被布置为音频和/或信号处理电路(例如，可以在主机设备中设置的音频电路)的一部分。本发明的实施方案还涉及MEMS或类似的电容式超声换能器电路。根据本发明的一个实施方案的电路可以被实施为集成电路。MEMS换能器可以在单片衬底上形成集成电路的一部分，或可以在使用中被连接至集成电路。
实施方案可以被实施在主机设备中，所述主机设备尤其是便携式和/或电池供电主机设备，例如诸如，移动电话、音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如，膝上型计算机或平板计算机)和/或游戏设备。
应注意，上文所提及的实施方案例示而不是限制本发明，且在不脱离所附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案。“包括”一词不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，且单个特征或其他单元可以实现权利要求中所记载的几个单元的功能。权利要求中的任何附图标记或标注不应被解释为限制它们的范围。

Claims (29)

1.一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：
一个感测节点，用于接收所述输入信号；
一个反相信号生成器，用于生成与所述输入信号反相的第二信号；以及
一个放大器布置，所述放大器布置被配置为在第一输入处接收所述输入信号且在第二输入处接收所述第二信号，且输出对应的第一输出信号和第二输出信号。
2.根据权利要求1所述的放大器布置，还包括偏置电路系统，用于在偏置节点处生成用于偏置所述MEMS电容式传感器的偏置电压，其中所述放大器布置被配置为用基于所述第二信号的调制信号来调制所述偏置节点处的偏置电压。
3.根据权利要求2所述的放大器布置，包括一个反馈路径，用于将所述第二信号或所述第二输出信号反馈至所述偏置节点。
4.根据权利要求3所述的放大器布置，其中所述反馈路径包括一个偏置电容器。
5.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，其中所述反相信号生成器基于所述第一输出信号和所述第二输出信号的共模电压生成所述第二信号。
6.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，其中所述反相信号生成器包括一个反馈放大器，所述反馈放大器被配置为接收共模参考电压和指示所述第一输出信号和所述第二输出信号的共模电压的共模信号，且驱动所述放大器布置的第二输入处的所述第二信号，以保持所述第一输出信号和所述第二输出信号的共模电压等于所述共模参考电压。
7.根据权利要求6所述的放大器装置，包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联连接在用所述第一输出信号驱动的第一输出节点和用所述第二输出信号驱动的第二输出节点之间，其中所述共模信号是从所述第一电阻和所述第二电阻的中点导出的。
8.根据权利要求6或7所述的放大器装置，包括一个共模参考生成器，用于基于输入参考电压生成所述共模参考电压，其中所述共模参考生成器包括一个晶体管，所述晶体管是所述放大器布置的输入晶体管的缩放复制品。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的放大器装置，其中所述反相信号生成器包括一个倒相放大器，所述倒相放大器被配置为从所述感测节点接收所述输入信号。
10.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，其中所述放大器布置包括用于放大所述输入信号的第一单端放大器。
11.根据权利要求10所述的放大器装置，其中所述放大器布置还包括用于放大所述第二信号的第二单端放大器。
12.根据权利要求11所述的放大器装置，其中所述第一单端放大器和第二单端放大器中的每个包括一个源极跟随器或超级源极跟随器放大器，所述超级源极跟随器放大器具有用于驱动相应的第一输出信号或第二输出信号的AB类驱动器。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的放大器装置，其中第一放大器包括一个输入晶体管和一个自举电路，所述输入晶体管具有连接至所述感测节点的栅极端子，所述自举电路用于驱动所述输入晶体管的漏极端子与所述第一输出信号同相。
14.根据任一项前述权利要求所述的放大器装置，包括一个输入旁路开关，用于将所述放大器布置的所述第一输入连接至所述第二输入。
15.根据权利要求13所述的放大器装置，还包括箝位控制器，用于选择性地控制所述输入旁路开关，以将所述输入信号箝位在一个限定的电压范围内。
16.根据权利要求14所述的放大器装置，其中所述箝位控制器被配置为对照一个输入信号箝位限制来监控所述输入信号。
17.根据权利要求14或15所述的放大器装置，其中所述箝位控制器被配置为对照一个输出信号箝位限制来监控所述第一输出信号和所述第二输出信号中的至少一个。
18.根据权利要求14至17中的任一项所述的放大器布置，其中所述装置被配置为响应于启动控制信号来闭合所述输入旁路开关。
19.根据权利要求2或直接或间接从属于权利要求2的任一项权利要求所述的放大器布置，其中所述偏置电路系统包括用于输出所述偏置电压的电压源和位于所述电压源与所述偏置节点之间的电阻。
20.根据权利要求19所述的放大器布置，包括一个偏置旁路开关，用于提供一个将位于所述电压源和所述偏置节点之间的电阻旁路的旁路路径。
21.根据权利要求20所述的放大器布置，其中所述偏置旁路开关包括至少一个PMOS晶体管。
22.根据权利要求20或21所述的放大器布置，其中所述电压源还被配置为生成控制电压，所述控制电压高于所述偏置电压，其中所述偏置电路系统被配置为使得在正常操作中所述控制电压被施加至所述偏置旁路开关的栅极端子。
23.根据任一项前述权利要求所述的放大器布置，还包括一个耦合至所述感测节点的MEMS电容式传感器。
24.根据权利要求23所述的放大器布置，其中所述MEMS电容式换能器与所述放大器布置集成在集成电路中。
25.根据权利要求23或24所述的放大器布置，其中所述MEMS电容式传感器是MEMS麦克风。
26.一种电子设备，包括根据任一项前述权利要求所述的放大器布置。
27.根据权利要求26所述的电子设备，其中所述设备是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；通信设备；移动电话；计算设备；平板计算机、膝上型计算机或笔记本计算机；可穿戴设备；语音控制设备。
28.一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器装置，包括：
一个放大器布置，所述放大器布置具有第一输入和第二输入；
其中所述第一输入被配置为接收所述输入信号，且所述第二输入被配置为接收与所述输入信号反相的第二信号；
一个信号生成器，用于生成所述第二输入处的所述第二信号；以及
一个偏置源，用于用偏置电压偏置所述MEMS电容式传感器；
其中基于所述第二信号调制所述偏置电压。
29.一种用于放大来自MEMS电容式传感器的输入信号的放大器布置，包括：
第一单端输入放大器，所述第一单端输入放大器被配置为接收且放大所述输入信号作为第一输出信号；
第二单端输入放大器，所述第二单端输入放大器被配置为接收且放大第二信号作为第二输出信号；
其中所述第二信号由所述放大器布置生成为与所述第一信号反相；以及
一个调制器，用于基于所述第二信号调制施加至所述MEMS电容式传感器的偏置电压。
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