CN111480293A - 用于mems传感器和其它设备的耐输入电流的放大器输入级 - Google Patents

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Abstract

一种接口电路，包括信号路径和与信号路径分离的DC控制回路，信号路径包括将接口电路的输入端耦合到接口电路的输出端的前端电荷放大器。在一些实施方式中，接口电路是MEMS传感器的一部分，MEMS传感器包括MEMS换能器，MEMS换能器具有被耦合到接口电路的输入端的输出端。在一些情况下，接口电路可以允许电路更快地稳定到该电路的稳态工作点。

Description

用于MEMS传感器和其它设备的耐输入电流的放大器输入级
技术领域
本公开涉及用于微机电系统(MEMS)传感器和其它设备的耐输入电流的放大器输入级。
背景技术
MEMS传感器可作为集成电路芯片被提供，该集成电路芯片包括将声压波转换成电信号的MEMS换能器，以及包括MEMS接口电路。在一些情况下，MEMS换能器被绑定到集成电路。由电压偏置的MEMS换能器可以被配置为例如具有可变电容器的MEMS麦克风，该可变电容器基于冲击在MEMS换能器的膜上的声压来改变其电容。MEMS接口电路包括放大器，该放大器用以放大由MEMS换能器提供的输入信号并且以生成放大的输出信号。为了实现远低于可听频率范围的高通滚降频率，放大器的输入阻抗应该具有非常高的阻抗(例如，大于1TΩ)。
在启动之后，偏置电压例如将在几十毫秒到几百毫秒内，从零上升到其稳态电压。偏置电压导致在MEMS膜上的电力，并允许膜向偏置电压的稳态位置移动。MEMS膜的稳定还取决于麦克风的声学设计，并且还可花费几十毫秒。
对于一些应用来说，麦克风输出的快速启动稳定变得越来越重要。然而，在一些已知的MEMS接口电路中，电路的传递函数取决于输入电流。随着输入电流的增加，放大器电路中的反馈回路可能变得不稳定。已经提出了一些解决方案，但是可能导致信号路径的高通滚降频率过高。
发明内容
本公开描述了用于MEMS麦克风和其它设备的耐输入电流的放大器输入级。
在一个方面，例如，本公开描述了一种接口电路，包括信号路径，该信号路径包括将接口电路的输入端耦合到接口电路的输出端的前端电荷放大器。该接口电路还包括与信号路径分离的DC控制回路。
在另一方面，本公开描述了一种MEMS传感器，包括具有输入端和输出端的接口电路以及MEMS换能器，该MEMS换能器具有被耦合到接口电路的输入端的输出端。该接口电路包括信号路径和与该信号路径分离的DC控制回路，该信号路径包括将接口电路的输入端耦合到接口电路的输出端的前端电荷放大器。
一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，前端电荷放大器可以具有输入工作点和低频增益，并且DC控制回路可以包括第二放大器，该第二放大器具有与前端电荷放大器相同的输入工作点和低频增益。该接口电路可以被配置为使得前端电荷放大器不是DC控制回路的一部分。
在一些实例中，DC控制回路包括积分器或低通滤波器，该积分器或低通滤波器被耦合到第二放大器的输出端，第一高阻电路元件被耦合在积分器或低通滤波器的输出端与第二放大器的输入端之间，并且第二高阻电路元件被耦合在积分器或低通滤波器的输出端与前端电荷放大器的输入端之间。该接口电路可以进一步包括电容器，该电容器被耦合在积分器或低通滤波器的输出端与第二放大器的输入端之间。
在一些实例中，DC控制回路包括积分器或低通滤波器，并且第一高阻电路元件和第二高阻电路元件被耦合在前端电荷放大器的输入端与第二放大器的输入端之间。该接口电路可以进一步包括电容器，该电容器被耦合在积分器或低通滤波器的输出端与第二放大器的输入端之间。
在一些实施方式中，第一高阻电路元件和第二高阻电路元件中的至少一个包括反并联二极管对。在一些情况下，第一开关与第一高阻电路元件并联，并且第二开关与第二高阻电路元件或电容器并联。第一开关和第二开关可以被配置为在启动操作期间和/或在出现过载情况之后被闭合。
在一些实施方式中，MEMS换能器被配置为MEMS麦克风。
这里描述的架构(其中，DC控制回路与信号路径分离)也可以被应用于差分输入放大器。
一些实施方式包括以下优点中的一个或多个。例如，可以使DC反馈回路的频率特性和稳定性基本上与进入接口电路的电流无关。在一些情况下，接口电路可以允许接口电路更快地稳定到其稳态工作点。
根据以下详细描述、附图和权利要求，其它方面、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了被耦合到接口电路的MEMS换能器的示例；
图2、图3和图4示出了被耦合到接口电路的MEMS换能器的进一步示例；
图5、图6和图7示出了被耦合到使用差分输入端和差分输出端的接口电路的MEMS换能器的示例。
具体实施方式
如图1所示，MEMS传感器8包括被耦合到接口电路20的MEMS换能器10。在一些实施方式中，MEMS换能器10和接口电路20被容纳在MEMS传感器的公共壳体中。
MEMS换能器10可以被实现为例如可变电容器，该可变电容器的值取决于声压。MEMS换能器被连接在偏置电压(Vbias)与接口电路20的输入端(in)之间，使得MEMS换能器10的输入信号可以被施加到接口电路20。所需的偏置电压(Vbias)取决于换能器10，但是在一些情况下，该偏置电压在5V-50V的范围内，或者甚至更高。在一些实例中，MEMS换能器10被配置为MEMS麦克风。
由接口电路20从MEMS换能器10接收的输入信号被前端电荷放大器26放大，该前端电荷放大器26在接口电路20的输出端(out)处产生放大的输出信号。接口电路20可以具有模拟输出或数字输出。在后一种情况中，前端电荷放大器26驱动模数转换器。接口电路20因此包括将电路的输入端(in)耦合到其输出端(out)的信号路径24。因此，信号路径24包括前端电荷放大器26和(如果存在的话)模数转换器。
接口电路20还包括DC控制回路22，DC控制回路22也可被称为DC反馈回路或DC调节回路。DC控制回路22为接口电路20中的DC信号控制提供反馈。由于前端电荷放大器26不形成DC控制回路22的一部分，因此DC控制回路22可被认为与信号路径24分离。
DC控制回路22包括第二放大器28、将第二放大器28的输出端耦合到其输入端作为反馈回路的一部分的反馈控制元件30、高阻(即，高欧姆)电路元件32和34、以及与高阻电路元件32、34并联的电容器Cz。如图2的示例中所示，高阻元件23、34中的每一个可被实现为例如一对反并联二极管(即，D1和D2；D3和D4)。在一些实施方式中，高阻电路元件32、34中的每一个可以其它方式实现，例如非常高阻的线性或非线性电阻器，或连接的MOSFET以充当一对反并联二极管。进一步地，反馈回路中的反馈控制元件30可以被实现为例如图2中所示的积分器，或低通滤波器。
第二放大器28应具有与信号路径24中的前端电荷放大器26类似或基本相同的输入工作点和低频增益(即，在制造公差内)。如图2的示例中所示，第二放大器28的输出端被耦合到积分器30的输入端，该积分器30还在第二输入端处接收参考信号(Vreform)。在图2的实施方式中，第二对二极管D3、D4被耦合在积分器30的输出端和放大器28的输入端之间。在这种情况下，第二对二极管D3、D4建立了第二放大器28的DC工作点。
在一些实施方式中，前述布置的优点在于，电容器Cz可具有高电容值，而不会增加放大器的输入电容(即，在接口电路的“in”端子处)。当输入电流Iin流动时，放大器26、28的DC输入电压彼此不同，并且因此，还存在前端电荷放大器26的输出电压(即，Vout)相对于第二放大器28的输出电压的偏移。
在一些实施方式中，第一开关(sw1)被设置为与二极管D1、D2并联，并且第二开关(sw2)被设置为与二极管D3、D4并联。可以例如使用CMOS技术实现开关sw1、sw2。当偏置电压(vbias)发生较大的瞬变时和/或响应于检测到过载情况，开关sw1、sw2可例如在启动期间被闭合。闭合开关sw1、sw2允许更快地稳定DC反馈回路22，因为输入端(in)处的输入阻抗低。然后开关sw1、sw2可以被同时打开，或者一个开关可以在另一个开关之前被打开。后一种方法可以是有用的，例如，以避免在打开开关期间由于电流的注入而产生的影响。
图3示出了接口电路20A的稍有不同的配置，其中两对反并联二极管D1、D2和D3、D4被连接在两个放大器26、28的输入端之间。在这种情况下，DC控制回路22中的放大器28的DC输入水平将保持与信号路径24中的放大器26的DC输入相同，因为没有电流通过二极管D3、D4。可以选择电容器Cz，使得DC调节回路保持稳定。在输入电流Iin的情况下，第一对二极管D1、D2之间将存在电压降。由于没有电流通过第二对二极管D3、D4，因此二极管D3、D4之间没有电压降，并且因此第二放大器28的DC输入电压将遵循前端电荷放大器26的输入。第二开关sw2可以与二极管D3、D4并联(如在图3的实施方式中)，或者与电容器Cz并联(如在图4的实施方式中)。
在前述实施方式中，包括第二放大器28以及用于设置放大器28的DC工作点的第二对二极管D3、D4使得DC调节回路22的频率特性独立于输入电流Iin。即使当由于MEMS换能器10的稳定或由于MEMS换能器的大的泄漏电流而存在进入放大器的输入电流时，这些特征的组合也可以使得放大器快速稳定。因此，可以使放大器电路的稳定性基本上与放大器输入电流Iin无关。
前述类型的架构(其中DC控制回路22与信号路径24分离)也可被应用于差分输入放大器。分别与上述图2、图3和图4的示例对应的图5、图6和图7中所示的示例被修改为考虑差分输入端(inn和inp)和差分输出端(outn和outp)。因此，信号路径124中的前端电荷放大器126和DC控制回路122中的放大器128中的每一个具有两个输入端和两个输出端。进一步地，提供了附加的反并联二极管对(例如，D5和D6；D7和D8)、附加的电容元件(例如，CZ2)和开关(例如，SW1b、SW2b)，并且它们以类似于已经结合图2、图3和图4的示例描述的相应元件的方式运行。在图5、图6和图7的实施方式中，MEMS换能器10被耦合在偏置电压(vbias)节点与放大器输入端中的一个(inp)之间。另一电容(Cbias)被耦合在偏置电压(vbias)节点与放大器输入端中的另一个(inn)之间。Cbias电容可被实现为例如另一MEMS元件或具有与MEMS换能器10的电容匹配的电容的电容器。
在图2至图7的每个示例中，一对或多对反并联二极管(例如，D1和D2；D3和D4；D5和D6；D7和D8)可以被其它类型的高阻电路元件(例如，非常高阻的线性或非线性电阻器，或MOSFET)代替。进一步地，在图2至图7的每个示例中，反馈回路中的反馈控制元件30、130可以被实现为例如积分器或低通滤波器。
尽管前述示例示出了将接口电路20、20A、20B用作MEMS传感器(例如，MEMS麦克风)的一部分，但是放大器电路也可被用于其它应用中。
其它实施方式在权利要求的范围内。

Claims (31)

1.一种接口电路，包括：
信号路径，包括将所述接口电路的输入端耦合到所述接口电路的输出端的前端电荷放大器；以及
与所述信号路径分离的DC控制回路。
2.根据权利要求1所述的接口电路，其中，所述前端电荷放大器具有输入工作点和低频增益，并且其中，所述DC控制回路包括第二放大器，所述第二放大器具有与所述前端电荷放大器相同的输入工作点和低频增益。
3.根据权利要求2所述的接口电路，其中，所述前端电荷放大器不是所述DC控制回路的一部分。
4.根据权利要求2所述的接口电路，其中，所述DC控制回路包括被耦合到所述第二放大器的输出端的积分器或低通滤波器，并且其中，第一高阻电路元件被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的输出端与所述第二放大器的输入端之间，并且第二高阻电路元件被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的所述输出端与所述前端电荷放大器的输入端之间。
5.根据权利要求4所述的接口电路，其中，所述接口电路进一步包括电容器，所述电容器被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的所述输出端与所述第二放大器的所述输入端之间。
6.根据权利要求2所述的接口电路，其中，所述DC控制回路包括积分器或低通滤波器，并且其中，第一高阻电路元件和第二高阻电路元件被耦合在所述前端电荷放大器的输入端与所述第二放大器的输入端之间。
7.根据权利要求6所述的接口电路，其中，所述接口电路进一步包括电容器，所述电容器被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的输出端与所述第二放大器的所述输入端之间。
8.根据权利要求4或6所述的接口电路，其中，所述第一高阻电路元件和所述第二高阻电路元件中的至少一个包括反并联二极管对。
9.根据权利要求4或6所述的接口电路，进一步包括：
与所述第一高阻电路元件并联的第一开关；以及
与所述第二高阻电路元件并联的第二开关。
10.根据权利要求9所述的接口电路，其中，所述第一开关和所述第二开关被配置为在启动操作期间被闭合。
11.根据权利要求9所述的接口电路，其中，所述第一开关和所述第二开关被配置为在出现过载情况之后被闭合。
12.根据权利要求5或7所述的接口电路，进一步包括：
与所述第一高阻电路元件并联的第一开关；以及
与所述电容器并联的第二开关。
13.一种MEMS传感器，包括：
具有输入端和输出端的接口电路；
MEMS换能器，具有被耦合到所述接口电路的所述输入端的输出端；
其中，所述接口电路包括：
信号路径，包括将所述接口电路的所述输入端耦合到所述接口电路的所述输出端的前端电荷放大器；以及
与所述信号路径分离的DC控制回路。
14.根据权利要求13所述的MEMS传感器，其中，所述前端电荷放大器具有输入工作点和低频增益，并且其中，所述DC控制回路包括第二放大器，所述第二放大器具有与所述前端电荷放大器相同的输入工作点和低频增益。
15.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中，所述前端电荷放大器不是所述DC控制回路的一部分。
16.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中，所述DC控制回路包括被耦合到所述第二放大器的输出端的积分器或低通滤波器，并且其中，第一高阻电路元件被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的输出端与所述第二放大器的输入端之间，并且第二高阻电路元件被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的所述输出端与所述前端电荷放大器的输入端之间。
17.根据权利要求16所述的MEMS传感器，其中，所述接口电路进一步包括电容器，所述电容器被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的所述输出端与所述第二放大器的所述输入端之间。
18.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中，所述DC控制回路包括积分器或低通滤波器，并且其中，第一高阻电路元件和第二高阻电路元件被耦合在所述前端电荷放大器的输入端与所述第二放大器的输入端之间。
19.根据权利要求18所述的MEMS传感器，其中，所述接口电路进一步包括电容器，所述电容器被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的输出端与所述第二放大器的所述输入端之间。
20.根据权利要求16或18所述的MEMS传感器，其中，所述第一高阻电路元件和所述第二高阻电路元件中的至少一个包括反并联二极管对。
21.根据权利要求16或18所述的MEMS传感器，进一步包括：
与所述第一高阻电路元件并联的第一开关；以及
与所述第二高阻电路元件并联的第二开关。
22.根据权利要求21所述的MEMS传感器，其中，所述第一开关和所述第二开关被配置为在启动操作期间被闭合。
23.根据权利要求21所述的MEMS传感器，其中，所述第一开关和所述第二开关被配置为在出现过载情况之后被闭合。
24.根据权利要求17或19所述的MEMS传感器，进一步包括：
与所述第一高阻电路元件并联的第一开关；以及
与所述电容器并联的第二开关。
25.根据权利要求13所述的MEMS传感器，其中，所述接口电路具有差分输入端和差分输出端。
26.一种MEMS传感器，包括：
具有输入端和输出端的接口电路；
MEMS换能器，具有被耦合到所述接口电路的所述输入端的输出端；
其中，所述接口电路包括：
信号路径，包括将所述接口电路的所述输入端耦合到所述接口电路的所述输出端的前端电荷放大器；以及
DC控制回路，包括：
具有输入端和输出端的第二放大器；
积分器或低通滤波器，所述积分器或所述低通滤波器具有被耦合到所述第二放大器的所述输出端的输入端；
电容器，所述电容器被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的输出端与所述第二放大器的所述输入端之间；
所述接口电路进一步包括第一高阻电路元件和第二高阻电路元件，其中，所述高阻电路元件中的至少一个被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的所述输出端与所述前端电荷放大器的所述输入端之间。
27.根据权利要求26所述的MEMS传感器，其中，所述高阻电路元件中的第二高阻电路元件被耦合在所述积分器或所述低通滤波器的所述输出端与所述第二放大器的所述输入端之间。
28.根据权利要求26所述的MEMS传感器，其中，所述高阻电路元件中的第二高阻电路元件被耦合在所述前端电荷放大器的所述输入端与所述第二放大器的所述输入端之间。
29.根据权利要求26所述的MEMS传感器，其中，所述接口电路进一步包括：
与所述第一高阻电路元件并联的第一开关；以及
与所述第二高阻电路元件并联的第二开关。
30.根据权利要求26所述的MEMS传感器，其中，所述接口电路进一步包括：
与所述第一高阻电路元件并联的第一开关；以及
与所述电容器并联的第二开关。
31.根据权利要求26至30中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述MEMS换能器被配置为MEMS麦克风。
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