CN112688643A - 前置放大装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种前置放大装置，所述前置放大装置包括：放大部，连接于输入端和输出端之间；输入偏置部，输入端子连接于所述输出端，输出端子连接于所述放大部的输入端子，当输入设定大小以上的信号时执行静电放电功能，向所述放大部的输入端子施加偏置电压；以及反馈增益部，连接于所述输出端和输入端并设置所述放大部的增益。
Description
技术领域
本发明涉及前置放大装置，更详细地说，涉及用于传声器的前置放大装置。
背景技术
为了提升作为传声器(Microphone)的重要性能的信噪比(Signal to NoiseRatio：SNR)，需要具有低正向增益(Low Forward Gain)的音频功放(Audio Amp)和闭环反馈增益(Closed Feedback Gain)。
音频功放的正向增益高时，除了输入的音频信号外，在音频信号中掺杂的不必要的噪音信号(Noise Signal)也会以相同比例放大，导致噪音比会根据被放大的噪音信号的大小变坏，因此正向增益的大小优选为不大。
并且，放大音频信号太大时谐波畸变率(Harmonic Distortion Ratio)会变差，并且由于根据规定的最大限度的灵敏度定义(Definition)的振幅限度不能无限放大。
图1示出以往的前置放大装置。
如图1所示，以往的前置放大装置具备在输入端IN连接门极端子的第一晶体管M1，在电源和接地之间连接漏端子和源极端子，在偏置电压Vb连接门极端子的第二晶体管M2，以及在输入端IN和第一晶体管M1的门极端子之间，以反并联连接的一双反并联二极管(Anti-Parallel Diode)10。
此时，通过输入端IN输入的信号的大小太大并超出设定大小时，反并联二极管10将向第一晶体管M1的门极端子输入的门极电压的大小固定(Clamping)为规定大小(例如，-0.6V～+0.6V)并执行静电放电(ESD，Electro Static Discharge)功能，执行防止较大的输入信号引起前置放大装置损伤或破损的防破损功能。
但是，在向输入端IN输入正常大小的输入信号，从而成为不执行反并联二极管10的静电放电功能的正常状态时，施加到第一晶体管M1的门极端子的门极电压难以维持一定大小的偏置电压，因此，会对第一晶体管M1的正常运行产生坏影响。并且，需要使门极电压维持一定的偏置电压状态的额外偏置电路。
发明内容
(要解决的问题)
本发明要解决的问题在于最小化正向增益(Forward Gain)从而提升信噪比。
本发明要解决的其他问题在于最小化正向增益并增加反馈增益从而最优化信号灵敏度和噪声级。
(解决问题的手段)
为解决所述技术问题，根据本发明的一个特征的前置放大装置，包括：放大部，连接于输入端和输出端之间；输入偏置部，输入端子连接所述输出端，输出端子连接所述放大部的输入端子，当输入设定大小以上的信号时执行静电放电功能，向所述放大部的输入端子施加偏置电压；以及反馈增益部，连接所述输出端和输入端并设置所述放大部的增益。
所述输入偏置部包括：反馈电容器，一侧连接输入端；第一及第二二极管，以反并联连接在所述反馈电容器的另一侧和所述放大部的输入端子之间；以及第三及第四二极管，以反并联连接在所述反馈电容器的另一侧和接地之间并执行所述静电放电功能。
所述第一至第四二极管可以由PMOS晶体管构成。
所述第一至第四二极管可以由NPN型BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)构成。
所述反馈增益部可以包括：第一及第二电容器，串联连接在输出端和接地之间；电阻，一侧连接第一及第二电容器的共通端；第三电容器，连接在电阻的另一侧和接地之间；以及第四电容器，连接在所述第三电容器的另一侧和输入端之间。
所述第四电容器可以是由连接于所述反馈增益部的传声器形成的电容器。
所述第三电容器可以是连接所述传声器和所述反馈增益部的连接垫的杂散电容器。
根据所述特征的前置放大装置还可以包括：电阻，位于所述输入端和放大部的输入端子之间；所述输入偏置部的输出端子可以连接于所述电阻和所述放大部的输入端子之间。
所述放大部可以是源极跟随器。
所述放大部可以包括：第一晶体管，控制端子连接于所述输入偏置部的输出端子；电阻，连接于所述第一晶体管的输出端子和接地之间；以及第二晶体管，输出端子连接所述第一晶体管的输入端子和输出端。
所述放大部可以包括：第一晶体管棒，控制端子连接于所述输入偏置部的输出端子；第一电阻，连接于所述第一晶体管的输出端子和接地之间；第二晶体管，输出端子连接在所述第一晶体管的输入端子和输出端；第二电阻，一侧连接在所述第二晶体管的门极端子；电容器，一侧连接在所述第二电阻Rf的另一侧；以及放大器，输入端子连接于所述电容器的另一侧，输出端子连接于第二晶体管的控制端子。
(发明的效果)
根据本发明的这种特征，利用输入偏置部最小化施加至放大部的输入端子的正向增益，且代替此利用反馈增益部增加反馈增益从而最优化信号灵敏度和噪声级。
并且，由于将放大部的输出信号反馈至输入偏置部从而使静电放电功能和输入偏置部运行，因此输入偏置部的运行会同步放大部的输出信号。
附图说明
图1是示出以往的前置放大装置的概略的电路图。
图2是示出根据本发明的实施例的前置放大装置的电路图。
图3及图4分别是示出图2中所示的输入偏置部的体现示例的图。
图5是示出截止频率和根据A-加权滤波器(A-Weighting Filter)的加权值大小的低通滤波噪音的关系的图表。
图6是示出根据本发明的一实施例的前置放大电路中的放大部的其他例的图。
(附图标记说明)
101，101a：放大部 201：输入偏置部
301：反馈增益部 M11：第一晶体管
M12：第二晶体管 C21、C31、C32、3、Cmic：电容器，
Rin、R11、R31：电阻 D21-D24：二极管
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施例。在说明本发明时，对所属领域公知的技术或构成附加具体说明被判断有可能使本发明的要旨不明确时在详细说明中省略一部分。并且，本说明书中使用的用语是为了是当地表达本发明的实施例而使用的，可以根据所属领域的相关人员或惯例发生变化。因此，对这些用语的定义应该以本说明书整体的内容为基础来决定。
这里使用的专业用语只是为了涉及特定实施例，并不是意图限定本发明。这里使用的单数形态除了明确表示与其相反的含义的情况之外也包含复数形态。说明书中使用的‘包括’的含义具体化特定特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分以及/或组合的存在或附加，并且不排除其他特定特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分以及/或组合的存在或附加。
以下，参照附图说明根据本发明的一实施例的前置放大装置。
图2是示出根据本发明的一实施例的前置放大装置的电路图，图3及图4分别是示出图2中所示的输入偏置部的体现示例的图。图5是示出截止频率和根据加权滤波器的加权值大小的低通滤波噪音的关系的图表。
如图2所示，本例的前置放大装置具备一侧连接于输入端IN的电阻Rin；连接于电阻Rin的另一侧和输出端OUT的放大部101；连接于输出端OUT和电阻Rin的另一侧，即放大部的输入端子之间的输入偏置部201；以及连接于输出端OUT和电阻Rin的一侧，即输入端IN的反馈增益部301。
电阻Rin连接于输入端IN和放大部101的输入端子，执行保护放大部101的作用。
放大部101将经过电阻Rin并通过输入端IN输入的信号(例如，声信号)，按规定的增益(Gain)大小放大并输出至输出端OUT。
此时，放大部101的增益由输入放大部101和反馈增益部301被决定。
这种放大部101具备在电阻Rin的另一侧连接门极端子的第一晶体管M11；在电源具备源极端子，门极端子(即，控制端子)连接于偏置电压Vb，并且第一晶体管M11的源极端子与漏端子(即，输出端子)连接的第二晶体管M12；以及连接于第一晶体管M11的漏端子和接地之间的电阻R11。
具备这种结构的放大部101作为源极跟随器(Source Follower)或共漏极放大器(Common Drain Amplifier)，是不发生相位反转的非反转放大器。
此时，由于电阻R11，第一晶体管M11的漏端子不被接地，因此从第一晶体管M11的漏端子输出的信号，可以被利用为与从输入端IN输入的输入信号与相位反转的输出信号。
输入偏置部201是为了向放大部101的输入端子，即在第一晶体管M11的门极端子提供一定大小的电压的偏置电路，并且，发生超过设定大小的信号输入至输入端子时，也会执行静电放电(ESD)功能从而保护输入端。
并且，输入偏置部201将对于放大部101的闭环反馈增益尽可能维持低的值。
此时，由于这种输入偏置部201而减少的放大部101的增益，通过反馈增益部301的运行获得补充。
因此，放大部101的信号放大性能通过提供反馈增益的反馈增益部301稳定地维持，并且由于通过输入偏置部201尽可能低地提供的闭环反馈增益，大幅减少不必要的噪音信号的放大。因此，发生被放大的信号的灵敏度和噪声级被维持为最优状态的效果。
本例的这种输入偏置部201具备一侧连接于输出端OUT的电容器C21；以反并联连接于电容器C21的另一侧和放大部101的第一晶体管M11的门极端子之间的第一及第二二极管D21、D22；以及以反并联连接于电容器C21的另一侧和接地之间的第三及第四二极管D23、D24。
此时，电容器C21为与放大部101的输出端OUT连接从而利用放大部101的输出信号形成电荷的充放电运行的反馈电容器(Feedback Capacitor)。
这种反馈电容器C21防止在为了启动前置放大装置而施加驱动电压的始点，由于在输出端OUT瞬间发生的电流的充电动作导致的瞬间高电压而发生的放大部101的运行错误或受损，
作为一双反并联二极管的第一及第二二极管D21、D22，根据施加到放大部101的第一晶体管M11的门极端子的大电压，第一二极管D21或第二二极管D22会被开启(Turn-On)，从而执行将门极电压以一定的电压进行固定(Clamp)的作用，并构成静电保护部来保护放大部101的第一晶体管M11的输入门极。
并且作为另外一双反并联二极管的第三及第四二极管D23、D24，根据施加到放大部101的第一晶体管M11的门极端子的大电压，第三二极管D23或第四二极管D24会被开启(Turn-On)，与第一晶体管D21与第二晶体管D22组合地开启(Turn-On)，从而执行将节点a和门极电压以一定的电压进行固定(Clamp)的作用，并构成静电保护部来保护放大部101的第一晶体管M11的输入门极。
因此，为了本例的前置放大装置的运行初期供给电源时，与放大部101的输出端子连接的输出端OUT的电压状态，由于突然供给的电源，瞬间成为细微的暂态电压(TransientVoltage)。
但是，此暂态电压会瞬间充电输入偏置部201的电容器C21，使节点a的电荷量增加一些。此时的电压维持非常低的电压，因此反并联二极管D23和D24的另一侧端子的地表电位和电压差很小。这种状态的两端电压小的反并联二极管的D23和D24的阻抗高至数兆(Tera)，因此没有电流流动，从而节点a维持接地(Ground)。与此同理，反并联二极管D21和D22成为相同的状态，因此与第一晶体管M11的门极电压不发生较大的电压差异，并且反并联二极管两端的阻抗变为数兆(Tera)欧姆(Ohm)，因此第一晶体管M11的门极维持与节点a相同的几乎0V，从而提供偏置电压。
但是如前述，在输入端IN施加(+)的大电压时，二极管D21、D24会被开启(Turn-On)。此时，节点a会施加与二极管的阈值电压(Vth～0.6V)相当的电压。同时由于D21被开启，因此第一晶体管M11的门极施加2×阈值电压(2Vth～1.2V)的电压，从而固定(Clamp)为1.2V。相反，在输入端IN施加(-)的大电压时，二极管D22、D23会被开启(Turn-On)。此时，节点a会施加与二极管的阈值电压(Vth～0.6V)相当的电压。第一晶体管M11的门极施加2×阈值电压(-2Vth～-1.2V)的电压从而固定(Clamp)为-1.2V。
并且，初期供给交流电源后，由于稳定的控制单元(例如，驱动芯片)(未图示)的运行，在稳定形成前置放大装置的电源供给的正常状态下，会发生微小的交流信号。
在这种情况，进行静电防止工作从而将作为放大部101的输入端的第一晶体管M11的门极固定(Clamp)为一定电压，形成正常运行时，施加到放大部101的第一晶体管M11的门极端子的电压几乎维持0V，并将输入偏置电阻维持1兆欧姆(Tera Ohm)至10兆欧姆(TeraOhm)从而稳定被偏置。
构成输入偏置部201的偏置电压控制部21和静电保护部22如图3所示，可以利用NPN BJT(Bipolar Junction Transistor)体现，或者如图4所示，可以利用PMOS(P-channelMetal Oxide Semiconductor)晶体管体现。
重新回到图2，说明反馈增益部301。
反馈增益部301可以将由于输入偏置部201放大部101的运行而减少的正向增益用反馈增益来补充，从而使放大部101的放大运行流畅。
这种反馈增益部301作为利用输出至输出端OUT的输出信号的反馈电路，与输入偏置部201不同，输出端子连接于电阻Rin的一侧，即输入端IN。
如图1所示，本例的反馈增益部301具备以串联连接于输出端OUT和接地之间的第一及第二电容器C31、C32；一侧连接于第一及第二电容器C31、C32的共通端的电阻R31；连接于电阻R31的另一侧的连接垫31；连接于连接垫(Pad)31和接地之间的第三电容器Cpad；以及连接于连接垫31和电阻Rin的一侧之间的第四电容器Cmic。
第一及第二电容器C31、C32是为了反馈传达函数。
第三电容器Cpad是输入连接垫31的杂散电容器(Stray Capacitor)。
第四电容器Cmic是由与本例的前置放大装置连接的传声器形成的电容器，因此可以是传声器本身。此时，传声器可以是微机电系统(MEMS：Micro Electro MechanicalSystem)传声器，更详细地说可以是传声器或其他形态的传声器[Piezo(压电)方式或ECM：Electret Condenser Microphone(驻极体电容传声器)]。
因此，连接垫31是为了电连接及物理连接传声器Cmic的相关端子和电阻R31的垫，因此，可以说第四电容器Cmic的一侧连接于电阻R31的另一侧。
因此，第一及第二电容器C31、C32和第四电容器Cmic起到传达函数的功能，通过这种传达函数决定放大部101的反馈增益。
此时，将微机传声器Cmic本身作为电容器进行利用而不是增加额外的电容器，因此，使其可以获得为传达函数的反馈增益。因此，不需要为传达函数的增益而形成额外的电容器，可以减少前置放大装置的设计面积。
并且，将与本例的前置放大装置连接的传声器Cmic本身利用成用于放大部101的增益的手动组件，因此，可以连接于输出端OUT和输入端IN之间，从而方便地形成反馈增益部301的反馈路径的形成，简易化反馈路径可减少排线电阻等的坏影响。
电阻R31和第三电容器Cpad构成低通滤波器(Low Pass Filter)，排除可能流入传声器的RF噪音。如此，利用通过连接垫31生成的第三电容器Cpad形成噪音排除滤波器，因此，可以简易化前置放大装置的结构并进一步减少涉及面积。
本例的这种前置放大装置与电容式传声器(Capacitive Microphone)一起使用时，在放大部101会发生以下三个噪音。
即，第一个噪音是从第一晶体管M11发生的闪光噪音(Flicker Noise)，第二个噪音是具有宽声幅的白噪音(White Noise)，第三个噪音是低通滤波噪音(Low PassFiltered Noise)。
闪光噪音和白噪音可以通过增加第一晶体管M11的门极大小，从而将第一晶体管M11与双极结型晶体管(BJT：Bipolar Junction Transistor)一起运行来减少。
低通滤波噪音是因为了在第一晶体管M11的门极端子施加一定大小的偏置电压而使用的输入偏置电阻Rb发生的噪音。此时，输入偏置电阻Rb是为了施加在偏置电压而施加到放大部101的输入端子的等效电阻。
如图5所示，截止频率(Cut-Off Frequency)fc和A-加权滤波器(A-WeightingFilter)的加权值范围Wc相互重叠的部分作用为低通滤波噪音。
此时，截止频率ωc为1/(Rb×Cmic)，因此与(Rb×Cmic)的大小成反比。本例中，第四电容器Cmic，如前述，是通过连接于反馈增益部301的传声器生成的电容器，并且由于传声器的大小变小，因此，Cmic的值也呈变小趋势。
由此，通过增加输入偏置电阻Rb的大小而不是增加第四电容器Cmic的大小来减少截止频率fc，从而可以减少低通滤波噪音的大小。
在本例中，增加输入偏置电阻Rb的方法是将具备控制部21、静电保护部22以及电容器C21的输入偏置部201配置于输出端OUT和放大部101的输入端子，即，第一晶体管M11的门极端子之间。
此时，偏置电压控制部21和静电保护部22的反并联二极管D21及D22，D23及D24，如前述，具有高达1兆欧姆至10兆欧姆的高阻抗，从而增加输入偏置电阻Rb的大小，因此，可以减少本例的前置放大装置的低通滤波噪音的大小。
接下来，参照图6说明形成放大部101的第二晶体管M12的门极电压即偏置电压Vb的例101a。
图6是示出根据本发明的一实施例的前置放大电路中的放大部的其他例的图。
图6所示的放大部101a对比图1所示的放大部101时，除了具备将门极电压施加至第二晶体管M12的门极端子的门极电压发生部11外，具备与图1所示的放大部101相同的结构。
门极电压发生部11具备一侧连接于第二晶体管M12的门极端子的电阻(例如，第二电阻)Rf；一侧连接于电阻Rf的另一侧的电容器Cf；输入端子连接于电容器Cf的另一侧，输出端子连接于第二晶体管M12的门极端子(即，控制端子)的放大器AMP11。
此时，放大器AMP11由具有规定大小的增益Af的二段放大器构成，为了使用这种放大器AMP11防止整个放大器振动而形成。
因此，电阻Rf和电容器Cf为了补充防止在放大器AMP11发生振动的频率而运行。
因这种结构的放大部101a，第二晶体管M12的门极端子会施加稳定的门极电压，由已闭合环路(Closed Loop)形态形成的反馈增益部301发生的问题会减少。
适用本发明的这种前置放大装置的传声器，可以搭载于智能手机、智能手表(Smart Watch)、智能(AI)音箱、笔记本电脑、平板电脑、数码相机、导航等移动设备，将人的声信号转换为电信号从而进行通讯的半导体部件。
以上，说明了本发明的前置放大装置的实施例。本发明不限定于所述实施例及附图，可以根据具有所属领域一般知识的人的观点进行多种修改及变形。因此本发明的范围除了本说明书的权利要求之外还应该根据与权利要求均等项所决定。
Claims (11)
1.一种前置放大装置，包括：
放大部，连接于输入端和输出端之间；
输入偏置部，输入端子连接于所述输出端，输出端子连接于所述放大部的输入端子，当输入设定大小以上的信号时执行静电放电功能，向所述放大部的输入端子施加偏置电压；以及
反馈增益部，连接于所述输出端和所述输入端并设置所述放大部的增益。
2.根据权利要求1所述的前置放大装置，其特征在于，
所述输入偏置部，包括：
反馈电容器，一侧连接于输入端；
第一及第二二极管，以反并联连接在所述反馈电容器的另一侧和所述放大部的输入端子之间；以及
第三及第四二极管，以反并联连接在所述反馈电容器的另一侧和接地之间并执行所述静电放电功能。
3.根据权利要求1所述的前置放大装置，其特征在于，
所述第一至第四二极管由PMOS晶体管构成。
4.根据权利要求1所述的前置放大装置，其特征在于，
所述第一至第四二极管由NPN型双极结型晶体管构成。
5.根据权利要求1所述的前置放大装置，其特征在于，
所述反馈增益部，包括：
第一及第二电容器，串联连接在输出端和接地之间；
电阻，一侧连接于第一及第二电容器的共通端；
第三电容器，连接在电阻的另一侧和接地之间；以及
第四电容器，连接在所述第三电容器的另一侧和输入端之间。
6.根据权利要求5所述的前置放大装置，其特征在于，
所述第四电容器是由连接于所述反馈增益部的传声器形成的电容器。
7.根据权利要求6所述的前置放大装置，其特征在于，
所述第三电容器是连接所述传声器和所述反馈增益部的连接垫的杂散电容器。
8.根据权利要求1所述的前置放大装置，其特征在于，还包括：
电阻，位于所述输入端和所述放大部的输入端子之间，
所述输入偏置部的输出端子连接于所述电阻和所述放大部的输入端子之间。
9.根据权利要求1所述的前置放大装置，其特征在于，
所述放大部为源极跟随器。
10.根据权利要求9所述的前置放大装置，其特征在于，
所述放大部，包括：
第一晶体管，控制端子连接于所述输入偏置部的输出端子；
电阻，连接于所述第一晶体管的输出端子和接地之间；以及
第二晶体管，在电源连接源极端子，输出端子连接在所述第一晶体管的输入端子和输出端。
11.根据权利要求9所述的前置放大装置，其特征在于，
所述放大部，包括：
第一晶体管，控制端子连接于所述输入偏置部的输出端子；
第一电阻，连接于所述第一晶体管的输出端子和接地之间；
第二晶体管，在电源连接源极端子，输出端子连接在所述第一晶体管的输入端子和输出端；
第二电阻(Rf)，一侧连接在所述第二晶体管的门极端子；
电容器(Cf)，一侧连接在第二电阻(Rf)的另一侧；以及
放大器，在所述电容器的另一侧连接输入端子，在第二晶体管的控制端子连接输出端子。
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