CN113573221A

CN113573221A - 一种mems麦克风偏置电路及mems麦克风

Info

Publication number: CN113573221A
Application number: CN202110733304.9A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 王艳梅
Original assignee: Goertek Microelectronics Inc
Current assignee: Goertek Microelectronics Inc
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2021-10-29

Abstract

本公开涉及一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，包括：振荡器、时钟幅度调节模块、基准电压模块和电荷泵组，所述振荡器的输出端连接所述时钟幅度调节模块的输入端，所述振荡器用于向所述时钟幅度调节模块发送时钟信号；所述时钟幅度调节模块的输出端连接所述电荷泵组，所述时钟幅度调节模块用于调节所述时钟信号的幅度；所述基准电压模块连接所述电荷泵组，用于为所述电荷泵组的运行提供输入电压；所述电荷泵组包括前级电荷泵和输出级电荷泵，所述前级电荷泵位于所述电荷泵组的输入端，所述输出级电荷泵位于所述电荷泵组的输出端，所述电荷泵组用于输出待处理的偏置电压。能够输出稳定的偏置电压，使MEMS麦克风具有很好的灵敏度。

Description

一种MEMS麦克风偏置电路及MEMS麦克风

技术领域

本公开实施例涉及麦克风电路技术领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风偏置电路及MEMS麦克风。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风需要在一个稳定且低噪声的偏置电压下才能将声压作用在MEMS芯片振膜上产生的机械形变转换为一定幅值的电信号。该偏置电压约10V左右，远大于电源电压，所以需要一个电路模块产生一个远大于电源电压的直流电平为MEMS芯片提供偏置电压。

偏置电压的稳定性会直接影响麦克风的灵敏度，偏置电压的噪声也会影响MEMS麦克风输出电信号的噪声。因此，在偏置电压的设计过程中，偏置电压的稳定性和低噪声尤为关键。但是目前的偏置电路的稳定不高，且存在噪声影响，从而影响麦克风的灵敏度。

发明内容

本公开实施例的一个目的是提供一种MEMS麦克风偏置电路及MEMS麦克风，能够解决现有麦克风偏置电路信号不稳定，灵敏度不高的问题。

根据本公开的第一方面，提供了一种MEMS麦克风偏置电路，包括：振荡器、时钟幅度调节模块、基准电压模块和电荷泵组，所述振荡器的输出端连接所述时钟幅度调节模块的输入端，所述振荡器用于向所述时钟幅度调节模块发送时钟信号；所述时钟幅度调节模块的输出端连接所述电荷泵组，所述时钟幅度调节模块用于调节所述时钟信号的幅度；所述基准电压模块连接所述电荷泵组，用于为所述电荷泵组的运行提供输入电压；所述电荷泵组包括前级电荷泵和输出级电荷泵，所述前级电荷泵位于所述电荷泵组的输入端，所述输出级电荷泵位于所述电荷泵组的输出端，所述电荷泵组用于输出待处理的偏置电压。

进一步地，所述前级电荷泵包括依次连接的第一前级电荷泵至第N前级电荷泵，其中N为大于等于1的整数。

进一步地，所述时钟幅度调节模块包括时钟幅度加倍电路和二分频电路，

所述时钟幅度加倍电路的第一输出端连接所述二分频电路的输入端，所述时钟幅度加倍电路的第二输出端连接至输出级电荷泵的第一输入端；

所述二分频电路的第一输出端连接第一前级电荷泵，所述二分频电路的第二输出端连接至输出级电荷泵的第二输入端。

进一步地，所述基准电压模块包括带隙基准电路和稳压器，所述带隙基准电路通过所述稳压器连接至所述电荷泵组。

进一步地，所述基准电压模块还连接至所述时钟幅度调节模块，其中，所述基准电压模块与时钟幅度加倍电路连接，用于为所述时钟幅度加倍电路提供电源电压。

进一步地，所述偏置电路还包括低通滤波器，所述输出级电荷泵的输出端连接所述低通滤波器，所述低通滤波器用于对所述待处理的偏置电压进行降噪处理。

进一步地，所述偏置电路还包括电源模块和电压检测模块，所述电源模块通过电压检测模块连接至低通滤波器，为所述低通滤波器提供工作电压。

进一步地，所述电压检测模块用于接收所述电源模块的电源电压，根据所述电源电压与预设电压的大小，控制所述低通滤波器的开启和关闭。

进一步地，根据所述电源电压与预设电压的大小，控制所述低通滤波器的开启和关闭，包括：在所述电源电压大于预设电压的情况下，控制所述低通滤波器开启；在所述电源电压小于预设电压的情况下，控制所述低通滤波器关闭。

根据本公开的第二方面，还提供了一种MEMS麦克风，其特征在于，所述麦克风包括壳体、设置在所述壳体内的MEMS芯片和第一方面所述的一种MEMS麦克风偏置电路，所述偏置电路连接所述MEMS芯片，用于为所述MEMS芯片提供偏置电压。

本公开实施例的一个有益效果在于，本实施例通过在偏置电路中设置时钟幅度加倍电路、输出级电荷泵等器件从而使电路输出的偏置电压更加稳定，使偏置电压的噪声较低，从而使MEMS麦克风具有很好的稳定性和灵敏度。

通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开实施例的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开实施例的原理。

图1为本发明所属技术领域中现有技术的示意图；

图2是本实施例提供的一种MEMS麦克风偏置电路组成结构示意图；

图3是本实施例提供的一种MEMS麦克风的结构示意图。

图中：振荡器01、时钟幅度调节模块02、电荷泵组03、前级电荷泵04、输出级电荷泵05、时钟幅度加倍电路06、二分频电路07、带隙基准电路08、稳压器09、低通滤波器10、电压检测模块11、电源模块12、基准电压模块13、壳体300、MEMS芯片20。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在介绍本实施例之前，首先对本实施例的应用背景进行介绍，MEMS麦克风包括振膜和背极板，振膜会在声压的作用下发生机械形变，该形变会导致振膜和背极板之间的等效电容发生变化从而引起电压的变化，实现将声压信号转换为电信号的功能。然而MEMS需要在一个稳定且低噪声的偏置电压下才能将声压作用在MEMS振膜上产生的机械形变转换为一定幅值的电信号。该偏置电压约10V左右，远大于电源电压，所以需要一个电路模块产生一个远大于电源电压的直流电平为MEMS提供偏置。也就是本实施例提供的MEMS麦克风偏置电路。

参考图1，图1为常规MEMS麦克风偏置电路架构图，电源驱动振荡器产生时钟信号，基准电压电路为电荷泵工作提供电压，电荷泵在时钟信号和电压信号的驱动下产生满足MEMS偏置电压的直流电平，该电平经过低通滤波器滤除时钟带来的高频纹波后，输出偏置电压至MEMS麦克风的MEMS芯片。然而，图1所示的偏置电路中的振荡器产生的时钟信号、基准电压电路的输出电压均直接输入电荷泵，会给电路带来一定的噪声，影响信号的稳定。

因此，本实施例提供一种MEMS麦克风偏置电路，参考图2，该偏置电路包括：振荡器01、时钟幅度调节模块02、基准电压模块13和电荷泵组03，其中，振荡器01的输出端连接时钟幅度调节模块02的输入端，用于向时钟幅度调节模块02发送时钟信号，时钟幅度调节模块02的输出端连接电荷泵组03，用于调节时钟信号的幅度，电荷泵组03根据调整后的时钟幅度输出一个待处理的偏置电压，该待处理的偏置电压在进行滤波后，形成符合MEMS芯片所需的偏置电压。其中，基准电压模块13连接电荷泵组03，用于为电荷泵组03的运行提供输入电压。

电荷泵是一种开关电容式电压变换器，能够利用电容来储能的DC-DC变换器，能使输入电压升高或降低，其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电，从而使输入电压以一定因数倍增或降低，从而得到所需要的输出电压。因此，本实施例中采用电荷泵组03来进行多级组合，从而使电荷泵的输出电压增加，以达到MEMS芯片所需的偏置电压。

上述电荷泵组03包括前级电荷泵04和输出级电荷泵05，前级电荷泵04位于电荷泵组03的输入端，输出级电荷泵05位于电荷泵组03的输出端，也就是说前级电荷泵04和输出级电荷泵05依次设置在电荷泵组03的输入端至输出端之间。其中，前级电荷泵包括依次连接的第一前级电荷泵至第N前级电荷泵，其中N为大于等于1的整数。

对于每一级电荷泵，能够将输入电荷泵组03的低电压直流电平抬升一个时钟幅度，由此可知，本实施例中前级电荷泵的数量N由满足MEMS芯片工作的偏置电压的幅度和输入电荷泵组03的时钟幅度的差值来决定。由于满足MEMS芯片工作的偏置电压的幅度一般都是固定的，例如MEMS需要的偏置电压一般为10V左右的高压电平，所以N的值由输入电荷泵组03的时钟幅度来决定。鉴于此，本实施例中在振荡器01和电荷泵组03之间设置时钟幅度调节模块02，用于增加振荡器01输出的时钟信号的幅度，以增加输入电荷泵组03的时钟幅度，从而减少前级电荷泵的数量，可以减小功耗。

其中，由图1可以看出，常规的偏置电路中，电荷泵的驱动由振荡器01的时钟信号控制，然而在由同一信号控制的情况下，电荷泵内的不同的晶体管存在同时导通的可能性，也就是会存在不同的晶体管出现同相的可能性，会使得电荷泵向偏置电压泄露电荷，增加偏置电压的噪声。因此，参考图2，本实施例中的电荷泵组03设置有输出级电荷泵05，该输出级电荷泵05由两组时钟信号控制，两组时钟信号为不同频率的时钟信号，能够避免时钟信号出现同时为低或者同时为高的情况，例如，当输出级电荷泵05内是PMOS管时，可能出现时钟信号出现同时为低的情况，当输出级电荷泵05内是NMOS管时，可能出现时钟信号出现同时为高的情况。设置完成时钟不交叠的作用，能有效抑制输出晶体管同时导通的可能性，可有效降低电荷泄露，减小噪声。

因此，本实施例中时钟幅度调节模块02包括时钟幅度加倍电路06和二分频电路07，时钟幅度加倍电路06的第一输出端连接所述二分频电路07的输入端，时钟幅度加倍电路06的第二输出端连接至输出级电荷泵05的第一输入端；二分频电路07的第一输出端连接第一前级电荷泵，二分频电路07的第二输出端连接至输出级电荷泵05的第二输入端。二分频电路07的作用是将同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成频率为输入频率二分之一的时钟信号，也就是说，本实施例中二分频电路07用于将振荡器01产生的时钟信号分频得到频率为振荡器时钟信号频率二分之一的新的时钟信号，因此，控制输出级电荷泵05的两组信号分别为振荡器01产生的时钟信号、二分频电路07输出的一组时钟信号。

需要说明的是，时钟幅度加倍电路06增加的是时钟信号的幅度，并不改变时钟信号的占空比，二分频电路07改变的是时钟信号的频率，因此，虽然通过时钟幅度加倍电路06的时钟信号被二分频电路07分成2个频率为输入频率二分之一的时钟信号，但是不改变其输入电荷泵的时钟信号幅度。

本实施例中，基准电压模块13包括带隙基准电路08和稳压器09，带隙基准电路08通过稳压器09连接至电荷泵组03。带隙基准电路08可以为电荷泵组03提供一个和电源电压及温度无关的稳定电压作为电荷泵组03的输入，能保证电荷泵组03输出电压的稳定性。但是带隙基准电路08的输出阻抗较高，驱动性较差，使得带隙基准电压的输出易受其负载变化的影响，难以驱动电荷泵。因此，本实施例中的带隙基准电路08和电荷泵组03之间设置有稳压器09，实现阻抗转换的作用，因此，整个基准电压模块13具有大的输入阻抗，小的输出阻抗，可有效改善带隙基准电路08驱动性较差的缺陷。使得带隙基准电压的输出不受其负载变化的影响，驱动电荷泵更加稳定地工作。而且，稳压器09可一定程度上提升带隙基准电路08输出电压的电平，这样后续电荷泵电路的输入基准就提升了，可一定程度上减少电荷泵的级数。

本实施例中，基准电压模块13还连接至时钟幅度调节模块02，其中，基准电压模块13与时钟幅度加倍电路06连接。用于为时钟幅度调节模块02中的电路正常工作提供电源电压。

在一个可行的例子中，偏置电路还包括低通滤波器10，输出级电荷泵05的输出端连接低通滤波器10，低通滤波器10用于对待处理的偏置电压进行降噪处理。电荷泵组03的时钟信号会带来高频纹波，也就是电荷泵组03输出的是待处理的偏置电压信号，因此，电荷泵组03产生的输出大电平基准电压不会直接提供给MEMS芯片，为进一步减小偏置电压的噪声，需要在电荷泵的输出处增加一个低通滤波器10，用于滤除高频纹波，生成符合MEMS芯片所需要的偏置电压。

另外，考虑到电源电压在上电时会出现问题，例如，电源上电较慢，或者存在电源上电不稳定的情况，电源上电出现问题时，由于电路各模块开始工作的电源电压不同，可能会使得一部分电路开始工作，一部分电路未开始工作，导致电路进入不正确状态。因此，本实施例的偏置电路还包括电源模块12和电压检测模块11，电源模块12通过电压检测模块11连接至低通滤波器10。电源模块12用于为偏置电路的各电路提供电源电压，以及为低通滤波器提供工作电压。例如，电源电压为振荡器01以及低通滤波器10的工作提供电压。电压检测模块11用于检测电源电压是否稳定输出，接收电源模块12的电源电压，根据电源电压与预设电压的大小，控制低通滤波器10的开启和关闭。在电源电压大于预设电压的情况下，控制低通滤波器10开启；在电源电压小于预设电压的情况下，控制低通滤波器10关闭。其中，预设电压为电源电压满足偏置电路中的所有电路和器件正常工作的电压，具体可以根据实际电路中的器件要求来设置。

也就是说，通过在电源电压没有达到所有电路都可以正常工作的标准值之前，低通滤波器10是关闭状态，偏置电路不会给MEMS芯片提供偏置电压，MEMS麦克风就不会开始工作。

本实施例通过对常规偏置电路进行改进，能够使电路输出的偏置电压更加稳定，使偏置电压的噪声较低，从而使MEMS麦克风具有很好的稳定性和灵敏度。

本实施例中的MEMS麦克风，参考图3，MEMS麦克风包括壳体300、设置在壳体内的MEMS芯片20和上述实施例中的一种MEMS麦克风偏置电路，其中，MEMS麦克风偏置电路连接MEMS芯片20，用于为MEMS芯片提供偏置电压。

MEMS芯片20可以包括振膜和背极板，MEMS麦克风偏置电路产生的偏置电压作用在振膜上，使得振膜在声压的作用下发生机械形变，该形变会导致振膜和背极板之间的等效电容发生变化从而引起电压的变化，实现将声压信号转换为电信号的功能。

其中，MEMS麦克风偏置电路和MEMS芯片20可以集成在同一电路板上，以形成具有高灵敏度的麦克风偏置电压集成器件。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，包括：振荡器、时钟幅度调节模块、基准电压模块和电荷泵组，

所述振荡器的输出端连接所述时钟幅度调节模块的输入端，所述振荡器用于向所述时钟幅度调节模块发送时钟信号；

所述时钟幅度调节模块的输出端连接所述电荷泵组，所述时钟幅度调节模块用于调节所述时钟信号的幅度；

所述基准电压模块连接所述电荷泵组，用于为所述电荷泵组的运行提供输入电压；

所述电荷泵组包括前级电荷泵和输出级电荷泵，所述前级电荷泵位于所述电荷泵组的输入端，所述输出级电荷泵位于所述电荷泵组的输出端，所述电荷泵组用于输出待处理的偏置电压。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述前级电荷泵包括依次连接的第一前级电荷泵至第N前级电荷泵，其中N为大于等于1的整数。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述时钟幅度调节模块包括时钟幅度加倍电路和二分频电路，

4.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述基准电压模块包括带隙基准电路和稳压器，

所述带隙基准电路通过所述稳压器连接至所述电荷泵组。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述基准电压模块还连接至所述时钟幅度调节模块，其中，所述基准电压模块与时钟幅度加倍电路连接，用于为所述时钟幅度加倍电路提供电源电压。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述偏置电路还包括低通滤波器，所述输出级电荷泵的输出端连接所述低通滤波器，所述低通滤波器用于对所述待处理的偏置电压进行降噪处理。

7.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述偏置电路还包括电源模块和电压检测模块，所述电源模块通过电压检测模块连接至低通滤波器，为所述低通滤波器提供工作电压。

8.根据权利要求7所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，所述电压检测模块用于接收所述电源模块的电源电压，根据所述电源电压与预设电压的大小，控制所述低通滤波器的开启和关闭。

9.根据权利要求8所述的一种MEMS麦克风偏置电路，其特征在于，根据所述电源电压与预设电压的大小，控制所述低通滤波器的开启和关闭，包括：

在所述电源电压大于预设电压的情况下，控制所述低通滤波器开启；

在所述电源电压小于预设电压的情况下，控制所述低通滤波器关闭。

10.一种MEMS麦克风，其特征在于，所述麦克风包括壳体、设置在所述壳体内的MEMS芯片和权利要求1-9所述的一种MEMS麦克风偏置电路，

所述偏置电路连接所述MEMS芯片，用于为所述MEMS芯片提供偏置电压。