CN115868177A - 具有三分贝反馈回路的换能器系统 - Google Patents

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Abstract

一种换能器系统具有被配置为接收入射信号并产生作为入射信号的函数的输出信号的换能器。如本领域已知的，输出信号具有‑3dB点。换能器系统还具有可操作地与换能器耦合的电路装置。该电路装置包括具有输出端的放大器，该输出端被配置为产生作为输出信号的函数的放大信号。此外，该电路装置还具有正反馈回路和负反馈回路，这两个回路都电耦合在换能器与放大器之间。正反馈回路被配置为在第一频率方向上移动‑3dB点。相反地，负反馈回路被配置为在第二频率方向上移动‑3dB点。优选地，第一频率方向和第二频率方向是不同的。

Description

具有三分贝反馈回路的换能器系统
相关申请
本申请要求2020年5月12日提交的题为“Transducer System with ThreeDecibel Feedback Loop”并且署名发明人为Julian Aschieri的美国临时申请第63/023562号的优先权[代理人案卷号4403-10801]。
前述公开内容通过引用其整体结合于此。
技术领域
说明性实施例总体上涉及换能器，并且更具体地，本发明的各种实施例涉及控制由换能器产生的信号的3分贝点。
背景技术
微机电系统(MEMS)声学换能器/传感器将声能转换成电信号和/或将电信号转换成声能。MEMS声学换能器的示例是将声压转换成电压的MEMS麦克风。基于其换能机制，MEMS麦克风可以被制成各种形式，诸如电容麦克风或压电麦克风。
MEMS电容麦克风和驻极体电容器麦克风(ECM)当前主导了消费电子产品。然而，压电MEMS麦克风占据了消费市场越来越大的份额，并且与电容MEMS麦克风相比具有独特的优势。其中，压电MEMS麦克风没有背板，从而消除了挤压膜(squeeze film)阻尼，而挤压膜阻尼是电容MEMS麦克风的固有噪声源。此外，压电MEMS麦克风是回流兼容的，并且可以使用典型的无铅焊接工艺被安装到印刷电路板(PCB)，这可能会对典型的ECM造成不可修复的损坏。
尽管采用了精心的制造技术，但是MEMS麦克风的某些参数是难以控制的。例如，来自同一晶片的MEMS换能器的3-dB点可能变化很大。
发明内容
在一个实施例中，一种换能器系统包括具有换能器输出端的第一换能器，第一换能器被配置为接收入射信号并在换能器输出端处产生作为入射信号的函数的第一输出信号。第一换能器具有第一-3dB点。
该系统还包括可操作地与第一换能器耦合的电路装置，该电路装置包括具有放大器输入端和放大器输出端的放大器，放大器输入端与换能器输出端进行电通信，其中放大器被配置为产生作为第一输出信号的函数的放大信号。在说明性实施例中，放大器被配置为线性放大器。在示出的实施例中，换能器系统还包括可操作地耦合在放大器输出端与放大器输入端之间的放大器反馈电路装置，以从放大器输出端和放大器输入端提供直接反馈信号，直接反馈信号不经过换能器。
该电路装置还具有第一正反馈回路，第一正反馈回路电耦合到放大器输出端和第一换能器，以向第一换能器提供第一正反馈信号；第一正反馈回路被配置为在第一频率方向上移动第一-3dB点。在说明性实施例中，第一频率方向是将第一-3dB的频率移动得更低的方向。
在说明性实施例中，换能器被电设置在放大器输出端与放大器输入端之间，使得换能器是反馈回路内的电组件。
在一些实施例中，换能器系统还包括电耦合到放大器输出端和第一换能器的第一负反馈回路，以向第一换能器提供负反馈信号，其中第一负反馈回路被配置为在第二频率方向上移动-3dB点(第一频率方向和第二频率方向是不同的)。在说明性实施例中，第二频率方向是将第一-3dB点的频率移动得更高的方向。
根据权利要求1所述的换能器系统的说明性实施例还包括低通滤波器，低通滤波器与正反馈回路进行电通信，以对一些频率进行滤波，从而防止该一些频率作为反馈电压被提供给换能器。
在说明性实施例中，第一正反馈回路包括第一可编程阻抗，第一可编程阻抗被配置为可控地呈现多个阻抗值，以调节被提供给第一换能器的第一正反馈的幅度。例如，在一些实施例中，第一可编程阻抗包括多个电阻器和多个开关，多个电阻器中的每个电阻器耦合到对应的开关，并且换能器系统还包括可编程控制器，可编程控制器被配置为向多个开关中的每个开关提供对应的控制信号。
在一些实施例中，放大器被配置为线性放大器，并且换能器系统还包括不同于第一换能器并且被配置为接收入射信号的第二换能器。第二换能器可操作地耦合到放大器输入端。在这样的实施例中，第二换能器具有第二-3dB点。在这样的实施例中，电路装置还包括第二正反馈回路，第二正反馈回路电耦合到放大器输出端和第二换能器，以从放大器输出端向第二换能器提供第二正反馈信号，第二正反馈回路被配置为在第一频率方向上移动第二-3dB点。
另一实施例包括一种方法，该方法包括从微机械换能器接收换能器信号，换能器信号在给定频率处具有-3dB点。该方法还包括放大换能器信号以产生放大信号，以及根据放大信号形成反馈信号。该方法还包括将反馈信号转发给微机械换能器，微机械换能器响应于反馈信号的接收而将-3dB点移动到指定频率范围。
在一些实施例中，形成反馈信号包括形成正反馈信号，并且将正反馈信号转发给微机械换能器在更低的频率方向上移动-3dB点。
在一些实施例中，形成反馈信号包括形成正反馈信号和负反馈信号，并且转发包括将正反馈信号和负反馈信号两者转发给换能器。在说明性实施例中，形成正反馈信号和负反馈信号还包括将正反馈信号与负反馈信号求和以形成组合的反馈信号，并且转发包括将组合的反馈信号转发给换能器。
在说明性实施例中，正反馈信号在更低的频率方向上移动-3dB点，负反馈信号在更高的频率方向上移动-3dB点不同的量。
根据本发明的另一实施例，一种换能器系统具有被配置为接收入射信号并产生作为入射信号的函数的输出信号的换能器。如本领域已知的，输出信号具有-3dB点。换能器系统还具有可操作地与换能器耦合的电路。该电路装置包括具有输出端的放大器，该输出端被配置为产生作为换能器输出信号的函数的放大信号。此外，该电路装置还具有正反馈回路和负反馈回路，这两个回路都电耦合在换能器与放大器之间。正反馈回路被配置为在第一频率方向上移动-3dB点。相反地，负反馈回路被配置为在第二频率方向上移动-3dB点。优选地，第一频率方向和第二频率方向是不同的。
其中，该电路装置还可以包括被配置为对放大信号进行滤波的低通滤波器。
在优选实施例中，换能器是MEMS麦克风(例如，压电MEMS麦克风)。
为了控制输出信号，正反馈回路包括被配置为降低-3dB点的正指定电阻(例如，一个或多个电阻器)。以类似的方式，负反馈回路可以具有被配置为提高-3dB点的负指定电阻(例如，一个或多个电阻器)。此外，正反馈回路和负反馈回路中的一个反馈回路或两者均可以包括两个回路。
在优选实施例中，第一频率方向降低-3dB点的频率，并且第二频率方向提高-3dB点的频率。另外，放大器可以产生作为第一反馈回路、第二反馈回路、或者第一反馈回路和第二反馈回路两者的函数的放大信号。
在其他类型中，放大器可以包括模拟前端(AFE)。此外，换能器可以被形成为换能器集成电路裸片。
根据另一实施例，一种方法从换能器集成电路裸片接收换能器信号。与其他类型的这种信号一样，换能器信号具有-3dB点。该方法然后放大换能器信号以产生放大信号，根据放大信号形成反馈信号，并且将反馈信号转发给换能器集成电路裸片。响应于反馈信号的接收，换能器将-3dB点移动到指定频率范围。
该方法可以通过形成正反馈信号和负反馈信号(例如，两个信号彼此180度异相)来形成反馈信号。在这种情况下，该方法转发正反馈信号和负反馈信号两者。优选地，正反馈信号在更低的频率方向上移动-3dB点，而负反馈信号在更高的频率方向上移动-3dB点不同的量至指定频率范围。
附图说明
本领域技术人员应当从参考以下总结的附图而讨论的下面的“具体实施方式”中更全面地理解本发明的各种实施例的优点。
图1示意性地示出了可以实现本发明的说明性实施例的MEMS声学传感器的剖视图。
图2A示意性地示出了通用压电MEMS声学传感器裸片的平面图。
图2B示意性地示出了穿过图2A的线A-A’的MEMS声学传感器裸片的悬臂构件的剖视图。
图3A示意性地示出了MEMS麦克风的实施例的频率响应。
图3B示意性地示出了根据说明性实施例的MEMS麦克风的实施例的频率响应。
图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例(差分实施例的示例)的MEMS声学传感器和用于控制MEMS传感器的-3dB点的电路装置的电路图。
图5示意性地示出了根据本发明的另一实施例(单端实施例的示例)的MEMS声学传感器和用于控制MEMS传感器的-3dB点的电路装置的电路图；
图6A示意性地示出了耦合到放大器和反馈电路的MEMS换能器的实施例；
图6B示意性地示出了可控阻抗的实施例。
具体实施方式
说明性实施例使得换能器芯片能够更高效和有效地满足各种各样的基础系统的-3dB点(或等效点)的规范。为此，换能器系统被配置有电路装置，该电路装置使用正反馈电路和负反馈电路中的一者或两者来控制换能器的-3dB点的频率。下面讨论说明性实施例的细节。
图1示意性地示出了被实现为典型的压电MEMS麦克风100(也称为“MEMS换能器100”)的声学传感器的剖视图。如图所示，图1的MEMS麦克风100包括用于将声压转换成电信号的具有压电结构114(例如悬臂或膜片)的MEMS芯片112/裸片，以及用于缓冲和放大由MEMS芯片112产生的电信号的专用集成电路芯片/裸片(ASIC116)。MEMS芯片112和ASIC芯片116通过引线结合118而电连接，并且被安装在封装120的内腔中。具体地，封装120具有基板122(例如，印刷电路板)和多个焊垫126，基板122形成声学端口124用于使得声压能够到达(access)MEMS芯片112，多个焊垫126用于使用户将麦克风封装120焊接到他们的板上。金属盖128通常用于形成麦克风的壳体并减轻电磁干扰(EMI)。
如所述，MEMS芯片112可以由一个或多个压电悬臂或膜片形成(下面讨论)。在许多情况下，基于悬臂的压电结构114是优选的，因为在制造期间，它通常在裸片被释放之后是无应力的。另一方面，这样的麦克风芯片112的膜片结构通常在制造过程中需要更多的应力控制，因为膜片内的最小残余应力可能导致灵敏度显著下降。可以排列多个悬臂以形成压电感测结构，例如，正方形、六边形、八边形或一些其他形状。
一些实施例可以将本实施例和其他实施例的MEMS芯片112和ASIC 116都实现为同一裸片的一部分，而不是用两个分开的芯片来实现系统。相应地，对分开的芯片的讨论是为了说明的目的。
图2A示意性地示出了使用了被形成为压电三角形悬臂230的八个感测构件(也称为“感测臂”)的示例性麦克风芯片212的平面图。这些构件一起形成八边形MEMS声学传感器。图2B示出了这些悬臂230中的一个悬臂的剖视图。实际上，一些实施例可以使用更多或更少的悬臂230。相应地，如与其他特征一样，对八个悬臂230的讨论仅用于说明目的。这些三角形悬臂230在它们各自的基部处固定到基板210(例如，硅基板)上，并且被配置为响应于传入/入射声压(即，声波)而自由移动。三角形悬臂230优于矩形悬臂，因为它们形成了间隙控制几何形状。具体地，当悬臂230由于声压或残余应力而向上或向下弯曲时，相邻悬臂230之间的间隙通常保持相对较小。
悬臂230可以由夹在顶部和底部金属电极236之间的一层或多层压电材料制成。图2B示意性地示出了这种结构的示例。压电层234可以由MEMS器件中使用的典型压电材料制成，诸如氮化铝(AIN)、氮化铝钪(AlScN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)中的一种或多种。电极236可以由MEMS器件中使用的典型金属材料制成，诸如钼(Mo)、铂(Pi)、镍(Ni)和铝(Al)中的一种或多种。替代地，电极236可以由非金属形成，诸如掺杂多晶硅。这些电极236可以仅覆盖悬臂230的一部分，例如，从基部到悬臂230的大约三分之一，因为这些区域在压电层234内比靠近自由端的区域更高效地产生电能。具体地，由传入声压在靠近基部的这些区域中引起的高应力集中通过直接压电效应而被转换成电信号。
电极236通常由附图标记236标识。然而，用于感测信号的电极被称为“感测电极”，并且由附图标记238标识。这些电极优选地以串联形式电连接，以获得期望的电容和灵敏度值。除了感测电极238之外，悬臂230的其余部分也可以被金属覆盖，以维持该结构的一定机械强度。然而，这些“机械电极40”对麦克风输出端的电信号没有贡献。
尽管附图和本说明书非常详细地讨论了压电MEMS声学传感器，但是本领域技术人员可以将各种实施例应用于其他类型的换能器。例如，各种实施例可以应用于一般的惯性传感器，诸如加速度计和陀螺仪、压力传感器、倾斜传感器、扬声器、化学传感器和/或超声波换能器、电容式/电容麦克风以及其他类型的传感器。相应地，压电MEMS声学传感器的详细讨论主要是为了说明的目的，而并不旨在限制本发明的各种其他实施例。
图3A示出了四个换能器中的每一个的频率响应，并且图3B示出了相同的四个换能器中的每一个在根据说明性实施例的微调之后的频率响应。换能器中的每个换能器可以是例如如上所述的换能器212。
在这些附图中，第一换能器的频率响应由曲线312示出，第二换能器的频率响应由曲线313示出，第三换能器的频率响应由曲线314示出，并且第四换能器的频率响应由曲线315示出。在一些实施例中，图3A中所示的频率响应是针对开放回路换能器的，即没有从换能器的输出端到换能器中的反馈的换能器(例如，经由放大器440和一个或多个反馈网络)。
每个换能器都有-3dB点，如其各自的曲线中的-3dB点所证明的。例如，第一换能器在20.4993Hz处具有-3dB点322。换能器的输出在该频率处的电压幅度为-45.0012dB。作为另一示例，第二换能器在198.046Hz处具有-3dB点323。其他每个换能器中的每个换能器也有-3dB点。
如图所示，四个换能器的频率响应彼此偏离，特别是在较低频率处(即，在该实施例中为低于1000Hz)，其中频率越低，差异越显著。
在一些情形下，频率响应的这种差异可能是不期望的或不可接受的。例如，移动电话制造商可能期望其使用的每个麦克风具有基本类似的频率响应，以便提升其电话的统一性。作为另一示例，一些设备采用一组两个(或更多个)换能器，并且可能期望该组换能器中的每个换能器具有基本类似的频率响应。
为此，说明性实施例包括一个或多个换能器反馈网络，换能器反馈网络向一个或多个换能器提供反馈，以使每个这样的换能器的-3dB点位移。如下所述，说明性实施例从换能器接收输出电压，并且用放大器电路对换能器输出进行缓冲或放大。放大器的输出被提供给一个或多个反馈网络，其中反馈网络中的一个或多个反馈网络可以是可微调的。每个反馈网络产生反馈信号，并且将该反馈信号作为输入提供给换能器。
在图6A中示意性地示出了耦合到换能器112并向换能器112提供反馈信号的反馈电路的说明性实施例。在该实施例中，仅举一个示例，换能器112可以是压电麦克风，并且换能器112可以被建模为具有两个板611和612的电容器。反馈信号(无论是如图5所示的正换能器反馈信号，还是负换能器反馈信号，或者是如图4所示的组合(例如求和)的正反馈信号和负反馈信号)经由结合焊垫648(其可以是图2所示的结合焊垫248中的一个结合焊垫)被直接提供给板611中的一个板，而换能器输出在另一结合焊垫689(其可以是图2所示的结合焊垫248中不同的一个结合焊垫)上被提供。结合焊垫648可以被认为是换能器112的电输入端。
因此，在这样的实施例中，换能器是反馈电路内的电路元件(或电路组件)(换句话说，换能器电设置在放大器输出端447与放大器输入端(例如441和/或443)之间)，并且反馈电路可以被称为产生“换能器”反馈信号的“换能器”反馈电路。
此外，该电路是线性电路，因为放大器产生换能器的输出的线性副本。为此，在说明性实施例中，放大器被配置为线性放大器。例如，一些实施例包括放大器的输出端与放大器的输入端之间的反馈电路，该反馈电路可以被称为直接反馈电路，因为该反馈电路不包含换能器。
被提供给换能器的反馈促使该换能器的-3dB点位移。例如，正反馈促使-3dB点的频率下降，并且负反馈促使-3dB点的频率上升。
转到图3B，该图示出了频率响应曲线312、313、314和315由于向相应的换能器施加反馈而已经收敛。更具体地，曲线312基本保持不变(相对于图3A中的曲线312)，但是曲线313已经位移使其频率更低，使得其-3dB点323不接近曲线312在20.4993Hz处的-3dB点322，并且在一些实施例中与曲线312在20.4993Hz处的-3dB点322相同。曲线314和315响应于施加到对应的换能器的换能器反馈也已经位移使其频率更低。
图4示意性地示出了MEMS声学传感器和用于控制MEMS传感器的-3dB点(也称为“低频滚降点”)的电路装置的电路图。该-3dB点控制功能优选地由ASIC芯片116实现，尽管它可以由位于其他地方的电路装置(诸如分开的裸片或在MEMS芯片112上)实现。还应当注意，尽管讨论了广泛使用的标准-3dB点，但是本领域技术人员应当理解，该-3dB点可以高于或低于精确的-3dB点，或者可以是为类似目的设置的不同值。相应地，对-3dB点的讨论是为了说明的目的，而并不旨在限制所有实施例。
如图所示，该示例中的系统包括被实现为与微调电路490耦合的MEMS芯片112的两个换能器。其中，微调电路490包括放大器440，放大器440具有与MEMS芯片112耦合的输入端，并且在一些实施例中被配置为具有反馈电容的积分器。在优选实施例中，放大器440是差分模拟前端(AFE)放大器，尽管其他实施例可以使用其他类型的放大器。这样，放大器440具有与一个换能器412耦合的一个输入端441以及与第二换能器413耦合的另一输入端443。在图4的实施例中，输入端子441是放大器440的反相输入端，并且输入端子443是放大器440的非反相输入端。
放大器440具有差分输出端(447，包括单独的输出端442；444).在图4的实施例中，输出端子444是放大器440的反相输出端，并且输出端子442是放大器440的非反相输出端。为了控制-3dB点，换能器的输出端被用作直接耦合回两个换能器412、413的正反馈回路的输入端，并且被用作直接耦合回两个换能器412、413的对应的负反馈回路的输入端。
具体地，正反馈回路具有与第一放大器输出端子442耦合并且包括电阻Rposl 422的第一支路，以及与第二放大器输出端子444耦合并且包括电阻Rpos2 423的第二支路。
注意，本文讨论的电阻和电容可以以多种方式实现，包括作为一个或多个电阻器或电阻、单个电阻器和/或作为其他设备，诸如可编程非易失性存储器或控制器655。相应地，对“电阻器”或“电容器”的讨论可以被认为包括一个或多个这样的组件或有效电阻和有效电容。
以类似的方式，负反馈回路具有与第二放大器输出端子444耦合并且包括电阻Rnegl 421的第一支路，以及与第一放大器端子442耦合并且包括电阻Rneg2 424的第二支路。每个反馈网络具有耦合到换能器(例如，412、413)以向该换能器提供反馈信号的节点454。每个这样的节点可以被认为是用于其相应的反馈网络的输出点。例如，图4示出了两个这样的节点(编号为452和453)，以分别向换能器412和413提供组合(正和负)的反馈信号，并且图5具有一个这样的节点(编号为452)，以向换能器412提供其反馈。换句话说，这种系统形成正反馈信号和负反馈信号，然后将正反馈信号与负反馈信号求和以形成组合的反馈信号，然后将组合的反馈信号向前转发给换能器。
该系统还具有由电容C 431和电阻Rpp 432形成的滤波器430。
说明性实施例在生产过程中的方便点处设置电路元件的值。例如，在MEMS芯片112的最终测试(即，确定它们相应的-3dB点)之后，说明性实施例可以计算或以其他方式确定适当的元件值(例如，经由查找表)，然后将这些值烧录到可编程控制器或存储器655中，以微调组件。
对元件进行选择，使得负反馈回路使MEMS芯片112的-3dB点在一个方向上移动，同时正反馈回路使-3dB点在相反方向上移动。例如，正反馈回路可以通过将-3dB点移动到太低的更低频率——实际上超过了更优选的-3dB点——而充当粗调组件。因此，负反馈回路可以通过将-3dB点向上移动以从初始过调值回到更适当的值而充当微调组件。其他实施例可以以相反的方式使用负反馈回路和正反馈回路。
在说明性实施例中，反馈网络中的电阻器中的任何一个或多个电阻器(即，421和/或422和/或423和/或424)可以是可编程的(或可控的，例如，被设置和/或改变)，因为它们的电阻可以被电子地或数字地控制。为此，图6B示意性地示出了具有两个端子651和652的可控电阻器650的实施例。可控电阻器650包括一组电阻器(在该实施例中为电阻器671、672、673、674、675和676)和对应的一组开关(在该实施例中为开关661、662、663、664、665和666)以及控制电路655。在说明性实施例中，每个开关可以是晶体管，诸如场效应晶体管或MEMS开关，本文仅举几个示例。在说明性实施例中，控制器655可以是存储器或微控制器，仅举几个示例。控制器可以被编程。控制器655产生一组输出，每个开关各自一个输出。在操作中，每个输出具有两种状态，在第一状态中，断开其对应的开关以将其对应的电阻器从端子651和652电断开连接，并且在第二状态中，将其对应的电阻器电连接到端子651和652。以这种方式，可控电阻器650的电阻可以通过控制器655的编程来控制。
因此，每个反馈网络的电属性可以通过控制器655的操作来控制和调节。
正反馈信号和负反馈信号优选地产生两个彼此180度异相的类似信号。例如，正反馈信号可以产生通常与MEMS芯片112的输出信号同相的信号。当被施加时，同相信号正反馈信号有效地提高了MEMS芯片112的输出信号的幅度，从而降低了如上所述的-3dB点的频率。相反，负反馈信号产生与MEMS芯片112的输出信号大致180度异相的信号。当被施加时，异相负反馈信号有效地降低了MEMS芯片112的输出信号的幅度，从而提高了如上所述的-3dB点。
在优选实施例中，将-3dB点设置在20Hz至40Hz的范围内。其他实施例可以将范围设置为更小的范围，诸如20Hz至30Hz。注意，这是器件的传递函数的上升沿上的-3dB点，即低频-3dB点。
一些实施例不需要两个MEMS换能器212或两个反馈回路。例如，一些实施例可以仅具有正反馈回路或仅具有负反馈回路。图5示意性地示出了一个这样的示例，其具有一个MEMS芯片112和仅仅单个正的可微调反馈回路520(即，具有一个分支)。该实施例包括单端模拟前端放大器440和滤波器430，滤波器430包括电容器C 431和电阻Rpp 432。图5的电路包括设置在放大器输出端442与放大器输入端441之间的直接反馈电路510。在图5的实施例中，输入端子441是放大器440的反相输入端，并且输出端子442是放大器440的非反相输出端。
实际上，图4和图5的这两种实施方式只是各种实施例中的两种，因此，本领域技术人员可以使用其他设计，诸如使用仅具有负反馈的单端输出放大器。
这样，说明性实施例电气地改变-3dB点，以便能够使用具有小于期望的固有-3dB点的MEMS芯片112。这有利地提高了MEMS芯片112的单位晶片产量，从而降低了单位成本。此外，各种实施例使得MEMS换能器芯片112能够用于更广泛的各种应用中，诸如需要严格范围的-3dB点的应用。
本文使用的术语“负指定电阻”或“负电阻”是指负反馈电路中的电阻；并且不意味着具有负值(例如，以欧姆为单位)的电阻或者被配置为提供负负载的电路(例如，负阻抗转换器)。
下面提供某些附图标记的列表。
100：MEMS麦克风
112：MEMS芯片；
114：压电结构；
116：ASIC芯片；
118：结合引线；
120：封装；
122：印刷电路板(PCB)基板；
124：声学端口；
126：焊垫；
128：盖；
210：MEMS基板；
230：悬臂式压电段；
234：压电层；
236：机械电极；
238：感测电极；
240：机械电极；
248：结合焊垫；
300：频率响应图；
400：放大器电路；
412：第一MEMS换能器；
413：第二MEMS换能器；
420：MEMS反馈网络；
421：第一MEMS反馈电阻器；
422：第二MEMS反馈电阻器；
423：第三MEMS反馈电阻器；
424：第四MEMS反馈电阻器；
430：滤波器；
431：滤波电容器；
432：滤波电阻器；
440：放大器；
441：第一放大器输入端子；
442：第一放大器输出端子；
443：第二放大器输入端子；
444：第二放大器输出端子；
445：第一放大器反馈电容器；
446：第二放大器反馈电容器；
447：差分放大器输出端；
452：节点；
453：节点；
454：节点
500：放大器电路；
501：第一微调电阻器；
502：第二微调电阻器；
510：直接放大器反馈网络；
511：第一放大器反馈电阻器；
512：第二放大器反馈电阻器；
520：微调电路；
611：第一电容器电极；
616：第二电容器电极；
620：放大器和反馈电路；
648：正换能器电极；
649：负换能器电极；
650：可控阻抗；
651：第一可控阻抗端子；
652：第二可控阻抗端子；
655：控制器(例如，存储器)；
661-666：开关；
671-676：开关阻抗。
各种实施例的特征在于在本段落之后的段落中(以及在本申请末尾提供的实际权利要求之前)列出的潜在权利要求。这些潜在权利要求形成了本申请的书面描述的一部分。相应地，下面的潜在权利要求的主题可以在涉及本申请或基于本申请要求优先权的任何申请的后续程序中作为实际权利要求而提出。包括这种潜在权利要求不应被解释为意味着实际权利要求不覆盖潜在权利要求的主题。因此，在后续程序中不提出这些潜在权利要求的决定不应被解释为将该主题捐献给公众。
非限制性地，可能要求保护的潜在主题(以字母“P”开头以便避免与下面提出的实际权利要求混淆)包括：
P1.一种换能器系统，包括：
换能器，被配置为接收入射信号并产生作为该入射信号的函数的输出信号，该输出信号具有-3dB点；以及
电路装置，可操作地与该换能器耦合，该电路装置包括具有输出端的放大器，该输出端被配置为产生作为该输出信号的函数的放大信号，该电路装置还具有正反馈回路和负反馈回路，该正反馈回路和该负反馈回路电耦合在该换能器与该放大器之间，
该正反馈回路，被配置为在第一频率方向上移动该-3dB点，
该负反馈回路，被配置为在第二频率方向上移动该-3dB点，
第一频率方向与第二频率方向是不同的。
P2.根据P1所述的换能器系统，其中该电路装置还包括被配置为对该放大信号进行滤波的低通滤波器。
P3.根据P1至P2中任一项或多项所述的换能器系统，其中该换能器包括MEMS麦克风。
P4.根据P1至P3中任一项或多项所述的换能器系统，其中该换能器包括压电MEMS麦克风。
P5.根据P1至P4中任一项或多项所述的换能器系统，其中该正反馈回路包括被配置为降低该-3dB点的正指定电阻。
P6.根据P1至P5中任一项或多项所述的换能器系统，其中该负反馈回路包括被配置为提高该-3dB点的负指定电阻。
P7.根据P1至P6中任一项或多项所述的换能器系统，其中该正反馈回路包括两个回路。
P8.根据P1至P8中任一项或多项所述的换能器系统，其中该负反馈回路包括两个回路。
P9.根据P1至P8中任一项或多项所述的换能器系统，其中该第一频率方向降低该-3dB点的频率，并且该第二频率方向提高该-3dB点的频率。
P10.根据P1至P9中任一项或多项所述的换能器系统，其中该换能器产生作为该第一反馈回路、该第二反馈回路、或者该第一反馈回路和该第二反馈回路两者的函数的该输出信号。
P11.根据P1至P10中任一项或多项所述的换能器系统，其中该放大器包括模拟前端控制器(AFE)。
P12.根据Pl至P11中任一项或多项所述的换能器系统，其中该换能器包括换能器集成电路裸片。
P13.一种方法，包括：
从换能器集成电路裸片接收换能器信号，该换能器信号具有-3dB点；
放大该换能器信号以产生放大信号；
根据该放大信号形成反馈信号；
将该反馈信号转发给该换能器集成电路裸片；以及
该换能器响应于该反馈信号的接收而将该-3dB点移动到指定频率范围。
P14.根据P13所述的方法，其中形成反馈信号包括形成正反馈信号和负反馈信号，转发包括转发该正反馈信号和该负反馈信号两者。
P15.根据P14所述的方法，其中该正反馈信号在更低的频率方向上移动该-3dB点，该负反馈信号在更高的频率方向上移动该-3dB点不同的量至指定频率范围。
P16.根据P13至P15中任一项或多项所述的方法，其中形成该反馈信号包括形成正反馈信号。
P17.根据P13至P16中任一项或多项所述的方法，其中包括对该放大信号进行低通滤波。
P18.根据P13至P17中任一项或多项所述的方法，其中该换能器集成电路裸片包括MEMS麦克风。
P19.根据P13至P18中任一项或多项所述的方法，其中该换能器集成电路裸片包括压电MEMS麦克风。
P20.根据P13至P19中任一项或多项所述的方法，其中使用正反馈回路形成反馈信号，该正反馈回路包括被配置为降低该换能器信号的该-3dB点的正指定电阻。
P21.根据P13至P20中任一项或多项所述的方法，其中使用负反馈回路形成该反馈信号，该负反馈回路包括被配置为提高该换能器信号的该-3dB点的负指定电阻。
P22.根据P19所述的方法，其中该正反馈回路包括两个回路。
P23.根据P20所述的方法，其中该负反馈回路包括两个回路。
如上所述的本发明的实施例仅仅是示例性的；许多变化和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (20)

1.一种换能器系统，包括：
第一换能器，具有换能器输出端，所述第一换能器被配置为接收入射信号并在所述换能器输出端处产生作为所述入射信号的函数的第一输出信号，所述换能器具有第一-3dB点；以及
电路装置，与所述第一换能器能够操作地耦合，所述电路装置包括放大器，所述放大器具有放大器输入端以及放大器输出端，所述放大器输入端与所述换能器输出端电通信，所述放大器输出端被配置为产生作为所述第一输出信号的函数的放大信号，所述电路装置还具有第一正反馈回路，所述第一正反馈回路电耦合到所述放大器输出端和所述第一换能器，以向所述第一换能器提供第一正反馈信号；
所述第一正反馈回路被配置为在第一频率方向上移动所述第一-3dB点。
2.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述换能器电设置在所述放大器输出端与放大器输入端之间，使得所述换能器是所述反馈回路内的电组件。
3.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述放大器被配置为线性放大器，并且所述电路装置是电稳定的。
4.根据权利要求1所述的换能器系统，还包括：
第一负反馈回路，电耦合到所述放大器输出端和所述换能器，以向所述第一换能器提供负反馈信号，所述第一负反馈回路被配置为在第二频率方向上移动所述-3dB点，
所述第一频率方和所述第二频率方向是不同的。
5.根据权利要求1所述的换能器系统，还包括低通滤波器，所述低通滤波器与所述正反馈回路电通信，以对一些频率进行滤波，从而防止所述一些频率作为反馈电压被提供给所述换能器。
6.根据权利要求1所述的换能器系统，还包括放大器反馈电路装置，所述放大器反馈电路装置能够操作地耦合在所述放大器输出端与所述放大器输入端之间，以从所述放大器输出端和所述放大器输入端提供直接反馈信号，所述直接反馈信号不经过所述换能器。
7.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述第一正反馈回路包括第一可编程阻抗，所述第一可编程阻抗被配置为能够控制地呈现多个阻抗值，以调节被提供给所述第一换能器的所述第一正反馈的幅度。
8.根据权利要求1所述的换能器系统：
其中所述第一可编程阻抗包括多个电阻器和多个开关，所述多个电阻器中的每个电阻器耦合到对应的开关；并且
所述换能器系统还包括可编程控制器，所述可编程控制器被配置为向所述多个开关中的每个开关提供对应的控制信号。
9.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述第一频率方向是将所述第一-3dB点的频率移动得更低的方向。
10.根据权利要求4所述的换能器系统，其中所述第二频率方向是将所述第一-3dB点的频率移动得更高的方向。
11.根据权利要求1所述的换能器系统，其中所述放大器被配置为线性放大器，并且所述换能器系统还包括：
第二换能器，不同于所述第一换能器并且被配置为接收所述入射信号，所述第二换能器具有第二-3dB点，所述第二换能器能够操作地耦合到所述放大器输入端；
所述电路装置还具有第二正反馈回路，所述第二正反馈回路电耦合到所述放大器输出端和所述第二换能器，以从所述放大器输出端向所述第二换能器提供第二正反馈信号；
所述第二正反馈回路，被配置为在所述第一频率方向上移动所述第二-3dB点。
12.一种方法，包括：
从微机械换能器接收换能器信号，所述换能器信号在给定频率处具有-3dB点；
放大所述换能器信号以产生放大信号；
根据所述放大信号形成反馈信号；以及
将所述反馈信号转发给所述微机械换能器，所述微机械换能器响应于所述反馈信号的接收而将所述-3dB点移动到指定频率范围。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述反馈信号包括形成正反馈信号，并且将所述正反馈信号转发给所述微机械换能器在更低的频率方向上移动所述-3dB点。
14.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述反馈信号包括形成正反馈信号和负反馈信号，转发包括将所述正反馈信号和所述负反馈信号两者转发给所述换能器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述正反馈信号在更低的频率方向上移动所述-3dB点，所述负反馈信号在更高频率的方向上移动所述-3dB点不同的量。
16.一种换能器系统，包括：
第一换能器，被配置为接收入射信号并产生作为所述入射信号的函数的第一输出信号，所述换能器在给定频率处具有第一-3dB点；
用于根据所述第一输出信号产生第一正反馈信号的部件；以及
用于将所述第一正反馈信号作为正反馈输入提供给所述第一换能器的部件，所述第一正反馈输入被配置为在负频率方向上移动所述第一-3dB点。
17.根据权利要求16所述的换能器系统，其中用于根据所述第一输出信号产生第一正反馈信号的所述部件包括被配置为线性放大器的放大器。
18.根据权利要求17所述的换能器系统，其中所述换能器被电设置在所述放大器输出端的输出端与所述放大器的输入端之间，使得所述换能器是用于产生第一正反馈信号的所述部件内的电组件。
19.根据权利要求16所述的换能器系统，还包括：
第一负反馈回路，电耦合在所述放大器的输出端与所述换能器之间，以向所述换能器提供负反馈信号，所述第一负反馈回路被配置为在正频率方向上移动所述-3dB点。
20.根据权利要求16所述的换能器系统，其中用于将所述第一正反馈信号作为正反馈输入提供给所述第一换能器的所述部件还包括低通滤波器部件正反馈回路，以对频率进行滤波，从而防止所述频率作为反馈电压被提供给所述换能器。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11269415B2 (en) 2018-08-14 2022-03-08 Cirrus Logic, Inc. Haptic output systems
GB201817495D0 (en) 2018-10-26 2018-12-12 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd A force sensing system and method
US10976825B2 (en) 2019-06-07 2021-04-13 Cirrus Logic, Inc. Methods and apparatuses for controlling operation of a vibrational output system and/or operation of an input sensor system
US11933822B2 (en) 2021-06-16 2024-03-19 Cirrus Logic Inc. Methods and systems for in-system estimation of actuator parameters
US11908310B2 (en) * 2021-06-22 2024-02-20 Cirrus Logic Inc. Methods and systems for detecting and managing unexpected spectral content in an amplifier system
WO2023102438A1 (en) * 2021-12-01 2023-06-08 Qualcomm Technologies, Inc. Acoustic transducer system with feedback transduction

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2652458A (en) * 1949-01-13 1953-09-15 Bendix Aviat Corp Amplifier with positive and negative feedback
JP4839099B2 (ja) 2006-03-03 2011-12-14 オリンパスメディカルシステムズ株式会社 マイクロマシンプロセスにより製造された超音波振動子、超音波振動子装置、その体腔内超音波診断装置、及びその制御方法
EP2653845B1 (en) * 2012-04-18 2015-07-15 Nxp B.V. Sensor circuit and calibration method
EP2955936B1 (en) * 2012-06-12 2017-05-24 ams AG Sensor arrangement and method for generating an amplified sensor signal
ITUB20151133A1 (it) * 2015-05-29 2016-11-29 St Microelectronics Srl Circuito amplificatore differenziale per un trasduttore acustico capacitivo e corrispondente trasduttore acustico capacitivo
US10070222B1 (en) * 2017-02-16 2018-09-04 Akustica, Inc. Microphone system having microphone transducer in feedback loop with adjustable frequency -3dB point and improved settling speed
EP3477855B1 (en) * 2017-10-25 2023-06-14 ams International AG Sensor arrangement
JP6895397B2 (ja) * 2018-01-09 2021-06-30 株式会社日立製作所 加速度センサ
JP7075849B2 (ja) * 2018-08-29 2022-05-26 株式会社日立製作所 Ｍｅｍｓ静電容量型加速度センサ

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