CN116896341A - 硅麦克风放大器中的单到差分转换 - Google Patents

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陈宏�
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Abstract

本公开涉及硅麦克风放大器中的单到差分转换。一种单端到差分转换器包括：转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点，其中所述第一转换器输出和所述第二转换器输出包括差分输出；非反相放大器，具有被耦合至所述转换器输入的输入以及被耦合至所述第一转换器输出的输出；反相放大器，具有被耦合至所述第一转换器输出的输入以及被耦合至所述第二转换器输出的输出；电荷泵，具有被耦合在所述第二转换器输出和所述内部节点之间的电荷泵输出电容器；以及反馈电容器，被耦合在所述第一转换器输出和所述内部节点之间。

Description

硅麦克风放大器中的单到差分转换
技术领域
本发明大体上涉及一种硅麦克风放大器中的单到差分(single-to-differential)转换以及对应的系统和方法。
背景技术
硅基麦克风(SiMic)或“数字麦克风”在本领域中是已知的。数字麦克风通常包括响应于声波以生成模拟信号的微机电系统(MEMS)器件、用于放大模拟信号的放大器(诸如可编程增益放大器(PGA))、用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换器(ADC),以及用于进一步处理数字信号的后续数字组件。单端PGA和差分PGA也是本领域中已知的。数字麦克风的信噪比可能会受到PGA中生成的噪声的不利影响。
发明内容
根据一个实施例，一种单端到差分转换器包括：转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括差分输出；非反相放大器，具有被耦合至转换器输入的输入以及被耦合至第一转换器输出的输出；反相放大器，具有被耦合至第一转换器输出的输入以及被耦合至第二转换器输出的输出；电荷泵，具有被耦合在第二转换器输出和内部节点之间的电荷泵输出电容器；以及反馈电容器，被耦合在第一转换器输出和内部节点之间。
根据一个实施例，一种集成电路包括：第一转换器引脚、第一转换器输出、第二转换器输出和第二转换器引脚，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括第一差分输出；非反相放大器，具有被耦合至第一转换器引脚的输入以及被耦合至第一转换器输出的输出；反相放大器，具有被耦合至第一转换器输出的输入以及被耦合至第二转换器输出的输出；电荷泵，具有被耦合在第二转换器输出和第二转换器引脚之间的电荷泵输出电容器；以及反馈电容器，被耦合在第一转换器输出和第二转换器引脚之间。
根据一个实施例，一种转换方法包括：在包括转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点的转换器中，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括差分输出，在转换器输入处感测输入电压；响应于感测到的输入电压，在第一转换器输出处生成非反相第一输出电压；在第一转换器输出处感测非反相第一输出电压；响应于非反相第一输出电压，在第二转换器输出处生成反相第二输出电压；将电荷泵输出电容器耦合在第二转换器输出和内部节点之间；以及将反馈电容器耦合在第一转换器输出和内部节点之间。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照结合附图的以下描述，在附图中：
图1是用于在数字麦克风中使用的示例性单端PGA的示意图；
图2是根据一个实施例的用于在数字麦克风中使用的差分PGA的示意图；
图3是图2的差分PGA的等效电路的示意图；
图4是根据一个实施例的在图2的差分PGA中使用的电荷泵和浮动滤波器(floating filter)的示意图；
图5A和图5B是根据实施例的与图2所示的差分PGA一起使用的MEMS装置的替代偏置布置的示意图；
图6是包括跨导级的替代源极跟随器级的示意图；
图7是根据一个实施例的低噪声放大方法的流程图；以及
图8是根据一个实施例的数字麦克风设备的框图。
具体实施方式
目前优选的实施例的制造和使用在下面被详细讨论。然而，应该了解的是，本发明提供了可以被体现在各种具体上下文中的许多适用的发明概念。所讨论的具体实施例仅说明制造和使用本发明的具体方式，并且不限制本发明的范围。
在以下详细描述中，参照形成详细描述的一部分并且通过图示的方式示出本发明可以被实践的具体实施例的附图。要理解的是，可以使用其他实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行结构或逻辑变化。例如，针对一个实施例图示或描述的特征可以关于其他实施例使用或者与其他实施例结合使用，以产生又一实施例。本发明旨在包括这种修改和变化。这些示例是使用具体语言描述的，它不应被解释为限制所附权利要求的范围。附图未按比例绘制，并且仅用于说明性目的。为了清晰起见，如果没有另外规定，则相同或类似的元件在不同的附图中由对应的附图标记指定。
单端MEMS麦克风信号可以被转换为差分信号，以确保数字麦克风中良好的电源抑制(power supply rejection，PSR)性能。根据实施例思想，PGA增益在数字麦克风的“前端”(尽可能靠近输入引脚)被增加，以最大化SNR。根据实施例，这是使用下面详细描述的极低噪声PGA放大器来实现的。
在操作中，低噪声PGA放大器将基于电容式反馈源极跟随器的PGA与驱动电荷泵滤波电容的“接地”的反相级组合。通过这种方式，反相器级的噪声变为共模，并且在差分处理中被抵消。在实施例中，反相器级可以是低功率反相器级。
图1示出了示例性的基于单端源极跟随器的放大器100的简化示意图。放大器100包括在源极跟随器配置中使用的P沟道晶体管P1。晶体管P1的栅极被耦合至输入节点104，晶体管P1的源极被耦合至输出节点106，并且晶体管P1的漏极被耦合至地或其他DC电压源。偏置电流源IBIAS被耦合至输出节点106，以用于向晶体管P1提供偏置电流。晶体管P1的栅极被耦合至二极管D1和D2，以用于对放大器100的输入电压进行钳位。由电容器CMEMS和模拟输入电压VIN表示的MEMS装置108被耦合在节点102和输入节点104之间。反馈电容器CFB被耦合在节点102和输出节点106之间，并且电荷泵电容器CCHP被耦合在节点102和接地或另一DC电压源之间。电容器CCHP被用于滤除未滤波的VMIC偏置电压的电荷泵偏置电压纹波。电容器CFB和CCHP确定放大器100的增益，该增益由等式VOUT＝(1+CFB/CCHP)*VIN给出。
尽管图1所示的放大器100为放大MEMS装置108的模拟信号提供了良好的性能，但根据实施例，单端输出可以被转换为差分输出，该差分输出在下面进一步详细描述的差分PGA中具有提高的噪声性能。差分PGA可以被用在具有提高的SNR的数字麦克风设备中。
图2是根据一个实施例的具有低噪声性能的改进的噪声差分PGA 200的示意图。在PGA 200A中，电荷泵电容器CCHP利用反相放大器的反相输出而被升压(boost)，以便提高噪声性能，这将在下面进一步详细解释。后续级可以是AC或DC耦合的，可以是可编程的，并且可以是全差分或伪差分的。虽然单个晶体管源极跟随器级在图2中示出，但其他源极跟随拓扑也可以被用于源极跟随器。
PGA 200包括源极跟随器配置中的P沟道晶体管PSF，其源极被耦合至用于提供Vout_p输出电压的第一输出节点204，栅极被耦合至被偏置到VASIC DC偏置电压的输入节点202，并且漏极被耦合至地或另一DC电压源。晶体管PSF的源极被电流源205所提供的电流偏置。电容器CFB和CCHP确定放大器100的增益，该增益由等式Vout_p＝(1+CFB/CCHP)*VIN给出。在实施例中，电容器220(CFB)可以被制成可调整的。电容器220被耦合在节点204和203之间，并且电荷泵电容器218(CCHP)被耦合在节点203和节点206之间。被示出为MEMS电容器CMEMS和输入电压VIN的MEMS装置216被耦合在节点202和203之间。第一偏置电阻器RB1 223被耦合在节点203和偏置电压VB1的源225之间。VB1偏置电压表示未滤波的电荷泵电压VMIC，并且节点203处的电压表示经滤波的电荷泵电压VMIC。第二偏置电阻器RB2被耦合在节点202和偏置电压VB2的源224之间。VB2偏置电压表示未滤波的电荷泵电压VASIC，并且节点202处的电压表示经滤波的电荷泵电压VASIC。
Vout_p输出电压由单位增益反相运算放大器208放大，其增益由电阻器210和212的比率确定。由于电阻器210和212的值具有相同的值R1，因此总增益为-1。运算放大器具有被耦合至电阻器210和212的负输入以及被耦合至参考电压源VREF的正输入。运算放大器208的输出在节点206处提供Vout_n输出电压。节点204和206形成包括电压Vout_p和Vout_n的PGA的第一差分输出。
PGA 200包括差分输出电路，该差分输出电路包括差分耦合电路、差分偏置电路和差分PGA级236。差分耦合电路包括CAC耦合电容器226和CAC耦合电容器228，CAC耦合电容器226被耦合在节点204和PGA级236的负输入之间，CAC耦合电容器228被耦合在节点206和PGA级236的正输入之间。差分偏置电路包括第三偏置电阻器RBIAS 232和第四偏置电阻器RBIAS234，第三偏置电阻器RBIAS 232被耦合在PGA级236的负输入和VBIAS偏置电压的源230之间，第四偏置电阻器RBIAS 234被耦合在PGA 236的正输入和VBIAS偏置电压的源230之间。PGA 236在节点238和节点240处提供第二缓冲差分输出。虽然全差分输出电路如图2所示，但如先前讨论的，其他输出电路也可以被提供，包括其他全差分输出电路、伪差分输出电路，甚至实施例中的单端输出电路。
图3是与图2的差分PGA相对应的等效电路300的示意图，包括输出被耦合至VP节点304的单位增益非反相放大器316以及被耦合在VP节点304和VN节点306之间的反相放大器318。为了清晰起见，偏置电阻器、MEMS装置和差分输出电路在图3中被省略。等效电路300还包括与先前讨论的电荷泵电容器CCHP相对应的第一阻抗Z1 310和与先前讨论的反馈电容器CFB相对应的第二阻抗Z2 308。第一阻抗Z1 310被耦合在VN节点306和节点312之间，并且第二阻抗Z2 308被耦合在节点312和节点314之间。电流“i”流过第一阻抗Z1 310和第二阻抗Z2 308。在等效电路300中，电压源VN1 302表示输入电压，并且电压源VN2 320表示与反相放大器318相关联的噪声电压。等效电路的增益因此由等式(VP-VN)＝VN1*(1+Z2/Z1)给出。从图3的检查中可以注意到，噪声电压VN2是从差分输出电压(VP-VN)中减去的，因为噪声电压是共模电压分量，因此相对于图1所示的放大器100，总体噪声分量被降低。
图4是根据一个实施例的在图2的差分PGA 200中使用的电荷泵402和浮动滤波器(包括电阻器223和电容器218)的示意图400。电荷泵402可以包括迪克森(Dickson)电荷泵电路，该Dickson电荷泵电路包括多个电荷泵级402A、402B和402C。虽然三个这种级被示出，但是任何数量的级可以在实施例中被使用。电荷泵级可以包括二极管或晶体管电荷泵级。其他类型的电荷泵也可以被使用。未滤波的电荷泵输出电压在节点225处被提供。经滤波的电荷泵电压通过包括偏置电阻器RB1 223和电荷泵电容器CCHP 218的低通浮动滤波器的作用而在节点203处被提供，电荷泵电容器CCHP 218在本文中也可以被称为“电荷泵输出电容器”，因为它通过偏置电阻器RB1 223而被耦合至电荷泵402的输出。
图5A和图5B是根据实施例的与图2所示的差分PGA 200一起使用的MEMS装置的替代偏置布置的示意图。虽然图5A和图5B所示的示意图通常对应于图2所示的差分PGA 200，但为了清晰起见，差分PGA 200的许多组件被省略。第一偏置布置500如图5A所示，其中第一电压VMIC在节点502处被施加到第一偏置电阻器RB1 506，并且第二电压VASIC在节点504处被施加到第二偏置电阻器RB2 510。第一电压VMIC和第二电压VASIC可以由图4所示类型的电荷泵供应。偏置电阻器506被耦合至节点508，该节点508对应于图2中的节点203，并且偏置电阻器510被耦合至节点514，该节点514对应于图2中的节点202。由电容器CMEMS和电压源VM表示的MEMS装置512被耦合在节点508和514之间。第二偏置布置550如图5B所示，其中第一偏置电阻器RB1由在节点502和节点508之间串联的两个偏置电阻器RB1A 516和RB1B 520代替。电容器CMIC被耦合至在偏置电阻器516和偏置电阻器520之间的公共节点518。图5B所示的第二偏置布置提供了附加的滤波，并且在一些实施例中，也可以相对于第二偏置电阻器RB2510使用。
图6是根据一个实施例的包括跨导级612的替代源极跟随器级600的示意图，该跨导级612可以被用于图2所示的差分PGA 200。源极跟随器级600包括P沟道晶体管P1，P沟道晶体管P1具有被耦合至节点604以提供输出电压VOUT的源极、被耦合至节点602以接收输入电压VIN的栅极以及被耦合至节点606的漏极。电流源608也被耦合至节点606，以用于提供偏置电流。跨导级612具有被耦合至节点606的负输入、被耦合至参考电压节点610的正输入以及被耦合至节点604的输出。等效模型614如图6所示，包括与电阻器Ro并联的电流源gm*Vgs。因此，源极跟随器级600的增益由等式VOUT/VIN＝gm*Ro/(gm*Ro+1)给出，其近似为单位增益。
图7是根据一个实施例的低噪声放大方法700的流程图，包括：在包括转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点的转换器中，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括差分输出，在步骤702中，在转换器输入处感测输入电压；在步骤704中，响应于感测到的输入电压，在第一转换器输出处生成非反相第一输出电压；在步骤706中，在第一转换器输出处感测非反相第一输出电压；在步骤708中，响应于非反相第一输出电压，在第二转换器输出处生成反相第二输出电压；在步骤710中，将电荷泵输出电容器耦合在第二转换器输出和内部节点之间；以及在步骤712中，将反馈电容器耦合在第一转换器输出和内部节点之间。
图8是根据一个实施例的包括如上所述的低噪声差分PGA的数字麦克风设备800的框图。数字麦克风设备800包括MEMS装置802和ASIC 804。MEMS装置可以包括电容式MEMS装置，该电容式MEMS装置响应于接收到的声波而生成模拟电压。ASIC 804可以包括低噪声差分PGA、ADC以及其他信号处理电路装置。MEMS装置802和ASIC 804经由双向总线810进行通信。MEMS装置802和ASIC 804可以被封装在一起以形成单个数字设备，诸如数字麦克风。在一些实施例中，数字麦克风产品800还可以包括其他数字和模拟组件806，诸如附加滤波器、放大器和其他类似组件。其他数字和模拟组件806可以通过双向总线812与MEMS装置802通信。在一些实施例中，数字麦克风设备800还可以包括微处理器808，该微处理器808可以通过双向总线814和双向总线816而与ASIC 804以及其他数字和模拟组件806通信。例如，微处理器808可以生成时钟信号并且从ASIC 804接收数据。在其他实施例中，微处理器808可以提供数字或软件组件的功能性，否则这些数字或软件组件将驻留在ASIC 804上。
本发明的示例实施例在此处被概述。其他实施例也可以通过本说明书的全部内容以及本文提交的权利要求来理解。
示例1.根据一个实施例，一种单端到差分转换器包括：转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括差分输出；非反相放大器，具有被耦合至转换器输入的输入以及被耦合至第一转换器输出的输出；反相放大器，具有被耦合至第一转换器输出的输入以及被耦合至第二转换器输出的输出；电荷泵，具有被耦合在第二转换器输出和内部节点之间的电荷泵输出电容器；以及反馈电容器，被耦合在第一转换器输出和内部节点之间。
示例2.根据示例1的单端到差分转换器，其中非反相放大器包括源极跟随器。
示例3.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中源极跟随器包括P沟道晶体管。
示例4.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，还包括：电流源，被耦合至第一转换器输出。
示例5.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，还包括：跨导组件，被耦合至源极跟随器。
示例6.根据以上示例中任一项的单端到差分跟随器，其中反相放大器包括运算放大器，该运算放大器具有第一电阻器和第二电阻器，第一电阻器被耦合至运算放大器的反相输入，第二电阻器被耦合在运算放大器的反相输入和运算放大器的输出之间。
示例7.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中第一电阻器和第二电阻器具有相等的值。
示例8.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中电荷泵通过第一偏置电阻器而被耦合至内部节点。
示例9.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中反馈电容器包括可调值电容器。
示例10.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，还包括：MEMS装置，被耦合在内部节点和转换器输入之间。
示例11.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中MEMS装置包括电容式MEMS装置，该电容式MEMS装置被配置用于将声波转换为模拟电压。
示例12.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，还包括：第二偏置电阻器，被耦合至转换器输入。
示例13.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，还包括：差分偏置电路，被耦合在第一转换器输出和第二转换器输出之间。
示例14.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中差分偏置电路包括第三偏置电阻器和第四偏置电阻器，并且其中第三偏置电阻器和第四偏置电阻器具有相等的值。
示例15.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，还包括：差分输出放大器，被耦合在第一转换器输出和第二转换器输出之间。
示例16.根据以上示例中任一项的单端到差分转换器，其中差分输出放大器包括可编程增益放大器。
示例17.根据一个实施例，一种集成电路包括：第一转换器引脚、第一转换器输出、第二转换器输出和第二转换器引脚，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括第一差分输出；非反相放大器，具有被耦合至第一转换器引脚的输入以及被耦合至第一转换器输出的输出；反相放大器，具有被耦合至第一转换器输出的输入以及被耦合至第二转换器输出的输出；电荷泵，具有被耦合在第二转换器输出和第二转换器引脚之间的电荷泵输出电容器；以及反馈电容器，被耦合在第一转换器输出和第二转换器引脚之间。
示例18.根据示例17的集成电路，还包括：差分输入，被耦合在第一转换器输出和第二转换器输出之间；以及响应于差分输入的第二差分输出，被耦合在第三转换器引脚和第四转换器引脚之间。
示例19.根据一个实施例，一种转换方法包括：在包括转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点的转换器中，其中第一转换器输出和第二转换器输出包括差分输出，在转换器输入处感测输入电压；响应于感测到的输入电压，在第一转换器输出处生成非反相第一输出电压；在第一转换器输出处感测非反相第一输出电压；响应于非反相第一输出电压，在第二转换器输出处生成反相第二输出电压；将电荷泵输出电容器耦合在第二转换器输出和内部节点之间；以及将反馈电容器耦合在第一转换器输出和内部节点之间。
示例20.根据示例19的转换方法，还包括：将MEMS装置耦合在第二转换器输出和内部节点之间。
虽然本发明已经参照说明性实施例描述，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。在参照描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。

Claims (20)

1.一种单端到差分转换器，包括：
转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点，其中所述第一转换器输出和所述第二转换器输出包括差分输出；
非反相放大器，具有被耦合至所述转换器输入的输入以及被耦合至所述第一转换器输出的输出；
反相放大器，具有被耦合至所述第一转换器输出的输入以及被耦合至所述第二转换器输出的输出；
电荷泵，具有被耦合在所述第二转换器输出和所述内部节点之间的电荷泵输出电容器；以及
反馈电容器，被耦合在所述第一转换器输出和所述内部节点之间。
2.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，其中所述非反相放大器包括源极跟随器。
3.根据权利要求2所述的单端到差分转换器，其中所述源极跟随器包括P沟道晶体管。
4.根据权利要求2所述的单端到差分转换器，还包括：电流源，被耦合至所述第一转换器输出。
5.根据权利要求2所述的单端到差分转换器，还包括：跨导组件，被耦合至所述源极跟随器。
6.根据权利要求1所述的单端到差分跟随器，其中所述反相放大器包括运算放大器，所述运算放大器具有第一电阻器和第二电阻器，所述第一电阻器被耦合至所述运算放大器的反相输入，所述第二电阻器被耦合在所述运算放大器的所述反相输入和所述运算放大器的输出之间。
7.根据权利要求6所述的单端到差分转换器，其中所述第一电阻器和所述第二电阻器具有相等的值。
8.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，其中所述电荷泵通过第一偏置电阻器而被耦合至所述内部节点。
9.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，其中所述反馈电容器包括可调值电容器。
10.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，还包括：MEMS装置，被耦合在所述内部节点和所述转换器输入之间。
11.根据权利要求10所述的单端到差分转换器，其中所述MEMS装置包括电容式MEMS装置，所述电容式MEMS装置被配置用于将声波转换为模拟电压。
12.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，还包括：第二偏置电阻器，被耦合至所述转换器输入。
13.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，还包括：差分偏置电路，被耦合在所述第一转换器输出和所述第二转换器输出之间。
14.根据权利要求13所述的单端到差分转换器，其中所述差分偏置电路包括第三偏置电阻器和第四偏置电阻器，并且其中所述第三偏置电阻器和所述第四偏置电阻器具有相等的值。
15.根据权利要求1所述的单端到差分转换器，还包括：差分输出放大器，被耦合在所述第一转换器输出和所述第二转换器输出之间。
16.根据权利要求15所述的单端到差分转换器，其中所述差分输出放大器包括可编程增益放大器。
17.一种集成电路，包括：
第一转换器引脚、第一转换器输出、第二转换器输出和第二转换器引脚，其中所述第一转换器输出和所述第二转换器输出包括第一差分输出；
非反相放大器，具有被耦合至所述第一转换器引脚的输入以及被耦合至所述第一转换器输出的输出；
反相放大器，具有被耦合至所述第一转换器输出的输入以及被耦合至所述第二转换器输出的输出；
电荷泵，具有被耦合在所述第二转换器输出和所述第二转换器引脚之间的电荷泵输出电容器；以及
反馈电容器，被耦合在所述第一转换器输出和所述第二转换器引脚之间。
18.根据权利要求17所述的集成电路，还包括：差分输入，被耦合在所述第一转换器输出和所述第二转换器输出之间；以及第二差分输出，响应于所述差分输入，被耦合在第三转换器引脚和第四转换器引脚之间。
19.一种转换方法，包括：
在包括转换器输入、第一转换器输出、第二转换器输出和内部节点的转换器中，其中所述第一转换器输出和所述第二转换器输出包括差分输出，
在所述转换器输入处感测输入电压；
响应于所感测到的输入电压，在所述第一转换器输出处生成非反相第一输出电压；
在所述第一转换器输出处感测所述非反相第一输出电压；
响应于所述非反相第一输出电压，在所述第二转换器输出处生成反相第二输出电压；
将电荷泵输出电容器耦合在所述第二转换器输出和所述内部节点之间；以及
将反馈电容器耦合在所述第一转换器输出和所述内部节点之间。
20.根据权利要求19所述的转换方法，还包括：将MEMS装置耦合在所述第二转换器输出和所述内部节点之间。
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