CN1290998A - 半导体放大电路和半导体驻极体电容扩音器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以抵抗猝发噪声影响的半导体放大电路和半导体驻极体电容扩音器。包括:电压转换电路,用于接收弱信号并将该信号作为电压信号输出;和放大电路20,用于接收电压信号,放大和发送该信号。电压转换电路和放大电路形成于同一个半导体芯片中。由于放大电路的输入端隐藏在半导体芯片中,所以猝发噪声几乎不能进入放大电路中。

Description

半导体放大电路和半导体驻极体电容扩音器

本发明涉及一种抗猝发噪声影响的半导体放大电路，以及具有该电路的半导体驻极体电容扩音器。

驻极体电容扩音器广泛用作数字手提电话的扩音器等。

如图10所示，传统在驻极体电容扩音器基本上包括振动膜2，它是一层高聚物驻极体薄膜，与圆环(ring)粘连在一起；背电极3，它与振动膜2的相对；间隔器4，它内插在背电极3和圆环1之间，用于在振动膜2和背电极3之间开拓一个空间；背电极支撑器5，用于支撑背电极3；IC芯片61、62，它们固定在印刷电路板8上；以及外壳7，用于容纳上述器件。在该图中，标号9是前布。

电容器由振动膜2和背电极3组成，并且通过振动膜2振动改变电容器的电容，由此将声音转化成话音信号，然后放大和发送该信号。对于放大这一信号的电路，广泛使用如图11所示的半导体放大电路。

该电路由电压转换电路A和放大电路B组成构成，其中电压转换电路A用于将话音信号转换成电压信号并输出，而放大电路B用于放大由电压转换电路A输入的电压信号并输出。电压转换电路A形成于IC芯片61中，而放大电路B形成于IC芯片62中。在该图中，Vdd表示电源电压端，GND是接地电压端，Vout1是电压转换电路A的输出端，而Vout是放大电路B的输出端。

但是，在此现有技术中，半导体放大电路易受猝发噪声的影响。也就是说，在数字手提电话(TDMA系统)中建立的射频振荡器是猝发噪声的源(RF猝发信号)，并且由射频振荡器发出的猝发噪声会进入电源线或导线，并且较大的猝发成分(猝发工作频率：200-400Hz)将出现在半导体放大电路的输出信号中。特别是，放大电路B的输入信号线被暴露时，并且放大电路B放大了侵入该线路的猝发噪声，对于降低驻极体电容扩音器或手提电话本身中的噪声来说，这会引起严重的问题。

如果放大电路20的输出级设置噪声阻断电容，那么对低程度的猝发噪声是有效的，但不能充分抑制噪声，并且它会带来一个附加的问题，即从降低的成本的角度，它会增加部件数。

在此背景下产生了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种可以抗猝发噪声影响的半导体放大电路和半导体驻极体电容电话。

本发明的半导体放大电路是用于放大和发送弱信号的电路，它包括：电压转换电路，用于接收弱信号，并且将该信号作为电压信号输出；和放大电路，用于接收电压转换电路输出的电压信号，并且放大和发送该信号，其中电压转换电路和放大电路形成于同一个半导体芯片中。

依照此结构，由于放大电路的输入端隐藏在半导体芯片中，所以猝发信号几乎不能进入放大电路。

电压转换电路最好包括结型或MOS型FET，FET的源极接地，栅极接收弱信号；还包括一电阻，电阻连接在FET的漏极和电源线之间，用于将FET的漏电流转换成电压，并且将其作为电压信号输出。

最好，电压转换电路包括结型或MOS型的第一FET，其栅极接收弱信号，而其源极接地；第二FET，其源极和漏极连接在第一FET的漏极和电源线之间，用于将源电压作为电压信号输出；以及参考电压发生电路，用于接收电源线上的电源电压，产生参考电压，并将其发送给第二FET的栅极。

在该结构中，如果因猝发噪声进入电源线等而改变电源电压，那么尽管第二FET的源电压会起伏，但由于馈送到第二FET之栅极的参考电压同时也会起伏，所以第二FET之源电压的改变程度小于电源电压。因此，如果猝发噪声进入电源线等，进入放大电路的猝发噪声也是很小的。

放大电路最好包括用于从外部调节该电路增益的增益调节电路。这是因为通过对放大电路进行增益调节可以缓解电压转换电路的离散性。

最好，在放大电路的输出端和电源线和／或接地线之间，提供用晶体管形成的用于防冲击的电容器。因此，如果因猝发噪声的影响而在放大电路的输出端出现较大的猝发成分，那么电容器可以阻断它。

本发明的半导体驻极体电容扩音器是这样一种器件，其中电容器由振动膜和背电路组成，通过振动膜的振动改变电容器的电容，从而将话音转换成话音信号，并且放大和发送该信号，用上述任何一种半导体放大电路放大话音信号。

在该半导体驻极体电容扩音器中，在其中形成有半导体放大电路的半导体芯片的上面，提供起背电极作用的电极层。

图1是一电路图，示出了本发明半导体放大电路的一个实施例。

图2是一电路图，示出了其修改形式。

图3是一截面示意图，示出了本发明半导体驻极体电容扩音器的实施例。

图4是一示意图，示出了扩音器外壳的解剖透视示意图。

图5(A)是外壳的截面示意图，图5(B)是外壳的示意底视图。

图6是扩音器中间隔层的示意平面图。

图7是扩音器中振动膜的截面示意图。

图8是一电路图，示出了图2所示电路中与扩音器的电气连接关系。

图9是一曲线图，示出了包含在半导体放大电路发出的话音信号中的猝发噪声之等级和频率之间关系。图9(A)和图9(B)分别是本发明和传统电路测量半导体ECM猝发噪声的结果。

图10是一截面示意图，示出了传统的驻极体电容扩音器。

图11是一电路图，示出了传统的半导体放大电路。

以下参照附图，描述本发明的一个实施例。举例说明的半导体放大电路是一种用于放大由手提电话的半导体驻极体电容扩音器检测到的弱话音信号γ和发送该信号的电路。如图1所示，它基本上包括：电压转换电路10，用于接收话音信号，并且将该信号作为电压信号输出；和放大电路20，用于接收电压信号，放大该信号，并且将其作为话音信号输出。半导体放大电路的最大特点是电压转换电路10和放大电路20形成于同一个半导体芯片C中。

在半导体芯片C的外表面上，提供了电源电压端Vdd，用于馈送电源电压；接地电压端GND；输入端Vin，用于馈送话音信号α；以及输出端Vout，用于输出话音信号γ。在振动膜中，L表示电源线，而G是接地线(固体接地型)。以下描述组成电路。

电压转换电路10包括FET11，其源极接地，栅极接收话音信号α；电阻12，它连接在FET11漏极和电源线L之间，用于将FET11的漏电流转换成电压，并且输出电压信号β；以及偏压电路13，用于将FET11的栅极电压偏置到0V。这里所用的FET11是N沟道降低型(depression type)中的结型FET，但也可以使用CMOS型FET。对于偏压电路13，使用二极管或千兆数量级的电阻。

对于放大电路20，使用高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器，它被设计成通过放大电压信号β但不进行反相来产生话音信号γ。

对于如此构造的半导体放大电路，以下描述其工作情况。由于在FET11的栅极提供偏压电路13，所以FET11之栅一源电压V_GS的偏压为0V。假设FET11在V_GS=0时的漏电流I_D为I_DSS，那么I_DSS和FET11之夹断电压V_P之间的关系如以下公式所示。在该公式中，β是由FET11之栅极尺寸所确定的常数。

公式1：    I_DSS=β=V_P ²下式表述了当V_GS=0时，话音信号α的电压变化ΔV_IN与FET11之漏电流I_D的电流变化ΔI_D之间的关系。

公式2：    ΔI_D／ΔV_IN=2·I_DSS／V_P因此，根据公式2和公式1，ΔI_D可以表示成：

公式3：    ΔI_D=-2·ΔV_IN·β·V_P也就是说，当话音信号α改变ΔV_IN时，FET11的漏电流I_D改变ΔI_D。运算放大器21的输入阻抗是非常高的，并且漏电流I_D流入电阻器R12，而运算放大器21的输入电路Va变化如下。这里电阻器R12的电阻值表示成R。

公式4：    ΔVa=ΔI_D·R

              =-2·ΔV_IN·β·V_P·R当V_GS=0时，由于FET11的漏电流I_D是I_DSS，所以Va的直流分量表示如下。电源电压也表达成V_DD。

公式5：    Va=V_DD-R·I_DSS

             =V_DD-R·β·V_p ²

当把话音信号α送入电压转换电路10时，如图4和图5所示，在电路中，产生与信号成正比的电压Va。将该电压作为电压信号β送入放大电路20，并且产生话音信号γ。

此半导体放大电路与现有技术的不同，由于放大电路20的输入端隐藏在半导体芯片C中，所以由手提电话射频振荡器发出的猝发噪声很难进入电压信号β。结果，如果用放大电路20放大电压信号β，那么放大后话音信号γ中所含的猝发噪声非常小。

顺便提一下，在每个产品中，电压转换电路10中使用的部件，特别是FET11的夹断电压(V_P)是不同的。电压信号β的直流分量正比于如75表示的FET11夹断电压(V_P)的平方，因此，不同产品中话音信号γ的电平起伏很大。由于电压转换电路10和放大电路20形成于同一个半导体芯片C中，不可能用部件选择技术调节话音γ的电平。

作为对策，如图中虚线所表示的，在放大电路20中提供一个增益调节电路30，用于从外部调节电路的增益。此电路设计成，通过提供在半导体芯片C之外表面上的增益调节端Gadj，根据输入电压调节放大电路20的反馈量，并且改变放大电路20的增益。也可以将其设计成，加宽放大电路20的输入工作范围。

在图1所示的放大电路中，尽管对手提电话之射频振荡器辐射出的猝发噪声非常有效，但对通过电源线L或接地线G输入的猝发噪声不够有效。如果还希望控制进入电压线L等的猝发噪声，最好使用图2所示的半导体放大电路。

与图1所示电路的最大不同是电压转换电路10′。该电路包括FET11(对应于第一FET)，其源极接地并且在栅级接收话音信号α；FET13(对应于第二FET)，其源极和漏极连接在FET11之漏极和电源线L之间，并且将源电压作为电压信号β输出；和参考电压发生电路14，用于接收电源线L上的电源电压(Vdd)，产生参考电压Vref，并且输出给FET13的栅极。按同一个半导体制造过程制造FET11和FET13，并且两个FET的结构是相同的。

该电路与半导体驻极体电容扩音器之间的连接关系如图8所示。此方面与图1所示电路中的相同。

将参考电压发生电路14设计成，用电阻R141和电阻R142对电源电压(Vdd)分压，从而产生参考电路Vref。

在放大电路20的输出端与电源线L和接地线G之间，每一级都提供用晶体管构成的电容器41和42，用于保护不受冲击。电容器41和42由提高型的结型FET构成，并且如附图所示连接，用以增加栅极区。将寄生容量设计成2pF或更大。其余部件与图1所示电路中的完全相同。

对于如此构造的半导体放大电路，以下描述其工作情况。与上述电路一样，当V_GS=0时，话音信号α之电压变化ΔV_IN与FET11之漏电流I_D的电流变化ΔI_D之间的关系表示如下。这里β1是由FET11之栅极尺寸所确定的常数。

公式6：ΔI_D=-2·ΔV_IN·β1·V_P当FET11的漏电流I_D改变时，FET13的漏电流I_D也改变。但是，由于参照电压Vref输入FET13的栅极，所以FET13的栅-源电压V_GS随着FET11的漏电流I_D而变化。下面示出了两者之间的关系。这里β2是由FET13之栅极尺寸所确定的常数。

公式7：ΔI_D=-2·ΔV_GS·β2·V_P假设运算放大器21之输入电压的变化为ΔVa，那么根据公式6和公式7，ΔVa可以表不如下。

公式8：ΔVa=(β1／β2)·ΔV_INVa的直流分量可以表示如下。

公式9：Va=V_DD-(Vref+V_GS)

当设置Vref=V_DD／2，β1=β2时，FET13的栅一源电压V_GS为零。因此，电压信号β和话音信号γ改变大约V_DD／2。除此之外，工作情基本上与图1所示电路的相同。但是，如果猝发噪声进入电源线L等，那么因下述理由，较大的猝发噪声分量不会出现在话音信号γ中。

当V_DD因猝发噪声的影响而起伏时，Vref随该起伏而变化。但是，如公式9所示，由于V_DD和Vref极性相反，所以如果V_DD改变，Va不会改变很多。另外，如果因猝发噪声而对V_DD的冲击，那么用于防冲击的电容器41和42会缓解此冲击。结果，话音信号γ中不会出现较大的猝发噪声分量。

随便提一下，手提电话有一射频振荡器，用于发送和接收无线电波，并且它一直是猝发噪声的源，对驻极体电容扩音器有很大的影响。当在图5所示的半导体驻极体电容电话中使用图1或图2所示的半导体放大电路时，由于半导体放大电路本身能有力地抵抗猝发噪声，所以可以在扩音器以及手提电话本身中降低噪声电平。

同样可以在图3至图7所示的半导体驻极体电容扩音器中使用图1和图2所示的半导体放大电路。以下参照附图，描述该扩音器的结构。

如图3所示，扩音器基本上包括半导体芯片100，图1或图2所示的半导体放大电路形成于该芯片中；电极层140，它通过绝缘层130层压在半导体芯片100的表面上；绝缘层150，它形成于电极层140上；振动膜200，它与圆环230相连；间隔层170，它插入圆环230和绝缘薄膜150之间，用于在振动膜200和绝缘薄膜150之间提供一空间180；以及外壳300，用于容纳这些部件。

电极层140与振动膜200相对，起图11所示驻极体电容扩音器之背电路3的作用。根据下述方法，将振动膜200接地，同时将电极层140与形成于绝缘层130上的接线(未示出)以及形成于半导体芯片100表面的电极(输入端Vin：未示出)相连。概括地说，当振动膜200振动时，收集在电极层140中的电荷改变，并且此时的电压为话音信号α。

外壳300包括主壳体310和盖子320，其中主壳体310形成凹穴300，允许将半导体芯片100放于其中；而盖子320用于封闭主壳体310。

如图4所示，通过层压四个框架部件来形成壳体310。这四个框架是第一层311、第二层312、第三层313和第四层314。第一层311、第二层312、第三层313和第四层314的所有尺寸都相同，并且当对它们层压时，形成一个接近矩形的平行六面体。第一层311是导电的粘接件，而第二层312、第三层313和第四层314是陶瓷。

在最低层第四层314的表面，通过镍电镀或铝电镀形成接地导电层314B。在形成于第四层314之侧面的两个凹坑的表面和背面，分别形成用于信号输出314E的端子导电层以及用于电源314F的端子导电层。

在第四层314的中心，形成一凹穴314A，作为背隔室350。凹穴314A的尺寸小于半导体芯片100，因此半导体芯片100不会掉进去。

在层压在第四层314上的第三层313的中心，开一开口313A，并且当把第三层313层压在第四层314上时，第四层314的导电层314B可以通过第三层313的开口313A看到。在第三层313的表面上，除了开口313A，通过镍电镀或铝电镀形成接地导电层313B。在第三层313侧面形成两个凹坑313C和313D，在其表面和侧面，分别形成用于信号输出端313E的端子导电层以及用于电源313F的端子导电层。它们分别与第四层的用于信号输出端314E的端子导电层以及用于电源314F的端子导电层相连。

将第三层313的开口313A设置成略大于半导体芯片100，因此可以将半导体芯片100放入。

在层压在第三层313上的第二层312的中心，形成开口312A，它大于开口313A，并且当把第二层312层压在第三层313上时，可以通过第二层312的开口312A看见第三层313的导电层313B。另外，在第二层312的表面上，形成与半导体芯片100的电极层191和接合线190相连的三个焊接点。

这三个焊接点是接地焊接点312G，用于连接导电层313B和314B；信号输出焊接点312E，用于连接用于信号输出端313E的端子导电层；以及电源焊接点312F，用于连接用于电源的端子导电层313F和314F。接地焊接点312G形成于角落凹穴312K中，而信号输出焊接点312E和电源焊接点312F分别形成于侧面两个凹坑312C和312D的表面和背面。

在层压在第二层312上的第一层311的中心，开设一开口331A，它大于开口312A。

如图3、图4和图5所示，通过层压和烘烤第一层311、第二层312、第三层313和第四层314，形成主壳体310。根据第一层311之开口311A、第二层312之开口312A和第三层313之开口313A之间的尺寸关系，用若干步形成主壳体310之凹穴330的一个侧面。顺便提一下，还可以将第二层312和第三层313合并成一体，形成一个总的三层结构。

如图3所示，在用于封闭主壳体310的盖子320的背面，形成一圆环形突起321，用于按压与振动膜200相连的圆环230，并且在盖子320的中心附近，开一声音孔322。

用已知的半导体工艺技术形成半导体芯片100、绝缘层130、电极层140、绝缘层150和间隔层170。电极层140由铝制成，而绝缘层150是TiN，通过汽相沉积等方法形成。间隔层170由聚酰亚胺树酯制成，用刻蚀等方法形成。对于电极层140，当使用抗蚀性较好的材料时，不需要使用绝缘层150。在图3中，标号110是形成在半导体芯片100上的构成电压转换电路10等元件。

在绝缘薄膜150上，如图6所示，形成一个接近圆环形的间隔层170。在间隔层170中，如附图所示，形成切断线171。空间180和背隔室350通过间隔层170的切断线171以及通信通道360(见图3)相互沟通。

如图3所示，在半导体芯片100的表面上，在没有层压绝缘层130和其它层的部分，形成电极191(图中只示出一个，这些电极对应于接地电压端GND、输出端Vout和电源端Vdd)，并且这些电极通过接合线190等与主壳体310上的接地焊接点312G、信号输出焊接点312E和电源焊接点312F电气相连。

振动膜200是高聚物驻极体REP薄膜210，形成图2所示一侧的电极薄膜220。在厚度为5微米至12．5微米的高聚物FEP薄膜210上，蒸发厚度大约为400的镍层。用冠状辐射或EB辐射使不形成电极薄膜1220的面(即背面)极化，并且在高聚合物FET薄膜210中半永久性地充电，从而获得驻极体。

顺便提一下，对于电极1220，可以蒸发厚度大约为400的铝，可以层压聚酰亚胺等制成的绝缘涂层，以增强环境抵抗力。另一种方法是，蒸发铝和镍。

这种振动膜200适合于由黄铜或不锈钢制成的圆环230。通过诸如圆环230、壳体300的盖子320以及主壳体310等接地导电层，将振动膜200上的电极薄膜220接地。圆环230、盖子320和主壳体310通过一种导电粘结材料相互导通。

在具有如此结构的半导体驻极体电容扩音器中，电容器由振动膜200和电极层140组成，通过振动膜200的振动使电容器的电容改变，从而将话音转换成话音信号α。为了放大话音信号α，使用图1或图2中的半导体放大电路。与图10所示的电容扩音器相比，除其它优点外，还有部件数量较少，并且缩小了尺寸。

将图3至图7所示的半导体驻极体电容扩音器放在PW(平行导线)单元(cell)中，在900MHz和大约10V／m的400猝发电场(连续波)中，用FET分析器测量由图2所示半导体放大电路发出的话音信号γ。图9(A)中的曲线图示出了电路的测量结果。图9(B)示出了使用相同扩音器时图11所示半导体放大器电路的测量结果。在图1所示的半导体放大电路中，也获得了相同的特性。

在图11所示的传统半导体放大电路中，在400Hz及其更高的谐波处观察到明显的峰。通过安装35pF的外部电容器，不能降低噪声。另一方面，在图8所示的本发明的半导体放大电路中，没有检测到这类噪声峰。如果在1900MHz和大约10V／m的400Hz猝发电场(连续波)中测量，获得了相同的结果。因此，实验证明，不仅在手提电话中，还是在PHS应用中，都没有RF猝发噪声的问题。

本发明的半导体放大电路不仅可以应用于半导体驻极体电容扩音器中，而且可以用其它用途。电压转换电路和放大电路只要具有相同的功能，不限于某种具体的电路结构。

在本发明的半导体驻极体电容扩音器中，电容器由振动膜和背电极组成；通过振动膜的振动来改变电容器的电容，从而将话音转换成话音信号；然后放大该信号；只要呈现相同的原理，还可以同样运用其它的结构。

在本发明的半导体放大电路中，在同一半导体芯片上形成用于将弱输入信号转换成电压信号的电路转换电路以及用于放大该电压信号的放大电路，因此放大电路的信号输入端隐藏在半导体芯片中，并且猝发噪声几乎不能进入放大电路中。也就是说，由于放大电路抵抗猝发噪声的影响，所以可以大大降低噪声。

对于本发明的半导体放大电路，由于电压转换电路包括结型或MOS型的FET，其源极接地，栅级接收弱信号，并且在FET的漏极和电源线之间连接一电阻，用于将FET的漏电流转换成电压并将其作为电压信号输出，所以如果猝发噪声进入电源线等，此进入放大电路的猝发噪声很小，并且进一步抵抗猝发噪声的影响。

另外，对于本发明的半导体放大电路，由于提供了增益调节电路，可以从外部调节放大电路的增益，所以通过放大电路的增益调节可以缓解电压转换电路特性的离散性(dispersion of charateristices)。因为容易调节电路，所以这是非常有利的。

另外，对于本发明的半导体放大电路，由于在放大电路输出端和电源线和／接地线之间提供了由晶体管形成的防冲击电容器，所以如果因猝发噪声的影响在放大电路的输出端出现较大的猝发分量，那么电容器可以将其阻断。也就是说，不使用外部电容器，也可以降低噪声，以低成本获得低噪声的电路。

对于本发明的半导体驻极体电容扩音器，由于用上述半导体放大电路放大话音信号，所以可以获得与上述电路相同的优点，并且极为有利于降低噪声，降低成本。

本发明的半导体放大电路和半导体驻极体电容扩音器可用于手提电话等的扩音器中。

Claims (7)

1．一种用于放大和发送弱信号的半导体放大电路，其特征在于，所述半导体放大电路包括：电压转换电路，用于接收所述弱信号，并且将该信号作为电压信号输出；和放大电路，用于接收所述电压转换电路输出的电压信号，并且放大和发送该信号，其中所述电压转换电路和放大电路形成于同一个半导体芯片中。

2．如权利要求1所述的半导体放大电路，其特征在于，所述电压转换电路包括：结型或MOS型FET，FET的源极接地，栅极接收所述弱信号；和一电阻，所述电阻连接在FET的漏极和电源线之间，用于将FET的漏电流转换成电压，并且将其作为电压信号输出。

3．如权利要求1所述的半导体放大电路，其特征在于，所述电压转换电路包括结型或MOS型的第一FET，其栅极接收所述弱信号，而其源极接地；第二FET，其源极和漏极连接在第一FET的漏极和电源线之间，用于将源电压作为电压信号输出；以及参考电压发生电路，用于接收电源线上的电源电压，产生参考电压，并将其发送给第二FET的栅极。

4．如权利要求1所述的半导体放大电路，其特征在于，所述放大电路包括用于从外部调节该电路增益的增益调节电路。

5．如权利要求1所述的半导体放大电路，其特征在于，在放大电路的输出端和电源线和／或接地线之间，提供用晶体管形成的用于防冲击的电容器。

6．一种半导体驻极体电容扩音器，其特征在于，电容器由振动膜和背电路组成，通过振动膜的振动改变电容器的电容，从而将话音转换成话音信号，并且放大和发送该信号，用如权利要求1-5中任何一项所述的半导体放大电路放大所述话音信号。

7．如权利要求6所述的半导体驻极体电容扩音器，其特征在于，其中在形成有所述半导体放大电路的半导体芯片的上面，提供起所述背电极作用的电极层。

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