CN1641999A - 用于容性换能器的放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于容性换能器的放大器电路，所述容性换能器例如小型驻极体或电容麦克风，其中所述放大器电路包括被调整来改善放大器电路稳定的偏置控制装置。本发明的另一方面涉及一个小型电容麦克风，以及一个单片集成电路，它包括根据本发明的一个放大器电路。本发明通过解决传统上相矛盾的要求来提供性能改善的放大器电路，传统上矛盾是指，维持放大器电路的大输入电阻以优化它的噪声性能与提供放大器电路快速稳定的矛盾。

Description

用于容性换能器的放大器电路

技术领域

本发明涉及放大器电路，其用于容性换能器以及包括这样的放大器电路的小型电容麦克风，其中所述放大器电路包括偏置控制装置，它被调整来减小组合后的放大器和容性换能器装置的稳定时间。根据本发明的放大器电路特别适合放大小型电容麦克风所产生的音频信号，所述小型电容麦克风被用于紧凑型便携通信设备，例如移动终端和助听器。

背景技术

现有技术中用于容性换能器的放大器电路由于在低噪声与快速稳定时间之间折衷而导致不利的且不方便的影响，所述快速稳定时间是指，在电源电压已经被加到放大器电路上之后，放大器电路达到其预定或稳态小信号增益(在1dB误差的余量内)所需的时间。

造成这一不完全满意的现状的原因是，这些性能量度间存在相互矛盾的要求。一方面，放大器电路很大的输入阻抗是必需的，并且它非常有利于优化放大器电路的噪声性能。该很大的输入阻抗还防止所述放大器电路对容性换能器呈现出很大的负载，其会降低容性换能器的输出信号电压。另一方面，放大器电路非常大的输入阻抗与容性换能器的内部电容相组合，将给换能器与放大器的组合系统产生一个大的稳定时间。

所述的大稳定时间是由组合后的容性换能器与放大器的时间常数所导致的，如果所述放大器电路的输入阻抗足够大以给目前的小型容性换能器提供最佳噪声性能，那么所述时间常数数值可以达到10-30秒，或者甚至几分钟。

在接通电源时，供电电压突然加到组合后的换能器和放大器装置上，所述放大器电路可能会过载，并且后来在放大器电路的稳定过程中可能处于一个非工作状态，该状态可能持续不可接受的时间长度，直到放大器电路的直流工作点得到稳定。对承受高水平声学信号(例如是由关门或机械冲击等等所产生的低频瞬态信号)能力的缺乏进一步加重了这一与接通电源相关的问题。这种高水平瞬态信号在位于容性换能器内部的放大器电路的正常工作中是经常遇到的，它可能让放大器电路的瞬时工作点远离它们各自的预定直流工作点，例如靠近供电轨。在这样的不利情况下，使用组合后的换能器和放大器电路的小型麦克风可能在一段较长的时间内部分的或完全的不工作。

为了实现现在小型驻极体麦克风的最佳噪声性能，放大器电路输入阻抗的电阻部分最好大于100GΩ，或者甚至最好大于300GΩ。由于放大器的一个输入必须可操作的连接到容性换能器上，而所述容性换能器可以表现出0.5pF到2.0pF这样小的源电容，所以很期望处于上述幅度范围内的电阻。此外，继续减小容性换能器的外尺寸，例如基于MEMS的容性换能器的出现，要求改进的放大器电路的出现，其具有与现有技术放大器电路相比更大的输入电阻和/或更好的噪声特性，以防止包括这些小容性换能器元件的性能。

在现有技术用于容性换能器的前置放大器设计中，所述稳定时间通常是通过为一个选择的目标噪声水平确定最小可接受输入电阻来控制或设定的。美国5,097,224公开了一个前置放大器，它通过一个非线性装置将一个输入端设定到一个合适的直流工作点或偏置点，所述非线性装置由连接到阻性分压器的一个分接点的一对交叉耦合的二极管组成，其中所述阻性分压器耦合在电源和地轨之间。当加在交叉耦合上的绝对电压靠近零，也就是限制到kT/q(室温下～25mV)的几倍时，所述交叉耦合的二极管由于它们的指数V-I特性而表现出非常高的阻值。美国5,861,779公开了包括一个可替换偏置方案的一个麦克风前置放大器，其中双极型或MOS晶体管被耦合在前置放大器的一个内部节点与前置放大器的一个输入端之间，以建立一个用来偏置前置放大器输入的非线性装置。

最后，文献“A Low-Power Low-Noise CMOS Amplifier forNeural Recording Applications”IEEE Journal of Solid State-Circuits，第38卷，No 6公开了一个生物信号放大器，它包括耦合在前置放大器一个输入节点与一个输出节点之间的一对二极管耦合的MOS晶体管，以建立一个用于偏置前置放大器输入节点的非线性装置。

这些现有技术受到长稳定时间的影响，这是因为，所公开的偏置安排中没有一个在前置放大器稳定过程中对所用的非线性装置的阻抗提供足够的控制。此外，这些现有技术前置放大器偏置方案使用的是与各自前置放大器相集成的偏置控制装置，当前置放大器已经过载且处于一个非工作状态时，它们没有一个外部的参考电路来给偏置控制装置提供一个稳定的参考量度。现有技术中，偏置控制装置与前置放大器直流偏置电压间的联系限制了对偏置控制装置参数的独立优化，而所述优化是为了提高前置放大器电路的稳定性能。

发明内容

根据本发明第一方面，本发明提供了用于一个容性换能器的一种放大器电路，其中所述放大器电路包括一个前置放大器，它被配置来通过一个前置放大器输入接收一个换能器信号，并在一个前置放大器输出处提供一个放大的换能器信号。一个非线性装置包括可操作地耦合到所述前置放大器输入的第一端，以及可操作地耦合到一个偏置控制装置的第二端。一个参考设定装置被配置来提供与所述前置放大器直流偏置设定相关的一个预定参考量度，并且，所述偏置控制装置响应预定参考量度与前置放大器直流偏置设定之间的差别，来设定所述前置放大器输入的一个直流工作点。

优选的，所述预定参考量度可以被设定成一个值，其对应于或正比于所述前置放大器一个电路节点的期望直流偏置电压或直流偏置电流。所述期望直流偏置电压或直流偏置电流可以是前置放大器一个输出端或一个输入端的一个直流偏置电压，或者是前置放大器一个内部放大级的偏置电流。所述放大器电路最好能够被设计来使得预定参考量度随着半导体工艺变化和/或温度变化而跟踪前置放大器的相关直流偏置设定。实现这一点例如可以通过，安排所述参考设定装置和偏置电路，它们被调整来决定同一集成电路衬底上临近位置的前置放大器的直流偏置设定。优选的，所述参考设定装置可以被实施成物理上和电学上都与所述前置放大器相分离的一个电路部分。分离的参考设定装置的一个明显优点在于，在前置放大器的正确直流偏置设定已经丢失的情况下，它能够维持一个稳定的预定参考量度，这里，所述正确直流偏置的丢失例如是让前置放大器过载的一个大瞬态信号。所述偏置控制装置可以依赖这样的一个稳定的预定参考量度来快速的迫使或指引前置放大器的直流工作点回到其正确或标称值。

根据预定参考量度和前置放大器直流偏置设定的本质，所述偏置控制装置可以响应电压差别或者响应电流差别。在预定参考量度包括一个直流参考电压的情况下，所述直流参考电压可以优选的从带隙电压参考而得出，基于例如工作在弱反转的衬底双极型晶体管或者CMOS晶体管。电压参考设定装置的一个简单形式可以包括容性或阻性分压器的一个出口节点，所述分压器耦合在放大器电路的一对电压供电轨之间。前置放大器中一个或多个内部电路节点处的直流工作点可以基于直流参考电压被设定在它们各自的值。

所述偏置控制装置最好包括一个偏置控制输出，它可操作地连接到，或耦合到所述非线性装置的第二端。所述偏置控制装置通过设定或强制前置放大器电路节点的适当工作点来操作，实现这一点是通过在稳定过程中提供流过非线性装置的电流，直到前置放大器输入和输出端达到它们各自的标称直流工作点。一旦放大器电路已经达到稳定后的操作，那么预定参考量度与前置放大器直流偏置设定之间的差别就趋向于零，并且，放大器电路的标称交流或小信号增益就基本上稳定。相应的，所述偏置控制装置就可以终止流过非线性装置的电流，或者所述偏置控制装置可以保留供应一定的直流电流流过存在于前置放大器输入处的寄生泄漏电阻。

所述前置放大器最好包括一个CMOS输入晶体管，例如大面积PMOS晶体管，来提供低噪声放大/缓冲，其与足够低的输入电容一起将容性换能器的任何负载最小化。

根据本发明的一个优选实施例，所述偏置控制装置包括一个差动伺服放大器，其第一和第二输入端分别可操作地连接到一个预定的参考电压和前置放大器的一个直流偏置电压。差分伺服放大器的一个输出被可操作地连接到所述非线性装置的第二端。如果所述前置放大器节点的直流偏置电压因为某些原因而与正确的直流偏置电压产生了差别，那么差动伺服放大器就被用来向/从所述前置放大器的输入端口提供或吸收电流，直到所述前置放大器节点的直流偏置电压被设定或强迫到其标称直流工作点，并且放大器电路的稳态工作得到稳定，这里所述的某些原因例如是在所述前置放大器输入端上的在先的高水平瞬态信号。

一旦所述前置放大器的所有节点都达到它们各自的标称直流工作点，经过所述非线性装置的偏置设定电流就趋向于零。这使得非线性装置回到一个高阻状态，该高阻状态对应了所讨论的非线性装置类型的具体的电压-电流特性。在它的高阻状态下，所述非线性装置的电阻最好足够的大，以防止损害耦合到放大器电路的换能器的噪声性能。适合集成到小型驻极体麦克风中的一个放大器电路可以使用阻值在50GΩ到300GΩ之间的一个非线性装置的高阻值状态。根据本发明的一个优选实施例，所述放大器电路在稳定后的操作中具有大于100GΩ的输入电阻，其稳定时间小于2秒，例如小于1秒，或小于500毫秒，其中前置放大器的输入被连接到10pF的源电容。

相应的，在放大器电路的稳定过程中，所述偏置控制装置允许输入端快速的达到适当的直流工作点，实现这一点是通过提供经过所述非线性装置的偏置电流来瞬时将非线性装置调整到低阻状态。一旦所述放大器电路已经基本稳定，所述偏置控制装置就确保非线性装置回到一个高阻状态，以给组合后的放大器和换能器装置或系统提供了最佳噪声性能。

所述非线性装置可以包括对称的或非对称的非线性阻性元件。该非线性装置可以包括单个半导体二极管，或者最好包括一对交叉耦合的半导体PN结二极管——下文中简称为交叉耦合二极管。该交叉耦合二极管对最好包括多晶硅二极管，这是由于在所述放大器电路的CMOS集成电路实施中，这些装置事实上是与硅衬底隔离的。可替换的，所述非线性装置可以包括一个或多个二极管耦合的晶体管，这被作为对一个或两个半导体二极管的附加或代替。

本发明的第二方面涉及一个单片集成电路，它包括根据本发明的一个放大器电路。本放大器电路很适合于单片CMOS集成，从而就可以提供一个非常紧凑、可靠且低成本的放大器电路，所述放大器电路能够被置于一个适当的承载衬底上。所述放大器电路和所述承载衬底可以完全被集成在小型容性换能器的外壳内。

本发明的第三方面涉及一个小型容性麦克风，它包括一个基于电容或驻极体的换能器元件，该换能器元件可操作的耦合到根据本发明上述任何实施例的一个放大器电路上。

本发明的另一方面涉及一个用于容性换能器的一个放大器电路，它包括一个前置放大器，所述前置放大器被配置来通过一个前置放大器输入端接收一个换能器信号，并在一个前置放大器输出端提供放大的换能器信号，以及其中

在放大器电路的稳定后操作中，放大器电路的输入电阻大于100GΩ，并且该放大器电路的稳定时间小于3秒，例如小于1秒或小于100毫秒。

附图说明

下面将通过参考附图来描述本发明的一个优选实施例，其中：

图1是根据本发明的放大器电路的一个简化框图。

具体实施方式

图1示出了一个小型麦克风的电容器换能器元件40，它耦合到集成在单片集成片5上的一个放大电路。根据本发明的本实施例，该电容器换能器元件40包括一个硅基材料的用MEMS制造的换能器，但本发明同样适用于基于诸如驻极体换能器元件的麦克风，所述驻极体换能器依赖于在一个或两个换能器板上预先沉积的电荷层。

所述放大器电路包括一个反相前置放大器10和一个差动伺服放大器20，该差动伺服放大器的第一输入连接到所述反相前置放大器的输出45，其第二输入连接到一个参考电压VREF产生器25。一个非线性装置(30a、30b)被耦合在差动伺服放大器20的输出端21与反相前置放大器10的输入节点或输入端35之间。所述非线性装置包括一对交叉耦合的半导体PN结二极管，30a和30b。优选的，所述交叉耦合二极管对可以作为一对多二极管(poly diodes)来实施，这是因为在CMOS集成电路实施中，它们与硅衬底实际上是隔离的。可替换的，可以利用晶体管来替换所述PN结二极管。

所述驻极体换能器元件40被直接耦合到单片集成电路片5的一个输入垫50上。该输入垫50被可操作的连接到所述交叉耦合半导体PN结二极管对30a和30b，以及连接到所述反相前置放大器10的输入节点35，从而在输出端或垫55上提供来自驻极体元件40的被放大的和/或被缓冲的换能器信号。

所述放大器电路通过控制和快速设定——而不引入稳态噪声——驻极体元件40与放大器电路之间的前置放大器输入35的直流工作点来进行操作，这是通过引入一个非线性伺服回路来实现的。

该非线性伺服回路包括所述差动伺服放大器20，其输出端通过交叉耦合的PN结二极管30a和30b连接到高阻输入35。所述非线性偏置装置能够包括另外的或其它的非线性阻性装置，其在低电流水平下表现出高阻值，在高电流水平下表现出低阻值。

所述伺服放大器20的第一输入节点21被连接到所述反相前置放大器45的输出，其第二输入节点22被连接到电压参考25，所述电压参考决定了反相前置放大器10输出处的目标或期望工作点。在前置放大器10是反相的当前情况下，第一伺服放大器输入应该是非反相输入，而第二输入应该是一个反相输入。在前置放大器是非反相的设计中，差分伺服放大器20的输入端应该交换过来。

下面将通过参考图1来解释所述放大器电路的操作。我们已经假设所述前置放大器是反相的，其数值电压增益为A。该电压增益最好被设定为大约10dB，但也可以根据它所要应用的容性换能器的具体类型而高达60dB。通过伺服放大器20的操作，输出节点45总是处于与VREF几乎相同的电压。如果输入35被快速的从其稳态操作点移开，例如通过加到输入35上的一个大瞬态电压，那么输出节点45将以几乎相同的步调跟随，并且，伺服放大器20将尝试纠正前置放大器输出45与设定在输入节点22的参考电压VREF之间的任何差别。由于交叉耦合的二极管30a和30b是高度非线性的，所以所述伺服放大器20仅仅需要给二极管30a或30b加上适度的前向偏置，就可让大电流输入到前置放大输入节点35。换句话说，尽管有与换能器元件40相关的装置电容和在放大器电路稳定后操作中二极管30a或30b的很高的电阻，所述前置放大器输入35还是会被很快充电。

一旦输出节点45与VREF的电压差别变小，伺服放大器20的有限增益A就不能够在交叉耦合二极管对30a和30b中的任何一个上维持基本的前向偏置。所以，由于每个交叉耦合二极管30a和30b的指数V-I特性，装载在输入35上的后者二极管对的电阻就会大幅提高，直到电阻达到让噪声影响可忽略的值或水平为止。换句话说，利用一个伺服反馈回路来应用过驱动非线性设备有利于快速设定放大器电路的直流工作点，这将带来小信号增益的快速稳定。

在本发明的本实施例中，所述伺服放大器20是一个差分放大器，其电压增益为大约15dB，并且基于一个PMOS输入级。由于伺服放大器20的分接头(未示出)不是直接从前置放大器10接出来的，而是来自一个导出的、10dB衰减的信号，所以该反馈路径的直流回路增益也大约为15dB。

交叉耦合的多晶硅二极管30和30b中每一个的横向尺寸为0.8μm*2.8μm，这是所采用的0.35μm 3M CMOS工艺设计规则允许的最小尺寸。这些很小的二极管面积最大化二极管电阻，并且将多晶硅二极管30a和30b给输入35带来的寄生电容负载最小化。此外，在前置放大器输入35与输出45之间前向信号路径上，音频范围内的小信号增益和频率特性在放大电路的稳定后的操作中基本不受伺服回路的影响。这是可能的，是由于伺服回路的非常低的频率滚落，所述频率滚落由一个极点确定，所述极点取决于稳定后的操作中CMIC与多晶硅二极管30和30b大电阻值的组合。

由于基于伺服放大器20的伺服回路在稳定后的操作中本质上是无噪声的，所以就可以认识到本发明的又一优点，即注意到前置放大器输出45的直流偏置电压是通过伺服回路来设定的，所以从参考电压产生器25发出的任何噪声电压通过伺服回路中非常有效的低通滤波操作而被有效的衰减。

本发明提供的又一优点在于，伺服回路让前置放大器输入节点35对流入或流出前置放大器输入35的寄生泄漏电流不敏感。即使输入电阻在一些不利情形下会低于设计目标，伺服回路也将自动的并且有效的清零泄漏电流，并且维持放大器电路的一个有效工作点。

本放大器电路已经改善了传统的低噪声与快速稳定时间之间的折衷，实现这一点是通过利用一个偏置控制装置，它帮助稳定前置放大器输入节点35的高阻抗，而又不在放大器电路的正常工作中给输入35加载低阻抗。

在本发明的另一实施例中，伺服放大器20从前置放大器输入节点35分接，而不是从输出节点45分接。只要伺服放大器20具有足够高的输入阻抗来基本防止加载前置放大器输入节点35，这就是完全可以接受的。如前文所述，本发明的本实施例非常适用于单片电路集成，所述单片电路集成使用了CMOS、BiCMOS、JFET集成电路技术的任何选择或组合。

在本发明的其它实施例中，前置放大器10、伺服放大器20和/或电压参考产生器中的任何一个都可以被提供为放大电路的分立元件，它们被装配在提供了形成放大器电路所需的互连的承载衬底上。类似的，可以包括一个适当的电压泵来产生一个适当的电容直流偏置电压，例如4到20伏之间的电容偏置电压，来偏置MEMS换能器元件40的电容器板。

Claims (12)

1、一种用于容性换能器的放大器电路，它包括：

-一个前置放大器，它被配置为来通过一个前置放大器输入接收一个换能器信号，并在一个前置放大器输出提供一个放大后的换能器信号，

-一个非线性装置，它包括可操作的耦合到所述前置放大器输入的一个第一端，以及可操作的耦合到一个偏置控制装置的一个第二端，

-参考设定装置，它被配置为提供一个与前置放大器的直流偏置设定相关的预定参考量度，其中

-所述偏置控制装置响应所述预定参考量度与所述前置放大器直流偏置设定之间的差，以设定前置放大器输入的一个直流工作点。

2、根据权利要求1的一种放大器电路，其中所述参考设定装置位于前置放大器外部。

3、根据权利要求1的一种放大器电路，其中所述预定参考量度包括一个预定参考电流，

-所述偏置控制装置响应前置放大器的一个直流偏置电流与预定参考电流之间的电流差。

4、根据权利要求2的一种放大器电路，其中所述预定参考量度包括一个预定的参考电压，

-所述偏置控制装置响应前置放大器的一个直流偏置电压与预定参考电压之间的直流电压差。

5、根据权利要求1的一种放大器，其中所述偏置控制装置包括一个差分伺服放大器，它具有可操作的耦合到所述参考设定装置的一个第一输入，以及可操作的耦合到所述前置放大器输出的一个第二输入。

6、根据权利要求5的一种放大器电路，其中沿着所述差分伺服放大器和所述前置放大器的直流回路增益在10到60dB之间。

7、根据权利要求4的一种放大器电路，其中所述预定参考电压与前置放大器输出或输入的直流偏置电压相关。

8、根据权利要求1的一种放大器电路，其中所述非线性装置包括极性相反的一对非线性装置。

9、根据权利要求1的一种放大器电路，其中所述非线性装置包括从二极管、MOS晶体管、双极型晶体管构成的组中选择出的一个部件。

10、根据权利要求1的一种放大器电路，其中所述放大器电路的一个输入电阻在稳定后的操作中大于100GΩ，并且，所述放大器的稳定时间小于3秒。

11、一种单片集成电路，它包括根据前述权利要求中任何一项所述的一个放大器电路。

12、一种小型电容麦克风装置，它包括：

-一个麦克风外壳，它具有一个声音孔并且在麦克风外壳中放置，

-根据前述权利要求任何一项所述的一个放大器电路，它可操作的被耦合到一个容性换能器元件。