CN1905761A - 具有p型前置放大器输入级的麦克风组件 - Google Patents
具有p型前置放大器输入级的麦克风组件 Download PDFInfo
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Abstract
提供了一种麦克风组件，包括具有可移置振膜和背板的电容式换能器元件。所述可移置振膜和背板被排列以便组合形成电容器。前置放大器电路具有输入级，所述输入级包括P型场效应晶体管。可移置振膜和背板可操作地连接在P型场效应晶体管的源极输入和栅极输入之间。
Description
技术领域
本发明涉及包括电容式换能器元件和前置放大器电路的麦克风组件，所述电容式换能器元件具有振膜(diaphragm)、背板，所述前置放大器电路具有带P型场效应晶体管的输入级。所述振膜和背板可操作地连接在P型场效应晶体管的源极输入和P型场效应晶体管的栅极输入之间，使得由于获得了改进的电源抑制，有关输入的噪声很低，并且从电源线引入的噪声被显著地衰减。
背景技术
本领域的各种麦克风组件公开了电容式换能器元件的振膜和背板可以如何耦合到具有P型场效应晶体管的前置放大器的输入级。这种参考文件的实例为EP0969695A1和EP1355416A1。
在EP0969695A1和EP1355416A1两篇文献中，各个振膜和背板在晶体管的各个栅极输入和地之间被耦合至各个P型场效应晶体管。这种耦合或者电接口的缺点是：在源极输入施加或者注入的噪声会因为地作为信号参考端而被放大。噪声的放大在电容式换能器元件所提供的期望音频信号中引入不希望的干扰。
因此，需要电容式换能器元件和P型场效应晶体管之间的改进电耦合。
发明内容
本发明实施例的一个目的是提供一种麦克风组件，其中振膜和背板以电源线上的电噪声被有效衰减的方式电耦合至P型场效应晶体管。鉴于此目的，本发明实施例涉及一种麦克风组件，在换能器元件的振膜和背板端与麦克风前置放大器的输入端(节点)之间具有有益的电接口或者耦合。
根据本发明的实施例，提供一种麦克风组件，其包括具有可移置振膜和背板的电容式换能器元件。可移置振膜和背板可以被排列以便组合形成电容器。前置放大器电路可以具有输入级，所述输入级包括P型场效应晶体管。可移置振膜和背板可以可操作地连接在P型场效应晶体管的源极输入和栅极输入之间。
根据本发明的另一实施例，提供了一种处理来自电容式换能器元件的电信号的方法，所述电容式换能器元件具有可移置振膜和背板。所述方法包括步骤：向电容式换能器元件提供可移置振膜，所述可移置振膜可操作地连接至P型场效应晶体管的源极输入。向电容式换能器元件提供背板，所述背板可操作地连接至P型场效应晶体管的栅极输入。处理在P型场效应晶体管的漏极输出提供的电信号。
本发明实施例可以应用于硅电容式麦克风的领域内，但是本发明也将有益于将电容式换能器元件最佳地连接至传统电容式麦克风中的前置放大器，诸如驻极体麦克风及其相关前置放大器。
本发明实施例提供了诸多优点。例如，通过使用P型场效应输入晶体管并且通过改善麦克风组件的电源噪声抑制，可以最小化前置放大器的电输入有关噪声。另一优点是减小了某些硅麦克风组件中的光感生噪声。根据实验的结果表明，已经实现了20-30dB数量级的噪声减小。
因此，为了符合上述目的，本发明在第一方面涉及具有电容式换能器元件的麦克风组件，所述电容式换能器元件包括可移置振膜和背板。所述可移置振膜和背板被排列以便组合形成电容器。包括前置放大器电路，其具有包括P型场效应晶体管的输入级。所述可移置振膜和背板可操作地连接在P型场效应晶体管的源极输入和栅极输入之间。
振膜是“可移置的”，因为在暴露于声压时，它能够并且适于相对于背板而偏转。因此，当电容式换能器元件暴露于声压时，可移置振膜偏转，使得可移置振膜和背板之间的瞬时距离根据声压的幅度而改变。
通过可操作地将可移置振膜连接至P型场效应晶体管的源极输入，并且可操作地将背板连接至P型场效应晶体管的栅极输入，可移置振膜和背板可以可操作地连接在P型场效应晶体管的源极输入和栅极输入之间。当电容式换能器元件暴露于声压时，由振膜和背板组合形成的电容器的电容根据施加的声压的幅度而变化。变化的电容因此是检测到的声压的量度。检测到的声压可以由前置放大器来检测，因为通过确保只有具有超高阻抗的电连接被提供给电容器，振膜和背板上的电荷保持基本上恒定，所以变化的电容在电容板两端引起相应的、基本成比例的信号电压。
电容式换能器元件可以包括驻极体换能器元件类型，该驻极体换能器元件类型包括材料的电预充电层，在振膜和背板之间提供内置或永久电场。永久电场可以由安排在振膜或背板上的电预充电层提供，电预充电层诸如带有注入电荷的特氟隆(Teflon)涂层。电容式换能器元件可选择地是需要外部高阻抗偏压源的类型，该偏压源用于在振膜和背板之间生成电场。这种外部高阻抗偏压源可以包括跟随有平滑型滤波器诸如低通滤波器的Dickson电压泵。外部高阻抗偏压源优选地与电容式换能器元件安排在共同的外壳内，以避免可能与偏压源和电容式换能器元件之间的长导线相关的EMI问题。
P型场效应晶体管可以是JFET、MOS类型或者类似的场效应多晶硅绝缘体半导体晶体管。电容式换能器元件可以包括MEMS制造的换能器，诸如基于硅的MEMS换能器，其中振膜、背板和基本部分材料每个都包括硅材料。
为了在背板和P型场效应晶体管的栅极之间建立DC阻隔，在背板和P型场效应晶体管的栅极输入之间通常插入电容器。然而，在驻极体电容式换能器元件中可以不需要DC阻隔电容器。
麦克风组件可以有利地包括偏压源，以便相对于可移置振膜而电偏置背板。偏压源可以在基于硅的换能器的背板和可移置振膜之间提供5至20伏的DC电压，或者更优选地提供8至12伏的DC电压。在其它类型的换能器元件中，此偏压可以更高或者更低。因此，其它电压电平，包括负电压电平，也可以施加于背板和可移置振膜之间。偏压源可以经由高阻抗元件，诸如具有几百千兆欧姆或者甚至兆兆欧姆电阻的欧姆电阻，可操作地连接至背板。可选择地，可以使用一个或多个反向偏置的半导体二极管。
优选地，电容式换能器元件是具有外部DC偏压源的基于硅的电容式换能器元件。基于硅的电容式换能器元件(其振膜或背板直接暴露于环境)易于对光暴露敏感，因为电噪声被叠加到这种换能器的输出信号上。该光感生噪声的起源被确信是由于半导体特性，并因此是由于硅的半导体特性。然而，通过将换能器元件中的振膜接地或者虚拟接地，使得振膜面对环境并且其中振膜基本上重叠背板区域，导电振膜将作为EMI屏蔽，使得可以显著减少涉及基于硅的换能器中光感生噪声的问题。
电容式换能器元件还可以包括基本部分。该基本部分可以可操作地连接到振膜，或者可操作地连接到地。
在第二方面，本发明涉及一种便携式通信设备，所述便携式通信设备包括根据本发明第一方面的麦克风组件。所述便携式通信设备可以是蜂窝电话机、助听器、PDA或其任何组合。
在第三方面中，本发明涉及一种处理来自电容式换能器元件的电信号的方法，所述电容式换能器元件具有可移置振膜和背板。所述方法包括向电容式换能器元件提供可移置振膜，所述可移置振膜可操作地连接至P型场效应晶体管的源极输入。所述电容式换能器元件被提供有背板，所述背板可操作地连接至P型场效应晶体管的栅极输入。处理在P型场效应晶体管的漏极输出提供的电信号。
在第四方面中，本发明涉及一种包括前置放大器电路的集成半导体电路，所述前置放大器电路具有包括P型场效应晶体管的输入级。所述前置放大器包括可操作地连接至P型场效应晶体管的源极输入的第一外部可访问输入端，以及可操作地连接至P型场效应晶体管的栅极输入的第二外部可访问输入端。第一和第二输入端可以可操作地分别连接至电容式换能器元件的可移置振膜和背板。可选择地，第一和第二输入端可以以相反顺序可操作地连接到可移置振膜和背板。
根据本发明此方面的优选实施例，集成半导体电路包括插入第二外部可访问输入端和P型场效应晶体管的栅极输入之间的DC阻隔元件。所述集成半导体电路还可以包括麦克风偏压源，该偏压源适于将麦克风DC偏压提供给第二外部可访问输入端。第二外部可访问输入端因此可以适于为可移置振膜和背板之一提供麦克风DC偏压。对于基于MEMS的电容式麦克风，此麦克风DC偏压优选地被设置为5和20伏之间的值。
在本发明优选实施例中，集成半导体电路包括适于提供调节后的DC电压的电压调节器，所述电压调节器可操作地耦合至P型场效应晶体管的源极输入。调节后的DC电压优选地被设置为0.9和5.0伏之间的值。麦克风DC偏压和调节后的DC电压之间的DC电压差优选地被设置为4.0和20.0伏之间的值。
鉴于各种实施例的详细描述，参照下文中将给出简单描述的附图，本发明另外方面对于本领域技术人员而言是显而易见的。
附图说明
下面，将参照附图描述本发明优选实施例，其中：
图1示出了在硅麦克风中振膜、背板和基本部分的排列；
图2举例说明了根据本发明实施例的硅麦克风组件；以及
图3举例说明了根据本发明另一实施例的硅麦克风组件。
尽管本发明容许多种修改和替换形式，但是已经通过附图中实例示出了具体实施例，并将在此进行详细描述。然而，可以理解的是，本发明不希望局限于所公开的特定形式。反之，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求所定义的本发明精神和范围的所有修改、等同物、和替换。
具体实施方式
在其最通常的方面，本发明实施例涉及具有换能器元件的麦克风组件，所述换能器元件具有组合形成电容器的振膜和背板。前置放大器具有包括P型场效应晶体管的输入级。P型场效应晶体管的源极和栅极端充当差动输入端。漏极端充当输出端。由于这种电源噪声由于这种配置的特性而被共同施加到P型场效应晶体管的源极和栅极两者上，因此该配置减少了在源极端出现的噪声的影响。因此，电源噪声充当共模信号。这意味着，电源信号上的噪声将不被前置放大器的输入级放大。
本发明实施例还确保了图1中举例说明的基于硅的麦克风中的基本部分和振膜噪声源的最佳减少。在图1中，振膜11置于硅电容式麦克风的背板12和基本部分10之间。振膜11可以高度导电以允许其电屏蔽麦克风的基本部分有效电容耦合至背板。
振膜11连接至随后的前置放大器的输入级的低阻抗电源节点，即虚拟地节点，而背板则连接至高阻抗DC偏压源1和2。因为背板12保持在偏压源的DC电压电势，背板12优选地通过DC电压阻隔元件耦合至随后的前置放大器的输入，所述DC电压阻隔元件诸如电容器。
图2举例说明了根据本发明一个实施例的硅麦克风组件。用于电容式换能器元件3的高阻抗偏压源以其最简单的形式来描述并被表示为1。高阻抗偏压源1包括超高电阻性串联电阻元件2以确保电容式换能器元件3的电荷守恒。偏压源的确切物理实施可以不同于图2中简化的示意图。根据本发明优选实施例，高阻抗偏压源包括基于反向偏置二极管或二极管连接的晶体管的Dickson电压倍增器。
相反极性的并联二极管对(图2中未示出)可以插入在P型场效应晶体管的栅极输入和地或另一适合的参考电压之间。这种并联二极管对确保了输入阻抗高于前置放大器的输入级的100GΩ。实际上，相反极性的并联二极管对可以具有几TΩ的阻抗。在前置放大器将被集成到ASIC中的情况下，可以将以相反极性耦合的并联二极管对与之有利地集成。
电容式换能器元件3的背板12电连接至偏置电路电阻元件2，并且进一步通过DC阻隔电容器5电连接至前置放大器的输入节点IN。振膜以及通常还有电容式换能器元件3的基本部分节点10连接至随后的前置放大器电路的低阻抗电压供给节点4。
前置放大器的输入级包括P型场效应晶体管，优选地为PMOS晶体管7，其参考电压供给节点4。电压供给节点4可以直接从麦克风组件的外部电源电压VDD获得，或者可选择地，可以通过调节器电路8对外部电源电压VDD进行调节和稳定而获得。调节器电路8提供耦合至PMOS晶体管7放大元件所需的低输出阻抗。
电容式换能器元件3的背板端9和振膜端4(也称作电压节点)被参照到与前置放大器的输入级桢的节点。因为电压供给节点4上的任何信号将被共同施加到麦克风前置放大器的PMOS晶体管7的栅极输入并因此不会被放大，电压供给节点4上的电源噪声被显著地衰减。此外，输入级包括P型场效应晶体管，优选地是PMOS晶体管7，与NMOS晶体管相比其具有优良的闪烁噪声特性。由于这个原因，输入级的白噪声和闪烁噪声被减少到最小。PMOS晶体管7优选地具有100和1000μm之间的宽度(W)并且具有0.5和5μm之间的长度。对于目标为电池供电的便携式通信设备的麦克风组件，DC偏流优选地设置为10μA和100μA之间的值，在其它类型的应用中可选择其它DC偏流值。半导体工艺优选为适用于混合信号电路的0.18μm或0.35μm最小特征尺寸3M CMOS工艺。
根据本发明一些实施例，电容式换能器元件3包括基于硅的换能器元件，其中振膜(MEM)被置于电容式换能器元件3的基本部分(BULK)和背板(BP)之间。在这些实施例中，外部噪声信号诸如照射到振膜(MEM)上的亮度变化的光，或者在麦克风的基本部分中生成的噪声信号，通过连接到低阻抗电压供给节点4而被衰减。
图3举例说明了根据本发明另一实施例的硅麦克风组件。与图2的第一实施例的结构相反，用于电容式换能器元件12的高阻抗DC偏压源10和DC阻隔电容器14都与输入级PMOS晶体管16和可选电压调节器17一起集成在电子或集成半导体电路芯片15上。高阻抗DC偏压源10作为DC偏压生成器和大串联电阻器的级联而示意性地示出。高阻抗DC偏压源10可以包括使用集成电路15的电源电压(VDD)的电压泵或倍增器，诸如Dickson电压倍增器，以生成倍增的更高DC电压。在本发明一个实施例中，将1.8伏特的标称电源电压倍增以生成大约8伏的高阻抗DC偏压。
第一外部可访问端20和第二外部可访问端21分别可操作地耦合至PMOS晶体管16的栅极和源极输入。第一外部可访问端20进一步耦合至高阻抗DC偏压源10，以允许该外部可访问端电耦合至相关的电容式换能器元件12的背板19或振膜22。PMOS晶体管16的栅极输入通过DC阻隔电容器14电屏蔽于在第一外部可访问端20上提供的DC偏压，以允许通过独立偏置设置网11来设置PMOS晶体管16的DC偏置点，所述独立偏置设置网11包括一对反向偏置的二极管，即，类似于与本发明第一实施例相关描述的网络。
这些实施例及其变型中的每一个预期落入权利要求所阐述的本发明的精神和范围之内。
Claims (23)
1.一种麦克风组件，包括：
电容式换能器元件，具有可移置振膜和背板，所述可移置振膜和背板被排列以便组合形成一个电容器；
前置放大器电路，具有包括P型场效应晶体管的输入级；
其中，所述可移置振膜和背板可操作地连接在P型场效应晶体管的源极输入和栅极输入之间。
2.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述背板可操作地连接至所述栅极输入，并且其中所述可移置振膜可操作地连接至所述源极输入。
3.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述背板和P型场效应晶体管的栅极输入的每一个经由DC电压阻隔元件而可操作地连接。
4.根据权利要求3的麦克风组件，其中，所述DC电压阻隔元件包括一个电容器。
5.根据权利要求1的麦克风组件，还包括适于在所述背板和可移置振膜之间提供DC偏压的麦克风偏压源。
6.根据权利要求5的麦克风组件，其中，所述麦克风偏压源经由具有大于10千兆欧姆的电阻的高阻抗元件可操作地连接至所述背板。
7.根据权利要求6的麦克风组件，其中，所述高阻抗元件是从包括电阻器和反向偏置半导体二极管的组中选择的。
8.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述电容式换能器元件包括基于MEMS的换能器。
9.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述P型场效应晶体管是从包括JFET和MOS晶体管的晶体管组中选择的。
10.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述电容式换能器元件还包括可操作地连接至所述可移置振膜的基本部分。
11.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述电容式换能器元件还包括可操作地连接至地的基本部分。
12.根据权利要求1的麦克风组件，其中，所述背板或者可移置振膜被提供有永久电预充电层。
13.一种便携式通信设备，包括根据权利要求1的麦克风组件。
14.根据权利要求13的便携式通信设备，其中，所述便携式通信设备是从包括蜂窝电话机、助听器、PDA及其任何组合的组中选择的。
15.一种处理来自电容式换能器元件的电信号的方法，所述电容式换能器元件具有可移置振膜和背板，所述方法包括下列步骤：
向电容式换能器元件提供可移置振膜，所述可移置振膜可操作地连接至P型场效应晶体管的源极输入；
向电容式换能器元件提供背板，所述背板可操作地连接至P型场效应晶体管的栅极输入；以及
处理在P型场效应晶体管的漏极输出提供的电信号。
16.根据权利要求15的方法，还包括步骤：提供所述背板相对于可移置振膜的DC偏压。
17.根据权利要求15的方法，其中，所述背板和P型场效应晶体管的栅极输入的每一个经由DC电压阻隔元件而可操作地连接。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述DC电压阻隔元件包括电容器。
19.一种包括前置放大器电路的集成半导体电路，所述前置放大器电路具有包括P型场效应晶体管的输入级，所述前置放大器电路包括可操作地连接至P型场效应晶体管的源极输入的第一外部可访问输入端，以及可操作地连接至P型场效应晶体管的栅极输入的第二外部可访问输入端，其中，所述第一和第二输入端可以可操作地分别连接至电容式换能器元件的相关可移置振膜和相关背板。
20.根据权利要求19的集成半导体电路，还包括：
插入在第二外部可访问输入端和P型场效应晶体管的栅极输入之间的DC阻隔元件；
麦克风偏压源，适于将DC偏压提供给第二外部可访问输入端，以便向所述可移置振膜和背板之一提供DC偏压。
21.根据权利要求19的集成半导体电路，还包括提供调节后的DC电压的电压调节器，所述电压调节器可操作地耦合至P型场效应晶体管的源极输入。
22.根据权利要求21的集成半导体电路，其中，所述调节后的DC电压被设置为0.9伏和5.0伏之间的值。
23.根据权利要求22的集成半导体电路，其中，所述DC偏压和调节后的DC电压之间的DC电压差被设置为4.0伏和20.0伏之间的值。
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