CN215072331U - 用于传感器组件的电路、集成电路和麦克风传感器组件 - Google Patents

用于传感器组件的电路、集成电路和麦克风传感器组件 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于传感器组件的电路、集成电路和麦克风传感器组件。该传感器组件包括像微机电系统麦克风一样的电容式传感器。该电路包括：第一晶体管，该第一晶体管具有可连接至电容式传感器的输入栅极；第二晶体管，该第二晶体管具有联接至第一晶体管的输出端的输入栅极；前馈电路，该前馈电路将第二晶体管的背栅极与第一晶体管的输出端互连；以及滤波器电路，该滤波器电路将第一晶体管的输出端和第二晶体管的输入栅极互连。

Description

用于传感器组件的电路、集成电路和麦克风传感器组件
技术领域
本实用新型总体上涉及电容式传感器组件(例如，MEMS麦克风)以及用于这种传感器组件的电路。
背景技术
听力装置(诸如助听器、真无线立体声(TWS)耳机以及佩戴在用户耳朵上或耳内的其它可听戴装置(hearable))通常采用一个或更多个麦克风以及一个或更多个发声声学换能器，该声学换能器将麦克风信号转换成声学输出信号。这些和其它应用需要具有低功耗、低噪声以及低失真等特性的麦克风。电容式微机电系统(MEMS)麦克风因它们的低成本、小尺寸以及高灵敏度而取代了在这些和其它应用中一度主要使用的驻极体麦克风。
电容式麦克风通常包括电容式换能部件或马达(本文也称为“电容式传感器”)，如联接至电路的MEMS管芯，该电路在输出到主机(如听力装置)之前调节传感器信号。电路通常包括用于阻抗匹配的缓冲放大器和用于频带整形的滤波器，以及取决于特定用例的其它组件。图2例示了现有技术的两级麦克风缓冲器电路，该电路包括第一CMOS晶体管，该第一CMOS晶体管具有联接至电容马达CMOTOR的输入端，以及通过带整形滤波器电路联接至第二CMOS晶体管的输入端的输出端VOUT1。缓冲器电路是功耗和噪声的主要来源，并且信噪比(SNR)受电流水平和级间滤波器组件的限制。降低滤波器的电阻会导致加载问题，例如，压摆率(slew rate)或增益下降。
通过结合下述附图仔细考虑下面的详细描述和所附权利要求，本实用新型的目的、特征以及优点对于本领域普通技术人员将变得更完全显见。
实用新型内容
本实用新型的一方面涉及一种用于电容式传感器组件的电路，所述电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管具有能连接至电容式传感器的输入栅极；第二晶体管，所述第二晶体管具有联接至所述第一晶体管的输出端的输入栅极，所述第二晶体管包括背栅极；前馈电路，所述前馈电路将所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的所述输出端互连；以及滤波器电路，所述滤波器电路将所述第一晶体管的所述输出端和所述第二晶体管的输入栅极互连。
本实用新型的另一方面涉及一种电容式微机电系统麦克风组件的集成电路，所述集成电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括：输入栅极，该输入栅极能连接至电容式微机电系统管芯的输出端；以及源极，该源极联接至所述第一晶体管的输出端；第二晶体管，所述第二晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括：输入栅极，该输入栅极联接至所述第一晶体管的输出端；源极，该源极联接至所述第二晶体管的输出端；以及背栅极，该背栅极电联接至所述第一晶体管的输出端；音频带滤波器电路，所述音频带滤波器电路将所述第一晶体管的输出端和所述第二晶体管的输入栅极互连；DC偏压电路，所述DC偏压电路具有基准信号输出端，所述基准信号输出端通过电阻部件联接至所述第一晶体管的输入栅极，所述DC偏压电路的所述基准信号输出端还通过电阻部件联接至所述第二晶体管的输入栅极，所述集成电路具有0.1pF的输入电容。
本实用新型的又一方面涉及一种麦克风传感器组件，所述麦克风传感器组件包括：壳体，所述壳体具有外部装置接口和声端口；电容式微机电系统管芯，所述电容式微机电系统管芯设置在所述壳体中并且以声学方式联接至所述声端口；集成电路，所述集成电路设置在所述壳体中，并且电联接至所述外部装置接口上的触点，所述集成电路包括：第一晶体管，所述第一晶体管具有联接至所述电容式微机电系统管芯的第一节点的输入栅极；第二晶体管，所述第二晶体管具有联接至所述第一晶体管的输出端的输入栅极，所述第二晶体管包括背栅极；前馈电路，所述前馈电路将所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的输出端互连；滤波器电路，所述滤波器电路将所述第一晶体管的输出端和所述第二晶体管的输入栅极互连；以及微机电系统管芯偏压电路，所述微机电系统管芯偏压电路联接至所述电容式微机电系统管芯的第二节点。
附图说明
图1是通用电容式传感器组件的截面图。
图2是包括与电容式传感器组合的两级缓冲放大器的现有技术电路图。
图3是包括与电容式传感器组合的两级缓冲放大器的电路图。
图4是包括与电容式传感器组合的两级缓冲放大器的另选电路图。
图5是与现有技术相比使用本文所描述的电路的麦克风的噪声性能改进的定性例示图。
具体实施方式
本实用新型总体上涉及用于包括电容式传感器的传感器组件的电路。此类组件包括：麦克风、振动传感器和压力传感器等其它传感器组件。电容式传感器可以是微机电系统(MEMS)管芯、驻极体或作为某一其它电容式换能部件。MEMS电容式传感器的电容通常介于0.1pF至5.0pF之间，但是这个范围只是近似的，其它的电容式传感器可以具有或多或少的电容。
图1是包括电联接至电路120的电容式传感器110的通用传感器组件100，该电路和电容式传感器均设置在壳体130中，该壳体包括被安装在基部134上的盖子132，该基部具有外部装置接口，该外部装置接口具有被电联接至电路的触点137。外部装置接口可以是表面安装接口(如图1所示)，或者用于与主机装置集成的某一其它已知或未来的接口技术。麦克风和其它传感器组件包括位于基部或盖子上的声端口138，其中如通常已知的那样，声端口以声学方式联接至电容式传感器。然而，振动传感器组件等可以没有声端口。
该电路通常包括两级缓冲放大器，该两级缓冲放大器具有联接至电容式传感器和其它组件的输入端。例如，电路还可以包括可连接至电容式传感器的电荷泵，该电荷泵用于其中传感器需要DC偏压的应用。一些电容式传感器(如驻极体)不需要偏压，因此一些电路不包括电荷泵。根据预期应用，电路还可以包括带整形滤波器等图中未示出的其它电路部件。数字传感器中的电路可以包括联接至缓冲放大器的输出端的delta-sigma模数(A/D)转换器电路，并且麦克风组件中的电路可以包括协议接口电路，该协议接口电路为特定协议(如PCM、PDM、SoundWire等)格式化输出信号。电路可以是一个或更多个集成电路，如专用集成电路(ASIC)。在典型的传感器组件中，电路通常包括电源、地、输出端并且可能还有其它触点，这些其它触点可通过丝焊或其它已知或未来的互连技术连接至外部装置接口上的对应触点。
图3和图4示出了与电容式传感器302组合的电路300，其中该电路包括两级缓冲放大器，该两级缓冲放大器包括第一晶体管310和第二晶体管320。第一晶体管包括：联接至电容式传感器302的输入栅极312，以及联接至第二晶体管的输出端VOUT1，如本文进一步所描述的。第一晶体管和第二电阻器可以是MOSFET或JFET等晶体管。在图3和图4中，第一晶体管被配置为源极跟随器(source-follower)(也被称为共漏拓扑)，其中源极联接至输出端VOUT1。第二晶体管进行了类似配置。在其它的实现中，然而，第一晶体管和第二晶体管中的一个或两个晶体管可以以不同的电路拓扑进行配置。另选地，第一晶体管可以是运算放大器，第二晶体管可以是放大器，如AB类源极跟随器等。当缓冲放大器的输入电容小于电容式传感器的电容时，可以减少输入信号的衰减。在一个实现中，缓冲放大器具有量级为0.1pF(例如0.2pF)的输入电容。
根据本实用新型的另一方面，一般而言，两级缓冲放大器的第一晶体管是通过带整形滤波器电路和前馈电路联接至第二晶体管的。在麦克风应用中，滤波器电路是音频带滤波器。在图3和图4中，带整形滤波器电路是带通滤波器330，该带通滤波器将第一晶体管的输出端VOUT1互连至第二晶体管的输入栅极322。根据用例，可以另选地使用其它的滤波器电路(例如，低通滤波器、高通滤波器、陷波滤波器)。
图3和图4还示出了第二晶体管，该第二晶体管包括通过前馈电路340联接至第一晶体管的输出端VOUT1的背栅极324。在一个实现中，前馈电路是第二晶体管的背栅极324与第一晶体管的输出端VOUT1之间的直接电连接。另选地，前馈电路可以包括滤波器电路或信号处理部件，该滤波器电路或信号处理部件处于第二晶体管的背栅极324与第一晶体管的输出端VOUT1之间。
将第二级输出缓冲偏置至第一级输出端降低了被注入输出中的带通频率中的噪声，这是因为来自带通滤波器电路的噪声没有被包括在该控制路径中。带整形滤波器的滚降或斜率取决于金属/氧化物/通道的跨导(gm)与体/通道的跨导(gmbs)的比率。跨导gm一般远高于跨导gmbs，因此，整个传递函数可以在带整形滤波器的转角频率之上和之下具有滚降或斜率。
电路可选地可以在缓冲放大器的输入端处包括其它电路部件。在图3和图4中，例如，包括反向二极管的电阻部件316联接至缓冲放大器的输入栅极312。另选地，电阻部件可以是反向晶体管或常规电阻器。与电容式传感器的电容组合的电阻部件形成高通滤波器。滤波器的转角频率或截止频率可通过恰当选择这些电路部件的电容值和电阻值来设定。对于音频应用，转角频率可以被设定在人类可听频率范围的下端。在其中电容式传感器的电容为皮法拉(pF)量级的麦克风实现中，千兆欧量级的电阻将过滤低频噪声。其它类型传感器的转角频率将取决于用例。例如，超声波传感器将比音频传感器具有更高的转角频率，而振动传感器将具有较低的截止频率。
在其中电容式传感器需要偏压电压的实现中，电路还可以包括传感器偏压电路，如电荷泵。在图3和图4中，电荷泵314联接至电容式传感器302的一个节点，并且传感器的另一节点联接至缓冲放大器的输入端312。不需要偏压的电容式传感器不需要电荷泵。
根据本实用新型的另一方面，电路还包括联接至缓冲放大器的DC偏压电路。除其它好处外，直流偏压电路还提高了电路的动态范围。在图4中，DC偏压电路350包括比较器352，该比较器具有通过电阻部件316联接至第一晶体管的输入栅极312的偏压信号输出端354。偏压信号输出端354还通过电阻器332联接至第二晶体管的输入栅极322。在该实施方式中，电阻器332也是滤波电路330的一部分。
图5例示了实现图4的电路的电容式麦克风跨从约100Hz到10KHz的整个音频带的噪声性能。该噪声被表征为声压级(SPL)，单位为分贝(dB)。柱状图示出了跨音频带的改善的噪声性能，其中从约100Hz到约5KHz的改善相对一致，而在5KHz以上的改善略有下降。由于高频声主导噪声，较高频率下的噪声改善略少。高频噪声改善将跟踪具有非声学(即，电子)主导高频噪声的麦克风中的较低频率的噪声改善。跨大多数频带的相对噪声改善为1dB至2dB，具体取决于声学噪声与电子噪声贡献的比率。
根据一个实施方式，本实用新型关于电容式传感器组件的电路，该电路包括：第一晶体管，该第一晶体管具有可连接至电容式传感器的输入栅极；第二晶体管，该第二晶体管具有联接至第一晶体管的输出端的输入栅极；前馈电路，该前馈电路将第二晶体管的背栅极与第一晶体管的输出端互连；以及滤波器电路，该滤波器电路将第一晶体管的输出端和第二晶体管的输入栅极互连。该电路可以与电容式微机电系统(MEMS)管芯或其它电容式换能部件组合使用。
根据另一实施方式，本实用新型关于电容式微机电系统(MEMS)麦克风组件的集成电路。该电路包括：第一晶体管，该第一晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括可连接至电容式MEMS管芯的输出端的输入栅极，以及联接至第一晶体管的输出端的源极；第二晶体管，该第二晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至第一晶体管的输出端的输入栅极，联接至第二晶体管的输出端的源极，以及电联接至第一晶体管的输出端的背栅极；音频带滤波器电路，该音频带滤波器电路将第一晶体管的输出端和第二晶体管的输入栅极互连；DC偏压电路，该DC偏压电路具有基准信号输出端，该基准信号输出端通过电阻部件联接至第一晶体管的输入栅极，该DC偏压电路的基准信号输出端还通过电阻部件联接至第二晶体管的输入栅极。在一个音频传感器(例如，麦克风)应用中，换能部件具有介于约0.1pF至约5.0pF之间的电容，并且电路的输入电容为0.1pF量级。
根据另一实施方式，本实用新型关于麦克风传感器组件，该麦克风传感器组件包括设置在壳体中的电容式微机电系统(MEMS)管芯和集成电路。该MEMS管芯以声学方式联接至壳体的声端口，并且该集成电路被电联接至外部装置接口上的触点。该电路包括：第一晶体管，该第一晶体管具有联接至电容式MEMS管芯的第一节点的输入栅极；第二晶体管，该第二晶体管具有联接至第一晶体管的输出端的输入栅极，该第二晶体管包括背栅极；前馈电路，该前馈电路将第二晶体管的背栅极与第一晶体管的输出端互连；滤波器电路，该滤波器电路将第一晶体管的输出端和第二晶体管的输入栅极互连；以及MEMS管芯偏压电路，该MEMS管芯偏压电路联接至电容式MEMS管芯的第二节点。
在这些实施方式中的任一实施方式的一个实现中，前馈电路可以是第二晶体管的背栅极与第一晶体管的输出端之间的直接电连接。另选地，前馈电路可以包括滤波器电路或处理电路，该滤波器电路或处理电路处于第二晶体管的背栅极与第一晶体管的输出端之间。
在这些实施方式中的任一实施方式的一些实现中，第一晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至第一晶体管的输出端的源极，并且第二晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至第二晶体管的输出端的源极。
在这些实施方式中的任一实施方式的一些实现中，该电路包括DC偏压电路，该DC偏压电路具有基准信号输出端，该基准信号输出端通过电阻部件联接至第一晶体管的输入栅极，并且DC偏压电路的基准信号输出端还通过电阻部件联接至第二晶体管的输入栅极。
虽然本实用新型和目前被认为是其最佳模式的内容已经以确定本发明人拥有并且使得本领域普通技术人员能够制造和使用其的方式进行了描述，但是应理解和意识到，存在本文所公开的示例性实施方式的等同物，并且可以在本实用新型的范围和精神内对这些实施方式进行种种修改和变化，这些修改和变化不受所描述的示例性实施方式的限制，而是受所附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述电路包括：
第一晶体管，所述第一晶体管具有能连接至电容式传感器的输入栅极；
第二晶体管，所述第二晶体管具有联接至所述第一晶体管的输出端的输入栅极，所述第二晶体管包括背栅极；
前馈电路，所述前馈电路将所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的所述输出端互连；以及
滤波器电路，所述滤波器电路将所述第一晶体管的所述输出端和所述第二晶体管的输入栅极互连。
2.根据权利要求1所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述前馈电路是所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的所述输出端之间的直接电连接。
3.根据权利要求1所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述滤波器电路是音频带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，
所述第一晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至所述第一晶体管的所述输出端的源极，
所述第二晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至所述第二晶体管的输出端的源极。
5.根据权利要求4所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述电路具有量级为0.1pF的输入电容。
6.根据权利要求5所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述电路还包括：传感器偏压电路，所述传感器偏压电路能连接至所述电容式传感器；以及DC偏压电路，所述DC偏压电路具有基准信号输出端，所述基准信号输出端通过电阻部件联接至所述第一晶体管的输入栅极，所述基准信号输出端还通过电阻部件联接至所述第二晶体管的输入栅极。
7.根据权利要求6所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述第一晶体管包括背栅极，该背栅极联接至所述第一晶体管的源极。
8.根据权利要求6所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述滤波器电路是音频带滤波器。
9.根据权利要求8所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，所述电路是集成电路管芯。
10.根据权利要求9所述的用于电容式传感器组件的电路，其特征在于，与电容式微机电系统管芯组合的所述电路具有介于0.1pF至5.0pF之间的电容。
11.一种电容式微机电系统麦克风组件的集成电路，其特征在于，所述集成电路包括：
第一晶体管，所述第一晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括：输入栅极，该输入栅极能连接至电容式微机电系统管芯的输出端；以及源极，该源极联接至所述第一晶体管的输出端；
第二晶体管，所述第二晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括：输入栅极，该输入栅极联接至所述第一晶体管的输出端；源极，该源极联接至所述第二晶体管的输出端；以及背栅极，该背栅极电联接至所述第一晶体管的输出端；
音频带滤波器电路，所述音频带滤波器电路将所述第一晶体管的输出端和所述第二晶体管的输入栅极互连；
DC偏压电路，所述DC偏压电路具有基准信号输出端，所述基准信号输出端通过电阻部件联接至所述第一晶体管的输入栅极，所述DC偏压电路的所述基准信号输出端还通过电阻部件联接至所述第二晶体管的输入栅极，
所述集成电路具有量级为0.1pF的输入电容。
12.根据权利要求11所述的电容式微机电系统麦克风组件的集成电路，其特征在于，所述第二晶体管的所述背栅极直接联接至所述第一晶体管的输出端。
13.根据权利要求11所述的电容式微机电系统麦克风组件的集成电路，其特征在于，与电容式微机电系统管芯组合的所述集成电路具有介于0.1pF至5.0pF之间的电容。
14.一种麦克风传感器组件，其特征在于，所述麦克风传感器组件包括：
壳体，所述壳体具有外部装置接口和声端口；
电容式微机电系统管芯，所述电容式微机电系统管芯设置在所述壳体中并且以声学方式联接至所述声端口；
集成电路，所述集成电路设置在所述壳体中，并且电联接至所述外部装置接口上的触点，所述集成电路包括：
第一晶体管，所述第一晶体管具有联接至所述电容式微机电系统管芯的第一节点的输入栅极；
第二晶体管，所述第二晶体管具有联接至所述第一晶体管的输出端的输入栅极，所述第二晶体管包括背栅极；
前馈电路，所述前馈电路将所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的输出端互连；
滤波器电路，所述滤波器电路将所述第一晶体管的输出端和所述第二晶体管的输入栅极互连；以及
微机电系统管芯偏压电路，所述微机电系统管芯偏压电路联接至所述电容式微机电系统管芯的第二节点。
15.根据权利要求14所述的麦克风传感器组件，其特征在于，所述前馈电路是所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的输出端之间的直接电连接。
16.根据权利要求14所述的麦克风传感器组件，其特征在于，
所述第一晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至所述第一晶体管的输出端的源极，
所述第二晶体管被配置为源极跟随器，该源极跟随器包括联接至所述第二晶体管的输出端的源极。
17.根据权利要求16所述的麦克风传感器组件，其特征在于，所述电容式微机电系统管芯具有介于0.1pF至5.0pF之间的电容。
18.根据权利要求17所述的麦克风传感器组件，其特征在于，所述麦克风传感器组件还包括DC偏压电路，所述DC偏压电路具有基准信号输出端，所述基准信号输出端通过电阻部件联接至所述第一晶体管的输入栅极，所述DC偏压电路的所述基准信号输出端还通过电阻部件联接至所述第二晶体管的输入栅极。
19.根据权利要求18所述的麦克风传感器组件，其特征在于，所述麦克风传感器组件是麦克风，并且所述滤波器电路是音频带滤波器。
20.根据权利要求19所述的麦克风传感器组件，其特征在于，所述前馈电路是所述第二晶体管的所述背栅极与所述第一晶体管的输出端之间的直接电连接。
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