DE102013112007B4

DE102013112007B4 - System und Verfahren für einen kapazitiven Signalquellenverstärker

Info

Publication number: DE102013112007B4
Application number: DE102013112007.5A
Authority: DE
Inventors: Jose Luis Ceballos; Michael Kropfitsch
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: US9455671B2; KR101564145B1; US20150311870A1; US9083286B2; US20140119573A1; KR20140056090A; CN103796134A; DE102013112007A1; CN103796134B

Abstract

System (300) zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle, wobei das System Folgendes umfasst:eine erste Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss umfasst, der zum Koppeln an einen ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle (202) konfiguriert ist;einen ersten Kondensator, welcher ein erstes Ende gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und ein zweites Ende, das zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle (202) konfiguriert ist, umfasst; undeine zweite Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss gekoppelt an den ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und einen Ausgangsanschluss gekoppelt an einen zweiten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Halbleiterschaltungen und Verfahren, und insbesondere einen Verstärker für eine kapazitive Signalquelle.
HINTERGRUND
Audiomikrofone werden gewöhnlich in einer Vielfalt von Verbraucheranwendungen wie Mobiltelefonen, digitalen Audiorekordern, PCs und Telekonferenzsystemen verwendet. Insbesondere werden kostengünstige Elektret-Kondensatormikrofone (ECM - electret condenser microphones) in kostensensitiven Massenproduktanwendungen verwendet. Ein ECM-Mikrofon weist üblicherweise eine Folie aus Elektret-Material auf, die in einem kleinen Paket befestigt ist, welches einen Tonanschluss und elektrische Ausgangsanschlüsse aufweist. Das Elektret-Material ist an einem Diaphragma angehaftet oder stellt das Diaphragma selbst dar. Die meisten ECM-Mikrofone weisen auch einen Vorverstärker auf, der an einen Audio-Frontend-Verstärker innerhalb einer Zielanwendung wie einem Mobiletelefon gekoppelt sein kann. Der Ausgang des Frontend-Verstärkers kann an weitere analoge Schaltungen oder an einen A/D-Wandler zur digitalen Verarbeitung gekoppelt sein. Weil das ECM-Mikrofon aus Einzelteilen hergestellt ist, beinhaltet der Herstellungsprozess mehrere Schritte innerhalb eines komplexen Herstellungsprozesses. Dementsprechend ist ein leistungsstarkes, kostengünstiges ECM-Mikrofon, das ein hohes Niveau an Tonqualität erzeugt, schwierig zu erreichen.
Die US 2006/0083 392 A1 beschreibt ein Kondensatormikrofon, das mit einer vorbestimmten Gleichstromquelle betrieben wird und einen Näherungssensor umfasst, der eine Infrarot-Leuchtdiode und einen Infrarot-Fotodetektor enthält. Die Infrarot-Leuchtdiode wird mit einer vorbestimmten Frequenz durch eine Oszillationsschaltung unter Verwendung einer Wechselstromkomponente beleuchtet. Ein Mikrofonausgang wird durch ein Ausgangssignal des Infrarot-Fotodetektors, das auf die vorbestimmte Frequenz abgestimmt ist, ein- und ausgeschaltet. Das Kondensatormikrofon umfasst ferner zwei DC-DC-Wandler, die parallel zur Gleichstromquelle geschaltet sind, wobei einer der Gleichstromwandler die das Infrarot-Licht emittierende Diode und die Oszillationsschaltung versorgt, während der andere DC-DC-Wandler den Infrarot-Fotodetektor versorgt.
Bei einem MEMS (mikroelektromechanisches System) -Mikrofon ist ein druckempfindliches Diaphragma direkt auf eine integrierte Schaltung geätzt. Als solches ist das Mikrofon auf einer einzelnen integrierten Schaltung enthalten, anstatt aus individuellen Einzelteilen hergestellt zu sein. Die monolithische Natur des MEMS-Mikrofons erzeugt ein leistungsstärkeres, kostengünstigeres Mikrofon.
Das Koppeln eines MEMS-Mikrofons oder Sensors mit einem elektrischen System resultiert jedoch aufgrund der sehr hohen Ausgangsimpedanz des Mikrofons in einer Reihe von Schwierigkeiten. Zum Beispiel kann das Laden durch den Vorverstärker potentiell das Ausgangssignal des Mikrofons dämpfen, und die Hochwiderstands-Natur des MEMS-Mikrofons macht es aufgrund eines schlechten Versorgungsspannungsdurchgriffs (PSRR - power supply rejection ratio) anfällig für EMI-Störung und Stromversorgungsstörungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es besteht Bedarf an der Bereitstellung eines verbesserten Systems zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle.
Ein derartiger Bedarf kann durch ein System nach Anspruch 1, einen Verstärker nach Anspruch 9 oder ein Verfahren nach Anspruch 21 gedeckt werden.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist ein System zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle eine erste Spannungsfolgervorrichtung, eine zweite Spannungsfolgervorrichtung und einen ersten Kondensator auf. Die erste Spannungsfolgervorrichtung weist einen Eingangsanschluss auf, der zum Koppeln an einen ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, und die zweite Spannungsfolgervorrichtung weist einen Eingangsanschluss auf, der an den ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung gekoppelt ist, und einen Ausgangsanschluss, der an einen zweiten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung gekoppelt ist. Ferner weist der erste Kondensator ein erstes Ende gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und ein zweites Ende, das zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, auf.
Einige Ausführungsformen betreffen ein System zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle. Das System umfasst eine erste Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss, der zum Koppeln an einen ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, einen ersten Kondensator, der ein erstes Ende gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst, und ein zweites Ende, das zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, umfasst. Ferner umfasst das System eine zweite Spannungsfolgervorrichtung, die einen Eingangsanschluss gekoppelt an den ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und einen Ausgangsanschluss gekoppelt an einen zweiten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst.
Wahlweise umfasst das System ferner einen zweiten Kondensator, der ein erstes Ende gekoppelt an einen Referenzknoten und ein zweites Ende, das zum Koppeln an den zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, umfasst.
Gemäß einem Aspekt umfasst die erste Spannungsfolgervorrichtung einen MOS-Source-Folger.
Ferner kann der MOS-Source-Folger in einem Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt sein.
Außerdem kann das System ferner eine kapazitive Signalquelle umfassen.
Gemäß einem Aspekt umfasst die kapazitive Signalquelle ein MEMS-Mikrofon.
Ferner kann das System eine Verstärkungsstufe gekoppelt an den ersten Ausgang des ersten Spannungsfolgers umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Spannungsfolgervorrichtung eine MOS-Vorrichtung, der Eingangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst einen Gate-Anschluss der MOS-Vorrichtung, der erste Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst einen Source-Anschluss der MOS-Vorrichtung und der zweite Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst einen Drain-Anschluss der MOS-Vorrichtung.
Einige Ausführungsformen betreffen einen Verstärker zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine Hochimpedanz-Signalquelle. Der Verstärker umfasst einen Source-Folger-Transistor mit einem Gate, das zum Koppeln an einen ersten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist, und einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss gekoppelt an einen Source-Anschluss des Source-Folger-Transistors und einem zweiten Anschluss, der zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist. Ferner umfasst der Verstärker eine Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss des Source-Folger-Transistors und einen Ausgangsanschluss gekoppelt an einen Drain-Anschluss des Source-Folger-Transistors umfasst.
Wahlweise umfasst der Verstärker ferner einen zweiten Kondensator mit einem ersten Anschluss gekoppelt an einen Referenzspannungsknoten und einem zweiten Anschluss, der zum Koppeln an den zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist.
Gemäß einem Aspekt ist eine Spannungsverstärkung von dem ersten und zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle zu der Source des Source-Folger-Transistors abhängig von einem Verhältnis einer Kapazität des ersten Kondensators und einer Kapazität des zweiten Kondensators.
Wahlweise ist eine Spannungsverstärkung von dem ersten und zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle zu der Source des Source-Folger-Transistors größer als eins.
Ferner umfasst der Verstärker einen ersten Vorspannungstransistor gekoppelt zwischen das Gate des Source-Folger-Transistors und einen Gate-Referenzspannungsknoten.
Wahlweise kann der Verstärker ferner einen zweiten Vorspannungstransistor gekoppelt zwischen den Drain des Source-Folger-Transistors und ein Gate des ersten Vorspannungstransistors umfassen.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Verstärker ferner einen ersten Widerstand mit einem ersten Anschluss gekoppelt an das Gate des ersten Vorspannungstransistors und einem zweiten Anschluss gekoppelt an eine erste Stromquelle sowie einen zweiten Widerstand gekoppelt zwischen den zweiten Anschluss des ersten Widerstandes und den Gate-Referenzspannungsknoten.
Wahlweise umfasst der Source-Folger-Transistor eine PMOS-Vorrichtung und die Spannungsfolgervorrichtung umfasst einen NMOS-Source-Folger-Transistor.
Der Source-Folger-Transistor, die Spannungsfolgervorrichtung und der erste Kondensator können auf einer integrierten Schaltung angeordnet sein.
Ferner kann der Source-Folger-Transistor im Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt sein.
Wahlweise umfasst die Hochimpedanz-Signalquelle eine kapazitive Signalquelle.
Gemäß einem Aspekt umfasst die kapazitive Signalquelle ein MEMS-Mikrofon.
Einige Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines ersten Signals von einem ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle an einem Gate-Anschluss einer ersten Spannungsfolgervorrichtung, das Empfangen eines zweiten Signals von einem zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle an einem ersten Kondensator gekoppelt an einen Source-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung und das Verstärken des ersten und zweiten Signals, wobei das Verstärken das Anwenden einer Spannungsverstärkung auf der Grundlage eines Verhältnisses des ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators gekoppelt zwischen den zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle und einen Referenzknoten umfasst. Ferner umfasst das Verfahren das Empfangen eines dritten Signals von dem Source-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung an einem Kontrollanschluss einer zweiten Spannungsfolgervorrichtung und das Anwenden eines vierten Signals an einem Ausgangsknoten der zweiten Spannungsfolgervorrichtung auf einen Drain-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung.
Wahlweise verringert das Anwenden des vierten Signals eine parasitische Gate-Drain-Kapazität der ersten Spannungsfolgervorrichtung.
Gemäß einem Aspekt umfasst das Verfahren ferner das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Umwandlung an dem dritten Signal.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile sei nun auf die folgenden Beschreibungen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, welche Folgendes zeigen:

1a-c veranschaulichen kapazitive Signalquellenverstärker gemäß dem Stand der Technik;
2a-b veranschaulichen einen kapazitiven Signalquellenverstärker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 veranschaulicht ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen sind unten im Einzelnen diskutiert. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer breiten Vielfalt spezifischer Kontexte ausgeführt werden können. Die spezifischen diskutierten Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend für spezifische Möglichkeiten der Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich einem Verstärker für eine kapazitive Signalquelle, wie ein MEMS- oder ein Elektret-Kondensatormikrofon (ECM). Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Arten von Schaltungen und Systemen angewandt werden, wie Audiosysteme, Kommunikationssysteme, Sensorsysteme und weitere Systeme, die an Hochimpedanz-Signalquellen gekoppelt sind.
In einer Ausführungsform weist ein Verstärker für ein MEMS-Mikrofon eine erste Stufe auf, welche eine kapazitiv gekoppelte verstärkungserhöhte Source-Folger-Stufe aufweist. Diese erste Stufe stellt eine Hochimpedanz-Schnittstelle zu der MEMS-Vorrichtung und eine verringerte Ausgangsimpedanz an einem Ausgang der Source-Folger-Stufe bereit. Durch Verwendung eines Vorspannungserzeugers mit sehr hohem Widerstand kann ein Verstärker erreicht werden, welcher eine Bandbreite mit einer Spanne von wenigen mHz bis zu mehreren zehn KHz und mehr aufweist, wodurch Ausführungsformen für Niedrigfrequenzsensor- und Audioanwendungen brauchbar gemacht werden.
Außerdem wird die Dämpfung aufgrund der kapazitiven Ladung parasitischer Gate-Drain-Kapazität der Source-Folger-Stufe durch Pufferung eines Ausgangssignals des Source-Folgers zum Drain des Source-Folgers verringert. Durch Anwendung eines mit dem gepufferten Signal gleichphasigen Ausgangssignals auf den Drain der verstärkungserhöhten Source-Folger-Stufe kann die parasitische Gate-Drain-Kapazität der verstärkungserhöhten Source-Folger-Stufe verringert werden. Durch Verringerung dieser Gate-Drain-Kapazität kann die Größe des Source-Folger-Transistors erhöht werden, um ein besseres Flackerrauschverhalten ohne nennenswerte Dämpfung des Ausgangs des MEMS-Mikrofons durch die Gate-Drain-Kapazität des Source-Folger-Transistors zu gestatten.
Es sollte verstanden werden, dass, während einige der beschriebenen Ausführungsformen auf MEMS-Mikrofonsysteme gerichtet sind, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch auf MEMS-Sensoren, kapazitive Sensoren und andere kapazitive und Hochimpedanz-Signalquellen gerichtet sein können.
1a veranschaulicht einen kapazitiven Sensorverstärker 100 gemäß dem Stand der Technik, der an die kapazitive Quelle 104 gekoppelt ist. Der kapazitive Sensorverstärker 100 weist den Transkonduktanzverstärker 102 mit positiven und negativen Eingangsanschlüssen, welche entsprechend über die Kondensatoren CA gegen Erde und die kapazitive Signalquelle 104 gekoppelt sind. Der Kondensator CB ist parallel zu dem Widerstand RB zwischen den Ausgang und den negativen Eingangsanschluss des Verstärkers 102 gekoppelt, und der Kondensator CL stellt die kapazitive Ladung des Verstärkers 102 dar. Die kapazitive Quelle 104, bei welcher es sich um ein MEMS-Mikrofon, ein ECM-Mikrofon oder eine andere Art einer kapazitiven Signalquelle handeln kann, ist durch die Spannungsquelle Vsig, die mit dem Kondensator Cmic in Reihe gekoppelt ist, dargestellt, welche üblicherweise eine Kapazität zwischen etwa 1 pF und etwa 10 pF aufweist. Die bandinterne Kreisverstärkung des Verstärkers 100 beträgt etwa Am=CA/CB. Die Transfereigenschaft des Verstärkers 100 weist eine untere Eckkreisfrequenz bei etwa 1/(2*pi*CB*RB) und eine obere Eckkreisfrequenz bei etwa Gm/(2*pi*CL*Am) auf. Der Wert der Kapazität CA ist im Allgemeinen viel geringer als die Sensorkapazität Cmic zum Minimieren der Signaldämpfung.
Das Rauschen des Verstärkers 100 wird durch das Rauschen der Widerstände RA und RB bei niedrigen Frequenzen und durch das Rauschen des Transkonduktanzverstärkers 102, welcher Flackerrauschen, das bei niedrigeren Frequenzen vorliegt, und thermisches Rauschen, das bei höheren Frequenzen vorliegt, aufweist, dominiert. Bei höheren Frequenzen ist das thermische Ausgangsrauschen des Verstärkers 100 etwa Vnia*(CA+CB)/CB, wobei Vnia das Eingangs-bezogene Rauschen des Transkonduktanzverstärkers 102 ist. Es ist zu sehen, dass hohe Werte des CB ein besseres Rauschverhalten ergeben. Jedoch ist der Wert des CB praktisch begrenzt, weil der CA in Bezug auf den CB groß genug sein muss, um eine hohe Spannungsverstärkung zu erzielen, darf jedoch nicht zu groß sein, um eine Dämpfung des Eingangssignals 101 aufgrund der Kapazitätsaufteilung zwischen Cmic und CA zu vermeiden.
1b veranschaulicht das Verstärkungssystem 200, in welchem die kapazitive Signalquelle 202 mit der integrierten Verstärkerschaltung 220 gekoppelt ist. Dieses System ist in der Offenlegungsschrift US 2013 / 0 015 919 A1 mit dem Titel „System and Method for Capacitive Signal Source Amplifier“ offenbart, welche Anmeldung durch Verweis in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen ist. Wie gezeigt, verwendet das Verstärkungssystem 200 die verstärkungserhöhte Source-Folger-Stufe 204, um als ein Puffer zwischen der kapazitiven Signalquelle 202 und dem Eintakt-zu-Differenzial-Wandler 206 zu agieren. Im Vergleich zum Verstärker 100 weist die verstärkungserhöhte Source-Folger-Stufe 204 eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz auf, was die Last verringert, welcher der kapazitive Sensor 202 ausgesetzt ist, einen höheren Signalpegel zum Antreiben der Eingangskapazität des Eintakt-zu-Differenzial-Wandlers 206 erzeugt und in weniger Frontend-Signaldämpfung resultiert. Derart kann ein besseres Rauschverhalten erzielt werden. Das Rauschverhalten wird weiter verbessert, wenn die Verstärkung der Stufe 204 derart konfiguriert ist, dass sie eine Spannungsverstärkung von mehr als eins aufweist.
Die kapazitive Signalquelle 202, welche auch als ein „MEMS-Mikrofon“ bezeichnet wird, ist so gezeigt, dass sie ein elektrisches Modell eines MEMS-Mikrofons aufweist, welches einen modellierten Spannungserzeuger Vsig, die Reihen-Mikrofonkapazität Cmic und die parasitische Kapazität Cp aufweist. Ein Anschluss des MEMS-Mikrofons 202 ist an das Gate des Source-Folger-Transistors M1 gekoppelt und der andere Anschluss ist an die Kondensatoren C1 und C2 gekoppelt. Die Kombination des Source-Folger-Transistors M1 und der Kondensatoren C1 und C2 bildet eine verstärkungserhöhte Source-Folger-Schaltung. Weil zwischen dem Gate des Transistors M1 und der Source des Transistors M1 eine minimale Phasenverschiebung besteht, hat der Transistor M1 eine verstärkungserhöhende Wirkung auf die Spannung Vsig. Die Verstärkung der Stufe 204 in Bezug auf Vsig beträgt etwa G1=1 + C1/C2, unter Vernachlässigung der Wirkung von Cmic, der parasitischen Kapazität Cp, der Transkonduktanz von M1 und anderer parasitischer Komponenten.
Wenn jedoch die Wirkung anderer parasitischer Komponenten, besonders der Gate-Drain-Kapazität CGD des Transistors M1, berücksichtigt wird, verringert sich die Spannungsverstärkung des Verstärkungssystems 200 in Bezug auf die ideale Signalverstärkung G1. Hier agiert die Kapazität CGD als ein kapazitiver Spannungsteiler zwischen Cmic und dem Gate von M1. Diese Dämpfung, verursacht durch die CGD, wird durch die Breite von M1 beeinträchtigt, wobei größere Breiten höhere Dämpfungspegel verursachen. In einigen Fällen kann diese Dämpfung durch die Verwendung kleinerer und schmalerer Transistoren für M1 gemanagt werden. Jedoch können derartige kleinere Transistoren hohe Niveaus an Flackerrauschen erzeugen, welche eine nachteilige Beeinträchtigung der Systemleistung in Audiosystemen bewirken können. Da das Niveau des Flackerrauschens umgekehrt proportional zum Gate-Bereich von Transistor M1 ist, können derartige Rauschniveaus durch Verwendung einer größeren und breiteren Vorrichtungsgröße für M1 verringert werden, auf Kosten einer höheren Frontend-Dämpfung. Als solche beinhaltet die Größenbemessung von M1 einen Kompromiss zwischen Rauschen (Flackern und thermisch) und Signaldämpfung.
1c veranschaulicht eine detailliertere Schaltungsimplementierung des Systems 200, welches ferner den MEMS-Mikrofon-Vorspannungserzeuger 242, den Gate-Vorspannungserzeuger 244 und die Schockwiederherstellungsschaltung 246 zusätzlich zu einem detaillierteren Diagramm der Stufe 204 aufweist.
Der MEMS-Mikrofon-Vorspannungserzeuger 242 wird verwendet, um eine Vorspannung an das MEMS-Mikrofon 202 bereitzustellen, und er ist modelliert durch die Spannungsquelle VB in Reihe mit dem Widerstand RB, welcher einen Widerstand im GS2-Bereich aufweist, gezeigt. Der Widerstand RB und der Kondensator C2 bilden einen Tiefpassfilter, welcher das Rauschen, das von der Spannungsquelle VB kommt, filtert. Die Spannungsquelle VB kann unter Verwendung einer Ladungspumpe wie in US-Patentanmeldung Nr. 13/183,193 beschrieben implementiert werden.
Bei der verstärkungserhöhten Source-Folger-Stufe 204 ist der Source-Folger-Transistor M1 unter Verwendung einer Rückkopplungsschaltung vorgespannt. Das Gate der PMOS-Vorrichtung M2 ist an einen Hochimpedanzknoten gekoppelt, welcher an die Drains der PMOS-Vorrichtung M3 und der NMOS-Kaskodenvorrichtung M5 gekoppelt ist. Die PMOS-Vorrichtung M2 kann auch verwendet werden, um einen SourceStrom an M1 bereitzustellen. Das Gate von M2 ist derart angepasst, dass die Summe der Ströme durch den Source-Folger-Transistor M1 und die NMOS-Kaskodenvorrichtung M5 der Strom der Stromquelle IS1 ist. Wenn zum Beispiel der Strom durch M1 nicht ausreichend ist, um IS1 zu bilden, wenn er mit dem Strom von M5 summiert wird, wird das Gate von M2 tief gezogen, bis die Summe der Ströme von M1 und M5 wieder zu IS1 wird. Die PMOS-Vorrichtungen M3 und M4 spiegeln den Strom IS2 zur NMOS-Vorrichtung M5 und die Spannungsquelle VCAS stellt eine Kaskodenvorspannung für die Gates von M5 and M6 bereit. Der Drain von M1 wird auf einer niedrigen Impedanz gehalten, welche etwa die Source-Impedanz von NMOS M5 geteilt durch die Kreisverstärkung des Vorspannungserzeugers sein kann. Somit ist der Drain von M1 effektiv an eine Referenzspannung gekoppelt. Aufgrund dessen wird eine parasitische Gate-Drain-Kapazität CGD auf das Gate des Source-Folger-Transistors M1 angewandt.
Wie in 1c gezeigt, ist der Ausgang VF des Source-Folger-Transistors M1 an den zweiten Stufenverstärker 206 gekoppelt, sowie über den Stift 262 an den Sicherheitsstift des MEMS-Mikrofons 202, um die Wirkung der parasitischen Kapazität CP2 des Mikrofons zu verringern. Da die Spannung am Gate des Transistors M1 phasengleich mit der Spannung an der Source des Transistors M1 ist, wird die elektrische Wirkung der Kapazität CP2 verringert.
Der Gate-Vorspannungserzeuger 244 des Mikrofons stellt eine Vorspannung an das Gate von M1 bereit. Hier wird der Ausgang der Spannungsquelle VG durch den Transistor M7 gefiltert, welcher in seiner linearen Region unter Verwendung der Stromquelle IBG und des Widerstandes R1 vorgespannt wird, um eine Gate-Source-Spannung bereitzustellen, welche einen Ausgangswiderstand im Bereich von etwa 50 GS2 bis etwa 250 GS2 erzeugt.
Während des Betriebes von System 200 kann ein mechanischer Schock transiente Spannungen am Ausgang des MEMS-Mikrofons 202 erzeugen. Diese transienten Spannungen können negative Transienten aufweisen, welche zum Beispiel im Bereich zwischen etwa -1 V und etwa -4 V liegen, oder positive Transienten, welche zum Beispiel im Bereich zwischen etwa 1 V und etwa 4 V liegen. Transiente Spannungen außerhalb dieser Bereiche können abhängig von dem bestimmten System und der Umgebung, in welcher es arbeitet, möglich sein. Sowohl die Schockwiederherstellungsschaltung 246 als auch der Vorspannungserzeuger 244 können verhindern, dass das Gate von M1 in Gegenwart eines mechanischen Schocks auf das MEMS-Mikrofon 202 hohen transienten Spannungen ausgesetzt wird. Während negativer Spannungsabweichungen klemmt die Diode D1 der Schockwiederherstellungsschaltung 246 das Gate von M1 auf etwa einen Dioden-Spannungsabfall oder etwa 0,3 V unter Massepotential. Während positiver Spannungsabweichungen begrenzt die parasitische Massediode des Transistors M7 zusammen mit dem Transistor M7 im Vorspannungserzeuger 244 das positive Schockereignis.
2a veranschaulicht das Verstärkungssystem 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier wird die Wirkung der parasitischen Kapazität CGD durch Verwendung des zusätzlichen Puffertransistors MF verringert, welcher das Signal an der Source des Transistors M1 zu dem Drain des Transistors M1 puffert, wodurch er verursacht, dass sich die Drain-Spannung des Transistors M1 phasengleich mit der Gate-Spannung des Transistors M1 bewegt. Da sich der Drain des Transistors M1 phasengleich mit dem Gate des Transistors M1 bewegt, wird die Wirkung der parasitischen Gate-Drain-Kapazität CGD signifikant verringert und/oder eliminiert. Durch die Verringerung und/oder Eliminierung der Wirkung der Transistor-CGD können größere Transistorgrößen verwendet werden, um den Transistor M1 zu implementieren, ohne dass die CGD eine Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Systems verursacht. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen Werte der CGD zwischen etwa 300 fF und etwa 1 pF verwendet werden, ohne die Systemleistung signifikant zu verschlechtern. Alternativ dazu können auch Werte der CGD außerhalb dieses Bereiches verwendet werden. Der Transistor M1 kann unter Verwendung eines PMOS-Transistors implementiert werden und der Transistor MF kann unter Verwendung eines NMOS-Transistors implementiert werden. In alternativen Ausführungsformen kann der Transistor M1 unter Verwendung eines PMOS-Transistors implementiert werden und der Transistor MF kann unter Verwendung eines NMOS-Transistors implementiert werden. Alternativ dazu können auch andere Transistorarten verwendet werden. Zum Beispiel kann in einem Beispiel der Transistor MF unter Verwendung eines BJT-Emitterfolgers implementiert werden.
2b veranschaulicht eine detailliertere Ansicht einer Schaltungsimplementierung des Ausführungsformsystems 300, welches die integrierte Schaltung 302 aufweist, die zum Koppeln an das MEMS-Mikrofon 202 über die Stifte 210, 212 und 262 konfiguriert ist. Die integrierte Schaltung 302 weist die verstärkungserhöhte Source-Folger-Stufe 204 gefolgt vom Eintakt-zu-Differenzial-Verstärker 206 auf. In alternativen Ausführungsformen können auch, wenn überhaupt, andere Verstärkerarchitekturen anstelle des Eintakt-zu-Differenzial-Verstärkers 206 verwendet werden, zum Beispiel ein Instrumentierungsverstärker. In weiteren Ausführungsformen kann die zweite Stufe 206 weggelassen werden. In einigen Ausführungsformen kann das MEMS-Mikrofon 202 auch auf der integrierten Schaltung 302 vorliegen. Die Differenzialausgänge VOUTP und VOUTN können an Ausgangsstifte (nicht gezeigt) gekoppelt sein oder sie können an einen Eingang eines Analog-zu-Digital-Wandlers (nicht gezeigt) gekoppelt sein, zur weiteren Audioverarbeitung oder zum Bereitstellen eines digitalen Ausgangs.
In einer Ausführungsform liegt C1 zwischen etwa 0,1 pF und etwa 10 pF, während C2 zwischen etwa 1 pF und etwa 11 pF liegt, daher kann die Verstärkung der Stufe 204 zwischen etwa 1 und etwa 11 liegen. Derartige Werte können zum Beispiel bei MEMS-Mikrofonen verwendet werden, bei denen es sich um kapazitive Sensoren mit einer Kapazität Cmic zwischen etwa 1 pF und etwa 2 pF handelt. Alternativ dazu können auch andere Komponentenwerte und Verstärkungsbereiche realisiert werden und andere Sensorkapazitäten außerhalb der obengenannten Bereiche verwendet werden.
Die verstärkungserhöhte Stufe 204 weist das Gate des PMOS-Source-Folger-Transistors M1 gekoppelt an Stift 210 auf. Das Gate des NMOS-Source-Folger-Transistors MF ist an die Source des PMOS-Transistors M1 gekoppelt und die Source des NMOS-Source-Folger-Transistors MF ist an den Drain des PMOS-Transistors M1 gekoppelt. Als solche ist die Drain-Spannung des Source-Folger-Transistors M1 phasengleich mit dem Gate und der Source des Source-Folger-Transistors M1. Der PMOS-Transistor M1 und der NMOS-Transistor MF sind in einem Rückkopplungskreis vorgespannt, welcher den Strom durch den PMOS-Transistor MB anpasst, derart, dass die Summe der Ströme durch den PMOS-Source-Folger-Transistor M1 und den NMOS-Transistor MF etwa gleich dem Strom ist, der durch die Quelle IB5 bereitgestellt wird. Die Stromquelle IB6 stellt den Drain-Strom an den NMOS-Transistor MF zur Verfügung und die Stromquelle IB7 stellt sicher, dass beim Anfahren etwas Strom zur Verfügung steht. Durch Verwendung der veranschaulichten Rückkopplungsvorspannungskonfiguration kann die Impedanz, die an der Source des Source-Folger-Transistors MF zu sehen ist, sehr niedrig gehalten werden. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedoch auch andere Vorspannungsschemata verwendet werden. Zum Beispiel kann der Source-Folger-Transistor MF und/oder der Source-Folger M1 wie in einem offenen Kreis vorgespannt sein. In anderen Ausführungsformen können auch andere in der Technik bekannte Vorspannungserzeuger verwendet werden. M1 kann im Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt sein, um das thermische Rauschen und Flackerrauschen weiter zu verringern.
Die integrierte Schaltung 302 weist auch den Gate-Vorspannungserzeuger 344 auf, der eine Vorspannung für das Gate des Source-Folger-Transistors M1 bereitstellt, sowie Schaltungen, welche einen zweiten stabilen Betriebspunkt verhindern, der beim Anfahren oder aufgrund von Transienten am Ausgang des MEMS-Mikrofons 202 auftreten kann, zum Beispiel Transienten verursacht durch thermischen Schock. In einigen Ausführungsformen kann der NMOS-Transistor M20 an den Drain des Source-Folger-Transistors M1 gekoppelt werden, um die Drain-Spannung hochzuziehen, falls das Drain-Potential des Source-Folger-Transistors M1 zu niedrig ist. Ein derartiger Zustand kann beim Anfahren auftreten. Wenn die Spannung am Drain des Source-Folger-Transistors M1 geringer als ein Schwellenwert unterhalb der Spannung VB ist, leitet der Transistor M20 und beginnt das Drain-Potential des Transistors M1 höher zu ziehen. Während dieser Zeit wird auch die Gate-Spannung des PMOS-Gate-Vorspannungstransistors M7 aufgrund des durch R2 fließenden Stromes niedriger gezogen, wodurch der Source-Drain-Widerstand von M7 abgesenkt wird. Dieser abgesenkte Source-Drain-Widerstand gestattet es, dass das Gate des Source-Folger-Transistors M1 mit einer Geschwindigkeit auf die Gate-Vorspannung VG gezogen wird, die schneller ist als sie unter Ruhezustandsbedingungen erreicht werden würde, wenn die Gate-Source-Spannung mit einer Spannung vorgespannt ist, die das Produkt von R1 und des Stromes bereitgestellt durch die Stromquelle IBGV ist. In einer Ausführungsform liegt der Wert von R1 zwischen etwa 1 kS2 und etwa 10 kS2, und der Wert von R2 liegt zwischen etwa 700 kS2 und etwa 2 MS2. Alternativ dazu können auch Komponentenwerte außerhalb dieser Bereiche verwendet werden. Unter Ruhezustandsbetriebsbedingungen stellt der Transistor M7 einen Widerstand bereit, der größer als 1 GS2 ist. Alternativ dazu können auch Komponentenwerte außerhalb dieser Bereiche verwendet werden.
Die Schockwiederherstellungsschaltung 246 und der Block 344 verhindern ferner, dass das Gate von M1 in Gegenwart von mechanischem Schock auf das MEMS-Mikrofon 202 hohen transienten Spannungen ausgesetzt wird. Während negativer Spannungsabweichungen klemmt die Diode D1 das Gate von M1 auf etwa einen Dioden-Spannungsabfall oder etwa 0,3 V unter Massepotential. Während positiver Spannungsabweichungen beschränkt die parasitische Massendiode des Transistors M7 zusammen mit dem Transistor M7 im Block 344 das positive Schockereignis. Der MEMS-Mikrofon-Vorspannungserzeuger 242 wird verwendet, um eine Vorspannung an das MEMS-Mikrofon 202 bereitzustellen, und ist modelliert durch die Spannungsquelle VB in Reihe mit dem Widerstand RB gezeigt, welcher einen Widerstand im GS2-Bereich aufweist. Der Widerstand RB und der Kondensator C2 bilden einen Tiefpassfilter, welcher das Rauschen, das von der Spannungsquelle VB kommt, filtert. Die Spannungsquelle VB kann unter Verwendung einer Ladungspumpe wie in der Offenlegungsschrift US 2013 / 0 015 919 A1 beschrieben implementiert werden.
3 veranschaulicht das System 400 unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der kapazitive Sensor 402 ist an die integrierte Schaltung 404 gekoppelt, welche die erste Stufe 406 und die zweite Stufe 408 aufweist. Die erste Stufe 406 kann gemäß hierin beschriebener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung implementiert werden, und die zweite Stufe kann zum Beispiel unter Verwendung von Schaltungen und Verfahren implementiert werden, die in der Offenlegungsschrift US 2013 / 0 015 919 A1 beschrieben sind. In einer Ausführungsform ist der Differenzialausgang der zweiten Stufe 408 an den A/D-Wandler 410 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen ist der A/D-Wandler als ein Audio-Sigma-Delta-Wandler implementiert. In anderen Ausführungsformen kann der A/D-Wandler zum Beispiel ein Niedrigfrequenz-A/D-Wandler geeignet für Sensoranwendungen sein. In Ausführungsformen ist der Ausgang des A/D-Wandlers an den Prozessor 412 gekoppelt, um eine nützliche Funktion durchzuführen. Zu Beispielen möglicher Anwendungen, die durch das System 400 erreicht werden können, zählen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Telefonsysteme, Digitalrekorder und Fernerkundungssysteme.
In einigen Ausführungsformen kann der kapazitive Sensor 402 zum Beispiel ein MEMS-Mikrofon oder ein anderer kapazitiver Sensor, wie ein kapazitiver Drucksensor, ein ECM oder eine andere Art einer schwebenden kapazitiven Signalquelle sein. In alternativen Ausführungsformen kann der kapazitive Sensor 402 auf der integrierten Schaltung 404 vorliegen. Ferner kann sich ein A/D-Wandler 410 und/oder Prozessor 412 getrennt von der integrierten Schaltung 404 befinden. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität der integrierten Schaltung 404 unter Verwendung einer einzelnen integrierten Schaltung oder unter Verwendung mehrerer integrierter Schaltungen implementiert werden.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist ein System zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle eine erste Spannungsfolgervorrichtung, eine zweite Spannungsfolgervorrichtung und einen ersten Kondensator auf. Die erste Spannungsfolgervorrichtung weist einen Eingangsanschluss auf, der zum Koppeln an einen ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, und die zweite Spannungsfolgervorrichtung weist einen Eingangsanschluss gekoppelt an den ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und einen Ausgangsanschluss gekoppelt an einen zweiten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung auf. Ferner weist der erste Kondensator ein erstes Ende gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und ein zweites Ende, das zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, auf. Die erste Spannungsfolgervorrichtung kann unter Verwendung eines MOS-Source-Folgers implementiert sein, der im Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt sein kann. Einige Ausführungsformsysteme weisen eine weitere Verstärkungsstufe gekoppelt an den ersten Ausgang des ersten Spannungsfolgers auf.
Das System weist ferner einen zweiten Kondensator mit einem ersten Ende gekoppelt an einen Referenzknoten und einem zweiten Ende, das zum Koppeln an den zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle konfiguriert ist, auf. In einigen Ausführungsformen weist das System die kapazitive Signalquelle auf, bei welcher es sich zum Beispiel um ein MEMS-Mikrofon, einen Sensor oder eine andere Art einer kapazitiven Signalquelle handeln kann.
In einer Ausführungsform ist die erste Spannungsfolgervorrichtung unter Verwendung einer MOS-Vorrichtung implementiert, der Eingangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung ist ein Gate-Anschluss der MOS-Vorrichtung, der erste Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung ist ein Source-Anschluss ders MOS-Vorrichtung und der zweite Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung ist ein Drain-Anschluss der MOS-Vorrichtung.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform weist ein Verstärker zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine Hochimpedanz-Signalquelle einen Source-Folger-Transistor mit einem Gate, das zum Koppeln an einen ersten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist, einen ersten Kondensator mit einem ersten Anschluss gekoppelt an einen Source-Anschluss des Source-Folger-Transistors und einen zweiten Anschluss, der zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist, und eine Spannungsfolgervorrichtung mit einem Eingangsanschluss gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss des Source-Folger-Transistors und einem Ausgangsanschluss gekoppelt an einen Drain-Anschluss des Source-Folger-Transistors auf. Der Source-Folger-Transistor kann im Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt sein.
Der Verstärker kann ferner einen zweiten Kondensator mit einem ersten Anschluss gekoppelt an einen Referenzspannungsknoten und einem zweiten Anschluss, der zum Koppeln an den zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist, aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist eine Spannungsverstärkung von dem ersten und zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle zu der Source des Source-Folger-Transistors abhängig von einem Verhältnis einer Kapazität des ersten Kondensators und einer Kapazität des zweiten Kondensators. Eine Spannungsverstärkung von dem ersten und zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle zu der Source des Source-Folger-Transistors kann größer als eins sein.
In einer Ausführungsform weist der Verstärker auch einen ersten Vorspannungstransistor gekoppelt zwischen das Gate des Source-Folger-Transistors und einen Gate-Referenzspannungsknoten auf. Ferner kann ein zweiter Vorspannungstransistor zwischen den Drain des Source-Folger-Transistors und ein Gate des ersten Vorspannungstransistors gekoppelt sein. Der Verstärker kann ferner einen ersten Widerstand aufweisen, der einen ersten Anschluss gekoppelt an das Gate des ersten Vorspannungstransistors und einen zweiten Anschluss gekoppelt an eine erste Stromquelle aufweist, sowie einen zweiten Widerstand gekoppelt zwischen den zweiten Anschluss des ersten Widerstandes und den Gate-Referenzspannungsknoten.
In einer Ausführungsform weist der Source-Folger-Transistor eine PMOS-Vorrichtung auf, und die Spannungsfolgervorrichtung umfasst einen NMOS-Source-Folger-Transistor. Der Source-Folger-Transistor, die Spannungsfolgervorrichtung und der erste Kondensator können auf einer integrierten Schaltung angeordnet sein. Die Hochimpedanz-Signalquelle kann eine kapazitive Signalquelle sein, welche als ein MEMS-Mikrofon implementiert sein kann.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle das Empfangen eines ersten Signals von einem ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle an einem Gate-Anschluss einer ersten Spannungsfolgervorrichtung, das Empfangen eines zweiten Signals von einem zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle an einem ersten Kondensator gekoppelt an einen Source-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung, das Verstärken des ersten und zweiten Signals, das Empfangen eines dritten Signals von dem Source-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung an einem Kontrollanschluss einer zweiten Spannungsfolgervorrichtung und das Anwenden eines vierten Signals an einem Ausgangsknoten der zweiten Spannungsfolgervorrichtung auf einen Drain-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung auf. Das Verstärken des ersten und zweiten Signals weist das Anwenden einer Spannungsverstärkung auf der Grundlage eines Verhältnisses des ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators gekoppelt zwischen den zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle und einen Referenzknoten auf.
Die Anwendung des vierten Signals kann eine parasitische Gate-Drain-Kapazität der ersten Spannungsfolgervorrichtung verringern. In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Umwandlung an dem dritten Signal auf.
Zu Vorteilen von Ausführungsformen zählen ein gutes Rauschverhalten und weniger Dämpfung, die der Gate-Drain-Kapazität eines Eingangs-Source-Folger-Transistors zuzuschreiben sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, große Source-Folger-Transistoren in Audiosystemen zu verwenden, ohne die Verstärkungs- und Rauschzahl des Verstärkers aufgrund kapazitiver Signaldämpfung aufgrund der parasitischen Source-Drain-Kapazität des Eingangs-Source-Folger-Transistors zu verschlechtern.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Ausführungsformen besteht in der Fähigkeit, Eingangstransienten zu widerstehen, zum Beispiel Transienten verursacht durch mechanischen Schock des MEMS-Mikrofons.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen besteht in einer sehr niedrigen Ausgangsimpedanz der ersten Stufe. Als solche funktionieren, für eine Eintakt-Anwendung, Ausführungsform-Source-Folger-Schaltungen als eine gute Spannungsquelle mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz. Ein hoher PSRR kann in Ausführungsformen erzielt werden, in welchen eine zweite Stufe eine Eintakt-zu-Differenzial-Umwandlung durchführt.
Während diese Erfindung unter Bezugnahme auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht zu einer Auslegung in einem einschränkenden Sinn gedacht. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie weitere Ausführungsformen der Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet bei Verweis auf die Beschreibung offensichtlich sein. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche jegliche derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.

Claims

System (300) zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle, wobei das System Folgendes umfasst: eine erste Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss umfasst, der zum Koppeln an einen ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle (202) konfiguriert ist; einen ersten Kondensator, welcher ein erstes Ende gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und ein zweites Ende, das zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle (202) konfiguriert ist, umfasst; und eine zweite Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss gekoppelt an den ersten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung und einen Ausgangsanschluss gekoppelt an einen zweiten Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung umfasst.
System nach Anspruch 1, welches ferner einen zweiten Kondensator umfasst, welcher ein erstes Ende gekoppelt an einen Referenzknoten und ein zweites Ende, das zum Koppeln an den zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle (202) konfiguriert ist, umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spannungsfolgervorrichtung einen MOS-Source-Folger umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei der MOS-Source-Folger in einem Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner die kapazitive Signalquelle (202) umfasst.
System nach Anspruch 5, wobei die kapazitive Signalquelle (202) ein MEMS-Mikrofon umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine Verstärkungsstufe gekoppelt an den ersten Ausgang des ersten Spannungsfolgers umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: die erste Spannungsfolgervorrichtung eine MOS-Vorrichtung umfasst; der Eingangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung einen Gate-Anschluss der MOS-Vorrichtung umfasst; der erste Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung einen Source-Anschluss der MOS-Vorrichtung umfasst; und der zweite Ausgangsanschluss der ersten Spannungsfolgervorrichtung einen Drain-Anschluss der MOS-Vorrichtung umfasst.
Verstärker (300) zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine Hochimpedanz-Signalquelle, wobei der Verstärker Folgendes umfasst: einen Source-Folger-Transistor, welcher ein Gate aufweist, dass zum Koppeln an einen ersten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist; einen ersten Kondensator, welcher einen ersten Anschluss gekoppelt an einen Source-Anschluss des Source-Folger-Transistors und einen zweiten Anschluss, der zum Koppeln an einen zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist, aufweist; und eine Spannungsfolgervorrichtung, welche einen Eingangsanschluss gekoppelt an einen ersten Ausgangsanschluss des Source-Folger-Transistors und einen Ausgangsanschluss gekoppelt an einen Drain-Anschluss des Source-Folger-Transistors umfasst.
Verstärker nach Anspruch 9, welcher ferner einen zweiten Kondensator umfasst, welcher einen ersten Anschluss gekoppelt an einen Referenzspannungsknoten und einen zweiten Anschluss, der zum Koppeln an den zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle konfiguriert ist, aufweist.
Verstärker nach Anspruch 10, wobei eine Spannungsverstärkung von dem ersten und zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle zu der Source des Source-Folger-Transistors von einem Verhältnis einer Kapazität des ersten Kondensators und einer Kapazität des zweiten Kondensators abhängt.
Verstärker nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Spannungsverstärkung von dem ersten und zweiten Anschluss der Hochimpedanz-Signalquelle zu der Source des Source-Folger-Transistors größer als eins ist.
Verstärker nach einem der Ansprüche 9 bis 12, welcher ferner einen ersten Vorspannungstransistor gekoppelt zwischen das Gate des Source-Folger-Transistors und einen Gate-Referenzspannungsknoten umfasst.
Verstärker nach Anspruch 13, welcher ferner einen zweiten Vorspannungstransistor gekoppelt zwischen den Drain des Source-Folger-Transistors und ein Gate des ersten Vorspannungstransistors umfasst.
Verstärker nach Anspruch 14, welcher ferner Folgendes umfasst: einen ersten Widerstand, welcher einen ersten Anschluss gekoppelt an das Gate des ersten Vorspannungstransistors und einen zweiten Anschluss gekoppelt an eine erste Stromquelle aufweist; und einen zweiten Widerstand gekoppelt zwischen den zweiten Anschluss des ersten Widerstandes und den Gate-Referenzspannungsknoten.
Verstärker nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei: der Source-Folger-Transistor eine PMOS-Vorrichtung umfasst; und die Spannungsfolgervorrichtung einen NMOS-Source-Folger-Transistor umfasst.
Verstärker nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei der Source-Folger-Transistor, die Spannungsfolgervorrichtung und der erste Kondensator auf einer integrierten Schaltung angeordnet sind.
Verstärker nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei der Source-Folger-Transistor in einem Bereich unterhalb des Schwellenwertes vorgespannt ist.
Verstärker nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die Hochimpedanz-Signalquelle eine kapazitive Signalquelle umfasst.
Verstärker nach Anspruch 19, wobei die kapazitive Signalquelle ein MEMS-Mikrofon umfasst.
Verfahren zum Verstärken eines Signals bereitgestellt durch eine kapazitive Signalquelle, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen eines ersten Signals von einem ersten Anschluss der kapazitiven Signalquelle an einem Gate-Anschluss einer ersten Spannungsfolgervorrichtung; Empfangen eines zweiten Signals von einem zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle an einem ersten Kondensator gekoppelt an einen Source-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung; Verstärken des ersten und zweiten Signals, wobei das Verstärken das Anwenden einer Spannungsverstärkung auf der Grundlage eines Verhältnisses des ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators gekoppelt zwischen den zweiten Anschluss der kapazitiven Signalquelle und einen Referenzknoten umfasst; Empfangen eines dritten Signals von dem Source-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung an einem Kontrollanschluss einer zweiten Spannungsfolgervorrichtung; und Anwenden eines vierten Signals an einem Ausgangsknoten der zweiten Spannungsfolgervorrichtung auf einen Drain-Knoten der ersten Spannungsfolgervorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Anwenden des vierten Signals eine parasitische Gate-Drain-Kapazität der ersten Spannungsfolgervorrichtung verringert.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, welches ferner das Durchführen einer Analog-zu-Digital-Umwandlung an dem dritten Signal umfasst.