DE102014114636A1

DE102014114636A1 - Verstärker für Sensoren

Info

Publication number: DE102014114636A1
Application number: DE102014114636.0A
Authority: DE
Inventors: Luca Valli; Richard Gaggl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Es werden Sensorvorrichtungen und entsprechende Verfahren bereitgestellt, wobei eine Sensorschaltung mit einer Sensorvorspannung bereitgestellt wird, die auf einem Ausgangssignal eines ersten Verstärkers und/oder eines zweiten Verstärkers basiert. Die ersten und zweiten Verstärker empfangen Signale von der Sensorschaltung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft Vorrichtungen und Verfahren betreffend Verstärker für Sensoren
HINTERGRUND
Sensoren werden oft gemeinsam mit Verstärkerschaltungen (manchmal als Vorverstärker bezeichnet) bereitgestellt. Zum Beispiel kann der Sensor in einigen Fällen gemeinsam mit einer solchen Verstärkerschaltung auf einem selben Chip bereitgestellt werden. In manchen Fällen kann der Sensor ein mikroelektromechanisches System (MEMS) umfassen, zum Beispiel einen kapazitiven Sensor. Solche kapazitiven Sensoren können zum Beispiel als Mikrophone oder Drucksensoren verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen stellen die verwendeten Verstärkerschaltungen ein pseudodifferentielles Ausgangssignal bereit.
Wie hier verwendet, kann ein vollständig differentielles Ausgangssignal anzeigen, dass sich zwei Teilsignale, welche das vollständig differentielle Signal bilden, gekoppelt verhalten, sodass zum Beispiel, wenn sich eines der Teilsignale erhöht, sich das andere der Teilsignale um denselben Betrag verringert und umgekehrt. Die Teilsignale können zum Beispiel eine selbe Amplitude aufweisen, aber entgegengesetzte Vorzeichen. Bei pseudodifferentiellen Signalen kann diese Kopplung nur näherungsweise vorliegen, d. h. die Kopplung muss nicht exakt sein.
Bei einigen Anwendungen kann jedoch ein vollständig differentielles Ausgangssignal im Vergleich zu einem pseudodifferentiellen Ausgangssignal bevorzugt sein.
Andererseits können herkömmliche Ansätze zum Bereitstellen vollständig differentieller Signale Nachteile bezüglich ihrer Verstärkung, ihrer Anpassbarkeit und/oder bezüglich eine Hubs des Eingangs- und Ausgangssignals aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die in Anspruch 1 oder Anspruch 20 definiert ist. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das in Anspruch 15 definiert ist. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2(a) und 2(b) stellen kapazitive Sensoren dar, die in Vorrichtungen gemäß einiger Ausführungsform verwendbar sind.
3 stellt ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform dar.
4(a) bis (c) stellen verschiedene Möglichkeiten zur Implementierung von Hochwiderstandsvorrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen dar.
5 stellt ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform dar.
6 stellt ein beispielhaftes Verhalten einiger Knoten der Schaltung in 5 dar.
7(a) und 7(b) stellen Schaltungsdiagramme einiger Bauteile von Vorrichtungen gemäß einiger Ausführungsformen dar.
8 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensors, der in der Ausführungsform in 8 verwendbar ist.
10 sind Diagramme, die ein Verhalten der Ausführungsform in 8 für verschiedene Werte eines Widerstandes 81 darstellen.
11 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt.
12 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
DETAILBESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen detailliert unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Die Ausführungsformen sind nur als veranschaulichende Beispiele aufzufassen und sind nicht als beschränkend aufzufassen. Zum Beispiel können, während Ausführungsformen als eine Vielzahl von Merkmalen oder Elemente enthaltend beschrieben werden können, einige dieser Merkmale oder Elemente in anderen Ausführungsformen ausgelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. In noch anderen Ausführungsformen können zusätzliche Merkmale oder Elemente bereitgestellt sein.
Jegliche Verbindungen oder Kopplungen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hier beschrieben sind, können als direkte Verbindungen oder Kopplungen, d. h. Verbindungen oder Kopplungen ohne eingreifende Elemente, oder als indirekte Verbindungen oder Kopplungen, d. h. Verbindungen oder Kopplungen mit einem oder mit einem oder mehreren zusätzlichen eingreifenden Elementen, implementiert sein, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel um eine bestimmte Art von Signal zu senden und/oder um eine bestimmte Art von Information zu senden, im Wesentlichen erhalten bleibt. Verbindungen oder Kopplungen können Drahtverbindungen oder -kopplungen sein oder auch drahtlose Verbindungen oder Kopplungen sein, solange nichts anderes erwähnt wird.
Ferner können Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Zum Beispiel können Modifikationen oder Variationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein.
In einigen Ausführungsformen wird eine Verstärkerschaltung bereitgestellt, der einen ersten Verstärker, um ein erstes Signal von einer Sensorschaltung zu empfangen, und einen zweiten Verstärker umfasst, um ein zweites Signal von einer Sensorschaltung zu empfangen. Die Vorrichtung kann ferner eine Rückkopplungsschaltung umfassen, die ein Rückkopplungssignal auf Basis von zumindest einem aus einem Ausgangssignal des ersten Verstärkers und einem Ausgangssignal des zweiten Verstärkers erzeugt. Das Rückkopplungssignal kann zurück zur Sensorschaltung geleitet werden, um das Vorspannen eines Sensors der Sensorschaltung zu steuern, einzustellen oder zu regeln, zum Beispiel eine Vorspannung.
In einigen Ausführungsformen kann eine Verstärkung der Sensorschaltung einstellbar sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Sensorschaltung einen differentiellen Sensor umfassen oder kann zwei Sensoren umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Sensorschaltung einen asymmetrischen Sensor und ein Referenzelement umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Sensor einen kapazitiven Sensor umfassen.
Um nun zu den Figuren zu kommen, wird in 1 ein schematisches Diagramm gezeigt, welches eine Vorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 10 kann zum Beispiel eine integrierte Vorrichtung sein, d. h. die dargestellten Bauteile können auf einem einzelnen Chip integriert sein. In anderen Ausführungsformen können die in 1 dargestellten Bauteile auf unterschiedlichen Chips implementiert sein.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Sensorschaltung 15 und eine Verstärkerschaltung 11 bis 14. Die Sensorschaltung 15 kann zum Beispiel einen kapazitiven Sensor, der als Mikrofon verwendet werden kann, oder einen Drucksensor umfassen, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Die Verstärkerschaltung der Vorrichtung 10 umfasst einen ersten Verstärker 11 und einen zweiten Verstärker 12. Der erste Verstärker 11 und der zweite Verstärker 12 können in einigen Ausführungsformen einzelne Transistorverstärker sein, zum Beispiel Source-Folger oder Super-Source-Folger, sind aber nicht auf diese beschränkt. Der hier verwendete Begriff Verstärker impliziert nicht notwendigerweise eine Verstärkung größer als 1, sondern kann auch eine Verstärkung gleich 1 oder eine Verstärkung kleiner als 1 (was einer effektiven Dämpfung entspricht) beinhalten. Zum Beispiel sind Puffer, die eine Verstärkung von 1 aufweisen können, für den Zweck dieser Erfindung ebenfalls als Verstärker zu betrachten. In einer Ausführungsform, in der die Sensorschaltung 15 einen differentiellen Sensor umfasst, kann jeder der Verstärker 11, 12 eines der Ausgangsteilsignale von einem solchen differentiellen Sensor empfangen. In einem Fall, in dem die Sensorschaltung 15 zwei Sensoren umfasst, kann jeder der Verstärker 11, 12 ein Ausgangssignal eines der Sensoren empfangen. In anderen Ausführungsformen kann die Sensorschaltung 15 einen asymmetrischen Sensor umfassen. In diesem Fall kann zum Beispiel einer der Verstärker 11, 12 ein Ausgangssignal vom Sensor empfangen, und der andere der Verstärker 11, 12 kann mit einem Referenzelement gekoppelt sein. Andere Techniken können ebenfalls verwendet werden. Der erste Verstärker 11 gibt ein Ausgangssignal OUTP aus, und der zweite Verstärker 12 gibt ein Ausgangssignal OUTN aus. Diese Ausgangssignale können dann an weitere Schaltungen oder Vorrichtungen zur weiteren Verarbeitung geleitet werden. Zum Beispiel können die Verstärker 11, 12 in einigen Ausführungsformen eine Vorverstärkung bereitstellen, und die Signale OUTP, OUTN können einer weiteren Vorrichtung bereitgestellt werden, die weitere Verstärker umfasst.
Es ist anzumerken, dass im Kontext dieser Beschreibung Bezeichnungen wie OUTP, OUTN verwendet werden können, um sowohl Signale zu bezeichnen als auch Knoten zu bezeichnen, an denen die Signale auftreten. Zum Beispiel kann OUTP verwendet werden, um das Ausgangssignal des Verstärkers 11 und/oder einen Ausgangsknoten des Verstärkers 11 zu bezeichnen, an dem das Signal vorhanden ist.
Ferner ist eine Rückkopplungsschaltung 13 an Ausgänge des ersten Verstärkers 11 und des zweiten Verstärkers 12 gekoppelt, um ein Rückkopplungssignal auf Basis der Signale OUTP, OUTN zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Rückkopplungsschaltung in einigen Ausführungsformen eine Teilerschaltung umfassen, um einen Zwischensignalwert zwischen OUTP und OUTN zu erzeugen. Das Rückkopplungssignal wird über einen Rückkopplungspfad 14 zurück zur Sensorschaltung 15 geleitet, um eine Sensorspannung für eine oder mehrere Sensoren der Sensorschaltung 15 zu steuern, einzustellen und/oder festzusetzen. Zum Beispiel kann die Sensorvorspannung eine Vorspannung für einen kapazitiven Sensor umfassen. In einigen Ausführungsformen werden OUTP, OUTN durch das Bereitstellen der Rückkopplungssignale eingestellt, um Teilsignale eines vollständig differentiellen Signals zu sein. In einigen Ausführungsformen kann die Rückkopplung eine Gleichtaktrückkopplung bereitstellen.
Es ist anzumerken, dass die Rückkopplungsschaltung 13 in anderen Ausführungsformen die Rückkopplung erzeugen kann, um die Sensorvorspannung auf Grundlage lediglich eines der Signale OUTP, OUTN statt beider Signale OUTP, OUTN einzustellen.
Implementierungsbeispiele verschiedener, unter Bezugnahme auf 1 beschriebener Techniken werden später in Bezug auf 3 bis 10 präsentiert.
Unter Bezugnahme auf 2(a) und 2(b) werden Möglichkeiten der Implementierung kapazitiver Sensoren beschrieben, zum Beispiel zur Verwendung in der Sensorschaltung 15 in 1 oder als Sensoren in Ausführungsformen, die später beschrieben werden. Es können jedoch auch andere Sensoren in Ausführungsformen verwendet werden.
2(a) stellt einen kapazitiven Sensor mit zwei Platten 20, 21 schematisch dar. Eine Überlappung zwischen den beiden Platten kann variieren, zum Beispiel in Abhängigkeit von äußeren, zu messenden Einflüssen. Die Überlappungsfläche im Beispiel in 2(a) bestimmt einen Kapazitätswert des Sensors. Ein Sensor, wie er in 2(a) dargestellt ist, wird oft mit einer sogenannten Konstantspannungsauslesung verwendet, wobei eine Spannung an einem Kondensator, der von den Platten 20, 21 gebildet wird, auf einem festen Wert gehalten wird, und eine Schwankung der Ladung auf dem Kondensator, die durch die Kapazitätsschwankung aufgrund der variierenden Überlappung verursacht wird, von einer Verstärkerschaltung gelesen wird. Die Ladungsschwankung ΔQ kann für einen Sensor, wie er in 2(a) dargestellt wird, wie folgt ausgedrückt werden: ΔQ = V_bias·ΔC = V_bias·C0( ΔA / A0) (1)
In Formel (1) repräsentiert V_bias die Vorspannung, und ΔC ist die Kapazitätsschwankung, die als Co(ΔA/A0) ausgedrückt werden kann, wobei C0 die Kapazität im Ruhezustand (zum Beispiel bei vollständiger Überlappung), A0 die Überlappung im Ruhezustand und ΔA die Änderung der Überlappung ist.
Sensoren des in 2(a) gezeigten Typs können jedoch in einigen Fällen auch ausgelesen werden, indem ein konstanter Ladungsansatz verwendet wird, wobei eine Ladung auf einem festen Wert gehalten wird und eine Spannungsschwankung gemessen wird.
In 2(b) wird ein Sensor dargestellt, der eine erste Platte 22 und eine zweite Platte 23 umfasst, die einen Kondensator bilden. Abhängig von einer äußeren Messgröße (zum Beispiel dem Druck oder Schallwellen), kann ein Abstand zwischen den Platten 22, 23 um eine Ruhelage schwanken und dadurch eine Kapazitätsschwankung verursachen. In vielen Anwendungen werden Sensoren, wie sie in 2(b) dargestellt sind, mit einem konstanten Ladungsansatz ausgelesen, d. h. eine Ladung auf den Platten 22, 23 wird konstant gehalten, und eine Spannungsschwankung aufgrund einer Kapazitätsänderung wird gemessen. Eine derartige Spannungsänderung ΔV kann zumindest näherungsweise wie folgt ausgedrückt werden: ΔV = V_bias( Δg / g0) (2) wobei V_bias eine Spannung auf dem Sensor in einem Abstand g0 zwischen den Platten 22, 23 ist. g0 kann eine Ruhelage anzeigen (d. h. ohne äußere Kraft, äußeren Druck etc.). Δg repräsentiert eine Schwankung des Abstandes zwischen den Platten 22, 23.
Der Sensor in 2(b) kann jedoch auch mit einem konstanten Spannungsansatz ausgelesen werden. Im Folgenden beschriebene Ausführungsformen können z. B. in einigen Anwendungen mit einem konstanten Ladungsansatz verwendet werden.
Die in 2(a) und 2(b) dargestellten Sensoren können als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) implementiert werden und können in einigen Ausführungsformen gemeinsam mit einer (Vor-)Verstärkerschaltung auf einem gleichen Chip integriert sein.
In 2 wird ein Schaltungsdiagramm gezeigt, das eine Ausführungsform darstellt. Die Ausführungsform in 3 kann zum Beispiel in Verbindung mit einem Sensor, wie er in 2(b) dargestellt wird, verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt und kann zum Beispiel ebenfalls mit einem Sensor, wie er in 2(a) dargestellt wird, verwendet werden. Der Sensor kann zum Beispiel als Mikrofon oder Drucksensor verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt.
In 3 wird in einem gepunkteten Kästchen 32 eine Darstellung eines kleinen Signals erster Ordnung eines kapazitiven Sensors gezeigt. In der Darstellung des Kästchens 32 wird der kapazitive Sensor als eine parallele Kopplung eines Kondensators 33, welcher einen Kapazitätswert Cp aufweist, z. B. eine parasitäre Kapazität, und eines Kondensators 34 dargestellt, der im Ruhezustand einen Kapazitätswert von C0 aufweist. Eine Kapazität des Kondensators 34 ist variabel, z. B. etwa C0, zum Beispiel abhängig von einer Messgröße, die durch ein Symbol 35 angezeigt wird, zum Beispiel aufgrund einer Schwankung des Plattenabstandes, wie unter Bezugnahme auf 2(b) beschrieben.
An den Sensor 32 ist eine Vorspannung Vchp angelegt. die Spannung Vchp wird im Wesentlichen von einer Ladungspumpe 30 erzeugt, von einem Kondensator 36 mit einem Kapazitätswert C2 tiefpassgefiltert und über einen hochohmigen Widerstand 31 mit einem Widerstandswert Rchp bereitgestellt. Die Spannung Vchp wird, wie weiter unten beschrieben, durch eine Rückkopplung modifiziert oder eingestellt.
Die von der Ladungspumpe 30 erzeugte Vorspannung kann hoch genug sein, um ein ausreichend starkes Spannungssignal vom Sensor 32 zu erhalten und kann abhängig von den Eigenschaften des Sensors gewählt werden.
Der Sensor 32 wird von einem Verstärker 38 ausgelesen, der ein einzelner Transistorverstärker wie z. B. ein Source-Folger oder ein Super-Source-Folger sein kann, aber nicht auf diese beschränkt ist. Über einen Widerstand 320 mit einem hochohmigen Widerstand Rh wird eine Vorspannung Vref an einen Eingangsknoten INP eines Verstärkers 38 angelegt. In dem Fall, dass der Sensor 32 zum Beispiel als Mikrofon dient, kann der Widerstandswert Rh so gewählt werden, dass das vom Sensor 32 zugeführte Eingangssignal nicht in einer üblichen Audio-Bandbreite gedämpft wird, z. B. zwischen 20 Hz und 20 kHz. Ein Wert von Rh kann im Gigaohmbereich liegen. Ein Wert von Rchp kann ebenfalls im Gigaohmbereich liegen.
Ferner wird eine Vorspannung Vchp an einen Referenzkondensator 37 mit einem Kapazitätswert Cd angelegt, der zum Beispiel einem Kapazitätswert Cp + C0 des Sensors 32 im Ruhezustand entsprechen kann, zum Beispiel ohne von außen angelegten Druck. Insbesondere wird, wie gezeigt, eine Vorspannung Vchp an einen ersten Anschluss des Referenzkondensators 37 angelegt, und ein zweiter Anschluss wird mit einem Eingang eines zweiten Verstärkers 39 gekoppelt. Der Kondensator 37 kann ein integrierter Kondensator sein. In einigen Ausführungsformen kann Cd gleich wie C0 + Cp sein. Cp kann parasitäre Kapazitäten repräsentieren. Der zweite Verstärker 39 kann entsprechend dem ersten Verstärker 38 ausgelegt sein, zum Beispiel als ein einzelner Transistorverstärker. Der erste Verstärker 38 gibt ein Signal OUTP aus, und der zweite Verstärker 39 gibt ein Signal OUTN aus. An einen Eingangsknoten des zweiten Verstärkers 39 wird eine Vorspannung Vref über einen Widerstand 321 angelegt, welcher denselben Widerstandswert Rh wie der Widerstand 320 aufweisen kann.
In der bisher beschriebenen Konfiguration wäre OUTN im Wesentlichen ein konstantes Signal, und OUTP würde auf Basis eines Kapazitätswerts des Sensors 32 variieren. In anderen Fällen kann der Referenzkondensator 37 durch einen zweiten Sensor ersetze werden, der ähnlich wie der Sensor 32 ist. Ein solcher weiterer Sensor kann, gemeinsam mit dem Sensor 32, einen differentiellen Sensor bilden. In diesem Fall können OUTP, OUTN, ohne die als nächstes beschriebenen Elemente, pseudodifferentielle Ausgangssignale sein.
Mit der als nächstes beschriebenen Rückkopplungsschaltung und Rückkopplungspfad, wird die bisher beschriebene Schaltung in eine Schaltung mit einem vollständig differentiellen Ausgangssignal umgewandelt, d. h. die Signale OUTP, OUTN bilden ein Differenzsignal.
Zu diesem Zweck umfasst die Ausführungsform in 3 eine Teilerschaltung, die passive Elemente 311, 312 umfasst, die zwischen den Ausgangsknoten OUTP, OUTN des ersten Verstärkers 38 beziehungsweise des zweiten Verstärkers 39 in Reihe gekoppelt sind. Die passiven Elemente 311, 312 können zum Beispiel Widerstände mit einem selben Widerstandswert oder Kondensatoren mit einem selben Kapazitätswert oder eine Kombination daraus sein, sind aber nicht darauf beschränkt. ein Ausgang des Teilers, der durch die passiven Elemente 311, 312 gebildet wird, d. h. ein Knoten zwischen den Elementen 311, 312, ist mit einem negativen Eingang eines Verstärkers 313 gekoppelt. Ein positiver Eingang des Verstärkers 313 ist mit einer Referenzspannung Vref2 gekoppelt. Der Verstärker 313 kann in einigen Ausführungsformen eine vergleichsweise hohe Verstärkung aufweisen. In einer Ausführungsform entspricht das Ausgangssignal der Teilerschaltung einer Gleichtaktspannung der Ausgangssignale OUTP, OUTN. Der Verstärker 313 gibt ein Rückkopplungssignal CMFB aus, das ein Gleichtakt-Rückkopplungssignal sein kann, das über einen Rückkopplungspfad 314 zurückgeleitet wird, um die Vorspannung Vchp einzustellen, die an den Sensor 32 angelegt ist. Der Rückkopplungspfad 314 umfasst in der Ausführungsform in 3 einen Kondensator 310. Der Kondensator 310 kann einen Kapazitätswert C1 aufweisen und kann verwendet werden, um eine Gleichstromkomponente des Rückkopplungssignals CMFB zu unterdrücken.
Wie oben für die Ausführungsform in 3 beschrieben, bewirkt diese Rückkopplung über den Pfad 314, dass sich die Ausgangssignale OUTP, OUTN mit einer gleichen Amplitude und entgegengesetzten Vorzeichen in Reaktion auf eine Änderung des Kapazitätswertes des Sensors 32 ändern. Daher bilden die Ausgangssignale OUTP, OUTN in 3 Teilsingale eines vollständig differentiellen Signals.
In der Ausführungsform in 3 können in manchen Fällen die Übertragungsfunktionen vom Ausgang des Verstärkers 313 (Signal CMFB) zu den Eingangsknoten INP, INN der Verstärker 38, 39 ähnlich sein. In solchen Ausführungsformen trägt der Verstärker 313 im Wesentlichen nicht zum Rauschen auf den Differenzausgangssignalen OUTP, OUTN bei, da das gesamte Rauschen und alle Signale am Knoten CMFB auf OUTP und OUTN gleichgetaktet werden und sich daher gegenseitig auslöschen, wenn OUTN von OUTP oder umgekehrt subtrahiert wird.
Wie bereits erwähnt können die für die Schaltung in 3 dargestellten und beschriebenen Techniken auch auf einen differentiellen Sensor angewendet werden, wobei z. B. der Kondensator 37 durch einen zweiten Kondensator des differentiellen Sensors ausgetauscht würde. Ein weiteres Beispiel, in dem ein differentieller Sensor verwendet wird, wird später unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben.
In dem Fall, dass die Schaltung in 3 mit einem asymmetrischen Sensor wie in 3 verwendet wird, kann unabhängig vom Wert des Kondensators Cd eine asymmetrische Differenzumwandlung erhalten werden. In Ausführungsformen können, um ein optimales Betriebsverhalten zu erzielen, parasitäre Kapazitäten auf den Eingängen INP, INN durch die Auslegung verringert werden, zum Beispiel sodass sie signifikant kleiner sind als C0 + Cp und Cd.
Unter diesen Bedingungen kann der Verstärker in den oben beschriebenen Ausführungsformen kein zusätzliches Rauschen bewirken und in einigen Ausführungsformen eine Energieversorgungsunterdrückung nicht ändern.
Als nächstes, unter Bezugnahme auf 4, werden verschiedene Möglichkeiten zur Implementierung von hochohmigen Widerständen wie z. B. der Widerstände 320, 321 oder des Widerstandes 31 in 3 dargestellt. diese in 4 gezeigten Implementierungen dienen lediglich als Beispiele, und andere Techniken können ebenfalls verwendet werden.
4(a) zeigt eine einfache Diode, die zum Beispiel einen hohen Widerstand bei der Sperr-Vorspannung oder auch bei der Durchlassvorspannung aufweisen kann, wenn eine angelegte Spannung unterhalb einer Schwellenspannung der Diode ist. Das Verwenden einer einzelnen Diode, wie in 4(a) gezeigt, würde dazu führen, dass der Widerstandswert asymmetrisch in Bezug auf ein Signal, das über ihm angelegt wird, schwankt, was eine Bewegung eines Arbeitspunktes sowie eine Verzerrung des Signals verursachen würde. Deshalb kann in einigen Ausführungsformen eine in 4(b) dargestellte, symmetrische Konfiguration verwendet werden. Die Anordnung in 4(b) ist symmetrisch, was die Bewegung des Arbeitspunktes dämpft.
Die in 4(a) und 4(b) gezeigten Dioden können als Transistoren implementiert sein, wie in 4(c) für eine einzelne Diode wie in 4(a) gezeigt. Ähnliche Implementierungen können für den Fall von 4(b) verwendet werden. Andere Lösungen können ebenfalls verwendet werden, z. B. um einen erforderlichen Signalhub zu integrieren.
In einigen Ausführungsformen kann der Verstärker 313 so gewählt werden, dass er den Signalhub nicht begrenzt, um einen höheren Ausgangshub des Ausgangssignals zu erhalten, was durch die Bereitstellung eines Differenzausgangssignals erreicht werden kann. Der Signalhub kann in Ausführungsformen nur durch die Verstärker 38, 39 wesentlich begrenzt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Signal CMFB höher als eine Amplitude OUTP, OUTN sein. In solchen Ausführungsformen kann der Verstärker 313 direkt mit einer externen Spannungsversorgung versorgt werden, während die Verstärker 38, 39 in einigen Ausführungsformen durch einen Low-Dropout-Regler (LDO) versorgt werden können.
Es sollte beachtet werden, dass dies nur dann ein Problem darstellt, wenn die Schaltung in 3 mit einem asymmetrischen Sensor wie dem Sensor 32 verwendet wird, da in diesem Fall der Verstärker 313 in Ausführungsformen ein Signal ausgibt, das höher als OUTP, OUTN ist. Dies wird später unter Bezugnahme auf 6 in Bezug auf eine weitere Ausführungsform, die einen asymmetrischen Sensor verwendet, beschrieben. Wenn ein differentieller Sensor verwendet wird, kann das Ausgangssignal CMFB des Verstärkers 313 sich in Ausführungsformen weniger bewegen als OUTP und OUTN, bewegt sich aber nur so stark wie ein Ungleichgewicht zwischen zwei Kondensatoren eines solchen differentiellen Sensors. In solchen Ausführungsformen kann die in 3 dargestellte Rückkopplungsschleife einen Signalhub des Ausgangssignals OUTP, OUTN nicht verringern.
In Ausführungsformen muss der Verstärker 313 nicht für ein geringes Rauschen und/oder eine hohe Energieversorgungsunterdrückung (PSR) ausgelegt sein. Deshalb kann der Verstärker 313 in Ausführungsformen eine vergleichsweise kleine Auslegung aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung in 3 einschließlich der Rückkopplungsschleife so ausgelegt sein, dass der Ausgang des Teilers, der von den passiven Elementen 311, 312 gebildet wird, auf einen geeigneten Vorspannungswert eingestellt wird, zum Beispiel auf eine halbe positive Versorgungsspannung wie z. B. VDD.
Um dies weiter zu beschreiben, wird eine Spannung V_CMFB an einem Knoten CMFB am Ausgang des Verstärkers 313 mit einem asymmetrischen Sensor 32, der in 3 dargestellt ist, gemäß V_CMFB = –V_OUTP· C0 + Cp + Cin / C0 + Cp (3) modifiziert, und ein Signal wird auf die Vorspannung Vchp superponiert, die folgender Formel entspricht: Vchp = –V_OUTP· C0 + Cp + Cin / C0 + Cp (4)
In den Gleichungen (3) und (4) ist V_OUTP DIE Spannung des Signals OUTP, und Cin ist eine parasitäre Kapazität zwischen den Eingangsknoten INP, INN und der Masse. Um einen Signalhub zu optimieren, wird in Ausführungsformen eine Kapazität des Sensors 32 C0 + Cp so gewählt, dass sie größer als Cin ist, und C1 wird größer als C2 gewählt.
Eine Differenzverstärkung G_diff kann in der Ausführungsform in 3 wie folgt geschrieben werden: G_diff = C0 / C0 + Cp + Cin (5)
In einigen Ausführungsformen können die Kondensatoren 310, 36 und 37 tolerant gegenüber vergleichsweise hohen Spannungen gemacht werden, zum Beispiel einer Reihe von Spannungen für Vchp. Ferner kann, in der Ausführungsform in 3, der an den Ausgang gekoppelte Widerstand 31 so ausgelegt werden, um Verzerrungen zu vermeiden.
Die in 3 dargestellte Vorrichtung sowie Vorrichtungen anderer Ausführungsformen können zum Beispiel in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) implementiert werden.
In anderen Ausführungsformen können andere Techniken verwendet werden.
Wie aus Gleichung (5) ersichtlich, ist die Differenzverstärkung für die Vorrichtung in 3 ein fester Wert. In anderen Ausführungsformen kann eine einstellbare Verstärkung wünschenswert sein. In einigen Anwendungen, zum Beispiel wenn der Sensor als Mikrofon verwendet wird, kann eine bestimmte Zielempfindlichkeit, üblicherweise etwa –38 dBV/Pa, wünschenswert sein. In Fällen, in denen eine Empfindlichkeit des Sensors selbst zu niedrig ist, um die Zielempfindlichkeit zu erreichen, sollte die Verstärkerschaltung eine Verstärkung von mehr als 0 dB bereitstellen, um die Gesamtempfindlichkeit zu erhöhen. In Fällen, in denen eine Empfindlichkeit des Sensors selbst höher als eine Zielempfindlichkeit ist, kann es im Gegensatz dazu wünschenswert sein, dass die Verstärkerschaltung das Signal dämpft. Eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die eine Verstärkungseinstellung umfasst, ist in 5 dargestellt.
5 kann als eine Erweiterung und Modifikation der Ausführungsform in 3 betrachtet werden. Um langwierige Wiederholungen zu vermeiden, werden erste Elemente, welche die Ausführungsformen in 5 und 3 gemeinsam haben, unter Bezugnahme auf die bereits für 3 gemachten Beschreibungen beschrieben. Zum Beispiel entspricht ein Sensor 58, der die Kondensatoren 59, 511 sowie ein Symbol 510 umfasst, welches die Einstellbarkeit anzeigt, dem Sensor 32 mit den Elementen 33 bis 35 in 3, die Widerstände 518, 519 in 5 entsprechen den Widerständen 320, 320 in 3, und der erste und zweite Verstärker 514, 515 in 5 entsprechen dem ersten und zweiten Verstärker 38, 39 in 3. Ferner entsprechen die passiven Elemente 516, 517, welche eine Teilerstruktur bilden, den passiven Elementen 311, 312 in 3, und ein Rückkopplungspfad 50 in 5 entspricht dem Rückkopplungspfad 314 in 3. Außer den unten beschriebenen Modifikationen entsprechen diese Elemente den Elementen in 3, und Modifikationen und Beispiele, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurden können auch in der Ausführungsform in 5 Anwendung finden.
Der Rückkopplungspfad 50 ist nun im Gegensatz zu 3 „aufgeteilt”, und zwei Kapazitäten 53, 54 werden statt lediglich einem Kondensator 310, der in 3 dargestellt ist, bereitgestellt. Beide Kapazitäten 53, 54 können in einigen Ausführungsformen einen Kapazitätswert von C1 aufweisen. Über den Kondensator 53 wird eine Vorspannung Vchp, welche an den Sensor 58 angelegt wird, modifiziert oder eingestellt. Die Vorspannung Vchp wird von einer Ladungspumpe 51 über einen Widerstand 52 und einen als Tiefpassfilter fungierenden Kondensator 520 erzeugt, die ähnlich wie die Elemente 30, 31 und 36 in 3 sind.
Ferner wird über einen Kondensator 54 eine Scheinvorspannung VchpD modifiziert, die auf den Kondensator 513 angelegt wird, welcher – wie erwähnt – im Wesentlichen dem Kondensator 37 in 3 entspricht. Die Scheinvorspannung VchpD wird von einer Ladungspumpe 55 oder jeglichen anderen Referenzspannung über einen Widerstand 56 erzeugt, der einen Widerstandswert RchpD aufweist und von einem Kondensator tiefpassgefiltert wird. Die Kondensatoren 57, 520 können in Ausführungsformen jeweils einen Kapazitätswert von C2 aufweisen.
Die Vorspannung VchpD kann im Wesentlichen frei gewählt werden und dient im Wesentlichen dazu, einen fließenden Knoten zu vermeiden.
Ferner ist der Ausgang des Verstärkers 514 mit der Vorspannung Vchp über einen Kondensator 512 gekoppelt, wie in 5 dargestellt.
für die Vorrichtung in 5 kann Vchp unter der Bedingung, dass Cin klein gegenüber den anderen Kapazitäten ist (wie oben für 3 beschrieben), durch folgende Formel genähert werden: V_chp = C1 + C2 – Cf / C1 + C2 + Cf·V_OUTP (6) und VchpD ist V_chpD = – C0 + Cp + Cin / C0 + Cp·V_OUTP (7)
In der Ausführungsform in 5 kann die Auslegung von Rchp weniger entscheidend sein als zum Beispiel in der Ausführungsform in 3, weil das Signal durch diesen Widerstand in 5 kleiner als in 3 sein kann. VchpD bewegt sich stärker als Vchp, und daher kann in Ausführungsformen der Widerstand 56 ähnlich wie die Widerstände 518, 519 (wie zum Beispiel in 4(e) dargestellt) als ein hochohmiger Widerstand ausgelegt sein. dies ist allerdings ebenfalls in einigen Ausführungsformen nicht sehr entscheidend, da die Spannung VchpD nicht so genau sein muss.
Um die Ausführungsform in 5 weiter zu veranschaulichen, zeigt 6 beispielhafte Signale OUPT, Vchp und VchpD. Diese beispielhaften Signale dienen lediglich der weiteren Veranschaulichung und können abhängig von der Implementierung und einer vom Sensor 58 erfassten Größe abhängen. Zum Beispiel kann, im Fall von 6, der Sensor 58 ein sinusähnliches Schallsignal erfassen.
Eine Differenzverstärkung der Schaltung in 5 G_diff kann näherungsweise geschrieben werden als G_diff ≅ C0 / C0 + Cp + Cin C1 + C2 + Cf / C1 + C2 (8)
Deshalb kann eine gewünschte Verstärkung erzielt werden, indem ein Kapazitätswert Cf des Kondensators 512 geeignet gewählt wird. In einigen Ausführungsformen, in denen ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wichtig ist, kann eine Kapazität mit demselben Wert Cf zwischen einem Ausgang des Verstärkers 515 und VchpD gekoppelt sein, sodass die Übertragungsfunktionen vom Ausgang des Verstärkers 521 zu den Eingangsknoten INP, INN zumindest näherungsweise identisch gehalten werden.
Falls eine Verstärkung von weniger als 0 dB erwünscht ist, kann der Kondensator 512 in einigen Ausführungsformen zwischen OUTP und VchpD verbunden werden (und in Ausführungsformen, in denen ein Rauschen des Verstärkers 521 wichtig ist, kann ein Kondensator mit demselben Wert Cf zwischen OUTN und Vchp bereitgestellt werden).
In Ausführungsformen können Kapazitäten, die mit VchpD in 5 verbunden sind, Niedrigspannungskapazitäten sein, da sie nicht mit einem Hochspannungsknoten verbunden werden müssen, während mit Vchp verbundene Kapazitäten tolerant gegenüber hohen Spannungen sein können. In Ausführungsformen ist es nicht wichtig, dass mit VchpD verbundene Kondensatoren an Kondensatoren angepasst werden, die mit Vchp verbunden sind, und in Ausführungsformen ist es ausreichend, wenn lediglich das Verhältnis der Kapazitäten der beiden Zweige (der beiden Rückkopplungszweige etc.) angepasst ist. Daher ist es in Ausführungsformen möglich, verschiedene Arten von Kondensatoren zu verwenden, ohne die Anpassung der beiden Zweige und somit, in einigen Ausführungsformen, ein Rauschen auf den Ausgängen OUTN, OUTP zu beeinflussen.
Abhängig von der Verstärkung, die so ausgewählt wird, indem zum Beispiel der Kapazitätswert Cf geeignet gewählt wird, kann das Signal-Rausch-Verhältnis der Vorrichtung in 5 variieren. Zum Beispiel sollte, wenn wie oben beschrieben eine bestimmte Zielempfindlichkeit erforderlich ist, ein Signal OUTP-OUTN unabhängig von der Verstärkung der Vorrichtung gleich bleiben. Wenn ein Sensor mit einer höheren Empfindlichkeit verwendet wird, kann die Verstärkung verringert werden, was das Rauschen am Ausgang der Vorrichtung verringert, da ein Rauschen von der Verstärkung verstärkt werden kann.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf 7(a) und 7(b) einige Varianten der Ausführungsformen in 3 und 5 hinsichtlich des Anlegens einer Vorspannung an den Verstärker wie z. B. den Verstärker 313 oder 521 und die mögliche Verbesserung einer Stabilität einer Rückkopplungsschleife beschrieben, welche von der beschriebenen Rückkopplung bereitgestellt wird.
Es sollte beachtet werden, dass die 7(a) und 7(b) lediglich einen Teil der Vorrichtung zeigen, und nicht gezeigte Bauteile, zum Beispiel Ladungspumpen und Ähnliches, ähnlich wie die Ausführungsformen in 3 oder 5 sein können.
In den 7(a) und 7(b) kann ein Verstärker 715 oder 720 dem Verstärker 313 in 3 beziehungsweise dem Verstärker 521 in 5 entsprechen. In den beispielhaften Implementierungen in 7(a) und 7(b) können die Verstärker 715 und 720 transkonduktive Operationsverstärker (OTAs) sein.
Ferner können die Widerstände 75, 76 in 7(a) den Widerständen 320, 321 in 3 oder den Widerständen 518, 519 in Fig. entsprechen. Ein Sensor 70 mit Elementen 71, 72 und 725 entspricht dem Sensor 32 mit den Elementen 33 bis 35 oder dem Sensor 58 mit den Elementen 59, 510 und 511.
Ein Kondensator 724 entspricht dem Kondensator 37 oder dem Kondensator 513. Ein Kondensator 716 in 7(a) entspricht dem Kondensator 310 in 3 oder den Kondensatoren 53, 54 in 5. In 7(a) ist ein erster Verstärker wie der Verstärker 38 oder 514 gemeinsam mit einer Stromquelle 78 als Transistor 77 implementiert, und ein zweiter Verstärker wie der Verstärker 39 ist gemeinsam mit einer Stromquelle 710 implementiert. Dies kann als ein Implementierungsbeispiel der Verstärker 38, 39 in 3 oder der Verstärker 514, 515 in 5 betrachtet werden.
Ein passiver Teiler in der Ausführungsform in 7(a) besteht aus zwei Kondensatoren 712, 713, die jeweils eine Kapazität Cs aufweisen. Ferner ist ein Widerstand 11, der einen Widerstandswert Rhs aufweist, parallel mit dem Kondensator 712 gekoppelt. Dies kann als ein Implementierungsbeispiel der passiven Elemente 311, 312 in 3 oder der passiven Elemente 516, 517 in 5 betrachtet werden. Ferner koppelt ein Widerstand 714 einen Ausgang des Verstärkers 715 mit einem negativen Eingang des Verstärkers 715. Der Widerstand 714 kann einen Widerstandswert RhB aufweisen.
In der Ausführungsform in 7(a) wird einem Knoten zwischen den Widerständen 75, 76 eine Referenzspannung Vref über einen Transistor 73 und eine Stromquelle 74 bereitgestellt. Dies kann auch in anderen Ausführungsformen zur Anwendung kommen, zum Beispiel in der Ausführungsform in 3 oder 5.
In der Ausführungsform in 7(a) wird der Widerstand 714 dazu verwendet, um den negativen Eingang des Verstärkers 715 vorzuspannen, und der Widerstand 711 wird zur Stabilisierung der Schleife verwendet. Ohne den Widerstand 711 hätte die durch die Rückkopplung gebildete Schleife drei Knoten, die wechselstromgekoppelt sind (z. B. über einen Kondensator), was dazu führen würde, dass die Schleifenverstärkung drei Nullstellen bei der Gleichstromfrequenz hätte, was in manchen Fällen Instabilitäten verursachen könnte. Das Bereitstellen des Widerstandes 711 in Ausführungsformen verhindert eine der drei Wechselstromkopplungen und versetzt eine der Nullstellen weg von der Gleichspannungsfrequenz. Ähnlich wie die Widerstände 75 und 76 können die Widerstände 714 und 711 hochohmige Widerstände in Ausführungsformen sein, in denen ein Signal mit einer Verstärkung durch die Schleife gehen sollte, die ausreichend größer als 0 dB ist. Zum Beispiel können diese Widerstände wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben implementiert werden.
Die Referenzspannung Vref definiert eine Vorspannung der Ausgänge OUTP und OUTN. Dieselbe Spannung wird in der Ausführungsform in 7(a) verwendet, um die Eingänge des Verstärkers in der Schleife und CMFB vorzuspannen. Sogar in Fällen, in denen sich die Spannung des Signals OUTP leicht von Vref unterscheidet, würde CMFB nicht in Sättigung gehen, und eine entsprechende Spannung V_CMFB würde gleich dem folgenden Wert werden: V_CMFB = V_ref + (V_ref – V_OUTP) RhB / Rhs (9)
Die Implementierung in 7(a) kann auch mit einem differentiellen Sensor verwendet werden, wobei in diesem Fall der Kondensator 724 durch eine weitere variable Kapazität ersetzt würde.
In 7(b) ist eine weitere Implementierungsvariante dargestellt, die keine vollständige Differenzlösung ist, aber für einige Anwendungen verwendet werden kann. In 7(b) sind ein Widerstand 721, welcher einen Widerstandswert Rhb aufweist, und ein Kondensator 722, der einen Kapazitätswert Cg aufweist, zwischen einem Ausgang und einem negativen Eingang des Verstärkers 720 gekoppelt. Der erste und zweite Verstärker 717, 718 entsprechen zum Beispiel dem ersten und zweiten Verstärker 38, 39 in 3 oder dem ersten und zweiten Verstärker 514, 515 in 5. Ein Ausgang des Verstärkers 717 ist im Fall von 7(b) über einen Kondensator 719, welcher einen Kapazitätswert Cs aufweist, mit dem negativen Eingang des Verstärkers 720 gekoppelt.
In dem Fall, dass eine Implementierung wie in 7(b) verwendet wird, kann die Verstärkung der Anordnung in Ausführungsformen auf einen Wert gesetzt werden, der zu einer Umwandlung eines Signals von einem asymmetrischen Sensor in ein Differenzausgangssignal führt. Wenn zum Beispiel die Vorrichtungen in 3 oder 5 wie in 7(b) dargestellt modifiziert werden, wird die Verstärkung in Ausführungsformen auf folgenden Wert gesetzt: G = Cs / Cg = C0 + Cp + Cin / C0 + Cp C1 + C2 / C1 (10)
In Ausführungsformen kann die Variante in 7(b) auf einen asymmetrischen Sensor angewendet werden. Sie kann mit einem differentiellen Sensor verwendet werden, zum Beispiel in dem Fall, dass ein Ungleichgewicht zwischen zwei Kapazitäten des differentiellen Sensors genau bekannt ist.
In 8 wird eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform dargestellt.
In der Ausführungsform in 8 können die Verstärker 816, 817 den Verstärkern 38, 39 in 3 entsprechen, und die Widerstände 814, 815 können den Widerständen 320, 321 in 3 entsprechen.
Ein Verstärker 820 entspricht dem Verstärker 313 in 3 und gibt eine Gleichtakt-Rückkopplung CMFB aus, die über einen Rückkopplungspfad 87, welcher einen Kondensator 88 mit einem Kapazitätswert C1 umfasst, zurückgeleitet wird, um Vchp zu modifizieren. Die Vorspannung Vchp wird von einer Ladungspumpe 80 über einen Widerstand 81 erzeugt und von einem Kondensator, welcher einen Kapazitätswert C2 aufweist, tiefpassgefiltert. Die Elemente 80 bis 82 können den Elementen 30, 31 und 36 in 3 entsprechen.
In der Ausführungsform in 8 wird ein differentieller Sensor bereitgestellt, der eine erste variable Kapazität 83 und eine zweite variable Kapazität 810 aufweist. Die erste Kapazität 83 wird in einer Näherung erster Ordnung mit den Elementen 84 bis 86 dargestellt, und die zweite Kapazität 810 wird in einer Näherung erster Ordnung mit dem Element 811 dargestellt, die beide dem Sensor 32 in 3 ähnlich sind.
In der Ausführungsform in 8 wird ein Ohmscher Teiler zwischen den Ausgängen der Verstärker 816, 817 bereitgestellt, der die Widerstände 818, 819 umfasst, die jeweils einen Widerstandswert Rs aufweisen. Die Widerstandswerte Rs können in einigen Beispielen im Bereich von 100 kQ bis 1 MΩ sein. Die Widerstände 818, 819 können als ein Beispiel für passive Elemente angesehen werden, die einen Teiler bilden.
Ferner wird in der Ausführungsform in 8 ein weiterer Rückkopplungspfad 89 von einem Ausgang des Verstärkers 802, der einen Knoten zwischen den Widerständen 814, 815 vorspannt, bereitgestellt. Anders gesagt ist CMFB in der Ausführungsform in 8 (über den Kondensator 88) mit der Vorspannung Vchp wechselstromgekoppelt, und mit den Eingängen der Verstärker 816, 817 (über die Widerstände 814, 815) gleichstromgekoppelt. Daher kann das gemeinsame Rückkopplungssignal CMFB in der Ausführungsform in 8 Arbeitspunkte der Eingänge richtig festsetzen, um OUTP und OUTN mit Vref (über dem Rückkopplungspfad 89) vorzuspannen, und zwingt die Signale OUTP, OUTN gleichzeitig dazu, eine gleiche Amplitude und entgegengesetzte Vorzeichen aufzuweisen (aufgrund des Rückkopplungspfades 87). Diese „Doppelrückkopplung”, welche in 8 dargestellt ist, kann die Stabilität der Schleife verbessern. Es sollte beachtet werden, dass dieser Ansatz, bei dem an einen Knoten zwischen den Widerständen 814, 815 auf Basis von CMFB eine Vorspannung angelegt wird, auch in Anwendungen zur Anwendung kommen kann, die einen asymmetrischen Sensor verwenden.
In 9 wird eine beispielhafte Implementierung eines differentiellen Sensors dargestellt, der zum Beispiel in der Ausführungsform in 8, aber auch in Vorrichtungen gemäß anderen Ausführungsformen verwendbar ist. Der Sensor 9 kann als ein mikroelektromechanisches System (MEMS) implementiert sein, zum Beispiel auf einem Siliziumsubstrat 96. Der Sensor umfasst eine obere Platte 90, eine untere Platte 92 sowie eine dazwischenliegende, bewegliche Membran 91. Zum Beispiel kann die Membran 91 in der Ausführungsform in 8 über eine elektrische Verbindung 94 mit der Vorspannung Vchp gekoppelt sein, die obere Platte 90 kann über eine elektrische Verbindung 93 mit einem Eingang des Verstärkers 816 gekoppelt sein, und die untere Platte 92 kann über eine elektrische Verbindung 95 mit einem Eingang des Verstärkers 817 gekoppelt sein. Wenn sich die Membran 91 bewegt, zum Beispiel aufgrund von Schall oder Druck, ändert sich die Kapazität zwischen der oberen rückseitigen Plate 90 und der Membran 91 (diese Kapazität wird zum Beispiel durch 83 in 8 dargestellt), und die Kapazität zwischen der Membran 91 und der unteren rückseitigen Platte 92 ändert sich in der entgegengesetzten Richtung (z. B. durch 810 in 8 dargestellt).
Abhängig von der Implementierung kann diese Änderung jedoch nicht absolut symmetrisch sein, oder anders gesagt können Fehlanpassungen zwischen der Empfindlichkeit der beiden so gebildeten Kondensatoren bestehen. Mit dem zum Beispiel in 8 gezeigten Ansatz wird jedoch sichergestellt, dass das Ausgangssignal OUTP, OUTN eine vollständige Differenz ist, und deshalb werden solche Fehlanpassungen kompensiert.
Das komplexe, passive Netzwerk in 8 (Widerstände und Kapazitäten) zwischen einem Ausgangsknoten des Verstärkers 820 und den Eingangsknoten INP, INN kann in der Ausführungsform in 8 zwei Nullstellen und zwei Polstellen in der Schleifenverstärkung bewirken. Dies wird in 10 veranschaulichend gezeigt. Eine obere Hälfte von 10 zeigt eine Größe der Schleifenverstärkung, und eine untere Hälfte zeigt eine Phase der Schleifenverstärkung. Der Widerstandswert Rh ist im Beispiel in 10 100 GΩ, und die Kurven 100 bis 103 in der oberen Hälfte und 104 bis 107 in der unteren Hälfte stellen Kurven für vier unterschiedliche Werte von Rchp dar (100 GΩ, 10 GΩ, 1 GΩ, 100 MΩ).
Wenn Rchp und Rh ähnliche Werte aufweisen, löschen die oben erwähnten vier Singularitäten einander aus (Kurven 100 und 104). Wenn Rchp niedriger als Rh wird, besteht diese perfekte Auslöschung, die einer Tiefpass-Übertragungsfunktion entspricht, nicht mehr. In diesem Fall zeigt die Schleifenverstärkung eine Dämpfung in der Nähe einer bestimmten Frequenz. In Ausführungsformen ist diese Frequenz geringer als die Audiobandbreite und stört daher Mikrofonanwendungen nicht wesentlich. Bei der Frequenz, bei der die Dämpfung beobachtet wird, kann die Schleife nicht dazu in der Lage sein, die beiden Ausgangssignale OUTP, OUTN zu regeln, und der entsprechende Verstärker wie z. B. der Verstärker 810 geht in Sättigung. Da jedoch viele Sensoren im Wesentlichen Frequenzen unter 100 Hz dämpfen, ist dies für viele praktische Anwendungen kein Problem und kann dadurch vermieden werden, indem Rchp so gewählt wird, dass er nicht wesentlich niedriger als Rh ist.
Wie bereits erwähnt können Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. zum Beispiel kann der differentielle Sensor der Ausführungsform in 8 auch zum Beispiel in 3 oder 5 verwendet werden, die Verstärkungsregelung in 5 kann auch in anderen Ausführungsformen verwendet werden, und die Techniken für die Schleifenstabilisierung in 7(a) und 7(b) kann auch auf unterschiedliche Ausführungsformen anwendbar sein. Zum Beispiel kann 7(a) auch auf die Aus in 8 angewendet werden. Im Allgemeinen können die unterschiedlichen Ansätze für die Schleifenstabilisierung und das Anlegen einer Vorspannung in 7 und 8 mit Ausführungsformen ohne Verstärkungssteuerung (wie z. B. 3) und Ausführungsformen mit Verstärkungssteuerung (wie z. B. 5) kombiniert werden.
Daher sind die beschriebenen Ausführungsformen nicht als beschränkend aufzufassen.
In 11 wird ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt. Während das Verfahren als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen dargestellt wird, ist die Reihenfolge, in der die Handlungen oder Ereignisse präsentiert werden, nicht als beschränkend aufzufassen. Insbesondere können die Handlungen oder Ereignisse in einer anderen Reihenfolge als der gezeigten durchgeführt werden, und/oder Handlungen oder Ereignisse können gleichzeitig durchgeführt werden, zum Beispiel von unterschiedlichen Bauteilen einer Schaltung.
Bei 110 in 11 wird ein erstes Ausgangssignal einer Sensorschaltung verstärkt, um ein erstes verstärktes Signal zu bilden. Bei 111 wird ein zweites Ausgangssignal der Sensorschaltung verstärkt, um ein zweites verstärktes Signal zu erzeugen. Das Verstärken bei 110 und 111 kann zum Beispiel mit einem einzigen Transistorverstärker durchgeführt werden. Das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal können zwei Ausgangssignalen von einem differentiellen Sensor entsprechen oder können einem Ausgangssignal eines asymmetrischen Sensors und einem Referenzsignal entsprechen.
Bei 112 wird eine Vorspannung, die an einen Sensor der Sensorschaltung angelegt wird, auf Basis von zumindest einem aus dem ersten verstärkten Signal oder dem zweiten verstärkten Signal eingestellt. Zum Beispiel kann die Vorspannung auf Basis einer Gleichtaktkomponente des ersten verstärkten Signals und des zweiten verstärkten Signals eingestellt werden.
Während das Verfahren in 11 in einer beliebigen der unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 dargestellten Ausführungsformen implementiert werden kann, ist es nicht auf diese beschränkt und kann auch in anderen Vorrichtungen verwendet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich als Beispiele, um eine weitere Veranschaulichung zu geben, und können stärker modifiziert oder geändert werden, als für Fachleute ersichtlich ist, ohne vom Schutzumfang der Patentanmeldung abzuweichen. Zum Beispiel können die hier dargelegten Prinzipien und Techniken auch unter Verwendung anderer Schaltungen, Bauteile, Vorrichtungen etc. implementiert werden. Insbesondere das Konzept des Einstellens einer Vorspannung eines Sensors, um ein vollständig differentielles Signal zu erhalten, kann auch auf eine andere Weise als oben beschrieben implementiert werden.
Ein Beispiel für eine solche Modifikation wird in 12 dargestellt. Während in den oben beschriebenen Ausführungsformen eines oder mehrere Signale an einem oder mehreren Ausgängen eines oder mehrerer Verstärker verwendet werden, um eine Sensorvorspannung einzustellen, können in anderen Ausführungsformen eines oder mehrere Signale an einem oder mehreren Eingängen von Verstärkern verwendet werden. Um ein Beispiel zu geben gibt in 12 eine Sensorschaltung 120 ein Signal INP, INN an eine Verstärkerschaltung 121 aus. Die Sensorschaltung 120 kann wie oben beschrieben implementiert sein und kann z. B. einen asymmetrischen Sensor und einen Referenzkondensator umfassen oder kann einen differentiellen Sensor umfassen. Die Verstärkerschaltung 121 kann ebenfalls wie oben beschrieben implementiert sein und z. B. zwei einzelne Transistorverstärker umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Verstärkerschaltung 121 als ein Differenzverstärker implementiert sein.
Ferner ist eine Rückkopplungsschaltung 122 gekoppelt, um die Signale INP, INN zu empfangen und die Sensorschaltung 120 auf Grundlage der Signale INP, INN vorzuspannen. Zum Beispiel kann die Rückkopplungsschaltung 122 ähnlich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen eine Gleichtaktkomponente von INP, INN erfassen. Das Anlegen einer Vorspannung an die Sensorschaltung 120 kann, ähnlich wie bei einigen, oben beschriebenen Ausführungsformen, dazu dienen, um die Gleichtaktkomponente konstant zu halten. Dies bewirkt, dass die Signale INP, INN vollständig differentielle Signale sind, was im Wesentlichen bewirken kann, dass die Ausgangssignale OUTP, OUTN der Verstärkerschaltung 121 vollständig differentielle Signale sind.
In solchen Ausführungsformen, in denen Eingangssignale einer Verstärkerschaltung als Basis zum Anlegen einer Vorspannung an einen Sensor verwendet werden, können die Eingänge einer Rückkopplungsschaltung wie der Rückkopplungsschaltung 122, welche die Eingangssignale empfangen, eine hohe Impedanz aufweisen. Zum Beispiel können die Eingänge mit Gates von Transistoren gekoppelt sein.
Eine solche Abwandlung kann an eine beliebige der oben beschriebenen Ausführungsformen angewendet werden. Andere Abwandlungen und Modifikationen sind ebenfalls möglich.

Claims

Sensorvorrichtung, umfassend: eine Sensorschaltung, wobei die Sensorschaltung einen ersten Sensorschaltungsausgang und einen zweiten Sensorschaltungsausgang umfasst, eine Verstärkerschaltung, wobei ein erster Verstärkereingang der Verstärkerschaltung mit dem ersten Sensorschaltungsausgang gekoppelt ist und ein zweiter Verstärkereingang der Verstärkerschaltung mit dem zweiten Sensorschaltungsausgang gekoppelt ist, wobei die Verstärkerschaltung einen ersten Verstärkerausgang und einen zweiten Verstärkerausgang umfasst, und eine Rückkopplungsschaltung, die mit der Verstärkerschaltung gekoppelt ist, um eine Gleichtaktkomponente eines Signals an der Verstärkerschaltung zu erfassen und um eine Vorspannung eines Sensors der Sensorschaltung auf Basis der erfassten Gleichtaktkomponente einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschaltung mit dem ersten und zweiten Verstärkereingang gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschaltung mit dem ersten und zweiten Verstärkerausgang gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Rückkopplungsschaltung umfasst: einen passiven Teiler, der zwischen den ersten und zweiten Verstärkereingang oder den ersten und zweiten Verstärkerausgang gekoppelt ist, und einen dritten Verstärker, wobei ein Eingang des dritten Verstärkers mit einem Ausgang des passiven Teilers gekoppelt ist und ein Ausgang des dritten Verstärkers über einen Rückkopplungspfad mit der Sensorschaltung gekoppelt ist, um die Sensorvorspannung einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Rückkopplungspfad einen Kondensator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Ausgang des dritten Verstärkers über einen zweiten Eingangsrückkopplungspfad mit einem Eingangsknoten des ersten Verstärkers und einem Eingangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der passive Teiler zumindest eines aus Kondensatoren als passive Teilerelemente oder Widerständen als passive Teilerelemente umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, welche ferner eine Rückkopplung zwischen einem Ausgang des dritten Verstärkers und einem Eingang des dritten Verstärkers umfasst, wobei die Rückkopplung zumindest einen aus einem Widerstand oder einem Kondensator umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Sensor der Sensorschaltung einen kapazitiven Sensor umfasst, wobei ein erster Anschluss des kapazitiven Sensors gekoppelt ist, um die Vorspannung des Sensors zu empfangen, und wobei ein zweiter Anschluss des kapazitiven Sensors mit einem Eingang des ersten Verstärkers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Sensorschaltung ferner einen Referenzkondensator umfasst, wobei ein Anschluss des Referenzkondensators mit einem Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei ein weiterer Anschluss des Referenzkondensators mit der Vorspannung des Sensors gekoppelt ist, oder wobei ein weiterer Anschluss des Referenzkondensators mit einer weiteren Vorspannung gekoppelt ist, wobei die Rückkopplungsschaltung eingerichtet ist, die Sensorvorspannung und die weitere Vorspannung einzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Sensor eines aus einem asymmetrischen Sensor oder einem differentiellen Sensor umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Anschluss des Sensors über einen Kondensator mit einem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Verstärkerschaltung einen ersten Verstärker, wobei ein Eingang des ersten Verstärkers mit dem ersten Sensorschaltungsausgang gekoppelt ist, und einen zweiten Verstärker, wobei ein Eingang des zweiten Verstärkers mit dem zweiten Sensorschaltungsausgang gekoppelt ist, umfasst.
Verfahren, umfassend: Verstärken eines ersten Ausgangssignals und eines zweiten Ausgangssignals einer Sensorschaltung, um ein erstes verstärktes Signal und ein zweites verstärktes Signal zu erzeugen, Erfassen von zumindest einem aus einer Gleichtaktkomponente des ersten und zweiten verstärkten Signals oder einer Gleichtaktkomponente von Signalen, die einem Verstärker bereitgestellt werden, der für das Verstärken verwendet wird, und Einstellen einer Sensorvorspannung der Sensorschaltung auf Basis der erfassten Gleichtaktkomponente.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Einstellen der Sensorvorspannung ein Einstellen der Sensorvorspannung umfasst, um das erste verstärkte Signal und das zweite verstärkte Signal zu Teilsignalen eines vollständig differentiellen Signals zu machen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, welches ferner ein Einstellen einer Verstärkung durch ein Bereitstellen des ersten verstärkten Signals an einen Anschluss eines Sensors der Sensorschaltung über einen Kondensator umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Verstärken des ersten Ausgangssignals ein Verstärken eines ersten Ausgangssignals eines differentiellen Kapazitätssensors umfasst, und das Verstärken des zweiten Ausgangssignals ein Verstärken eines zweiten Ausgangssignals eines differentiellen Kapazitätssensors umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, welches ferner ein Anlegen einer Vorspannung basierend auf zumindest einem aus dem ersten oder zweiten verstärkten Signal an einen Eingang eines Verstärkers, der dazu verwendet wird, um das erste Ausgangssignal zu verstärken, und eines zweiten Verstärkers, der dazu verwendet wird, um das zweite Ausgangssignal zu verstärken, umfasst.
Sensorvorrichtung, umfassend: eine Sensorschaltung, einen ersten Verstärker, wobei ein Eingang des ersten Verstärkers mit einem ersten Ausgang der Sensorschaltung gekoppelt ist, einen zweiten Verstärker, wobei ein Eingang des zweiten Verstärkers mit einem zweiten Ausgang der Sensorschaltung gekoppelt ist, sowie eine Rückkopplungsschaltung, wobei die Rückkopplungsschaltung eingerichtet ist, eine Vorspannung eines Sensors der Sensorschaltung auf Basis eines Ausgangssignals des ersten Verstärkers einzustellen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Rückkopplungsschaltung Folgendes umfasst: zumindest ein passives Element, das mit dem Ausgang des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen dritten Verstärker, wobei ein Eingang des dritten Verstärkers mit dem zumindest einen passiven Element gekoppelt ist und ein Ausgang des dritten Verstärkers über einen Rückkopplungspfad mit der Sensorschaltung gekoppelt ist, um die Vorspannung des Sensors einzustellen.