DE102014115307A1

DE102014115307A1 - System und Verfahren zur automatischen Kalibrierung eines Wandlers

Info

Publication number: DE102014115307A1
Application number: DE201410115307
Authority: DE
Inventors: Richard Gaggl; Christian Jenkner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-04-23
Also published as: KR20150046748A; US20150110295A1; CN104581605B; US9332369B2; CN104581605A; KR101619624B1

Abstract

In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist eine Schnittstellenschaltung einen Vorspannungsgenerator mit veränderlicher Spannung, der an einen Wandler gekoppelt ist, und eine Messschaltung, die an einen Ausgang des Wandlers gekoppelt ist, auf. Die Messschaltung ist konfiguriert, eine Ausgangsamplitude des Wandlers zu messen. Die Schnittstellenschaltung weist ferner eine Kalibrierungssteuereinheit auf, die an den Vorspannungsgenerator und die Messschaltung gekoppelt ist, und konfiguriert ist, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung während eines Selbstkalibrierungsdurchlaufs einzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wandler und Schaltungen und in besonderen Ausführungsformen auf ein System und ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Wandlers.
HINTERGRUND
Wandler setzen Signale von einer Domäne in eine andere um und werden häufig in Sensoren verwendet. Ein gewöhnlicher Sensor mit einem Wandler, der im alltäglichen Leben zu finden ist, ist ein Mikrofon, ein Sensor, der Schallwellen in elektrische Signale umsetzt.
Sensoren auf der Grundlage von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) weisen eine Familie von Wandlern auf, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. MEMS, wie etwa ein MEMS-Mikrofon, sammeln durch das Messen physikalischer Phänomene Informationen aus der Umgebung und Elektronik, die an dem MEMS angebracht ist, verarbeitet dann die Signalinformationen, die von den Sensoren abgeleitet werden. MEMS-Vorrichtungen können unter Verwendung von Mikroverarbeitungsfertigungstechniken ähnlich zu denen, die für integrierte Schaltungen verwendet werden, angefertigt werden.
Audiomikrofone werden gewöhnlich in einer Vielzahl von Verbraucheranwendungen wie etwa Mobilfunktelefonen, digitalen Aufnahmegeräten, Arbeitsplatzcomputern und Telekonferenzsystemen verwendet. In einem MEMS-Mikrofon ist ein druckempfindliches Diaphragma unmittelbar auf einer integrierten Schaltung angeordnet. Als solches ist das Mikrofon auf einer einzelnen integrierten Schaltung enthalten statt aus einzelnen unabhängigen Teilen gefertigt zu sein. Die monolithische Beschaffenheit des MEMS-Mikrofons erzeugt ein Mikrofon mit höherer Ausbeute und geringeren Kosten. MEMS-Vorrichtungen können als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrophone, Mikrospiegel und andere Vorrichtungen gebildet sein und verwenden häufig kapazitative Erfassungstechniken, um das physikalische Phänomen, das gemessen wird, zu messen. In solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung des kapazitiven Sensors unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen in eine verwendbare Spannung umgesetzt. Die Fertigung der MEMS-Vorrichtungen führt jedoch Schwankungen der physikalischen Größe und Gestalt ein, wodurch Schwankungen in der charakteristischen Leistungsfähigkeit der fertiggestellten MEMS-Vorrichtungen verursacht werden. Zum Beispiel können MEMS-Mikrofone, die in dem gleichen Prozess mit dem gleichen Entwurf gefertigt sind, einige Schwankung in der Empfindlichkeit besitzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es gibt eine Nachfrage, ein verbessertes Konzept für eine Schnittstellenschaltung, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wandlers und ein Wandlersystem zu schaffen.
Eine solche Nachfrage kann durch den Gegenstand irgendeines der Ansprüche befriedigt werden.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf eine Schnittstellenschaltung, die Folgendes umfasst: einen Vorspannungsgenerator mit variabler Spannung, der konfiguriert ist, mit einem Wandler gekoppelt zu sein; eine Messschaltung, die konfiguriert ist, mit einem Ausgang des Wandlers gekoppelt zu sein, wobei die Messschaltung konfiguriert ist, eine Ausgangsamplitude des Wandlers zu messen, und eine Kalibrierungssteuereinheit, die an den Vorspannungsgenerator und die Messschaltung gekoppelt ist, wobei die Kalibrierungssteuereinheit konfiguriert ist, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung während eines Selbstkalibrierungsdurchlaufs einzustellen.
Optional umfasst die Schnittstellenschaltung ferner den Wandler.
Weiterhin optional ist die Kalibrierungssteuereinheit ferner konfiguriert, eine Anfangsbedingung des Kalibrierungsablaufs zu detektieren; eine Mitziehspannung des Wandlers zu bestimmen; auf der Grundlage der Mitziehspannung eine festgelegte Vorspannung zu bestimmen und die festgelegte Vorspannung dem Wandler zuzuführen.
Optional umfasst die Schnittstellenschaltung ferner einen Verstärker, der konfiguriert ist, an den Wandler, die Kalibrierungssteuereinheit und die Messschaltung gekoppelt zu sein.
Weiterhin optional umfasst die Messschaltung einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC).
Optional ist die Kalibrierungssteuereinheit ferner konfiguriert, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung zu bestimmen und die Verstärkerverstärkung anzupassen, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Weiterhin optional umfasst der Wandler eine erste kapazitive Platte, die an den Verstärker gekoppelt ist, und eine zweite kapazitive Platte, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist.
Optional umfasst die Schnittstellenschaltung ferner eine Vorspannungsquelle, die an die erste kapazitive Platte und den Verstärker gekoppelt ist.
Weiterhin optional sind der Vorspannungsgenerator, die Messschaltung und die Kalibrierungssteuereinheit alle auf derselben integrierten Schaltung aufgetragen.
Optional umfasst die Kalibrierungssteuereinheit eine digitale Steuerlogik, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist.
Weiterhin optional umfasst die Kalibrierungssteuereinheit einen Vorspannungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und einen Schwellenwertkomparator, der an die digitale Steuerlogik und die Messschaltung gekoppelt ist.
Optional umfasst die Schnittstellenschaltung ferner eine Schreibschutzsicherung, wobei die Schreibschutzsicherung konfiguriert ist, den Selbstkalibrierungsdurchlauf zu deaktivieren, nachdem ein erster Selbstkalibrierungsdurchlauf durchgeführt wurde.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wandlers, das Folgendes umfasst: das Zuführen eines Bezugseingangssignals zur Kalibrierung an den Wandler und das Durchführen einer Selbstkalibrierungsprozedur, die das Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur, das Bestimmen einer festgelegten Vorspannung und das Zuführen der festgelegten Vorspannung an den Wandler umfasst.
Optional umfasst das Verfahren ferner das Koppeln einer Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung an den Wandler.
Weiterhin optional umfasst das Bestimmen einer festgelegten Vorspannung das Bestimmen einer Mitziehspannung des Wandlers und das Berechnen einer festgelegten Vorspannung auf der Grundlage der Mitziehspannung.
Optional umfasst das Verfahren ferner das Bestimmen einer Empfindlichkeit des Wandlers zum ersten Mal und das Anpassen einer Verstärkerverstärkung, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Ferner optional umfasst das Verfahren das Bestimmen der Empfindlichkeit des Wandlers zum zweiten Mal und das Verhindern einer weiteren Kalibrierung, wenn die das zweite Mal berechnete Empfindlichkeit innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereiches ist.
Optional umfasst das Verfahren ferner das Anzeigen einer fehlgeschlagenen Kalibrierung, wenn die das zweite Mal berechnete Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Weiterhin optional umfasst das Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur das Prüfen eines Kalibrierungsspeicherbits und das Detektieren eines ersten Steuersignalwerts.
Optional umfasst das Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur das Prüfen eines Kalibrierungsspeicherbits und das Detektieren des Bezugseingangssignals.
Weiterhin optional umfasst das Bezugseingangssignal einen Ton mit einer ersten Frequenz und einem ersten Schalldruckpegel.
Optional umfasst das Verfahren ferner das abwechselnde Erhöhen einer Vorspannung, die dem Wandler zugeführt wird, und Messen eines Ausgangssignals, das durch das Zuführen des Bezugseingangssignal erzeugt wird; das Detektieren eines ersten Schwellenwerts, an dem das gemessene Ausgangssignal abnimmt; das Berechnen einer festgelegten Vorspannung auf der Grundlage des ersten Schwellenwerts; das Bestimmen einer Empfindlichkeit des Wandlers zum ersten Mal; Einstellen einer Verstärkerverstärkung, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist; das Bestimmen der Empfindlichkeit des Wandlers zum zweiten Mal; das Verhindern einer weiteren Kalibrierung, wenn die das zweite Mal berechnete Empfindlichkeit innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist, und das Anzeigen einer fehlgeschlagenen Kalibrierung, wenn die das zweite Mal berechnete Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Wandlersystem, das Folgendes umfasst: ein Mikrofon des mikroelektromechanischen Systems (MEMS), das eine Rückplatte mit einem ersten Anschluss und eine Membran mit einem zweiten Anschluss besitzt, und eine Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung, die einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC); einen Vorspannungsgenerator, der an den zweiten Anschluss gekoppelt ist, und eine Kalibrierungszustandsmaschine, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist und konfiguriert ist, eine Selbstkalibrierungsprozedur durchzuführen, die das Bestimmen einer Mitziehspannung des MEMS-Mikrofons und das Einstellen des Vorspannungsgenerators auf der Grundlage der bestimmten Mitziehspannung umfasst, umfasst; wobei der ADC, die Vorspannungsgenerator und die Kalibrierungszustandsmaschine auf der gleichen integrierten Schaltung aufgetragen sind.
Optional umfasst das Wandlersystem einen Verstärker, der an den ersten Anschluss und den ADC gekoppelt ist.
Weiterhin optional ist die Kalibrierungszustandsmaschine an den Verstärker gekoppelt und ist ferner konfiguriert, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung mit einem Zielempfindlichkeitsbereich zu vergleichen und die Verstärkerverstärkung zu ändern, wenn die Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung außerhalb des Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Optional umfasst die Kalibrierungszustandsmaschine eine digitale Steuerlogik, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist; einen Vorspannungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und einen Schwellenwertkomparator, der an die digitale Steuerlogik und den ADC gekoppelt ist.
Weiterhin optional umfasst die Kalibrierungszustandsmaschine einen Verstärkerverstärkungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und wobei die digitale Steuerlogik an den Verstärker gekoppelt ist.
Optional sind das MEMS-Mikrofon und die Selbstkalibrierungsschaltung auf derselben integrierten Schaltung aufgetragen.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist eine Schnittstellenschaltung einen Vorspannungsgenerator mit variabler Spannung, der an einen Wandler gekoppelt ist, und eine Messschaltung, die an einen Ausgang des Wandlers gekoppelt ist, auf. Die Messschaltung ist konfiguriert, eine Ausgangsamplitude des Wandlers zu messen. Die Schnittstellenschaltung weist ferner eine Kalibrierungssteuereinheit, die an den Vorspannungsgenerator und die Messschaltung gekoppelt ist, auf, und ist konfiguriert, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung während eines Selbstkalibrierungsdurchlaufs einzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihren Vorteilen wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 ein Schema eines Wandlersystems gemäß einer Ausführungsform darstellt;
2 ein Diagramm der Signalform eines Verlaufs der Wandlerempfindlichkeit gemäß einer Ausführungsform darstellt;
3 ein Diagramm des Ablaufplans einer Kalibrierungsprozedur gemäß einer Ausführungsform darstellt;
4 ein Blockdiagramm einer Kalibrierungssteuereinheit gemäß einer Ausführungsform darstellt;
5a–5b Diagramme der Signalform eines Kalibrierungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform darstellen;
6 ein Schema eines weiteren Wandlersystems gemäß einer Ausführungsform darstellt und
7 ein Blockdiagramm eines Kalibrierungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform darstellt.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, soweit es nicht anders angezeigt ist. Die Figuren sind gezeichnet, um die maßgeblichen Aspekte der Ausführungsformen deutlich darzustellen, und sind nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet.
GENAUE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Erstellen und Verwenden der verschiedenen Ausführungsformen wird nachstehend genau besprochen. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass die verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, in einer breiten Vielfalt spezieller Kontexte anwendbar sind. Die speziellen besprochenen Ausführungsformen sind nur veranschaulichend für die speziellen Wege, um die verschiedenen Ausführungsformen zu erstellen und zu verwenden, und sollten nicht in einem eingeschränkten Umfang ausgelegt werden.
Die Beschreibung wird mit Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen in einem speziellen Kontext gegeben, nämlich Mikrofonwandlern und insbesondere MEMS-Mikrofonen. Einige der verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, weisen MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Mikrofonsysteme, Schnittstellenschaltungen für Wandler und MEMS-Wandlersysteme und automatische Verfahren zum Kalibrieren von MEMS-Wandlersystemen auf. In anderen Ausführungsformen können Aspekte auch auf andere Anwendungen angewendet werden, die irgendeine Art von Sensor oder Wandler beinhalten, der ein physikalisches Signal in eine andere Domäne umsetzt, und die einen solchen Sensor oder Wandler und die Schnittstellenelektronik gemäß irgendeiner Art, wie sie auf dem Gebiet bekannt ist, kalibrieren.
Gefertigte MEMS-Vorrichtungen zeigen Schwankung in den Leistungsfähigkeitscharakteristiken. Zum Beispiel zeigen MEMS-Mikrofone sogar zwischen den MEMS-Mikrofonen, die auf dem gleichen Wafer gefertigt sind, unterschiedliche Sensitivitätswerte. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, ist eine Schnittstellenschaltung dargelegt, die eine Selbstkalibrierungsprozedur durchführen kann, die Vorspannungen und Verstärkerverstärkungen bestimmt, um Gesamtempfindlichkeitswerte eines Wandlersystems innerhalb eines Zielbereichs für MEMS-Vorrichtungen einzustellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die Selbstkalibrierungsprozedur das Anwenden eines Audiosignals bekannter Amplitude auf das System und das Anwenden einer Anfangsbedingung der Selbstkalibrierung aus. Während der Selbstkalibrierungsprozedur wird eine Vorspannung, die an das MEMS angelegt ist, und/oder eine Verstärkung eines veränderlichen Operationsverstärkers angepasst, bis sich die Gesamtempfindlichkeit des Systems einer Zielempfindlichkeit nähert. In einigen Ausführungsformen tritt diese Selbstkalibrierungsprozedur, nachdem sie begonnen hat, chipintern auf (z. B. innerhalb der Schnittstellenschaltung und des MEMS-Mikrofons).
1 stellt ein Schema eines Wandlersystems 100 gemäß einer Ausführungsform dar, das eine Schnittstellenschaltung 110 besitzt, die über zwei Anschlüsse 126 und 128 an ein Mikrofon 120 gekoppelt ist. Das Mikrofon ist als ein kapazitives MEMS-Mikrofon 120 mit einer auslenkbaren Membran 124, die an den Anschluss 128 gekoppelt ist, und einer durchlöcherten steifen Rückplatte 122, die an den Anschluss 126 gekoppelt ist, gezeigt. Gemäß einer Ausführungsform verursacht eine Schallwelle von einer Schallöffnung (nicht gezeigt), die auf die Membran 124 einfällt, dass die Membran 124 ausgelenkt wird. Die Auslenkung ändert den Abstand zwischen der Membran 124 und der Rückplatte 122 und ändert die Kapazität, weil die Rückplatte 122 und die Membran 124 einen parallelen Plattenkondensator bilden. Die Änderung der Kapazität wird als eine Spannungsänderung zwischen den Anschlüssen 126 und 128 detektiert. Die Schnittstellenschaltung 110 misst die Spannungsänderung zwischen den Anschlüssen 126 und 128 und liefert ein Ausgangssignal am Ausgang 130, das der Schallwelle entspricht, die auf die Membran 124 einfällt. Gemäß einer Ausführungsform wird die Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons 120 durch Fertigungsschwankungen so beeinflusst, dass sogar MEMS-Mikrofone, die unter Verwendung des gleichen Prozesses auf demselben Wafer mit demselben Entwurf gefertigt sind, unterschiedliche Empfindlichkeitswerte haben. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons 120 abhängig von einer Vorspannung, die über die Anschlüsse 126 und 128 angelegt wird. Eine Gesamtempfindlichkeit des Wandlersystems 100 einschließlich der Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons 120 und einer Empfindlichkeit der Schnittstellenschaltung 110 kann durch eine Verstärkung G eines Verstärkers 104, der an den Anschluss 126 gekoppelt sein kann, beeinflusst werden. Herkömmlicherweise wird während der Anfertigung eine Kalibrierungsprozedur auf ein MEMS-Mikrofon angewendet und eine Schnittstellenschaltung wird entweder programmiert oder aus einer begrenzten Anzahl von Variationen, die Vorspannung und die Verstärkung einzustellen, ausgewählt, um die Empfindlichkeit des fertiggestellten Wandlersystems einzustellen.
In einer Ausführungsform weist die Schnittstellenschaltung 110 eine Kalibrierungssteuereinheit 102 auf, die eine Vorspannung, die dem MEMS-Mikrofon 120 über die Ladungspumpe 108 zugeführt wird, einstellen kann und die eine Verstärkung G des Verstärkers 104 einstellen kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Ladungspumpe 108 eine Ladungspumpe mit veränderlicher Spannung und der Verstärker 104 ist ein veränderlicher Operationsverstärker. In einigen Ausführungsformen kann der Verstärker 104 zum Beispiel wie in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 13/665,117 ausgeführt sein, die am 31. Oktober 2012 eingereicht wurde und „System and Method for Capacitive Signal Source Amplifier“ betitelt ist, deren Anmeldung hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist. Der Verstärker 104 kann die Eingangssignale von dem MEMS-Mikrofon 120 über den Anschluss 126 empfangen, der an die Rückplatte 122 gekoppelt ist. Die Ladungspumpe 108 kann dem MEMS-Mikrofon 120 über den Anschluss 128, der an die Membran 124 gekoppelt ist, eine veränderliche Vorspannung liefern. Die Ladungspumpe 108 kann zum Beispiel wie in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 13/217,890 ausgeführt sein, die am 25. August 2011 eingereicht wurde und „System and Method for Low Distortion Capacitive Signal Source Amplifier“ betitelt ist, deren Anmeldung hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Rückplatte 122 an den Anschluss 128 gekoppelt sein und die Membran 124 kann an den Anschluss 126 gekoppelt sein.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist die Schnittstellenschaltung 110 eine Vorspannungsquelle 112 auf, die über ein Widerstandselement 116 an den Anschluss 126 gekoppelt ist. Der Verstärker 104 ist an eine Messschaltung 106 gekoppelt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Messschaltung 106 als ein Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 106 ausgeführt und an den Ausgang 130 und die Kalibrierungssteuereinheit 102 gekoppelt. Wie gezeigt, empfängt die Kalibrierungssteuereinheit 102 ein Taktsignal 132, detektiert ein Steuersignal 134 und ist an die Sicherung 114 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sicherung 114 einen nichtflüchtigen Speicher aufweisen, der eingestellt ist, eine weitere Kalibrierung nach einer Anfangskalibrierung zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann die Sicherung 114 als eine physikalische Sicherung, ein Flash-Speicher oder irgendein anderer nicht flüchtiger physikalischer Speicher ausgeführt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen detektiert die Kalibrierungssteuereinheit 102 eine Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur, erhöht die Vorspannung der Ladungspumpe 108, bis das Mitziehen detektiert wird, stellt die Vorspannung der Ladungspumpe 108 auf der Grundlage einer detektierten Mitziehspannung ein, misst ein Ausgangssignal von dem ADC 106 und passt die Verstärkung G des Verstärkers 104 an, falls notwendig. Genauere Beschreibungen der Kalibrierungsprozeduren gemäß einer Ausführungsform sind nachstehend mit Bezug auf die verbleibenden Figuren beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann die Kalibrierungssteuereinheit 102 eine Zustandsmaschine mit einer digitalen Steuerlogik aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die Kalibrierungssteuereinheit 102 als ein Mikrocontroller ausgeführt sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Kalibrierungssteuereinheit 102 als eine analoge Steuerschaltung ausgeführt sein. Die Schnittstellenschaltung 110 kann eine vollständig kundenspezifische oder eine halb-kundenspezifische integrierte Schaltung (IC) sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schnittstellenschaltung 110 separat gebaut oder als ein Teil eines Systems wie etwa ein System auf einem Chip (SoC) eingeschlossen sein. In einigen Ausführungsformen können das MEMS-Mikrofon und die Schnittstellenschaltung 110 auf dem gleichen Halbleiterchip gefertigt und vereinzelt sein. Der Fachmann auf dem Gebiet wird sich leicht zahlreiche andere Ausführungen und Konfigurationen vorstellen und solche Variationen sind innerhalb des Umfangs der hier beschriebenen Ausführungsformen. 2 stellt ein Diagramm der Signalform eines Verlaufs 200 der Wandlerempfindlichkeit gemäß einer Ausführungsform dar, der während der Kalibrierungsprozedur verwendet werden kann, um eine Mitziehspannung einer MEMS-Vorrichtung wie etwa zum Beispiel eines MEMS-Mikrofons zu bestimmen. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die Signalform 210 der Empfindlichkeit für eine steigende Vorspannung, die an eine Platte des MEMS-Mikrofons angelegt wird, dargestellt. Zum Beispiel kann die Signalform 210 der Empfindlichkeit die Vorspannung, die über einen veränderlichen Vorspannungsgenerator wie etwa die Ladungspumpe 108 an die Membran 124 des MEMS-Mikrofons 120 angelegt wird, anzeigen. In der gezeigten Ausführungsform nimmt die Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons zu, wenn die angelegte Vorspannung ansteigt. Wie gezeigt, kann die Signalform 210 der Empfindlichkeit fortfahren zu steigen, bis das Mitziehen bei der Mitziehspannung 220 auftritt. Für ein MEMS-Mikrofon ist das Mitziehen dann, wenn die Vorspannung einen Punkt erreicht, an dem die elektrostatischen Kräfte zwischen der Rückplatte und der Membran stark genug sind, um zu bewirken, dass die Platten zusammen gezogen werden und sich physikalisch berühren. Wie durch die Signalform 210 der Empfindlichkeit gezeigt, nimmt die Empfindlichkeit des MEMS-Mikrofons wesentlich ab, sobald eine Vorspannung größer als oder gleich der Mitziehspannung 220 an eine der Platten angelegt wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Merkmale der Signalform 210 der Empfindlichkeit in einem Test verwendet werden, um die Mitziehspannung 220 für ein MEMS-Mikrofon wie etwa zum Beispiel ein MEMS-Mikrofon 120 zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen wird eine konstante bekannte Eingangsschallwelle an das MEMS-Mikrofon 120 geliefert, während die Vorspannung, die an eine der Platten des MEMS-Mikrofons 120 angelegt ist, durch die Ladungspumpe 108 erhöht wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen überwacht die Kalibrierungssteuereinheit 102 ein elektrisches Ausgangssignal von dem ADC 106, während die Vorspannung erhöht wird. Der chipinterne Steuerblock detektiert einen Abfall des elektrischen Ausgangssignalpegels, wenn das Mitziehen auftritt, und kann den Wert der Mitziehspannung 220 speichern. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können diese Schritte teilweise oder vollständig durch die Schnittstellenschaltung 110 mit den zahlreichen wie hier beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
3 stellt ein Diagramm des Ablaufplans einer Kalibrierungsprozedur 300 gemäß einer Ausführungsform dar, die die externe Prozedur 310 und die interne Prozedur 320 aufweist, von denen beide während der Fertigung oder des Zusammenbaus durchgeführt werden können. Die interne Prozedur 320 kann gleichzeitig in einer Schnittstellenschaltung durchgeführt werden und kann durchgeführt werden, um zum Beispiel eine MEMS-Vorrichtung durch Einstellen einer Empfindlichkeit zu kalibrieren. Gemäß einer Ausführungsform weist die externe Prozedur 310 das Anordnen einer MEMS-Vorrichtung in einem Modultester in Schritt 312, das Anwenden eines Testtons einer bekannten Amplitude und Frequenz in Schritt 314, das Einschalten der MEMS-Vorrichtung und der Schnittstellenschaltung in Schritt 316 und das Einstellen eines Steuersignals zum Testen in Schritt 318 auf. Der Modultester in Schritt 312 kann eine akustische Testhalterung oder Testeinheit aufweisen, die konfiguriert ist, an ein Mikrofon gekoppelt zu werden und akustische Testsignale zu liefern. In verschiedenen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung ein MEMS-Mikrofon 120 aufweisen, die Schnittstellenschaltung kann eine Schnittstellenschaltung 110 aufweisen und das Einstellen eines Steuersignals kann das Einstellen des Steuersignals 134 aufweisen.
In einer speziellen Ausführungsform kann der Testton in Schritt 314 eine Frequenz von 1 kHz und einen Schalldruckpegel (SPL) von 94 dB, der im Allgemeinen ungefähr gleich 1 Pascal ist, haben. In einigen Ausführungsformen kann das Einstellen des Steuersignals in Schritt 318 das Aufrechterhalten des Steuersignals für eine gewisse Zeitdauer aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersignal (wie etwa das Steuersignal 134) aktiv hoch oder aktiv niedrig sein oder es kann ein Steuereingang des links-rechts-Anzeigers (LR-Anzeigers) sein, der während dem normalen Betrieb eines Stereosystem verwendet wird, um anzuzeigen, ob das Mikrofonsignal zu einem linken oder einem rechten Lautsprecher geleitet wird. In solchen Ausführungsformen kann die LR-Eingabe während des Starts für Schritt 318 niedrig eingestellt werden, um anzuzeigen, dass eine Kalibrierungsprozedur durchgeführt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Einstellen des Steuersignals in Schritt 318 das Einstellen eines externen Taktsignals auf eine spezielle Frequenz und das Vergleichen mit einem inneren Oszillator aufweisen. Einige Ausführungsformen können das Einstellen der LR-Eingabe gemäß einem vorbestimmten Muster aufweisen. Weitere Ausführungsformen können das externe Ziehen eines Stiftes nach hoch oder niedrig aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Zuführspannung, die an die Schnittstellenschaltung angelegt wird, während einer Anfangsbedingung geändert werden. Das Einstellen des Steuersignals kann das Anwenden eines Testtons aufweisen. Zusätzlich ist jede Kombination solcher Beispielsteuersignale als ein Teil des Einstellens des Steuersignals in Schritt 318 möglich.
In einigen Ausführungsformen beginnt dann, wenn die MEMS-Vorrichtung und die Schnittstellenschaltung in Schritt 316 eingeschaltet werden, eine Kalibrierungszustandsmaschine den Betrieb in Schritt 322 der internen Prozedur 320. Die interne Prozedur 320 prüft dann eine Kalibrierungszeitsperre in Schritt 324. Wenn die Kalibrierung nicht gestoppt hat, wird eine Kalibrierungsanfangsbedingung in Schritt 326 geprüft. In einigen Ausführungsformen kann eine Anfangsbedingung ein Steuersignal (wie etwa das Steuersignal 134), das auf einen speziellen Wert eingestellt ist, und/oder einen speziellen Ton, der auf die MEMS-Vorrichtung angewendet wird, aufweisen. In einer speziellen Ausführungsform wird ein LR-Eingang auf niedrig gesetzt und ein Signal mit 1 kHz und 94 dB SPL wird durch ein MEMS-Mikrofon während einer Anfangsbedingung detektiert. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Kalibrierungsspeicherbit oder ein Sicherungsbit, wie durch die Sicherung 114 in 1 gezeigt ist, während des Schritts 326 geprüft. In einigen Ausführungsformen wird dann, wenn das Sicherungsbit anzeigt, dass die Kalibrierung schon stattgefunden hat, eine Kalibrierungsanfangsbedingung nicht detektiert, ungeachtet anderer Steuersignale.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird dann, wenn eine Anfangsbedingung in Schritt 326 detektiert wird, eine Vorspannung in Schritt 328 erhöht oder hochgefahren und in Schritt 330 wird auf einen Empfindlichkeitsabfall geprüft, wie mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Wenn keine Anfangsbedingung der Kalibrierung detektiert wurde, werden die Schritt 324 und 326 ununterbrochen wiederholt, bis eine Zeitsperre oder eine Anfangsbedingung detektiert wird. In einigen Ausführungsformen werden, sobald die Vorspannung anfängt hochzufahren, die Schritte 328 und 330 ununterbrochen wiederholt, bis in Schritt 330 durch den Empfindlichkeitsabfall das Mitziehen detektiert wird oder eine maximale Vorspannung angelegt wird.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform wird dann, wenn das Mitziehen detektiert wird, eine bestimmte Mitziehspannung verwendet, um in Schritt 332 eine festgelegte Vorspannung zu berechnen, um sie in Schritt 334 an die MEMS-Vorrichtung anzulegen (wie etwa das Einstellen der Ladungspumpe 108, um eine festgelegte Vorspannung an die Membran 124 anzulegen). Die Empfindlichkeit der MEMS-Vorrichtung und der Schnittstellenschaltung kann in Schritt 336 getestet und mit einem Zielempfindlichkeitsbereich verglichen werden. In einigen Ausführungsformen wird dann, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb des Zielempfindlichkeitsbereichs ist, in Schritt 338 eine Verstärkerverstärkung angepasst und die Empfindlichkeit kann in Schritt 340 zum zweiten Mal getestet und mit einem Zielempfindlichkeitsbereich vergleichen werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann dann, wenn die Empfindlichkeit entweder in Schritt 336 oder in Schritt 340 innerhalb des Zielempfindlichkeitsbereichs liegt, ein Versiegelungsschritt 342 durchgeführt werden, der verhindert, dass danach eine Kalibrierungsprozedur durchgeführt wird. Schritt 342 weist das Einstellen einer Sicherung auf, die mit der Kalibrierungszustandsmaschine gekoppelt ist.
In anderen Ausführungsformen kann der Schritt 342 das Einstellen eines Wertes in einem nichtflüchtigen Speicher wie etwa einem Flash-Speicher aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weisen die Abschlussschritte der internen Prozedur 320 das Abschalten der Kalibrierungszustandsmaschine in Schritt 342 und das Eintreten in den normalen Betrieb der MEMS-Vorrichtung und der Schnittstellenschaltung in Schritt 344 auf. In einigen Ausführungsformen kann die Kalibrierungszustandsmaschine eine Kalibrierungssteuereinheit 102 sein oder sie kann in der Kalibrierungssteuereinheit 102 eingeschlossen sein. In einer alternativen Ausführungsform, in der die Schnittstellenschaltung 110 einen analogen Ausgang 130 bereitstellt, kann Schritt 344 auch die Leistung für eine Messschaltung (wie etwa ein ADC in einigen Ausführungsformen), die an die Kalibrierungszustandsmaschine gekoppelt ist, abschalten. Die Schritte, die als ein Teil der Kalibrierungsprozedur 300 beschrieben sind, können in verschiedenen unterschiedlichen Reihenfolgen durchgeführt werden und können geändert werden, um zusätzliche Schritte oder weniger Schritte aufzuweisen. Verschiedene Kombinationen, Reihenfolgen und Änderungen sind innerhalb des Umfangs der hier beschriebenen Ausführungsformen.
4 stellt ein Blockdiagramm einer Kalibrierungssteuereinheit 400 gemäß einer Ausführungsform einschließlich einer digitalen Steuerlogik 402, eines Schwellenwertkomparators 404, eines Vorspannungsregisters 406 und eines Verstärkungsregisters 408 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen führt die Kalibrierungssteuereinheit 400 eine Kalibrierungsprozedur (wie etwa die Kalibrierungsprozedur 300) für eine MEMS-Vorrichtung (wie etwa das MEMS-Mikrofon 120) durch und kann eine Ausführung der Kalibrierungssteuereinheit 102 sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die digitale Steuerlogik 402 eine Zustandsmaschine enthalten, die Zustandsregister, eine Logik des nächsten Zustands und eine Ausgangslogik besitzt. Die digitale Steuerlogik 402 kann als eine synchrone Zustandsmaschine ausgeführt sein, die durch ein Taktsignal 416 getaktet wird. In verschiedenen Ausführungsformen empfängt die digitale Steuerlogik ein Steuersignal 418, das der Detektion der Anfangsbedingung entsprechen kann. In einer speziellen Ausführungsform kann das Steuersignal 418 ein links-rechts-Steuersignal für ein Mikrofonsystem sein. Die digitale Steuerlogik 402 empfängt auch ein Kalibrierungsbit 420, das von einem Kalibrierungsspeicherbit oder einem Sicherungsbit, wie etwa zum Beispiel der Sicherung 114 in 1, stammen kann. In einigen Ausführungsformen zeigt das Kalibrierungsbit 420 an, dass eine Kalibrierungsprozedur durchgeführt worden ist, und kann weitere Kalibrierungsprozeduren verhindern.
In der gezeigten Ausführungsform ist die digitale Steuerlogik 420 an den Schwellenwertkomparator 404 gekoppelt, der Informationen bezüglich eines Ausgangspegels einer MEMS-Vorrichtung an den digitalen Steuerblock 402 liefert. Der Schwellenwertkomparator 404 empfängt Informationen über den Ausgangspegel von einem Amplitudeneingang 410. In einer Ausführungsform kann der Amplitudeneingang 410 von einer Messschaltung wie dem ADC 106 in 1 kommen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Schwellenwertkomparator 404 ein Vergleichsergebnis an die digitale Steuerlogik 402 liefern, das anzeigt, dass der Ausgangspegel innerhalb eines Zielbereichs liegt. Der Schwellenwertkomparator 404 kann einen festgelegten Zielbereich oder einen programmierbaren Zielbereich haben.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die digitale Steuerlogik 402 an das Vorspannungsregister 406 und das Verstärkungsregister 408 gekoppelt und kann konfiguriert sein, die Kalibrierungsprozedur 300 durch Ausführen der Kalibrierungszustandsmaschine durchzuführen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die digitale Steuerlogik 402 konfiguriert sein, auf der Grundlage der Informationen, die von dem Schwellenwertkomparator 404 geliefert werden, eine Empfindlichkeit und eine Mitziehspannung einer MEMS-Vorrichtung (wie etwas eines MEMS-Mikrofons 120) zu bestimmen und einen Vorspannungswert und/oder einen Verstärkungswert jeweils mit dem Vorspannungsregister 406 und dem Verstärkungsregister 408 einzustellen. Der eingestellte Vorspannungswert und der eingestellte Verstärkungswert können jeweils über die Ausgänge 412 und 414 an einen Vorspannungsgenerator mit veränderlicher Spannung und einen Verstärker mit veränderlicher Verstärkung geliefert werden.
In einem speziellen Beispiel liefert das Vorspannungsregister 406 über den Ausgang 412 einen Vorspannungswert an die Ladungspumpe 108 in 1 und das Verstärkungsregister 408 liefert über den Ausgang 414 einen Verstärkungswert an den Verstärker 104 in 1. Die speziellen Werte, die durch das Vorspannungsregister 406 und das Verstärkungsregister 408 geliefert werden, werden auf der Grundlage einer Kalibrierungsprozedur, wie etwa der Kalibrierungsprozedur 300, durch die digitale Steuerlogik 402 ausgewählt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kalibrierungszustandsmaschine gemäß der Prozedur 300 unter Verwendung verschiedener Techniken und Komponenten, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, in die digitale Steuerlogik 402 implementiert werden. Zum Beispiel kann die Kalibrierungszustandsmaschine Register, eine Logik des nächsten Zustands und eine Ausgangslogik aufweisen; sie kann als eine Mealy- oder eine Moore-Maschine ausgeführt sein und/oder sie kann verschiedene funktionale analoge oder digitale Blöcke für spezielle Vergleiche, Berechnungen oder andere Schritte aufweisen. 5a–5b stellen Diagramme der Signalform eines Kalibrierungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform dar, einschließlich eines Kalibrierungsschritts 500 und eines Kalibrierungsschritts 501, um ein Vorspannung für eine MEMS-Vorrichtung einzustellen. In speziellen Ausführungsformen können die Kalibrierungsschritte 500 und 501 angewendet werden, um die Vorspannung einzustellen, die durch die Ladungspumpe 108 der Membran 124 des MEMS-Mikrofons 120 in 1 zugeführt wird. 5a und 5b stellen eine Signalform 510 der Empfindlichkeit für ein MEMS-Mikrofon dar, wenn die angelegte Vorspannung erhöht wird. In verschiedenen Ausführungsformen können die Kalibrierungsschritte 500 und 501 den Schritten 328–338 in 3 entsprechen und sie können durchgeführt werden, um die Vorspannung (wie etwa in Schritt 334) und die Verstärkerverstärkung (wie etwa in Schritt 338) während einer Kalibrierungsprozedur einzustellen. 5a zeigt die Zielempfindlichkeit 512 mit einer Vorspannung, die beträchtlich von der Mitziehspannung 520 und der Spitzensensitivität 522 entfernt ist. In einer solchen Ausführungsform kann eine Vorspannung für das MEMS-Mikrofon ausgewählt werden, um die Empfindlichkeit innerhalb eines Bereichs um die Zielempfindlichkeit 512 einzustellen.
5b zeigt eine Zielempfindlichkeit 512 mit einer Vorspannung näher bei der Mitziehspannung 520. In einer solchen Ausführungsform kann die Vorspannung so angepasst werden, dass sie weiter von der Mitziehspannung 520 entfernt ist. Das Einstellen der Vorspannung verursacht, dass das MEMS-Mikrofon eine niedrigere Sensitivität 514 hat. In einer speziellen Ausführungsform ist die Vorspannung so eingestellt, dass sie nicht größer als 70 % der Mitziehspannung 520 ist. In anderen Ausführungsformen kann die Vorspannung auf jeden Prozentsatz der Mitziehspannung 520 eingestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann dann, wenn die Vorspannung eine geringere Empfindlichkeit 514 erzeugt, die Verstärkerverstärkung erhöht werden, um die Systemempfindlichkeit bis zu der Höhe der Zielempfindlichkeit 512 zu erhöhen, ohne die Vorspannung zu erhöhen. In einem speziellen Beispiel kann die Verstärkerverstärkung G für den Verstärker 104 durch einen Ausgang der Kalibrierungssteuereinheit 102 oder der Kalibrierungssteuereinheit 400 eingestellt werden.
6 stellt ein Schema eines weiteren Wandlersystems 600 gemäß einer Ausführungsform dar, einschließlich eines MEMS-Mikrofons 620 und einer Schnittstellenschaltung 610, die einen analogen Ausgang 630 liefert. Weil der Ausgang 630 ein analoger Ausgang ist, wird der ADC 606 nicht zwischen dem Verstärker 604 und dem Ausgang 630 angeordnet. Der ADC 606 kann jede Art von Messschaltung aufweisen und liefert während der Kalibrierungsprozedur Ausgangssignalinformationen an die Kalibrierungssteuereinheit 602. In verschiedenen Ausführungsformen kann der ADC 606 nach der Kalibrierung während des normalen Betriebs deaktiviert oder ausgeschaltet sein. In einigen Ausführungsformen kann der ADC 606 als ein langsamerer oder einfacherer ADC als der ADC106 in 1 ausgeführt sein. Zum Beispiel kann der ADC 106 in 1 unter Verwendung eines Sigma-Delta-ADCs hoher Ordnung mit Nachfilterung ausgeführt sein, um eine Audioleistungsfähigkeit hoher Qualität (z. B. mit einem hohen dynamischen Bereich) zu liefern. In einigen Ausführungsformen kann, weil der ADC 606 kein digitales Ausgangssignal liefert, der ADC 606 nur Amplitudeninformationen liefern und kann mit einem einfachen, leistungsarmen ADC mit schrittweiser Annäherung ausgeführt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der ADC 606 eine Detektionsschaltung einer analogen Amplitude mit einem digitalisierten Ausgang sein. Die anderen Komponenten, die in 6 gezeigt sind, haben eine ähnliche Funktion, wie die, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind.
7 stellt ein Blockdiagramm eines Kalibrierungsverfahrens 700 gemäß einer Ausführungsform dar, das die Schritte 710, 720, 730 und 740 zum Kalibrieren einer MEMS-Vorrichtung und einer Schnittstellenschaltung aufweist. Schritt 710 weist das Anwenden eines bekannten Bezugssignals auf die MEMS-Vorrichtung zum Kalibrieren auf. In einigen Ausführungsformen ist die MEMS-Vorrichtung ein MEMS-Mikrofon und das Bezugssignal kann ein Ton mit 1 kHz und 94 dB SPL sein. Andere Frequenzen und Druckpegel können auch verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Schritte 720, 730 und 740 durch die Schnittstellenschaltung durchgeführt werden und speziell durch eine Kalibrierungszustandsmaschine innerhalb der Schnittstellenschaltung. Schritt 720 weist das Detektieren einer Anfangsbedingung auf. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Anfangsbedingung das Überprüfen eines Schreibschutzspeichers, das Überprüfen einer Zeitsperre nach einem Rücksetzen, das Überprüfen eines Steuersignals und/oder das Detektieren eines speziellen Tons (z. B. ein Ton mit 1 kHz) aufweisen. Die Steuersignale und die Anfangsbedingung können jedes der Elemente, die mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren beschrieben sind, aufweisen. Insbesondere die Ausführungsformen, die mit Bezug auf die Schritte 318 und 326 in 3 beschrieben sind, können in der Anfangsbedingung von Schritt 720 eingeschlossen sein. Schritt 730 weist das Bestimmen einer Vorspannung auf, die an die MEMS-Vorrichtung angelegt wird, um eine spezielle Empfindlichkeit einzustellen. Das Bestimmen der Vorspannung kann das Bestimmen der Mitziehspannung und das Auswählen einer Vorspannung, die ein Prozentsatz der Mitziehspannung ist, aufweisen. In einer speziellen Ausführungsform wird die Vorspannung als 70 % der Mitziehspannung gewählt. Schritt 740 weist das Anlegen der vorbestimmten Vorspannung an die MEMS-Vorrichtung auf. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Zuführen der Vorspannung an die MEMS-Vorrichtung das Einstellen des Wertes eines Vorspannungsgenerators, der an ein MEMS-Mikrofon gekoppelt ist, auf einen Wert aus einem Speicher aufweisen. Zusätzliche Ausführungsformen können das Einstellen einer Verstärkerverstärkung und das gemeinsame Messen der Empfindlichkeit der MEMS-Vorrichtung und der Schnittstellenschaltung aufweisen (nicht gezeigt).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist eine Schnittstellenschaltung einen Vorspannungsgenerator mit veränderlicher Spannung, der konfiguriert ist, an einen Wandler gekoppelt zu sein, eine Messschaltung, die konfiguriert ist, an einen Ausgang des Wandlers gekoppelt zu sein, und eine Kalibrierungssteuereinheit, die an den Vorspannungsgenerator und die Messschaltung gekoppelt ist, auf. Die Messschaltung ist konfiguriert, eine Ausgangsamplitude des Wandlers zu messen, und die Kalibrierungssteuereinheit ist konfiguriert, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung während eines Selbstkalibrierungsdurchlaufs einzustellen.
In einigen Ausführungsformen weist die Schnittstellenschaltung den Wandler auf. Die Kalibrierungssteuereinheit kann konfiguriert sein, eine Anfangsbedingung des Kalibrierungsablaufs zu detektieren, eine Mitziehspannung des Wandlers zu bestimmen, auf der Grundlage der Mitziehspannung eine festgelegte Vorspannung zu bestimmen und die festgelegte Vorspannung dem Wandler zuzuführen. Die Schnittstellenschaltung kann auch einen Verstärker aufweisen, der konfiguriert ist, an den Wandler, die Kalibrierungssteuereinheit und die Messschaldung gekoppelt zu sein. In einigen Ausführungsformen weist die Messschaltung einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) auf. Die Kalibrierungssteuereinheit kann auch konfiguriert sein, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstelleneinheit zu bestimmen und die Verstärkerverstärkung anzupassen, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
In einigen Ausführungsformen weist der Wandler eine erste kapazitive Platte, die an den Verstärker gekoppelt ist, und eine zweite kapazitive Platte, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist, auf. Die Schnittstellenschaltung kann auch eine Vorspannungsquelle aufweisen, die an die erste kapazitive Platte und den Verstärker gekoppelt ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind der Vorspannungsgenerator, die Messschaltung und die Kalibrierungssteuereinheit alle auf derselben integrierten Schaltung aufgebracht. Die Kalibrierungssteuereinheit kann eine digitale Steuerlogik aufweisen, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist. Die Kalibrierungssteuereinheit kann ferner einen Vorspannungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und einen Schwellenwertkomparator, der an die digitale Steuerlogik und die Messschaltung gekoppelt ist, aufweisen. Die Schnittstellenschaltung kann auch eine Schreibschutzsicherung aufweisen, die konfiguriert ist, den Selbstkalibrierungsdurchlauf zu deaktivieren, wenn ein erster Selbstkalibrierungsdurchlauf durchgeführt wurde.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wandlers das Zuführen eines Bezugseingangssignals zum Kalibrieren an den Wandler und das Durchführen einer Selbstkalibrierungsprozedur auf. Die Selbstkalibrierungsprozedur kann das Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur, das Bestimmen einer festgelegten Vorspannung und das Zuführen der festgelegten Vorspannung an den Wandler aufweisen. Das Verfahren kann auch das Anbringen einer Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung an den Wandler aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist das Bestimmen einer festgelegten Vorspannung das Bestimmen einer Mitziehspannung des Wandlers und das Berechnen einer festgelegten Vorspannung auf der Grundlage der Mitziehspannung auf.
Gemäß weiterer Ausführungsformen kann das Verfahren auch das Bestimmen einer Empfindlichkeit des Wandlers zum ersten Mal und das Anpassen einer Verstärkerverstärkung aufweisen, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist. Das Verfahren kann das Bestimmen der Empfindlichkeit des Wandlers zum zweiten Mal und das Verhindern einer weiteren Kalibrierung aufweisen, wenn die das zweite Mal berechnete Empfindlichkeit innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist. Das Verfahren kann das Anzeigen einer fehlgeschlagenen Kalibrierung aufweisen, wenn die das zweite Mal berechnete Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
In einigen Ausführungsformen weist das Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur das Überprüfen eines Kalibrierungsspeicherbits und das Detektieren eines ersten Steuersignalwerts auf. Das Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur kann auch das Überprüfen eines Kalibrierungsspeicherbits und das
Detektieren des Bezugseingangssignals aufweisen. Das Bezugseingangssignal kann einen Ton mit einer ersten Frequenz und einem ersten Schalldruckpegel aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Verfahren das abwechselnde Erhöhen einer Vorspannung, die dem Wandler zugeführt wird, und Messen eines Ausgangssignals, das durch das Zuführen des Bezugseingangssignal erzeugt wird, das Detektieren eines ersten Schwellenwerts, an dem das gemessene Ausgangssignal abnimmt, und das Berechnen einer festgelegten Vorspannung auf der Grundlage des ersten Schwellenwerts auf. Das Verfahren kann auch das Bestimmen einer Empfindlichkeit des Wandlers zum ersten Mal, das Anpassen einer Verstärkerverstärkung, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereich ist, das Bestimmen der Empfindlichkeit des Wandlers zum zweiten Mal, das Verhindern einer weiteren Kalibrierung, wenn die zum zweiten Mal berechnete Empfindlichkeit innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist, und das Anzeigen einer fehlgeschlagenen Kalibrierung, wenn die zum zweiten Mal berechnete Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist, aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist das Wandlersystem ein MEMS-Mikrofon, das eine Rückplatte mit einem ersten Anschluss und eine Membran mit einem zweiten Anschluss besitzt, und eine Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung auf. Die Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung kann einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC), einen Vorspannungsgenerator, der an den zweiten Anschluss gekoppelt ist, und eine Kalibrierungszustandsmaschine, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist, aufweisen.
Der Vorspannungsgenerator kann konfiguriert sein, eine Selbstkalibrierungsprozedur durchzuführen, die das Bestimmen einer Mitziehspannung des MEMS-Mikrofons und das Einstellen des Vorspannungsgenerators auf der Grundlage der bestimmten Mitziehspannung aufweist. In einigen Ausführungsformen sind der ADC, der Vorspannungsgenerator und die Kalibrierungszustandsmaschine auf derselben integrierten Schaltung aufgebracht.
Das Wandlersystem kann auch einen Verstärker aufweisen, der an den ersten Anschluss und den ADC gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen ist die Kalibrierungszustandsmaschine an den Verstärker gekoppelt und kann konfiguriert sein, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung mit einem Zielempfindlichkeitsbereich zu vergleichen und die Verstärkerverstärkung zu ändern, wenn die Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung außerhalb des Zielempfindlichkeitsbereich ist. Die Kalibrierungszustandsmaschine kann eine digitale Steuerlogik, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist, einen Vorspannungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und einen Schwellenwertkomparator, der an die digitale Steuerlogik und den ADC gekoppelt ist, aufweisen. Die Kalibrierungszustandsmaschine kann auch einen Verstärkerverstärkungsspeicher aufweisen, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und die digitale Steuerlogik kann an den Verstärker gekoppelt sein. In verschiedenen Ausführungsformen sind das MEMS-Mikrofon und die Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung auf derselben integrierten Schaltung aufgebracht.
Vorteile einiger Ausführungsformen weisen die Fähigkeit auf, den Signalweg eines Audiosystems zu kalibrieren, ohne eine externe Messung und/oder Kalibrierungsausrüstung zu verwenden. Insbesondere eine externe Schnittstellensteuereinheit, ein externer Steuerschalter und externe Schnittstellenschaltungen, die auf dem Schnittstellenchip ausgeführt sind, sind nicht notwendig, um eine Kalibrierung in einigen Ausführungsformen durchzuführen. Ein weiterer Vorteil in einigen Ausführungsformen ist eine kürzere Testzeit, weil ein großer Abschnitt des Kalibrierungsprozesses ohne den übermäßigen Schnittstellen-Bus-Verkehr auftritt, der durch einen externen Tester verursacht wird:
Obwohl diese Erfindung mit Bezug auf die veranschaulichenden Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist diese Beschreibung nicht dafür bestimmt, in einem beschränkenden Sinne ausgelegt zu werden. Sowohl verschiedene Änderungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen als auch andere Ausführungsformen der Erfindung werden für den Fachmann auf dem Gebiet nach dem Bezug auf die Beschreibung ersichtlich werden. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche jede solcher Änderungen und Ausführungsformen umfassen.

Claims

Schnittstellenschaltung, die Folgendes umfasst: einen Vorspannungsgenerator mit veränderlicher Spannung, der konfiguriert ist, an einen Wandler gekoppelt zu sein; eine Messschaltung, die konfiguriert ist, an einen Ausgang des Wandlers gekoppelt zu sein, wobei die Messschaltung konfiguriert ist, eine Ausgangsamplitude des Wandlers zu messen, und eine Kalibrierungssteuereinheit, die an den Vorspannungsgenerator und die Messschaltung gekoppelt ist, wobei die Kalibrierungssteuereinheit konfiguriert ist, eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung während eines Selbstkalibrierungsdurchlaufs einzustellen.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 1, die ferner den Wandler umfasst.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 2, wobei die Kalibrierungssteuereinheit ferner konfiguriert ist: eine Anfangsbedingung des Kalibrierungsablaufs zu detektieren; eine Mitziehspannung des Wandlers zu bestimmen; eine festgelegte Vorspannung auf der Grundlage der Mitziehspannung zu bestimmen und die festgelegte Vorspannung dem Wandler zuzuführen.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 3, die ferner einen Verstärker umfasst, der konfiguriert ist, an den Wandler, die Kalibrierungssteuereinheit und die Messschaltung gekoppelt zu sein.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 4, wobei die Messschaltung einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) umfasst.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Kalibrierungssteuereinheit ferner konfiguriert ist: eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung zu bestimmen und die Verstärkerverstärkung anzupassen, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Schnittstellenschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Wandler eine erste kapazitive Platte, die an den Verstärker gekoppelt ist, und eine zweite kapazitive Platte, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist, umfasst.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 7, die ferner eine Vorspannungsquelle umfasst, die an die erste kapazitive Platte und den Verstärker gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorspannungsgenerator, die Messschaltung und die Kalibrierungssteuereinheit alle auf derselben integrierten Schaltung aufgebracht sind.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierungssteuereinheit eine digitale Steuerlogik umfasst, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach Anspruch 10, wobei die Kalibrierungssteuereinheit ferner Folgendes umfasst: einen Vorspannungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und einen Schwellenwertkomparator, der an die digitale Steuerlogik und die Messschaltung gekoppelt ist.
Schnittstellenschaltung nach einem der vorhergehenden Anschlüsse, die ferner eine Schreibschutzsicherung umfasst, wobei die Schreibschutzsicherung konfiguriert ist, den Selbstkalibrierungsdurchlauf zu deaktivieren, nachdem ein erster Selbstkalibrierungsdurchlauf durchgeführt wurde.
Verfahren zum Kalibrieren eines Wandlers, das Folgendes umfasst: Zuführen eines Bezugseingangssignals zum Kalibrieren an den Wandler und Durchführen einer Selbstkalibrierungsprozedur, die Folgendes umfasst: Detektieren einer Anfangsbedingung der Kalibrierungsprozedur; Bestimmen einer festgelegten Vorspannung und Zuführen der festgelegten Vorspannung an den Wandler.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Koppeln einer Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung an den Wandler umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Bestimmen einer festgelegten Vorspannung Folgendes umfasst: Bestimmen einer Mitziehspannung des Wandlers und Berechnen einer festgelegten Vorspannung auf der Grundlage der Mitziehspannung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das ferner Folgendes umfasst: Bestimmen einer Empfindlichkeit des Wandlers zum ersten Mal und Anpassen einer Verstärkerverstärkung, wenn die Empfindlichkeit nicht innerhalb eines Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Wandlersystem, das Folgendes umfasst: ein mikroelektromechanisches System-(MEMS)-Mikrofon, das eine Rückplatte mit einem ersten Anschluss und eine Membran mit einem zweiten Anschluss besitzt, und eine Selbstkalibrierungsschnittstellenschaltung, die Folgendes umfasst: einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC); einen Vorspannungsgenerator, der an den zweiten Anschluss gekoppelt ist, und eine Kalibrierungszustandsmaschine, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist und konfiguriert ist, eine Selbstkalibrierungsprozedur durchzuführen, die Folgendes umfasst: Bestimmen einer Mitziehspannung des MEMS-Mikrofons und Einstellen des Vorspannungsgenerators auf der Grundlage der bestimmten Mitziehspannung; wobei der ADC, der Vorspannungsgenerator und die Kalibrierungszustandsmaschine auf derselben integrierten Schaltung angeordnet sind.
Wandlersystem nach Anspruch 17, das ferner einen Verstärker umfasst, der an den ersten Anschluss und den ADC gekoppelt ist.
Wandlersystem nach Anspruch 18, wobei die Kalibrierungszustandsmaschine an den Verstärker gekoppelt ist und ferner konfiguriert ist: eine Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung mit einem Zielempfindlichkeitsbereich zu vergleichen und die Verstärkerverstärkung zu ändern, wenn die Empfindlichkeit des Wandlers und der Schnittstellenschaltung außerhalb des Zielempfindlichkeitsbereichs ist.
Wandlersystem nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Kalibrierungszustandsmaschine Folgendes umfasst: eine digitale Steuerlogik, die an den Vorspannungsgenerator gekoppelt ist; einen Vorspannungsspeicher, der an die digitale Steuerlogik gekoppelt ist, und einen Schwellenwertkomparator, der an die digitale Steuerlogik und den ADC gekoppelt ist.