DE112012005578B4

DE112012005578B4 - Differenzielles Mikrofon und Verfahren zum Ansteuern eines differenziellen Mikrofons

Info

Publication number: DE112012005578B4
Application number: DE112012005578.0T
Authority: DE
Inventors: Jelena Citakovic Haas-Christensen; Tomasz Hanzlik; Ivan Riis Nielsen; Daifi Haoues Sassene; Tomasz Marczak
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2032-01-06
Also published as: JP2015507877A; US9693135B2; WO2013102499A1; DE112012005578T5; US20150016635A1; JP5986221B2

Abstract

Differenzielles Mikrofon (MIC), umfassend
- eine erste Mikrofonelektrode (E1), eine mittlere Mikrofonelektrode (EC) und eine zweite Mikrofonelektrode (E2),
- einen differenziellen Ausgangsport (DOP),
- eine differenzielle Verstärkerstufe (AS) mit einem differenziellen Eingangsport (DIP) und einem differenziellen Ausgangsport, die mit dem Ausgangsport (DOP) des Mikrofons (MIC) verbunden ist,
- eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung (CMFBC) mit einem differenziellen Ausgangsport, verbunden mit dem Ausgangsport des Mikrofons (MIC),
- ein erstes Widerstandselement (RE1), verbunden zwischen einem ersten Anschluss (TOUT1) des Ausgangsportes (DOP) und einem ersten Anschluss (TIN1) des Eingangsportes (DIP),
- ein zweites Widerstandselement (RE2), verbunden zwischen einem zweiten Anschluss (TOUT2) des Ausgangsportes (DOP) und einem zweiten Anschluss (TIN2) des Eingangsportes (DIP), wobei
- das erste (RE1) und das zweite (RE2) Widerstandselement Teil einer Verstärker-Rückkopplungsschaltung (AFC) sind und
- die Widerstandselemente (RE1, RE2) eine erste Diode und eine zweite Diode umfassen, die parallel und in gegengesetzter Richtung zur ersten Diode angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf differenzielle Mikrofone und Verfahren zum Ansteuern solcher Mikrofone. Die Erfindung bezieht sich weiter auf Mittel zum Koppeln von differenziellen Kondensatormikrofonen, z.B. MEMS- (MEMS = mikro-elektromechanische Systeme) oder Elektret-Kondensatormikrofonen.
Mikrofone, wie etwa MEMS-Mikrofone, umfassen eine perforierte Rückplatte und eine flexible Membran. Die Rückplatte und die Membran bilden Elektroden eines Kondensators. Empfangene Tonsignale induzieren Schwingungen der Membran. Aufgrund entsprechender induzierter Schwingungen der Kapazität können akustische Signale in elektrische Signale umgewandelt werden. Um die Signalqualität von MEMS-Mikrofonen zu verbessern, können Doppelrückplatten-Mikrofone oder Doppelmembran-Mikrofone geschaffen werden. Bei Doppelrückplatten-Mikrofonen ist die Membran zwischen zwei perforierten Rückplatten angeordnet; bei Doppelmembran-Mikrofonen ist eine perforierte Rückplatte zwischen zwei flexiblen Membranen angeordnet. In jedem Fall ist ein Mikrofon erhalten, das zwei Kondensatoren umfasst und einen differenziellen Ausgangsport vorsieht. Ein differenzieller Port umfasst zwei Anschlüsse, wobei jeder Anschluss hauptsächlich denselben Absolutwert einer Spannung oder eines Stroms vorsieht, aber mit entgegengesetzter Polarität. Wenn Signale über differenzielle Signalanschlüsse oder Signalpfade übertragen werden, können Gleichtaktstörungen leicht eliminiert werden.
Obwohl Mikrofone mit differenziellen Anschlüssen eine bessere Signalqualität vorsehen, ist ihr Gebrauch, im Gegensatz zu einfacheren Mikrofonen mit einem einzigen Kondensator als akustisch-elektrischem Wandler, noch nicht im Markt verbreitet; deshalb wurde Verfahren zum Koppeln solcher Mikrofone noch nicht viel Arbeit gewidmet. Daher bestehen ungelöste Probleme bezüglich des Empfangens und Verstärkens der Signale von einem differenziellen Mikrofon.
Mikrofone, die Differentialsignale vorsehen, sind aus den Druckschriften US 4,757,545 , US 2008/0310655 A1 oder US 2010/254544 A bekannt.
Aus der US 2007/0018318 A1 sind Verfahren zum Integrieren von Herstellungsschritten für Schaltungskomponenten eines differenziell arbeitenden Mikrofons in Standardprozesse bekannt.
Aus der EP 0138261 A2 sind differenziell arbeitende Verstärker mit Gleichtakt-Feedback bekannt.
Da ein differenzielles MEMS-Mikrofon elektrisch zwei Kondensatoren darstellt, müssen seine Elektroden vorgespannt sein. Eine begleitende Koppelschaltung, die mit den Elektroden des Kondensators verbunden ist, kann eine Vorspannung für den Kondensator vorsehen. In vorhergehenden Arbeiten erfolgt Vorspannen durch Verbinden eines Widerstandselements mit großem Widerstandswert zwischen den Elektroden und Masse.
Es bestehen Probleme, die mit Empfangen und Verstärken eines differenziellen Mikrofonsignals verbunden sind, wie etwa ein Beaufschlagen des differenziellen Mikrofons mit einer Vorspannung (Vorspannen mit einer Bias-Spannung), Festlegung der Verstärkung des Verstärkers, Einfluss der parasitären Kapazitäten an den Koppelknoten, Impedanzwandlung der differenziellen Mikrofon-Kapazitäten, Erreichen von Rauscharmut und niedriger Eckfrequenz des Verstärker-Frequenzgangs.
Die Signalqualität hängt von der Qualität der Vorspannung der akustischen Kondensatoren ab. Weiter hängt die Signalqualität von der Qualität der Gleichtakt-Ausgangsspannung ab. Benötigt ist ein differenzielles Mikrofon mit einer verbesserten Vorspannung der akustischen Kondensatoren des Mikrofons und einer besser definierten Gleichtakt-Ausgangsspannung sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Mikrofons.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein differenzielles Mikrofon zu schaffen, das differenzielle Signale von den akustischen Kondensatoren des Mikrofons verarbeiten kann, das eine wohl definierte Vorspannung für die Elektroden der Kondensatoren vorsehen kann, und das in der Lage ist, eine wohl definierte Gleichtakt-Ausgangsspannung vorzusehen. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verstärkung des differenziellen Mikrofonsignals mit wohl definierter Verstärkung, d.h. einem wohl definierten Verstärkungsfaktor, zu schaffen.
Daher schafft die vorliegende Erfindung ein differenzielles Mikrofon und ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Mikrofons gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Abhängige Ansprüche schaffen bevorzugte Ausführungsformen davon.
Ein differenzielles Mikrofon umfasst eine erste Mikrofonelektrode, eine mittlere Mikrofonelektrode und eine zweite Mikrofonelektrode. Das Mikrofon umfasst weiter einen differenziellen Ausgangsport und eine differenzielle Verstärkerstufe. Die Verstärkerstufe weist einen differenziellen Eingangsport und einen differenziellen Ausgangsport auf und ist mit dem Ausgangsport des Mikrofons verbunden. Das Mikrofon umfasst weiter eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung mit einem differenziellen Ausgangsport, verbunden mit dem Ausgangsport des Mikrofons.
Die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung sieht eine wohl definierte Gleichtakt-Rückkopplungsspannung vor.
Ein solches Mikrofon sieht Mittel zum Koppeln eines differenziellen Mikrofons durch den dargelegten elektrischen Schaltkreis vor. Das Mikrofon löst bestehende Aufgaben, die mit Empfangen und Verstärken eines differenziellen Mikrofonsignals verbunden sind, wie etwa Vorspannen des differenziellen Mikrofons, Definition der Verstärkung des Verstärkers, Einfluss der parasitären Kapazitäten an den Koppelknoten, Impedanzwandlung der differenziellen Mikrofon-Kapazitäten, Erreichen von Rauscharmut und niedriger Eckfrequenz des Verstärker-Frequenzgangs.
Somit weist das Mikrofon einen Verstärker auf, der mit den Mikrofonelektroden verbunden ist und eine Vorspannung für die Kondensatoren und eine Gleichtakt-Ausgangsspannung für weitere Schaltkreise vorsieht, die die verstärkten elektrischen Signale verarbeiten, welche die empfangenen akustischen Signale ausdrücken.
In diesem Zusammenhang bezeichnet eine Verbindung eine elektrische Verbindung zwischen Schaltkreiselementen.
In einer Ausführungsform ist ein erster Anschluss des differenziellen Eingangsportes des Verstärkers mit der ersten Mikrofonelektrode verbunden, und ein zweiter Anschluss des differenziellen Eingangsportes des Verstärkers ist mit der zweiten Mikrofonelektrode verbunden.
Diese Lösung eines verbesserten Mikrofons kann auf einer Anordnung beruhen, in der die Mikrofonelektroden elektrisch mit einer integrierten MOS-Schaltung (MOS = metal-oxidesemiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter) gekoppelt sind.
In einer Ausführungsform weist die Verstärkerstufe einen Steuerport auf, und die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung ist mit dem Steuerport der Verstärkerstufe verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst das differenzielle Mikrofon weiter ein erstes Widerstandselement und ein zweites Widerstandselement. Das erste Widerstandselement ist zwischen einem ersten Anschluss des Ausgangsportes und einem ersten Anschluss des Eingangsportes verbunden. Das zweite Widerstandselement ist zwischen einem zweiten Anschluss des Ausgangsportes und einem zweiten Anschluss des Eingangsportes verbunden. Das erste und das zweite Widerstandselement sind Teil einer Verstärker-Rückkopplungsschaltung.
Weiter können ein erstes und ein zweites kapazitives Element parallel zu den Rückkopplungs-Widerstandselementen verbunden sein.
Somit ist die Rückkopplungsschaltung mit den akustischen Kondensatoren verbunden, und das Mikrofon umfasst eine kapazitive Rückkopplung, da die Mikrofonkondensatoren als Teil der Rückkopplungsschaltung betrachtet werden können.
In einer Ausführungsform umfassen die Widerstandselemente eine erste Diode und eine zweite Diode, die parallel und in gegengesetzter Richtung zur ersten Diode angeschlossen ist. Die Richtung der zweiten Diode kann entgegengesetzt zu derjenigen der ersten Diode sein.
Die Widerstandselemente weisen einen Widerstandswert R_F von mehr als 10 GΩ auf. Diese Anforderung ist benötigt, weil der Widerstand die Rauscheigenschaften des Mikrofon-Vorverstärkers nicht verschlechtern sollte. Außerdem sollte, um vorzusehen, dass der Verstärker im gesamten Audio-Band arbeitet, die Eckfrequenz des Mikrofonverstärkers (umgekehrt proportional zur Größe des Widerstands) recht niedrig sein, z.B. < 20 Hz.
Der Spannungsabfall über auf diese Weise angeschlossenen Dioden liegt nahe bei Null, und ein Widerstandselement ist erhalten, das einen sehr großen Widerstandswert aufweist. Dieses Widerstandselement kann auch eine Reihe von Dioden-Widerstandselementen sein oder kann auf verschiedene Weisen als eine Reihen- oder Parallelschaltung von Transistor- oder Diodenelementen ausgeführt sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung einen Gleichtaktspannungsport zum Einstellen und Justieren der Gleichtaktspannung am Ausgang der Verstärkerstufe.
Das differenzielle Mikrofon umfasst einen differenziellen Signalport, der mit seinen doppelten Rückplatten oder - im Falle eines Doppelmembranmikrofons - seinen doppelten Membranen verbunden ist. Seine mittlere Elektrode wird auf einer konstanten Spannung gehalten, die Signalmasse darstellt. Die Vorspannung wird durch die elektronische Schaltung des Verstärkers des Mikrofons erzeugt. Ein Dickson-Spannungsvervielfacher, gefolgt von einem Tiefpassfilter, könnte für MEMS-Mikrofone verwendet werden; Elektret-Kondensatormikrofone benötigen diese hohe Vorspannung nicht.
Die Verstärkerstufe kann einen vollständig differenziellen Operationsverstärker umfassen. Die erste und die zweite akustische Elektrode sind mit den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers verbunden. Die differenzielle Verstärkung des Operationsverstärkers ist typischerweise größer als 1000. Die Verstärkerstufe kann eine Standard-MOS-Topologie aufweisen, wie etwa die eines gefalteten Kaskodenverstärkers.
Die Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers ist über den Gleichtaktspannungsport durch die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung des Verstärkers bestimmt. Normalerweise ist die durch den Gleichtaktspannungsport bestimmte Gleichspannung am Ausgang des Verstärkers auf die Hälfte einer Stromversorgungsspannung des Mikrofons eingestellt.
Die Gleich-Vorspannung des akustischen Kondensators kann auf demselben Chip der integrierten Schaltung erzeugt werden. Über den Gleichtakt-Steuerport wird die Gleichspannung des Ausgangs der Verstärkerstufe und des differenziellen Ausgangsportes des Mikrofons auf einen Wert eingestellt, der über den Gleichtakt-Steuerport definiert ist. Dieselbe Gleichspannung erscheint an den Kondensatoren des Mikrofons, d.h. der Spannungsabfall über RE ist nahe Null. Auf diese Weise ist die Gleichspannung des Mikrofonkondensators wohl definiert und kann außerdem justiert werden.
In einer Ausführungsform ist der differenzielle Eingangsport der Verstärkerstufe mit Gates eines differenziellen MOS-Transistorpaars verbunden. Das Rauschen dieser mit den Mikrofonelektroden verbundenen Transistoren sollte niedrig sein. Oft ist zu besserem Rauschverhalten eine P-MOS-Eingangsstufe verwendet.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon ein erstes Kapazitätselement und ein zweites Kapazitätselement. Das erste Kapazitätselement ist zwischen einem ersten Anschluss des Ausgangsportes und einem ersten Anschluss des Eingangsportes der Verstärkerstufe verbunden. Das zweite Kapazitätselement ist zwischen einem zweiten Anschluss des Ausgangsportes und einem zweiten Anschluss des Eingangsportes der Verstärkerstufe verbunden. Das erste und das zweite Kapazitätselement sind Teil einer Verstärker-Rückkopplungsschaltung.
Die Kapazitätselemente können eine Kapazität C_F zwischen 0,05 pF und 10 pF aufweisen.
Weiter ist der Verstärkungsfaktor hauptsächlich proportional zu $(U_{AUS+} - U_{AUS-}) / (U_{M1} - U_{M2}) \approx C_{M} / C_{F}$
Somit ist die Verstärkung des Mikrofons unabhängig von parasitären Kapazitäten des Kondensators. Hier sind U_aus+ und U_aus - die Ausgangsspannungen an den differenziellen Ausgangsanschlüssen. U_M1 - U_M2 ist die Spannung, die an die Kombination der Kondensatoren angelegt ist, die aus zwei Rückplatten und einer Membran dazwischen aufgebaut sind. CM ist die Kapazität jedes einzelnen Kondensators, umfassend die Membran und eine Rückplatte.
Eine gewünschte Eigenschaft des beschriebenen Mikrofons besteht darin, dass die Verstärkung über das erste und das zweite Kapazitätselement als Rückkopplungskondensatoren mit einer Kapazität C_F justiert werden kann. In diesem Fall kann C_F mit einer beliebigen Art Schalteranordnung verbunden sein, durch die der Wert von C_F verändert, d.h. programmiert, werden kann, um variable Verstärkung zu ergeben.
Die Eckfrequenz ω_Eck eines Mikrofonverstärkers kann dann angegeben werden als $ω_{Eck} = 1 / (C_{F} R_{F})$
wobei C_F die Kapazität des ersten oder des zweiten Kapazitätselements ist und R_F der Widerstandswert des ersten oder des zweiten Widerstandselements ist. Somit kann mit einer solchen Rückkopplungsanordnung die Eckfrequenz ω_Eck 20 Hz oder weniger betragen. Somit ist eine niedrige Eckfrequenz ω_Eck erreicht.
Der erste Anschluss und der zweite Anschluss bilden die beiden Anschlüsse eines differenziellen Signalportes des Operationsverstärkers. In diesem Fall ist der Operationsverstärker in einer Rückkopplungsanordnung verbunden, in der das Rückkopplungsnetzwerk zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem Eingang des Operationsverstärkers ein Widerstandselement mit einem sehr großen Widerstandswert parallel zum Rückkopplungskondensator umfasst.
Ein Zweck des großen Widerstandswerts ist es, einen Gleichstrompfad vom Operationsverstärkereingang zum -ausgang vorzusehen. Gleichzeitig sieht dieses Widerstandselement einen Gleichstrompfad von den Mikrofonelektroden durch den Ausgang des Verstärkers nach Masse vor. Unter Berücksichtigung dessen, dass die Ausgangsgleichspannung des Verstärkers durch seine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung eingestellt ist, ist ein Mikrofonverstärker geschaffen, bei dem eine Verstärkerstufe und eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung kombiniert sind, um die Signalqualität eines Mikrofons zu verbessern. Eine solche Kombination ermöglicht eine stabile und wohl definierte Gleich-Vorspannung für einen Kondensator eines Mikrofons. Die Vorspannung wird an den Kondensator über den Eingangsport der Verstärkerstufe angelegt. Weiter sieht die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung eine stabile und wohl definierte Gleichtakt-Ausgangsspannung vor, um das weitere Verarbeiten der elektrischen Signale zu verbessern.
Weiter sieht ein solcher Mikrofonverstärker Impedanzwandlung kapazitiver Impedanzen des Kondensators des Mikrofons vor. Da eine vollständig differenzielle Topologie verwendet wurde, können ein niedriger Klirrfaktor und eine gute Versorgungsspannungsunterdrückung, d.h. eine gute Unempfindlichkeit gegen Gleichtaktstörungen von der Stromversorgung, erreicht werden.
In einer Ausführungsform sind die erste Mikrofonelektrode, die mittlere Mikrofonelektrode und die zweite Mikrofonelektrode Elemente des akustisch aktiven Teils eines MEMS-Mikrofons oder eines Elektret-Kondensatormikrofons.
Das Mikrofon kann in MEMS-Technik auf einem Silizium-Chip hergestellt sein und Schaltkreiselemente umfassen, die im CMOS-Verfahren voll in einem IC-Chip integriert sind, z.B. einem ASIC-Chip (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit, anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Die beiden Chips sind zusammen in einem Gehäuse verpackt. Das MEMS-Mikrofon und die integrierte CMOS-Schaltung können auch auf demselben Siliziumsubstrat hergestellt sein, d.h. als ein einziger Chip. Ein getrennter CMOS-Chip mit den beschriebenen Schaltkreisen kann auch an ein Elektret-Kondensatormikrofon angeschlossen sein, um den beschriebenen Verstärker zu bilden. In allen Fällen kann der Verstärker mit der beschriebenen Rückkopplung einen Verstärkungsfaktor von 1 bis 20 vorsehen. In allen Fällen kann das differenzielle Mikrofon eine Membran und zwei Rückplatten oder eine Rückplatte und zwei Membranen aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst das Mikrofon weiter ein drittes Kapazitätselement, das zwischen einem ersten Anschluss des Eingangsportes der Verstärkerstufe und der ersten Mikrofonelektrode verbunden ist, und ein viertes Kapazitätselement, das zwischen einem zweiten Anschluss des Eingangsportes der Verstärkerstufe und der zweiten Mikrofonelektrode (E2) verbunden ist. Das dritte und das vierte Kapazitätselement können Kapazitäten zwischen 1 pF und 100 pF aufweisen.
Somit ist es möglich, durch diese Gleichspannungs-Sperrkondensatoren empfindliche Schaltkreiselemente des Eingangsportes des Verstärkers von den Elektroden des Kondensators des Mikrofons zu trennen. Insbesondere während Fertigungsschritten und beim Anlegen hoher Vorspannung an das Mikrofon ist der Verstärker vor hohen Gleichspannungen an seinen Eingangsknoten geschützt, die das Gate-Oxid der Eingangstransistoren beschädigen könnten.
In einer Ausführungsform ist ein drittes Widerstandselement zwischen der ersten Mikrofonelektrode und einer hohen Vorspannung verbunden, die durch eine integrierte Schaltung erzeugt ist. Die erste Mikrofonelektrode und die zweite Mikrofonelektrode sind elektrisch verbunden. Somit sind die Elektroden des akustischen Kondensators mit einer Vorspannung verbunden, die auf dem Chip erzeugt sein kann.
In einer Ausführungsform ist die Verstärkerstufe ein gefalteter Kaskodenverstärker, umfassend einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten, einen fünften, einen sechsten, einen siebenten, einen achten, einen neunten, einen zehnten und einen elften Transistor, wobei der erste, der zweite und der dritte Transistor mit einer Stromversorgung verbunden sind. Der vierte Transistor ist zwischen dem zweiten und dem sechsten Transistor verbunden, und der fünfte Transistor ist zwischen dem dritten Transistor und dem siebenten Transistor verbunden. Der achte Transistor ist zwischen dem sechsten Transistor und Masse verbunden, und der neunte Transistor ist zwischen dem siebenten Transistor und Masse verbunden. Der zehnte Transistor ist zwischen dem ersten Transistor und dem achten Transistor verbunden, und der elfte Transistor ist zwischen dem ersten Transistor und dem neunten Transistor verbunden. Der achte Transistor und der neunte Transistor sind mit einem Steuerport verbunden.
Diese Schaltung ist als Beispiel dargelegt, während es möglich ist, viele andere Verstärkerstufen-Ausführungsformen mit hoher Verstärkung zu verwenden, die in der Literatur zu finden sind, die das technische Gebiet beschreibt. Die Verstärkerstufe kann so gestaltet sein, dass sie die optimalen Rauscharmutseigenschaften aufweist, wenn sie mit dem Mikrofon zusammengeschaltet ist. Der Verstärker ist gewöhnlich ausgelegt, bei niedriger Spannung und mit niedrigem Stromverbrauch zu arbeiten.
In einer Ausführungsform umfasst die Verstärkerstufe einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten, einen fünften, einen sechsten, einen siebenten, einen achten, einen neunten, einen zehnten, einen elften und einen zwölften Transistor. Der erste Transistor und der zweite Transistor sind mit einer Stromversorgung verbunden. Der dritte Transistor ist zwischen dem ersten und dem siebenten Transistor verbunden, und der vierte Transistor ist zwischen dem zweiten Transistor und dem neunten Transistor verbunden. Der fünfte Transistor ist zwischen dem ersten Transistor und dem achten Transistor verbunden, und der sechste Transistor ist zwischen dem zweiten Transistor und dem achten Transistor verbunden. Der siebente Transistor ist zwischen dem dritten Transistor und dem zehnten Transistor verbunden, und der neunte Transistor ist zwischen dem vierten Transistor und dem zwölften Transistor verbunden. Der achte Transistor ist mit dem elften Transistor verbunden. Der zehnte Transistor, der elfte Transistor und der zwölfte Transistor sind mit Masse verbunden. Der zehnte Transistor, der elfte Transistor und der zwölfte Transistor sind mit einem Steuerport verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst die Verstärkerstufe einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten, einen fünften, einen sechsten, einen siebenten und einen achten Transistor. Der erste und der zweite Transistor sind mit einer Stromversorgung verbunden. Der dritte Transistor ist zwischen dem ersten Transistor und dem siebenten Transistor verbunden. Der vierte Transistor ist zwischen dem zweiten Transistor und dem siebenten Transistor verbunden. Der fünfte Transistor ist zwischen dem ersten Transistor und dem achten Transistor verbunden. Der sechste Transistor ist zwischen dem zweiten Transistor und dem achten Transistor verbunden. Der siebente Transistor und der achte Transistor sind mit Masse verbunden.
Diese Schaltung ist als Beispiel dargelegt, während es möglich ist, viele andere Gleichtakt-Rückkopplungs-Ausführungsformen zu verwenden, die in der Literatur zu finden sind, die das technische Gebiet beschreibt. Geschaltete Kondensator-Gleichtakt-Rückkopplung könnte ebenso verwendet werden.
In einer Ausführungsform sind alle Schaltkreiselemente des Verstärkers vollständig in einem CMOS-ASIC-Chip integriert. Der Chip kann in einem Standard-CMOS-Verfahren hergestellt sein.
Der CMOS-Schaltkreis-Chip ist zusammen mit dem MEMS-Mikrofonchip entweder durch Löten auf ein Leiterplattenähnliches Substrat (Keramik oder ähnlich) oder durch Drahtbonden der beiden Chips miteinander in einem Gehäuse montiert.
Weiter können der Verstärker und das Mikrofon ausgehend von demselben Siliziumsubstrat hergestellt sein und so eine Ein-Chip-Lösung bilden.
Verfahren zum Ansteuern eines differenziellen Mikrofons, z.B. eines der oben erwähnten Mikrofone, umfassend die Schritte

- Empfangen eines akustischen Signals,
- Umwandeln des akustischen Signals in ein elektrisches Signal,
- Justieren der Vorspannung der ersten und der zweiten Mikrofonelektrode durch Justieren der Gleichtaktspannung über einen Gleichtaktspannungsport (VCOM) der Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das elektrische Signal mit einer justierbaren und wohl definierten Verstärkung verstärkt, die unempfindlich gegen parasitäre Kapazitäten ist.
Die Grundprinzipien und beispielhafte Ausführungsformen davon sind in den schematischen Figuren gezeigt.
Figurenliste

1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines differenziellen Mikrofons,
2 zeigt eine Ausführungsform eines Widerstandselements,
3A zeigt ein Ersatzschaltbild einer Verstärkerstufe,
3B zeigt ein Ersatzschaltbild einer weiteren Verstärkerstufe,
4A zeigt ein Ersatzschaltbild einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung, die bei der in 3A gezeigten Verstärkerstufe verwendet sein kann,
4B zeigt ein Ersatzschaltbild einer weiteren Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung, die bei der in 3B gezeigten Verstärkerstufe verwendet sein kann,
5 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Mikrofons,
6 zeigt einen Schnitt eines Mikrofons.

Genaue Beschreibung
1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines differenziellen Mikrofons MIC, umfassend eine Verstärkerstufe AS, die mit den mechanischen Elementen, d.h. den akustischen Elektroden, eines MEMS-Mikrofons MEM verbunden ist. Die mechanischen Elemente MEM umfassen eine erste Elektrode E1 und eine zweite Elektrode E2. Eine mittlere Elektrode EC ist zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 angeordnet. Die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2 können durch perforierte Rückplatten eines Doppelrückplatten-Mikrofons oder durch Membranen eines Doppelmembran-Mikrofons gebildet sein. Die Verstärkerstufe AS umfasst einen differenziellen Eingangsport DIP. Der differenzielle Ausgang der Verstärkerstufe AS ist mit dem differenziellen Ausgang DOP des Mikrofons MIC verbunden. Der differenzielle Eingangsport DIP umfasst zwei Anschlüsse, wobei jeder Anschluss ein Signal mit hauptsächlich demselben Absolutwert, aber unterschiedlicher Polarität im Vergleich zum Signal der jeweils anderen Anschluss empfängt. Ein erstes Widerstandselement RE1 ist zwischen einer Eingangsanschluss und einer Ausgangsanschluss verbunden. Ein zweites Widerstandselement RE2 ist zwischen der jeweils anderen Eingangsanschluss und der jeweils anderen Ausgangsanschluss verbunden. Die elektrischen Potentiale der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss, die mit einem Widerstandselement verbunden sind, weisen eine entgegengesetzte Polarität auf, d.h. die Verstärkerstufe befindet sich in einer Anordnung negativer Rückkopplung. Das erste und das zweite Kapazitätselement und das erste und das zweite Widerstandselement bilden somit eine Verstärker-Rückkopplungsschaltung AFC.
Weiter ist ein erstes Kapazitätselement CE1 zwischen der ersten Ausgangsanschluss und der ersten Eingangsanschluss verbunden. Ein zweites Kapazitätselement CE2 ist zwischen der zweiten Ausgangsanschluss und der zweiten Eingangsanschluss verbunden.
Ausführungsformen von Verstärkerstufen sind in 3A und 3B gezeigt. Ausführungsformen von Gleichtakt-Rückkopplungsschaltungen sind in 4A und 4B gezeigt.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Widerstandselements RE, umfassend Dioden, die parallel, aber mit entgegengesetzter Polarität zueinander, geschaltet sind. Somit kann ein großer Widerstandswert für niedrige Spannungen erhalten sein.
3A zeigt ein genaueres Ersatzschaltbild einer Verstärkerstufe AS, umfassend 11 Transistoren T1 - T11. Eine Stromversorgung PS ist jeweils mit der Source eines ersten Transistors T1, eines zweiten Transistors T2 und eines dritten Transistors T3 verbunden. Das Gate des ersten Transistors T1 ist mit dem Gate des zweiten Transistors T2 und des dritten Transistors T3 verbunden. Der Drain des ersten Transistors T1 ist mit den Sources des zehnten Transistors T10 und des elften Transistors T11 verbunden. Die Gates des zehnten Transistors T10 und des elften Transistors T11 bilden die jeweiligen Eingangsanschlüsse des differenziellen Eingangsportes DIP. Die Drains des zweiten Transistors T2 und des dritten Transistors T3 sind mit den Sources des vierten Transistors T4 und des fünften Transistors T5 verbunden. Das Gate des vierten Transistors T4 ist mit dem Gate des fünften Transistors T5 verbunden. Die Drains des vierten Transistors T4 und des fünften Transistors T5 sind mit dem differenziellen Ausgangsport DOP der Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung verbunden. Die jeweiligen Anschlüsse der Anschlüsse sind mit den Drains des sechsten Transistors T6 und des siebenten Transistors T7 verbunden, deren beide Gates miteinander verbunden sind. Die Drains des zehnten Transistors T10 und des elften Transistors T11 sind mit den Drains des achten Transistors T8 bzw. des neunten Transistors T9 verbunden. Die Sources des achten Transistors T8 und des neunten Transistors T9 sind mit Masse GND verbunden. Die Gates des achten Transistors T8 und des neunten Transistors T9 sind mit einem Steuerport VCNT verbunden.
3B zeigt ein Ersatzschaltbild eines einer weiteren Ausführungsform einer Verstärkerstufe AS, umfassend 12 Transistoren T1 - T12. Eine Stromversorgung PS ist mit den Sources des ersten Transistors T1 und des zweiten Transistors T2 verbunden. Die Gates des ersten Transistors T1 und des zweiten Transistors T2 sind elektrisch miteinander verbunden. Die Drains des ersten Transistors T1 und des zweiten Transistors T2 sind mit den Sources des dritten Transistors T3 bzw. des vierten Transistors T4 verbunden. Weiter sind die Drains mit Drains des fünften Transistors T5 bzw. des sechsten Transistors T6 verbunden. Die Gates des fünften Transistors T5 und des sechsten Transistors T6 bilden jeweils die erste und die zweite Eingangsanschluss TIN1, TIN2 der Verstärkerstufe. Die Sources des fünften Transistors T5 und des sechsten Transistors T6 sind mit dem Drain des achten Transistors T8 verbunden. Weiter sind die Drains des dritten Transistors T3 und des vierten Transistors T4 mit Drains des siebenten Transistors T7 bzw. des neunten Transistors T9 verbunden und sind mit den Ausgangsanschlüsse TOUT1, TOUT2 des Ausgangsportes verbunden. Das Gate des dritten Transistors T3 ist mit dem Gate des vierten Transistors T4 verbunden. Das Gate des siebenten Transistors T7 ist mit dem Gate des achten Transistors T8 und dem Gate des neunten Transistors T9 verbunden. Die Sources des siebenten Transistors T7 und des neunten Transistors T9 sind mit den Drains des zehnten Transistors T10 und des zwölften Transistors T12 verbunden. Die Sources des zehnten Transistors T10 und des zwölften Transistors T12 sind mit Masse GND verbunden, ebenso die Source des elften Transistors T11. Das Gate des zehnten Transistors T10 ist mit dem Gate des elften Transistors T11 und dem Gate des zwölften Transistors T12 und einem Steuerport VCNT verbunden. Das Gate des siebenten Transistors T7 ist mit dem Gate des neunten Transistors T9 verbunden.
Der erste Transistor T1 und der zweite Transistor T2 sind mit einer Vorspannungsanschluss verbunden, und der dritte Transistor T3 und der vierte Transistor sind mit einer Vorspannungsanschluss verbunden.
4A zeigt ein genaues Ersatzschaltbild einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung CMFBC, umfassend 8 Transistoren T1 - T8. Eine Stromversorgung PS ist mit den Sources des ersten Transistors T1 und des zweiten Transistors T2 verbunden, deren Gates miteinander verbunden sind. Die Drains des ersten Transistors T1 und des zweiten Transistors T2 sind mit den Sources eines dritten Transistors T3 und eines fünften Transistors T5 bzw. den Sources eines vierten Transistors T4 und eines sechsten Transistors T6 verbunden. Die Gates des fünften Transistors T5 und des sechsten Transistors T6 bilden die Anschlüsse des Ausgangsportes DOP der Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung. Weiter sind die Drains des dritten Transistors T3 und des vierten Transistors T4 mit dem Gate eines siebenten Transistors T7 und dem Drain des siebenten Transistors T7 verbunden. Das Gate des siebenten Transistors T7 ist weiter mit einem Steuerport VCNT verbunden. Die Source des siebenten Transistors T7 ist mit Masse und der Source eines achten Transistors T8 verbunden. Weiter sind die Drains des fünften Transistors T5 und des sechsten Transistors T6 mit dem Gate und dem Drain des achten Transistors T8 verbunden. Die Gates des dritten Transistors T3 und des vierten Transistors T4 sind miteinander verbunden und mit einem Port VCOM verbunden.
4B zeigt ein Ersatzschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung CMFBC. Die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung CMFBC umfasst vier Kapazitätselemente CE, wobei jeweils zwei Kapazitätselemente in Reihe geschaltet sind und zwei Reihenschaltungen von Kapazitätselementen parallel geschaltet sind. Schalter SW können benutzt werden, um Kapazitätselemente elektrisch zu verbinden oder zu trennen. Die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung CMFBC umfasst eine erste Ausgangsanschluss TOUT1 und eine zweite Ausgangsanschluss TOUT2, die einen differenziellen Ausgangsport bilden, einen Steuerport VCNT und einen Gleichtaktspannungsport VCOM.
5 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Mikrofons MIC, umfassend ein drittes Kapazitätselement CE3 und ein viertes Kapazitätselement CE4 und ein drittes Widerstandselement RE3. Das dritte Kapazitätselement CE3 ist mit einer Eingangsanschluss des differenziellen Eingangsportes DIP verbunden. Das vierte Kapazitätselement CE4 ist mit der jeweils anderen Eingangsanschluss des differenziellen Eingangsportes DIP verbunden. Weiter ist das dritte Widerstandselement RE3 zwischen den Mikrofonelektroden (oder -membranen) und einer auf dem Chip erzeugten Vorspannungsquelle verbunden. Die andere Seite des Widerstandselements ist mit dem dritten und dem vierten Kapazitätselement verbunden, die auch mit den Anschlüsse der Verstärkerstufe AS verbunden sind.
6 zeigt einen Schnitt einer Mikrofonbaugruppe MIC, umfassend einen MEMS-Chip MC, der die akustischen Elemente des Mikrofons enthält, und einen ASIC-Chip, der die Schaltkreiselemente enthält. Der Mikrofonchip MC und der ASIC-Chip AC sind auf einem Substrat SU angeordnet. Es ist jedoch möglich, dass die akustischen und die elektrischen Elemente eines Mikrofons in einem einzigen Chip integriert sind, z.B. einem Siliziumchip.
Ein differenzielles Mikrofon ist nicht auf die in der Beschreibung dargestellten oder in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Verstärker, die weitere Elemente enthalten, z.B. wie etwa Kapazitätselemente, Widerstandselemente, Transistoren, Elektroden oder weitere Eingangs- oder Ausgangsanschlüsse, sind auch durch die vorliegende Erfindung erfasst.
Bezugszeichenliste

AC:: ASIC-Chip
AFC:: Verstärker-Rückkopplungsschaltung
AMP:: Verstärker
AS:: Verstärkerstufe
CE:: Kapazitätselement
CE1, CE2:: erstes, zweites Kapazitätselement
CE3, CE4:: drittes, viertes Kapazitätselement
CMFBC:: Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung
DIP:: differenzieller Eingangsport der Verstärkerstufe
DOP:: differenzieller Ausgangsport des Mikrofons
E1, E2:: erste, zweite Elektrode des Kondensators des Mikrofons
EC:: mittlere Elektrode des Kondensators des Mikrofons
GND:: Masse
MEM:: mechanische Elemente eines MEMS-Mikrofons
MIC:: Mikrofon
PS:: Stromversorgung
RE:: Widerstandselement
RE1, RE2:: erstes, zweites Widerstandselement
RE3:: drittes Widerstandselement
SU:: Substrat
SW:: Schalter
T1-T12:: Transistoren
TIN1, TIN2:: erster, zweiter Anschluss eines differenziellen Eingangsportes
TOUT1, TOUT2:: erste, zweite Ausgangsanschluss eines differenziellen Ausgangsportes
VCNT:: Steuerport
VCOM:: Gleichtaktspannungsport

Claims

Differenzielles Mikrofon (MIC), umfassend - eine erste Mikrofonelektrode (E1), eine mittlere Mikrofonelektrode (EC) und eine zweite Mikrofonelektrode (E2), - einen differenziellen Ausgangsport (DOP), - eine differenzielle Verstärkerstufe (AS) mit einem differenziellen Eingangsport (DIP) und einem differenziellen Ausgangsport, die mit dem Ausgangsport (DOP) des Mikrofons (MIC) verbunden ist, - eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung (CMFBC) mit einem differenziellen Ausgangsport, verbunden mit dem Ausgangsport des Mikrofons (MIC), - ein erstes Widerstandselement (RE1), verbunden zwischen einem ersten Anschluss (TOUT1) des Ausgangsportes (DOP) und einem ersten Anschluss (TIN1) des Eingangsportes (DIP), - ein zweites Widerstandselement (RE2), verbunden zwischen einem zweiten Anschluss (TOUT2) des Ausgangsportes (DOP) und einem zweiten Anschluss (TIN2) des Eingangsportes (DIP), wobei - das erste (RE1) und das zweite (RE2) Widerstandselement Teil einer Verstärker-Rückkopplungsschaltung (AFC) sind und - die Widerstandselemente (RE1, RE2) eine erste Diode und eine zweite Diode umfassen, die parallel und in gegengesetzter Richtung zur ersten Diode angeschlossen ist.
Differenzielles Mikrofon nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein erster Anschluss des differenziellen Eingangsportes (DIP) des Verstärkers mit der ersten Mikrofonelektrode (E1) verbunden ist und ein zweiter Anschluss des differenziellen Eingangsportes (DIP) des Verstärkers mit der zweiten Mikrofonelektrode (E2) verbunden ist.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Verstärkerstufe (AS) einen Steuerport (VCNT) aufweist, - die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung (CMFBC) mit dem Steuerport (VCNT) der Verstärkerstufe verbunden ist.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung (CMFBC) einen Gleichtaktspannungsport (VCOM) zum Einstellen und Justieren der Gleichtaktspannung am Ausgang der Verstärkerstufe umfasst.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend - ein erstes Kapazitätselement (CE1) und ein zweites Kapazitätselement (CE2), wobei - das erste Kapazitätselement (CE1) zwischen einem ersten Anschluss (TOUT1) des Ausgangsportes (DOP) und einem ersten Anschluss (TIN1) des Eingangsportes (DIP) der Verstärkerstufe verbunden ist und - das zweite Kapazitätselement (CE2) zwischen einem zweiten Anschluss (TOUT2) des Ausgangsportes (DOP) und einem zweiten Anschluss (TIN2) des Eingangsportes (DIP) der Verstärkerstufe verbunden ist, - das erste (CE1) und das zweite (CE2) Kapazitätselement Teil einer Verstärker-Rückkopplungsschaltung (AFC) sind.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Mikrofonelektrode, die mittlere Mikrofonelektrode und die zweite Mikrofonelektrode Elemente des akustisch aktiven Teils eines MEMS-Mikrofons oder eines Elektret-Kondensatormikrofons sind.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend - ein drittes Kapazitätselement (CE3), verbunden zwischen einem ersten Anschluss (TIN1) des Eingangsportes (DIP) der Verstärkerstufe und der ersten Mikrofonelektrode (E1), und - ein viertes Kapazitätselement (CE4), verbunden zwischen einem zweiten Anschluss (TIN2) des Eingangsportes (DIP) der Verstärkerstufe und der zweiten Mikrofonelektrode (E2).
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend - ein drittes Widerstandselement (RE3), verbunden zwischen der ersten Mikrofonelektrode und einer hohen Vorspannung, die durch eine integrierte Schaltung erzeugt ist, wobei - die erste Mikrofonelektrode (E1) und die zweite Mikrofonelektrode (E2) elektrisch verbunden sind.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verstärkerstufe umfasst: - einen ersten (T1), einen zweiten (T2), einen dritten (T3), einen vierten (T4), einen fünften (T5), einen sechsten (T6), einen siebenten (T7), einen achten (T8), einen neunten (T9), einen zehnten (T10) und einen elften (T11) Transistor, wobei - der erste (T1), der zweite (T2) und der dritte (T3) Transistor mit einer Stromversorgung (PS) verbunden sind, - der vierte Transistor (T4) zwischen dem zweiten (T2) und dem sechsten (T6) Transistor verbunden ist, und der fünfte Transistor (T5) zwischen dem dritten Transistor (T3) und dem siebenten Transistor (T7) verbunden ist, - der achte Transistor (T8) zwischen dem sechsten Transistor (T6) und Masse (GND) verbunden ist, und der neunte Transistor (T9) zwischen dem siebenten Transistor (T7) und Masse (GND) verbunden ist, - der zehnte Transistor (T10) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem achten Transistor (T8) verbunden ist und der elfte Transistor (T11) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem neunten Transistor (T9) verbunden ist, - der achte Transistor (T8) und der neunte Transistor (T9) mit einem Steuerport (VCNT) verbunden sind.
Differenzielles Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verstärkerstufe (AS) umfasst: - einen ersten (T1), einen zweiten (T2), einen dritten (T3), einen vierten (T4), einen fünften (T5), einen sechsten (T6), einen siebenten (T7), einen achten (T8), einen neunten (T9), einen zehnten (T10), einen elften (T11) und einen zwölften Transistor (T12), wobei - der erste (T1) und der zweite (T2) Transistor mit einer Stromversorgung (PS) verbunden sind, - der dritte Transistor (T3) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem siebenten Transistor (T7) verbunden ist und der vierte Transistor (T4) zwischen dem zweiten Transistor (T2) und dem neunten Transistor (T9) verbunden ist, - der fünfte Transistor (T5) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem achten Transistor (T8) verbunden ist und der sechste Transistor (T6) zwischen dem zweiten Transistor (T2) und dem achten Transistor (T8) verbunden ist, - der siebente Transistor (T7) zwischen dem dritten Transistor (T3) und dem zehnten Transistor (T10) verbunden ist und der neunte Transistor (T9) zwischen dem vierten Transistor (T4) und dem zwölften Transistor (T12) verbunden ist, - der achte Transistor (T8) mit dem elften Transistor (T11) verbunden ist, - der zehnte Transistor (T10), der elfte Transistor (T11) und der zwölfte Transistor (T12) mit Masse (GND) verbunden sind, und - der zehnte Transistor (T10), der elfte Transistor (T11) und der zwölfte Transistor (T12) mit einem Steuerport (VCNT) verbunden sind.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung (CMFBC) umfasst: - einen ersten (T1), einen zweiten (T2), einen dritten (T3), einen vierten (T4), einen fünften (T5), einen sechsten (T6), einen siebenten (T7) und einen achten Transistor (T8), wobei - der erste (T1) und der zweite (T2) Transistor mit einer Stromversorgung (PS) verbunden sind, - der dritte Transistor (T3) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem siebenten Transistor (T7) verbunden ist, - der vierte Transistor (T4) zwischen dem zweiten Transistor (T2) und dem siebenten Transistor (T7) verbunden ist, - der fünfte Transistor (T5) zwischen dem ersten Transistor (T1) und dem achten Transistor (T8) verbunden ist, - der sechste Transistor (T6) zwischen dem zweiten Transistor (T2) und dem achten Transistor (T8) verbunden ist, - der siebente Transistor (T7) und der achte Transistor (T8) mit Masse (GND) verbunden sind, - der dritte Transistor (T3), der vierte Transistor (T4) und der siebente Transistor (T7) mit einem Steuerport (VCNT) verbunden sind, und - der dritte Transistor (T3) und der vierte Transistor (T4) mit einem Gleichtaktspannungsport (VCOM) verbunden sind.
Differenzielles Mikrofon nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei alle Schaltkreiselemente des Verstärkers (AMP) vollständig in einem CMOS-ASIC-Chip (AC) integriert sind.
Verfahren zum Ansteuern eines differenziellen Mikrofons nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte: - Empfangen eines akustischen Signals, - Umwandeln des akustischen Signals in ein elektrisches Signal, - Justieren der Vorspannung der ersten und der zweiten Mikrofonelektrode durch Justieren der Gleichtaktspannung über einen Gleichtaktspannungsport (VCOM) der Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei das elektrische Signal mit einer justierbaren und wohl definierten Verstärkung verstärkt wird, die unempfindlich gegen parasitäre Kapazitäten ist.