ITTO20090243A1 - Circuito di polarizzazione per un trasduttore acustico microelettromeccanico e relativo metodo di polarizzazione - Google Patents

Circuito di polarizzazione per un trasduttore acustico microelettromeccanico e relativo metodo di polarizzazione Download PDF

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ITTO20090243A1
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Alessandro Gasparini
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05F1/10—Regulating voltage or current
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Description

DESCRIZIONE
“CIRCUITO DI POLARIZZAZIONE PER UN TRASDUTTORE ACUSTICO MICROELETTROMECCANICO E RELATIVO METODO DI POLARIZZAZIONEâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un circuito di polarizzazione per un trasduttore acustico, in particolare un microfono capacitivo microelettromeccanico (di tipo MEMS, Micro-Electro-Mechanical System), a cui la trattazione seguente farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità; la presente invenzione à ̈ inoltre relativa ad un metodo di polarizzazione di tale trasduttore acustico.
Come noto, un trasduttore acustico di tipo capacitivo, ad esempio un microfono MEMS, comprende generalmente un elettrodo mobile, realizzato come diaframma o membrana, disposto affacciato ad un elettrodo fisso, a realizzare i piatti di un condensatore di rilevamento a capacità variabile. L’elettrodo mobile à ̈ generalmente ancorato, mediante una sua porzione perimetrale, ad un substrato, mentre una sua porzione centrale à ̈ libera di muoversi o flettersi in risposta alla pressione esercitata da onde sonore incidenti. L’elettrodo mobile e l’elettrodo fisso realizzano un condensatore, e la flessione della membrana che costituisce l’elettrodo mobile causa una variazione di capacità di tale condensatore. In uso, tale variazione di capacità, funzione del segnale acustico da rilevare, viene trasformata in segnale elettrico, che viene fornito come segnale di uscita del trasduttore acustico.
In maggiore dettaglio, e con riferimento alla figura 1, un microfono capacitivo MEMS 1, di tipo noto, comprende un substrato 2 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, nel quale à ̈ realizzata, ad esempio tramite attacco chimico dal retro, una cavità 3 (generalmente nota come “back-chamber†). Una membrana, o diaframma, 4 à ̈ accoppiata al substrato 2 e chiude superiormente la cavità 3; la membrana 4 à ̈ flessibile e, in uso, si deforma in funzione della pressione delle onde sonore incidenti dalla cavità 3. Un piatto rigido 5 (generalmente noto come “back-plate†) à ̈ disposto al di sopra della membrana 4 e ad essa affacciato, tramite l’interposizione di spaziatori 6 (ad esempio di materiale isolante, quale ossido di silicio). Tale piatto rigido 5 costituisce l’elettrodo fisso di un condensatore con capacità variabile, il cui elettrodo mobile à ̈ costituito dalla membrana 4, e presenta una pluralità di fori 7, ad esempio con sezione circolare, atti a consentire la libera circolazione di aria verso la stessa membrana 4.
I microfoni capacitivi, ed in particolare i microfoni MEMS, richiedono un’opportuna polarizzazione elettrica per poter essere utilizzati come trasduttori di segnali acustici in segnali elettrici. In particolare, al fine di garantire prestazioni sufficienti per le applicazioni comuni, à ̈ richiesto che tali microfoni siano polarizzati a tensioni elevate (ad esempio pari a 15V - 20V), tipicamente molto più elevate di quelle alle quali viene alimentato un relativo circuito di lettura (tensioni logiche, ad esempio pari a 1,6 V – 3 V). A tal fine, à ̈ comune l’utilizzo di circuiti survoltori di tensione a pompa di carica (generalmente noti come “charge-pump†) realizzati in tecnologia integrata, in grado di generare elevati valori di tensione a partire da tensioni di riferimento di valore minore.
Una comune configurazione circuitale, mostrata in figura 2, prevede che uno stadio a pompa di carica, mostrato schematicamente e indicato nel suo insieme con 8, sia direttamente collegato ad un primo terminale N1 (costituito ad esempio dal piatto rigido 5) del microfono MEMS 1 (raffigurato schematicamente con l’equivalente circuitale di un condensatore a capacità variabile), in modo da fornire tensioni di polarizzazione di valore elevato. Un secondo terminale N2 (ad esempio costituito dalla membrana 4) del microfono MEMS 1 à ̈ invece collegato all’ingresso ad alta impedenza di un circuito di lettura (anche definito di “front-end†), in figura schematizzato da uno stadio amplificatore 9 (la cui alta impedenza à ̈ a sua volta schematizzata da un resistore di ingresso 10 di valore tipicamente compreso tra 100 GΩ e 100 TΩ, collegato tra il secondo terminale N2 ed un nodo a tensione di riferimento, eventualmente coincidente, come nel caso illustrato, con la massa del circuito di polarizzazione).
Tale soluzione circuitale à ̈ tuttavia fortemente limitata dal ridotto rapporto segnale – rumore, dal momento che, durante il normale funzionamento, sia un eventuale “ripple†all’uscita dello stadio a pompa di carica 8, sia il rumore da essa generato, si sommano interamente al segnale elettrico generato dal microfono MEMS 1 in funzione del segnale acustico rilevato.
Per superare tale limitazione, à ̈ stata proposta una soluzione circuitale alternativa, mostrata in figura 3, in cui un filtro passa-basso 12, in configurazione RC, à ̈ interposto tra l’uscita dello stadio a pompa di carica 8 e il primo terminale N1 del microfono MEMS 1, in modo da attenuare opportunamente sia il ripple che il rumore in uscita dallo stesso stadio a pompa di carica. In particolare, il filtro passa-basso 12 à ̈ realizzato da un resistore di filtro 13, collegato tra l’uscita dello stadio a pompa di carica 8 ed il primo terminale N1 del microfono MEMS 1, e da un condensatore di filtro 14, collegato tra lo stesso primo terminale N1 ed un terminale di massa del circuito di polarizzazione.
È stato tuttavia dimostrato che, affinché l’azione di filtraggio passa-basso sia efficace, e si possa ottenere un’opportuna polarizzazione del microfono MEMS 1, à ̈ necessario che il filtro passa-basso 12 presenti un polo a frequenza pari o preferibilmente inferiore a 1 Hz; a tal fine, risulta necessario che il resistore di filtro 13 presenti una resistenza di valore estremamente elevato, ad esempio compreso tra 100 GΩ e 100 TΩ.
Dato che, in modo noto, non risulta possibile nella tecnologia dei circuiti integrati realizzare resistori con valori di resistenza così elevati, à ̈ stato proposto l’utilizzo di dispositivi non lineari in grado di realizzare gli elevati valori di resistenza richiesti. Ad esempio, à ̈ stato a tal fine proposto l’utilizzo di una coppia di diodi in configurazione antiparallela, i quali realizzano una resistenza sufficientemente elevata, quando su di essi cade una tensione di valore contenuto (dipendente dalla tecnologia, ad esempio minore di 100 mV).
Come mostrato in figura 4, sia il resistore di filtro 13 che il resistore di ingresso 10 possono dunque essere realizzati da una rispettiva coppia di diodi in configurazione antiparallela.
In particolare, il resistore di filtro 13 à ̈ realizzato da un primo diodo 13a, con anodo collegato all’uscita dello stadio a pompa di carica 8 e catodo collegato al primo terminale N1, e da un secondo diodo 13b, con anodo collegato al primo terminale N1 e catodo collegato all’uscita dello stadio a pompa di carica 8. Il resistore di ingresso 10 à ̈ realizzato da un rispettivo primo diodo 10a, con catodo collegato al secondo terminale N2 e anodo collegato alla tensione di riferimento, indicata qui con Vref, e da un rispettivo secondo diodo 10b, con catodo collegato alla tensione di riferimento Vref e anodo collegato al secondo terminale N2.
Il problema principale di una tale architettura circuitale à ̈ rappresentato dall’elevato tempo di avvio (o di “start-up†) del circuito di polarizzazione in generale e del filtro passa-basso 12 in particolare, principalmente dovuto alla presenza della coppia di diodi collegati in configurazione anti-parallela e all’elevata resistenza da essi realizzata. Il periodo di assestamento (“settling time†) di una simile configurazione può facilmente essere di minuti o persino di ore; prima del termine di tale periodo di assestamento, cioà ̈ per tutto il periodo di avvio del circuito, il corretto funzionamento del filtro passabasso 12 non può essere garantito, così come non può essere garantita la corretta polarizzazione dei terminali N1, N2 del microfono MEMS 1. Durante il periodo di start-up, si verificano dunque inevitabilmente variazioni anche consistenti della sensibilità associata al microfono MEMS 1, come rilevata dal circuito di lettura.
In particolare, come illustrato in figura 5, la tensione del primo terminale N1 (indicata con V1) si porta lentamente verso il valore di tensione di polarizzazione desiderato, pari alla tensione di pompa fornita dallo stadio a pompa di carica 8 (indicata con Vcp), mentre la tensione del secondo terminale N2 (indicata con V2) si porta lentamente verso il valore della tensione di riferimento Vref (nella figura 5 Ã ̈ indicata con Vd la caduta di tensione sulla coppia di diodi in configurazione antiparallela 10a, 10b). Solamente al termine del lungo periodo di start-up, le tensioni del primo e del secondo terminale N1, N2 si stabilizzano alle tensioni di polarizzazione desiderate (situazione a regime).
Chiaramente, tempi di ritardo così lunghi non possono essere accettati nelle comuni situazioni di utilizzo del microfono MEMS 1, quando invece risulta necessario garantire le prestazioni nominali (ed in particolare una sensibilità sostanzialmente costante) con ritardi brevissimi, sia in accensione del dispositivo elettronico incorporante il microfono MEMS che al rientro da una condizione cosiddetta di “power-down†(durante la quale il dispositivo stesso viene parzialmente spento per realizzare una condizione di risparmio energetico).
Come possibile soluzione a tale ulteriore problema, come mostrato in figura 6, à ̈ stato anche proposto l’utilizzo di uno stadio di filtro passa-alto 15, collegato in serie all’uscita dello stadio amplificatore 9 (che costituisce il primo stadio di trattamento del segnale del circuito di lettura associato al microfono MEMS 1), in modo da “mascherare†il lungo periodo di assestamento del circuito di polarizzazione. Tuttavia, anche tale soluzione non à ̈ esente da svantaggi, in particolare per quanto riguarda la maggiore occupazione di area, la complessità circuitale della risultante interfaccia di lettura e le possibili distorsioni introdotte dall’ulteriore stadio di filtraggio.
La presente invenzione si prefigge pertanto lo scopo di fornire un circuito di polarizzazione per un trasduttore acustico che consenta di superare tali inconvenienti.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un circuito di polarizzazione per un trasduttore acustico ed un relativo metodo di polarizzazione, come definiti rispettivamente nelle rivendicazioni 1 e 15.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 Ã ̈ una sezione schematica di un trasduttore acustico capacitivo, di tipo noto;
- la figura 2 Ã ̈ uno schema a blocchi di un circuito di polarizzazione del microfono MEMS, di tipo noto;
- la figura 3 mostra uno schema a blocchi di un ulteriore circuito di polarizzazione di tipo noto;
- la figura 4 mostra una possibile implementazione del circuito di polarizzazione di figura 3 in tecnologia integrata;
- la figura 5 mostra un grafico dell’andamento di alcune grandezze elettriche nel circuito di polarizzazione di figura 4;
- la figura 6 mostra una variante realizzativa, anch’essa di tipo noto, del circuito di polarizzazione di figura 4;
- la figura 7 mostra uno schema a blocchi di massima di un circuito di polarizzazione di un trasduttore acustico capacitivo, secondo un aspetto della presente invenzione;
- la figura 8 mostra l’andamento di alcune grandezze elettriche nel circuito di figura 7;
- la figura 9 mostra schematicamente una possibile realizzazione circuitale di un circuito logico di temporizzazione nel circuito di figura 7;
- la figura 10 mostra una possibile forma di realizzazione del circuito di polarizzazione di figura 7;
- la figura 11 mostra una implementazione circuitale di uno stadio di pilotaggio nel circuito di polarizzazione di figura 10;
- la figura 12 mostra uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo elettronico dotato di un trasduttore acustico capacitivo e del circuito di polarizzazione di figura 7; e
- la figura 13 mostra uno schema a blocchi di massima di un circuito di polarizzazione di un trasduttore acustico capacitivo, secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.
Come sarà chiarito in seguito, un aspetto della presente invenzione prevede di introdurre per il circuito di polarizzazione di un trasduttore acustico, in particolare un microfono MEMS di tipo capacitivo, uno stato di funzionamento durante una fase di avvio o start-up (che si verifica all’accensione o al rientro da una condizione di power-down) in cui uno o entrambi i terminali del microfono MEMS siano portati direttamente a tensioni di polarizzazione desiderate, così da consentire un rapido assestamento dei valori di tensione di tali terminali (ed un’inizializzazione di uno stadio di filtraggio accoppiato allo stesso trasduttore acustico). Al termine di tale fase di avvio (che può pertanto essere molto più rapida rispetto a soluzioni tradizionali), uno o entrambi i terminali del microfono MEMS vengono collegati ad alta impedenza, sia essa associata ad un resistore di filtro o all’ingresso di un relativo stadio amplificatore di lettura.
In particolare, come mostrato in figura 7 (in cui elementi simili ad altri già descritti sono indicati con gli stessi numeri di riferimento), una forma di realizzazione di un circuito di polarizzazione secondo la presente invenzione, indicato nel suo insieme con 20, prevede nuovamente l’utilizzo di un filtro passa-basso 12, interposto tra il terminale di uscita dello stadio a pompa di carica 8, qui indicato con 8a, ed il primo terminale N1 del microfono MEMS 1, il cui secondo terminale N2 à ̈ nuovamente collegato al resistore di ingresso 10 di uno stadio amplificatore 9.
A differenza dei circuiti di polarizzazione di tipo noto (del tipo ad esempio mostrato in figura 3), tale forma di realizzazione prevede l’impiego di un primo interruttore 21, collegato in parallelo al resistore di filtro 13, e dunque azionabile selettivamente per realizzare un collegamento diretto a bassa impedenza tra il primo terminale N1 del microfono MEMS 1 e il terminale di uscita 8a dello stadio a pompa di carica 8 (su cui à ̈ presente la tensione di pompa Vcp); e di un secondo interruttore 22, collegato in parallelo al resistore di ingresso 10, e dunque azionabile selettivamente per realizzare un collegamento diretto a bassa impedenza tra il secondo terminale N2 del microfono MEMS 1 e la tensione di riferimento Vref.
In particolare, il primo ed il secondo interruttore 21, 22 ricevono opportuni segnali di controllo (in figura 7 indicati con S1 e S2) da una logica di controllo 23 (illustrata schematicamente, ad esempio comprendente opportuni contatori e temporizzatori) in modo tale da risultare chiusi durante una fase di start-up del circuito di polarizzazione 20 e garantire così un rapido assestamento dei valori di tensione dei terminali N1 ed N2 del microfono MEMS 1 ai valori di polarizzazione desiderati, e in modo tale da risultare aperti durante una successiva fase di normale funzionamento del circuito di polarizzazione 20, garantendo così sia la corretta polarizzazione degli stessi terminali N1, N2 che l’operazione di filtraggio da parte del filtro passa-basso 12 all’uscita dello stadio a pompa di carica 8. La fase di start-up termina solo dopo che i terminali N1 ed N2 del microfono MEMS 1 si sono portati alla tensione di polarizzazione desiderata, rispettivamente la tensione di pompa Vcp e la tensione di riferimento Vref. In tal modo, risulta inoltre possibile “resettare†il filtro, cioà ̈ garantire che il filtro passa-basso 12 si trovi nella corretta regione di funzionamento con ritardo minimo dall’accensione o dal rientro dal power-down.
In maggior dettaglio, la temporizzazione dei segnali di controllo S1 e S2 (i quali possono essere uguali o leggermente sfasati per garantire una maggiore robustezza a variazioni dei parametri del sistema) viene generata dalla logica di controllo 23 in modo tale da garantire la loro commutazione dal livello alto al livello basso solo una volta che la tensione di pompa Vcp ha effettivamente raggiunto il suo valore finale di regime.
Ad esempio, la figura 8 mostra una possibile temporizzazione del segnale di controllo S1 che rispetta tale condizione (il segnale di controllo S2 può essere in questo caso uguale al segnale di controllo S1). In particolare, in questo caso all’uscita dalla condizione di “power down†(quando il segnale di power down PD, indicativo di tale condizione, commuta dal valore alto al valore basso), il segnale di controllo S1 resta alto per un tempo sufficiente a garantire che lo stadio a pompa di carica 8 abbia raggiunto il corretto punto di lavoro (e che quindi la tensione di pompa Vcp abbia raggiunto il valore finale di regime). Solo una volta trascorso questo intervallo di ritardo, il segnale di controllo S1 commuta al valore basso, aprendo il rispettivo interruttore.
È possibile garantire questa condizione di temporizzazione ad esempio utilizzando nella logica di controllo 23 un contatore digitale che, a partire dal segnale di power down PD e dal segnale di clock CK generi il segnale di controllo S1 con commutazione con un sufficiente ritardo temporale rispetto alla commutazione del segnale di power down PD. In alternativa, à ̈ possibile utilizzare un segnale diverso dal segnale di power down PD per avviare il contatore digitale.
Una possibile soluzione alternativa à ̈ ad esempio mostrata in figura 9. In questa soluzione, la logica di controllo 23 comprende un contatore digitale 23a, che riceve un segnale di clock CK e fornisce in uscita i segnali di controllo S1, S2. Il segnale di avvio per il contatore digitale 23a à ̈ generato da un comparatore di soglia 23b, che confronta una tensione di partizione Vpart ricavata dalla tensione di pompa Vcp in uscita dallo stadio a pompa di carica 8 mediante un partitore resistivo 23c, con una tensione di confronto Vr avente un valore di riferimento desiderato.
In uso, il contatore digitale 23b inizia il conteggio solo dopo che la tensione di pompa Vcp ha superato un certo livello (che in genere viene stabilito essere prossimo a quello di regime), in modo da garantire che la commutazione da livello alto a livello basso dei segnali di controllo S1, S2 avvenga, dopo un opportuno ritardo, sempre dopo che lo stadio a pompa di carica 8 Ã ̈ arrivato a regime.
Un ulteriore aspetto della presente invenzione prevede di fornire un’implementazione circuitale degli interruttori 21, 22, tale da evitare l’introduzione di elementi parassiti che possano compromettere le prestazioni del filtro passa-basso 12 in condizioni di normale funzionamento. Tale implementazione circuitale prevede nuovamente l’utilizzo di una coppia di diodi in configurazione anti-parallela per la realizzazione del resistore di filtro 13 e del resistore di ingresso 10, ed inoltre l’opportuno utilizzo di transistori MOS (a canale N o P) per l’implementazione sia degli stessi diodi in configurazione anti-parallela che degli interruttori 21, 22.
In maggiore dettaglio, e facendo riferimento alla figura 10, il circuito di polarizzazione 20 comprende: un primo transistore nMOS 25, in configurazione a diodo, collegato tra il terminale di uscita 8a dello stadio a pompa di carica 8 ed il primo terminale N1 del microfono MEMS 1, ed avente terminale di gate collegato al terminale di drain; ed un transistore pMOS 26, collegato in parallelo al primo transistore nMOS 25 tra il terminale di uscita 8a dello stadio a pompa di carica 8 ed il primo terminale N1, ed avente terminale di gate ricevente un segnale di controllo di uscita Control_out (generato come descritto nel seguito).
Il primo transistore nMOS 25 Ã ̈ sempre in stato spento in modo da realizzare (come mostrato schematicamente in figura 10) il primo diodo 13a dei diodi in configurazione anti-parallela destinati ad implementare la resistenza di filtro 13.
Il transistore pMOS 26, in funzione del livello del segnale di controllo di uscita Control_out, può essere nello stato spento, così da realizzare (mediante il rispettivo diodo intrinseco di body) il secondo diodo 13b, collegato in anti-parallelo al primo diodo 13a e con cui implementa la resistenza di filtro 13; oppure nello stato acceso, in modo da consentire la polarizzazione diretta (con bassa resistenza di accensione Ron) del primo terminale N1 alla tensione di pompa Vcp, e consentire un rapido assestamento della tensione di tale terminale durante la fase di start-up. Il transistore pMOS 26 riveste dunque una duplice funzione, implementando nel circuito di polarizzazione 20 sia il secondo diodo 13b del resistore di filtro 13, che il primo interruttore 21 collegato in parallelo allo stesso resistore di filtro 13 (ed atto a cortocircuitare tale resistore).
Il circuito di polarizzazione 20 comprende inoltre uno stadio di pilotaggio ad alta tensione 28, avente un primo terminale di ingresso ricevente la tensione di pompa Vcp, ed un secondo terminale di ingresso ricevente un segnale di controllo di ingresso Control_in avente valori logici di tensione (un valore logico basso, ad esempio pari a 0 V ed un valore logico alto, pari alla tensione di alimentazione logica VDD, ad esempio di 1,6 V – 3 V). Il segnale di controllo di ingresso Control_in viene ad esempio opportunamente generato dalla logica di controllo 23 (corrispondendo ad esempio al primo o secondo segnale di controllo S1, S2).
Lo stadio di pilotaggio ad alta tensione 28 Ã ̈ configurato in modo da generare (come descritto in dettaglio nel seguito) il segnale di controllo di uscita Control_out a partire dal segnale di controllo di ingresso Control_in, riferito alla tensione di pompa Vcp, avente quindi due livelli di tensione adatti al pilotaggio del transistore pMOS 26 del filtro passa-basso 12. Ad esempio, il segnale di controllo di uscita Control_out presenta commutazioni tra i livelli di tensione (alto o basso) sincrone con il segnale di controllo di ingresso Control_in.
Il circuito di polarizzazione 20 comprende inoltre un elemento a diodo 29, realizzabile ad esempio mediante un transistore BJT in configurazione a diodo (che realizza il primo diodo 10a dei diodi in configurazione anti-parallela destinati ad implementare la resistenza di ingresso 10), collegato tra il secondo terminale N2 del microfono MEMS 1 ed il nodo alla tensione di riferimento Vref; ed un terzo transistore nMOS 30, collegato in parallelo all’elemento a diodo 29 tra il secondo terminale N2 del microfono MEMS 1 ed il nodo alla tensione di riferimento Vref, ed avente terminale di gate ricevente il segnale di controllo di ingresso Control_in, cioà ̈ lo stesso segnale di controllo fornito in ingresso allo stadio di pilotaggio ad alta tensione 28.
Il terzo transistore nMOS 30, in funzione dello stato del segnale di controllo di ingresso Control_in, può essere nello stato spento, così da realizzare (mediante il rispettivo diodo intrinseco di body) il secondo diodo 10b collegato in anti-parallelo al primo diodo 10a, e con cui implementa la resistenza di ingresso 10; oppure nello stato acceso, in modo da consentire la polarizzazione diretta (con bassa resistenza di accensione Ron) del secondo terminale N2 alla tensione di riferimento Vref, e consentire un rapido assestamento della tensione di tale terminale durante la fase di start-up. Anche il terzo transistore nMOS 30 riveste dunque una duplice funzione, implementando nel circuito di polarizzazione 20 sia il secondo diodo 10b del resistore di ingresso 10, che il secondo interruttore 22 collegato in parallelo allo stesso resistore di ingresso 10 (ed atto a cortocircuitare tale resistore).
In uso, la configurazione circuitale descritta consente di ottenere tempi di assestamento estremamente rapidi dei terminali N1 e N2 del microfono MEMS 1 durante la fase di start-up, grazie alla presenza degli interruttori 21, 22, ed un corretto filtraggio passa-basso con frequenza di taglio inferiore estremamente ridotta (dell’ordine del mHz) al termine di tale fase di start-up, allo stesso tempo non presentando elementi parassiti verso il microfono MEMS 1.
Ancora un ulteriore aspetto della presente invenzione prevede di fornire una particolare implementazione circuitale dello stadio di pilotaggio ad alta tensione 28, che presenta una caratteristica di assorbimento di corrente estremamente ridotto, in modo tale da non compromettere il funzionamento dello stadio a pompa di carica 8.
In maggiore dettaglio, e facendo riferimento alla figura 11, lo stadio di pilotaggio ad alta tensione 28 presenta una struttura circuitale avente due lati sostanzialmente simmetrici, un primo dei quali (definente il ramo di uscita) Ã ̈ collegato al terminale di uscita dello stesso stadio di pilotaggio ad alta tensione 28 (qui coincidente con un nodo interno A) ed al terminale di gate del primo transistore nMOS 26, a cui fornisce il segnale di controllo di uscita Control_out.
Tale primo lato, indicato con 28a, viene qui descritto in dettaglio; un’analoga descrizione non viene ripetuta per il secondo lato 28b (in quanto speculare al primo lato 28a), i cui elementi verranno identificati con gli stessi numeri di riferimento seguiti da un apice.
Il primo lato 28a comprende uno specchio di corrente cascode 32 collegato ad un generatore di corrente 34, fornente una corrente di riferimento, che, mediante un opportuno fattore di ridimensionamento (scaling), consente di ottenere una corrente di polarizzazione I di valore desiderato sul ramo d’uscita.
In dettaglio, lo specchio di corrente cascode 32 comprende: un primo transistore nMOS per bassa tensione 32a collegato tra un nodo di massa ed un nodo interno B ed avente terminale di gate collegato al terminale di drain; un secondo transistore nMOS per bassa tensione 32b collegato tra il nodo di massa ed un nodo interno C ed avente terminale di gate collegato al terminale di gate del primo transistore nMOS per bassa tensione 32a; un primo transistore nMOS per alta tensione 33a collegato tra il nodo interno B ed il generatore di corrente 34, ed avente terminale di gate collegato al terminale di drain; ed un secondo transistore nMOS per alta tensione 33b collegato tra il nodo interno C ed il nodo interno A ed avente terminale di gate collegato al terminale di gate del primo transistore nMOS per alta tensione 33a.
Il primo lato 28a comprende inoltre un transistore pMOS di uscita 35 ed un ramo di uscita 36, in parallelo al transistore pMOS di uscita 35.
Il transistore pMOS di uscita 35 à ̈ collegato tra il nodo interno A ed il primo terminale di ingresso dello stadio di pilotaggio ad alta tensione 28 ricevente la tensione di pompa Vcp, e presenta terminale di gate collegato al rispettivo nodo interno A' del secondo lato 28b (i transistori pMOS di uscita 35, 35' del primo e del secondo lato 28a, 28b sono disposti pertanto in una configurazione “incrociata†, come mostrato in figura 11).
Il ramo di uscita 36 à ̈ formato dal collegamento in serie di un resistore di uscita 37 e di un diodo di uscita 38, quest’ultimo avente anodo collegato al resistore di uscita 37 e catodo collegato al nodo interno A.
Il primo lato 28a à ̈ collegato al secondo terminale di ingresso dello stadio di pilotaggio ad alta tensione 28, ricevente il segnale di controllo di ingresso Control_in, mediante l’interposizione di un invertitore logico 39 (quest’ultimo non presente nel secondo lato 28b) e comprende inoltre un primo ed un secondo transistore nMOS di spegnimento 40, 41.
Il primo transistore nMOS di spegnimento 40 presenta terminale di drain collegato al terminale di gate comune dei transistori nMOS per alta tensione 33a, 33b, terminale di source collegato al nodo di massa, e terminale di gate collegato all’uscita dell’invertitore logico 39. Il secondo transistore nMOS di spegnimento 41 presenta terminale di drain collegato al nodo interno C, terminale di source collegato al nodo di massa, e terminale di gate collegato, anch’esso, all’uscita dell’invertitore logico 39.
In uso, quando il segnale di controllo di ingresso Control_in presenta valore logico basso, l’uscita dell’invertitore logico 39 si porta al valore logico alto, attivando il primo ed il secondo transistore nMOS di spegnimento 40, 41 e disattivando così lo specchio di corrente cascode 32 del primo lato 28a, e la conseguente generazione della corrente di polarizzazione I sul ramo di uscita. Al contrario, lo specchio di corrente cascode 32' del secondo lato 28b à ̈ attivo, generando la corrente di polarizzazione I' verso il nodo interno A' e provocando l’accensione del transistore pMOS di uscita 35 del primo lato 28a. La tensione del nodo interno A dello stesso primo lato 28a si porta sostanzialmente al valore della tensione di pompa Vcp, portando quindi il segnale di controllo di uscita Control_out al valore alto (sostanzialmente coincidente con la stessa tensione di pompa Vcp).
In questa situazione (che corrisponde alla fase di normale funzionamento del circuito di polarizzazione 20), sia il primo interruttore 21 che il secondo interruttore 22 sono aperti (in quanto il terzo transistore nMOS 30 Ã ̈ spento dal valore basso del segnale di controllo di ingresso Control_in, ed il transistore pMOS 26 Ã ̈ spento dal valore alto del segnale di controllo di uscita Control_out), consentendo il funzionamento del filtro passa-basso 12 e la consueta polarizzazione dei terminali N1, N2 del microfono MEMS 1.
Quando invece il segnale di controllo di ingresso Control_in presenta valore logico alto, si attiva lo specchio di corrente cascode 32 del primo lato 28a (e contemporaneamente si disattiva lo specchio di corrente nel secondo lato 28b), generando la corrente di polarizzazione I sul nodo interno A dello stesso primo lato 28a. In questo caso, il transistore pMOS di uscita 35 del primo lato 28a à ̈ spento, e la corrente di polarizzazione I circola nel ramo di uscita 36 (nella serie del resistore di uscita 37 e del diodo di uscita 38) determinando una caduta di potenziale (il cui valore, ad esempio pari a 1 V – 2 V, dipende dal valore della corrente di polarizzazione I e dal dimensionamento degli stessi resistore di uscita 37 e diodo di uscita 38). La tensione del nodo interno A del primo lato 28a si porta quindi al valore della tensione di pompa Vcp diminuito di questa caduta di potenziale, portando quindi il segnale di controllo di uscita Control_out ad un opportuno valore logico basso, riferito alla tensione di pompa Vcp.
In questa situazione, corrispondente alla fase di start-up del circuito di polarizzazione 20, sia il primo interruttore 21 che il secondo interruttore 22 sono chiusi (in quanto il terzo transistore nMOS 30 Ã ̈ acceso dal valore alto del segnale di controllo di ingresso Control_in ed il transistore pMOS 26 Ã ̈ acceso dal valore basso del segnale di controllo di uscita Control_out), consentendo il collegamento diretto dei terminali N1, N2 del microfono MEMS 1 alle rispettive tensioni di polarizzazione.
In particolare, la corrente di polarizzazione I generata dallo specchio di corrente cascode 32 può essere fissata in modo da rendere trascurabile l’assorbimento di corrente dallo stadio a pompa di carica 8 da parte dello stadio di pilotaggio ad alta tensione 28; ad esempio, tale corrente di polarizzazione I può avere un valore inferiore a 10 nA.
I vantaggi del circuito e del metodo di polarizzazione secondo la presente invenzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In particolare, si sottolinea nuovamente come sia possibile ridurre il rumore all’uscita dello stadio a pompa di carica, sfruttando le proprietà del filtro passa-basso interposto tra lo stesso stadio a pompa di carica ed il microfono MEMS, ed allo stesso tempo non sacrificare la velocità di accensione e di assestamento, grazie all’utilizzo descritto degli interruttori, in grado di portare i terminali dello stesso microfono MEMS in tempo rapido alle tensioni di polarizzazione richieste (durante la fase di start-up), garantendo così una polarizzazione a carica costante.
In altre parole, si ottiene un tempo di accensione estremamente rapido, e si mantiene sostanzialmente costante la sensibilità del microfono MEMS, in particolare evitando derive di tale sensibilità durante la stessa fase di startup.
Tale soluzione consente di evitare l’utilizzo di un filtro passa alto in uscita dello stadio di amplificazione dell’interfaccia di lettura associata al microfono MEMS, ed i noti problemi legati all’utilizzo di tale componente.
Inoltre, il circuito di polarizzazione descritto à ̈ integrabile nelle comuni tecnologie analogiche che dispongano di componenti per alta tensione, non richiedendo componenti particolari per il suo funzionamento.
Le caratteristiche precedentemente elencate rendono particolarmente vantaggioso l’utilizzo del circuito di polarizzazione 20 e del relativo microfono MEMS 1 in un dispositivo elettronico 50, come mostrato in figura 12 (tale dispositivo elettronico 50 può eventualmente comprendere ulteriori microfoni MEMS 1, in modo non illustrato). Il dispositivo elettronico 50 à ̈ preferibilmente un dispositivo di comunicazione mobile, come ad esempio un cellulare, un PDA, un notebook, ma anche un registratore vocale, un lettore di file audio con capacità di registrazione vocale, ecc. In alternativa, il dispositivo elettronico 50 può essere un idrofono, in grado di lavorare sott’acqua, oppure un dispositivo di ausilio all’udito (cosiddetto “hearing aid†).
Il dispositivo elettronico 50 comprende un microprocessore 51, un blocco di memoria 52, collegato al microprocessore 51, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 53, ad esempio dotata di una tastiera e di un video, anch’essa collegata al microprocessore 51. Il microfono MEMS 1 comunica con il microprocessore 51 tramite un blocco di trattamento di segnali 54, comprendente l’interfaccia di lettura ed in particolare l’amplificatore 9 precedentemente descritto. Inoltre, può essere presente un altoparlante 56, per generare suoni su un’uscita audio (non mostrata) del dispositivo elettronico 50.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, come mostrato in figura 13, può essere prevista una forma di realizzazione alternativa del circuito di polarizzazione, qui indicato con 20', in cui il primo terminale N1 del microfono MEMS 1 à ̈ nuovamente accoppiato elettricamente al terminale di uscita 8a dello stadio a pompa di carica 8 (mediante l’interposizione del resistore di filtro 13), mentre il secondo terminale N2 dello stesso microfono MEMS 1 à ̈ collegato ad un potenziale di riferimento (in particolare a massa).
Il filtro passa-basso 12 à ̈ dunque costituito dal resistore di filtro 13, in parallelo al quale à ̈ nuovamente collegato il primo interruttore 21, e dalla capacità dello stesso microfono MEMS 1 (il quale dunque riveste una duplice funzione di generazione del segnale di rilevamento e di filtraggio del rumore). Un condensatore di disaccoppiamento 60 à ̈ in questo caso collegato tra il primo terminale N1 e l’ingresso dello stadio amplificatore 9 (ed al resistore di ingresso 10, a cui à ̈ nuovamente collegato in parallelo il secondo interruttore 22); il condensatore di disaccoppiamento 60 permette di disaccoppiare lo stadio amplificatore 9 dallo stadio a pompa di carica 8, ed in particolare di bloccare tensioni continue dovute a disturbi o accoppiamenti indesiderati.
Questa variante, in alcune condizioni operative, può presentare il vantaggio di garantire una maggiore robustezza ed una maggiore semplicità di assemblaggio, in quanto permette di utilizzare un solo pad (piazzola di contatto) per la connessione elettrica del microfono MEMS 1 al relativo circuito integrato.
Inoltre, il circuito di polarizzazione secondo la presente invenzione può essere vantaggiosamente utilizzato con differenti tipologie di trasduttori acustici capacitivi, sia tradizionali che MEMS.
Differenti implementazioni circuitali possono essere previste per lo stadio di pilotaggio ad alta tensione.
Inoltre, il resistore di ingresso allo stadio di amplificazione associato al microfono MEMS può non essere realizzato da una coppia di diodi anti-parallelo, ma semplicemente corrispondere all’alta impedenza di ingresso di tale stadio di amplificazione, la quale viene opportunamente cortocircuitata durante la fase di start-up, come precedentemente descritto.
Infine, il circuito di polarizzazione può eventualmente prevedere un solo elemento interruttore accoppiato al primo terminale del microfono MEMS collegato al filtro passa-basso.

Claims (19)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di polarizzazione (20; 20') per un trasduttore acustico (1) comprendente: un terminale di polarizzazione (8a) atto a ricevere da uno stadio survoltore di tensione (8) una tensione survoltata (Vcp) per la polarizzazione di un primo terminale (N1) di detto trasduttore acustico (1); e mezzi di filtraggio (13) interposti tra detto terminale di polarizzazione (8a) e detto trasduttore acustico (1), configurati in modo da determinare un filtraggio di disturbi presenti su detta tensione survoltata (Vcp), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi interruttori (21, 22) azionabili in modo da collegare detto primo terminale (N1) a detto terminale di polarizzazione (8a), direttamente durante una fase di avvio di detto circuito di polarizzazione (20), e attraverso detti mezzi di filtraggio (13) una volta terminata detta fase di avvio.
  2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre uno stadio di controllo (23) configurato in modo da determinare il termine di detta fase di avvio, e comandare di conseguenza l’apertura di detti mezzi interruttori (21, 22), al raggiungimento di una tensione di polarizzazione desiderata da parte di detto primo terminale (N1) di detto trasduttore acustico (1).
  3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 2, in cui detto stadio di controllo (23) comprende mezzi contatori (23a), atti a determinare un intervallo di tempo tale per cui detta tensione di polarizzazione corrisponde sostanzialmente ad un valore di regime di detta tensione survoltata (Vcp) generata da detto stadio a pompa di carica (8).
  4. 4. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui detti mezzi di filtraggio comprendono un primo elemento resistore ad alta impedenza (13) interposto tra detto terminale di polarizzazione (8a) e detto primo terminale (N1) di detto trasduttore acustico (1); ed in cui detti mezzi interruttori (21, 22) comprendono un primo elemento interruttore (21) collegato in parallelo a detto primo elemento resistore ad alta impedenza (13) ed azionabile per cortocircuitare detto primo elemento resistore ad alta impedenza (13) durante detta fase di avvio.
  5. 5. Circuito secondo la rivendicazione 4, in cui detto primo elemento resistore ad alta impedenza (13) comprende un primo elemento a diodo (13a); ed in cui detto primo elemento interruttore (21) comprende un primo transistore (26) azionabile in una prima condizione operativa in cui costituisce un secondo elemento a diodo (13b) collegato in antiparallelo a detto primo elemento a diodo (13a) in modo da definire detto primo elemento resistore ad alta impedenza (13), ed in una seconda condizione operativa in cui costituisce un collegamento a bassa impedenza tra detto primo terminale (N1) e detto terminale di polarizzazione (8a), cortocircuitando detto primo elemento resistore ad alta impedenza (13).
  6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 5, comprendente inoltre uno stadio di pilotaggio (28) configurato in modo da ricevere detta tensione survoltata (Vcp) ed un segnale di temporizzazione (Control-in), e da fornire in uscita un segnale di controllo (Control_out) ad un terminale di controllo di detto primo transistore (26); detto segnale di controllo (Control_out) avendo un livello alto, sostanzialmente coincidente con detta tensione survoltata (Vcp), ed un livello basso, inferiore a detta tensione survoltata di una determinata caduta di tensione.
  7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui detto stadio di pilotaggio (28) presenta una struttura circuitale con due lati (28a, 28b) sostanzialmente simmetrici, un primo (28a) dei quali, collegato all’uscita (A) di detto stadio di pilotaggio (28), comprende uno stadio a specchio di corrente (32) collegato a detta uscita (A) ed atto a generare una corrente di polarizzazione (I), ed un ramo di uscita, costituito dal parallelo tra un transistore di uscita (35) ed una rete resistiva (37, 38) e ricevente detta tensione survoltata (Vcp); detto segnale di temporizzazione (Control-in) essendo alternativamente atto ad abilitare detto stadio a specchio di corrente (32), in modo tale che detta corrente di polarizzazione (I) scorra in detta rete resistiva (37, 38) generando detta caduta di tensione rispetto a detta tensione survoltata (Vcp) e detto livello basso di detto segnale di controllo (Control_out), e a disabilitare detto stadio a specchio di corrente (32), in modo tale che detto transistore di uscita (35) porti detta uscita (A) a detta tensione survoltata (Vcp) generando detto livello alto di detto segnale di controllo (Control_out).
  8. 8. Circuito secondo la rivendicazione 7, in cui detto stadio di pilotaggio (28) comprende almeno un elemento transistore di spegnimento (40, 41), controllato da detto segnale di temporizzazione (Control-in) e configurato in modo da disabilitare detto stadio a specchio di corrente (32).
  9. 9. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-8, in cui detto stadio di pilotaggio (28) Ã ̈ configurato in modo da determinare un assorbimento di corrente da detto stadio survoltore di tensione (8) non superiore a 10 nA.
  10. 10. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-9, comprendente inoltre un secondo elemento resistore ad alta impedenza (10) collegato all’ingresso di mezzi amplificatori (9) destinati ad elaborare una grandezza elettrica di uscita di detto trasduttore acustico (1); ed in cui detti mezzi interruttori (21, 22) comprendono un secondo elemento interruttore (22) collegato in parallelo a detto secondo elemento resistore ad alta impedenza (10), ed azionabile per cortocircuitare detto secondo elemento resistore ad alta impedenza (10) durante detta fase di avvio, e collegare detto ingresso ad una linea a tensione di riferimento (Vref) di valore desiderato.
  11. 11. Circuito secondo la rivendicazione 10, in cui detto secondo elemento resistore ad alta impedenza (10) comprende un rispettivo primo elemento a diodo (10a); ed in cui detto secondo elemento interruttore (22) comprende un rispettivo transistore (30) azionabile in una prima condizione operativa in cui costituisce un rispettivo secondo elemento a diodo (10b) collegato in antiparallelo a detto rispettivo primo elemento a diodo (10a) in modo da definire detto secondo elemento resistore ad alta impedenza (10), ed in una seconda condizione operativa in cui costituisce un collegamento a bassa impedenza tra detto ingresso e detta linea a tensione di riferimento (Vref), cortocircuitando detto secondo elemento resistore ad alta impedenza (10).
  12. 12. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto trasduttore acustico (1) presenta un secondo terminale (N2) collegato ad una tensione di riferimento; comprendente inoltre mezzi condensatori di disaccoppiamento (60) collegati tra detto primo terminale (N1) ed un ingresso di mezzi amplificatori (9) destinati ad elaborare una grandezza elettrica di uscita di detto trasduttore acustico (1).
  13. 13. Dispositivo elettronico (50), comprendente un trasduttore acustico (1) ed un circuito di polarizzazione (20; 20') di detto trasduttore acustico (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detto trasduttore acustico (1) à ̈ un microfono MEMS di tipo capacitivo; detto dispositivo elettronico (50) essendo scelto nel gruppo comprendente: un cellulare, un PDA, un notebook, un registratore vocale, un lettore audio con funzionalità di registratore vocale, una consolle per videogiochi, un idrofono, un dispositivo di ausilio all’udito.
  15. 15. Metodo di polarizzazione di un trasduttore acustico (1), comprendente le fasi di: generare, su un terminale di polarizzazione (8a), una tensione survoltata (Vcp) per la polarizzazione di un primo terminale (N1) di detto trasduttore acustico (1); e filtrare, mediante mezzi di filtraggio (13), disturbi presenti su detta tensione survoltata (Vcp), caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di collegare detto primo terminale (N1) a detto terminale di polarizzazione (8a) posto a detta tensione survoltata (Vcp), direttamente durante una fase di avvio di detta polarizzazione, e attraverso detti mezzi di filtraggio (13) al termine di detta fase di avvio.
  16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, comprendente la fase di collegare detto primo terminale (N1) a detto terminale di polarizzazione (8a) mediante un collegamento a bassa impedenza durante detta fase di avvio, e ad un primo elemento resistore ad alta impedenza (13) di detti mezzi di filtraggio al termine di detta fase di avvio.
  17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 15 o 16, comprendente inoltre la fase di determinare il termine di detta fase di avvio al raggiungimento di una tensione di polarizzazione desiderata da parte di detto primo terminale (N1) di detto trasduttore acustico (1).
  18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui detta fase di determinare comprende determinare un intervallo di tempo tale per cui detta tensione di polarizzazione corrisponde sostanzialmente ad un valore di regime di detta tensione survoltata (Vcp).
  19. 19. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 16-18, comprendente inoltre collegare un ingresso di mezzi amplificatori (9), destinati ad elaborare una grandezza elettrica di uscita di detto trasduttore acustico (1), ad una linea a tensione di riferimento (Vref) mediante un collegamento a bassa impedenza durante detta fase di avvio, e ad un secondo elemento resistore ad alta impedenza (10) al termine di detta fase di avvio.
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