JP2019121937A - Electric charge detection circuit and piezoelectric microphone - Google Patents

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Abstract

To provide an electric charge detection circuit capable of detecting a high S/N ratio signal, and reducing output variations to threshold value voltage variations of a field effect transistor.SOLUTION: A first field effect transistor 16 of an electric charge detection circuit includes a gate connected to one terminal of an electric charge generation source 8. A first resistor 14 is connected between a drain of a first field effect transistor 16 and a second node N2 fixed to a second voltage (Vdd). A second field effect transistor 26 includes a gate and a drain connected to the other terminals of the electric charge generation source 8. A second resistor 24 is connected between a drain of the second field effect transistor 26 and the second node N2. Preferably, at least the first field effect transistor 16 operates in a sub-threshold region, and a gate voltage of the first field effect transistor 16 operates between a first voltage (GND) and a second voltage (Vdd).SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

この発明は、電荷検知回路およびそれを備える圧電マイクロフォンに関する。   The present invention relates to a charge detection circuit and a piezoelectric microphone including the same.

近年、センサの微小信号を、消費電力を抑えながらより高S/N比で検出することが求められている。たとえば高感度マイクロフォンなどでは、音を検出するセンサの微小信号を高S/N比で増幅する必要がある。   In recent years, it is required to detect a minute signal of a sensor at a higher S / N ratio while suppressing power consumption. For example, in a high sensitivity microphone or the like, it is necessary to amplify a minute signal of a sensor that detects sound at a high S / N ratio.

一般に、後段の増幅素子が低ノイズでかつダイナミックレンジが大きい前提においては、増幅回路のS/N比は、入力初段の増幅素子の性能に基づき決まる。   In general, on the premise that the amplification element in the subsequent stage has low noise and a large dynamic range, the S / N ratio of the amplification circuit is determined based on the performance of the amplification element in the first input stage.

従来は、このような用途ではしばしば入力初段に電界効果型トランジスタ(FET)が用いられ、なかでもJFET(Junction Field-Effect Transistor:接合型電界効果トランジスタ)が用いられる場合がある。   Conventionally, in such applications, a field effect transistor (FET) is often used in the input first stage, and in particular, a JFET (Junction Field-Effect Transistor) may be used.

図11は、圧電マイクの論文(非特許文献1)に記載された電荷検知回路の回路図である。図11において、Sensorと表記された電荷発生素子の一方端子はアースに接続され、他方端子はJFETのゲートに接続されている。JFETのソースはアースに接続され、JFETのドレインは抵抗Rを介して電源VDDに接続されている。JFETのソースと抵抗Rの接続ノードとアースとの間の電位差として出力電圧Voutが得られる。この検知回路はソース接地増幅回路となっている。 FIG. 11 is a circuit diagram of the charge detection circuit described in the paper of the piezoelectric microphone (Non-Patent Document 1). In FIG. 11, one terminal of the charge generating element denoted as Sensor is connected to the ground, and the other terminal is connected to the gate of the JFET. The source of the JFET is connected to ground, and the drain of the JFET is connected to the power supply V DD through a resistor R L. An output voltage Vout is obtained as a potential difference between the source of the JFET and the connection node of the resistor R L and the ground. This detection circuit is a source-grounded amplification circuit.

Robert John Littrell, High Performance Piezoelectric MEMS Microphones, 2010, Figure 2.4,[2017年12月21日検索],インターネット,<URL,https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/75833/rlittrel_1.pdf>Robert John Littrell, High Performance Piezoelectric MEMS Microphones, 2010, Figure 2.4, [Search on December 21, 2017], Internet, <URL, https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/20272/75833/ rlittrel_1.pdf>

一般に、FETはVgs−Vth>0(ゲート−ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vthより高い)のON領域を用いて信号を検知するように使用する。しかし、このような使い方ではS/N比を向上させることに限界があり、さらにS/N比を向上させることが望まれている。   In general, the FET is used to detect a signal using an ON region of Vgs-Vth> 0 (the gate-source voltage Vgs is higher than the threshold voltage Vth). However, in such usage, there is a limit in improving the S / N ratio, and it is desired to further improve the S / N ratio.

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高S/N比の信号検知が可能な電荷検知回路を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a charge detection circuit capable of signal detection with a high S / N ratio.

本発明は、要約すると、電荷発生源において発生する電荷を検知する電荷検知回路であって、第1の電界効果トランジスタと、第1の抵抗と、第2の電界効果トランジスタと、第2の抵抗と、出力ノードとを備える。第1の電界効果トランジスタは、電荷発生源の一方の端子に接続されるゲートと、第1の電圧に固定された第1のノードに接続されるソースとを有する。第1の抵抗は、第1の電界効果トランジスタのドレインと第2の電圧に固定された第2のノードとの間に接続される。第2の電界効果トランジスタは、電荷発生源の他方の端子に接続されるゲートおよびドレインと、第1のノードに接続されるソースとを有する。第2の抵抗は、第2の電界効果トランジスタのドレインと第2のノードとの間に接続される。出力ノードは、第1の電界効果トランジスタのドレインに接続される。   The present invention, in summary, is a charge detection circuit for detecting a charge generated in a charge generation source, comprising: a first field effect transistor, a first resistor, a second field effect transistor, and a second resistor And an output node. The first field effect transistor has a gate connected to one terminal of the charge generation source, and a source connected to a first node fixed to a first voltage. The first resistor is connected between the drain of the first field effect transistor and a second node fixed at a second voltage. The second field effect transistor has a gate and a drain connected to the other terminal of the charge generation source, and a source connected to the first node. The second resistor is connected between the drain of the second field effect transistor and the second node. The output node is connected to the drain of the first field effect transistor.

好ましくは、少なくとも第1の電界効果トランジスタは、サブスレッショルド領域で動作し、第1の電界効果トランジスタのゲート電圧が第1の電圧と第2の電圧の間で動作する。   Preferably, at least the first field effect transistor operates in the subthreshold region, and the gate voltage of the first field effect transistor operates between the first voltage and the second voltage.

好ましくは、第1の電界効果トランジスタと第2の電界効果トランジスタとは、同一特性を有する。   Preferably, the first field effect transistor and the second field effect transistor have the same characteristics.

好ましくは、電荷検知回路は、電荷発生源と並列に、第1の電界効果トランジスタのゲートと第2の電界効果トランジスタのゲートとの間に接続される第3の抵抗をさらに備える。   Preferably, the charge detection circuit further includes a third resistor connected between the gate of the first field effect transistor and the gate of the second field effect transistor in parallel with the charge generation source.

より好ましくは、第3の抵抗の抵抗値は、電荷発生源の抵抗値より小さく、かつ、第1の電界効果トランジスタのゲート−ソース間抵抗より小さく、第3の抵抗の抵抗値は、第3の抵抗と電荷発生源の容量と第1の電界効果トランジスタの入力容量から換算される時定数の逆数が、検知周波数よりも小さくなるように設定されている。   More preferably, the resistance value of the third resistor is smaller than the resistance value of the charge generation source and smaller than the gate-source resistance of the first field effect transistor, and the resistance value of the third resistor is smaller than the third resistance. The inverse number of the time constant converted from the resistance of the charge generation source and the capacitance of the charge generation source and the input capacitance of the first field effect transistor is set to be smaller than the detection frequency.

より好ましくは、第1の抵抗、第2の抵抗、および第3の抵抗の少なくとも1つとして、P−N接合の抵抗成分を利用した抵抗を使用する。   More preferably, a resistance utilizing a resistance component of a PN junction is used as at least one of the first resistance, the second resistance, and the third resistance.

好ましくは、電荷発生源は、圧電体である。
本発明は、他の局面では、上記いずれかの電荷検知回路と、電荷発生源とを備える圧電マイクロフォンである。電荷発生源は、圧電体薄膜を用いたメンブレン体であり、メンブレン体に入力された音を検知する。
Preferably, the charge generation source is a piezoelectric body.
In another aspect, the present invention is a piezoelectric microphone provided with any one of the above charge detection circuits and a charge generation source. The charge generation source is a membrane using a piezoelectric thin film, and detects a sound input to the membrane.

本発明によれば、高S/N比の信号検知が可能で、かつ電界効果トランジスタの閾値電圧ばらつきに対する出力ばらつきを低減させた電荷検知回路を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a charge detection circuit capable of signal detection with a high S / N ratio and reducing output variation with respect to threshold voltage variation of a field effect transistor.

検討例の検知回路Aの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram showing composition of detection circuit A of a study example. 検討例の検知回路Bの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram showing composition of detection circuit B of a study example. 実施の形態の検知回路Cの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram showing composition of detection circuit C of an embodiment. 実施の形態の検知回路Dの構成を示す回路図である。It is a circuit diagram showing composition of detection circuit D of an embodiment. 電荷発生源の実際の構造を示す図である。It is a figure which shows the actual structure of a charge generation source. ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between gate voltage and drain current. 周波数と感度(Vrms)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between frequency and sensitivity (Vrms). 周波数とノイズ電圧との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between frequency and noise voltage. 各回路の感度、ノイズ、S/N比を比較して示した図である。It is the figure which compared and showed the sensitivity of each circuit, noise, and S / N ratio. FETの閾値電圧が±0.05Vずれると仮定した場合の感度計算結果(at 1kHz)を示す図である。It is a figure which shows the sensitivity calculation result (at 1 kHz) at the time of assuming that the threshold voltage of FET shifts | deviates ± 0.05V. 圧電マイクの論文(非特許文献1)に記載された電荷検知回路の回路図である。It is a circuit diagram of the charge detection circuit described in the paper (nonpatent literature 1) of a piezoelectric microphone.

以下、検討例と本発明の実施の形態とについて、図面を参照しつつ比較しながら説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, a study example and an embodiment of the present invention will be described in comparison with reference to the drawings. The same or corresponding portions in the drawings have the same reference characters allotted and description thereof will not be repeated.

まず、本発明の実施の形態の説明の前に、2つの検討例の構成について説明する。図1は、検討例の検知回路Aの構成を示す回路図である。図2は、検討例の検知回路Bの構成を示す回路図である。   First, before describing the embodiment of the present invention, the configurations of two examination examples will be described. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a detection circuit A of a study example. FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the detection circuit B in the study example.

図1に示す検知回路Aは、JFET(FETの閾値電圧以上の領域を用いた信号検知)を想定した検知回路である。検知回路Aは、直流電圧源2と、抵抗4と、JFET6とを含む。JFETのゲートには、電荷発生源8が接続される。   The detection circuit A shown in FIG. 1 is a detection circuit assuming a JFET (signal detection using a region above the threshold voltage of the FET). The detection circuit A includes a DC voltage source 2, a resistor 4 and a JFET 6. The charge generation source 8 is connected to the gate of the JFET.

以下の検討において、回路シミュレーターLTSpice(リニアテクノロジー社)を用いて各種計算を実施している。このため、電荷発生源8は、正弦波信号を発生する信号源10と、100GΩの抵抗値を有する等価抵抗12と、2pFの容量値を有する等価容量15とが並列接続された回路で模擬されている。   In the following study, various calculations are performed using a circuit simulator LTSpice (Linear Technology). Therefore, charge generation source 8 is simulated by a circuit in which signal source 10 generating a sine wave signal, equivalent resistance 12 having a resistance value of 100 GΩ, and equivalent capacitance 15 having a capacitance value of 2 pF are connected in parallel. ing.

図2に示す検知回路Bは、図1の検知回路Aの構成において、抵抗4を抵抗14に置換し、JFET6をNチャネル型MOSFET16に置換した回路である。この検知回路Bは、検知回路Aのようにゲート電圧が閾値電圧以上である領域を用いた信号検知を行なうのではなく、ゲート電圧が閾値電圧より低いMOSFET16のサブスレッショルド領域を使用した信号検知を想定した検知回路である。   The detection circuit B shown in FIG. 2 is a circuit in which the resistor 4 is replaced with the resistor 14 and the JFET 6 is replaced with the N-channel type MOSFET 16 in the configuration of the detection circuit A of FIG. This detection circuit B does not perform signal detection using a region where the gate voltage is equal to or higher than the threshold voltage like the detection circuit A, but performs signal detection using a subthreshold region of the MOSFET 16 whose gate voltage is lower than the threshold voltage. It is a detection circuit assumed.

次に、本発明の実施の形態の検知回路の構成について説明する。図3は、実施の形態の検知回路Cの構成を示す回路図である。図4は、実施の形態の検知回路Dの構成を示す回路図である。   Next, the configuration of the detection circuit according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of the detection circuit C of the embodiment. FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of the detection circuit D according to the embodiment.

図3の検知回路Cは、直流電圧源2と、抵抗14,24と、Nチャネル型のMOSFET16,26とを含む。抵抗14とMOSFET16は、直流電圧源2の正電圧ノードとアースとの間に直列接続され、これらの接続ノードから出力電圧信号VoutCが出力される。抵抗24とMOSFET26は、直流電圧源2の正電圧ノードとアースとの間に直列接続される。MOSFET26のゲートはMOSFET26のドレインに接続されるとともに、電荷発生源8の一方端子に接続される。MOSFET16のゲートは、電荷発生源8の他方端子に接続される。一例では、抵抗14の抵抗値は60kΩであり、抵抗24の抵抗値は120kΩである。   The detection circuit C of FIG. 3 includes a DC voltage source 2, resistors 14 and 24, and N-channel MOSFETs 16 and 26. The resistor 14 and the MOSFET 16 are connected in series between the positive voltage node of the DC voltage source 2 and the ground, and an output voltage signal VoutC is output from these connection node. The resistor 24 and the MOSFET 26 are connected in series between the positive voltage node of the DC voltage source 2 and the ground. The gate of the MOSFET 26 is connected to the drain of the MOSFET 26 and to one terminal of the charge generation source 8. The gate of the MOSFET 16 is connected to the other terminal of the charge generation source 8. In one example, the resistance value of the resistor 14 is 60 kΩ, and the resistance value of the resistor 24 is 120 kΩ.

MOSFET16のソースはアースに接続されている。MOSFET16のドレインには直流電圧源2から60kΩの抵抗14を介して1.8Vの電源電圧Vddが供給されている。MOSFET16のドレインと抵抗14との接続ノードには出力端子が設けられ、出力電圧信号VoutCが出力される。   The source of the MOSFET 16 is connected to ground. The power supply voltage Vdd of 1.8 V is supplied to the drain of the MOSFET 16 from the direct current voltage source 2 through the 60 kΩ resistor 14. An output terminal is provided at a connection node between the drain of the MOSFET 16 and the resistor 14, and an output voltage signal VoutC is output.

MOSFET26のソースはアースに接続されている。MOSFET26のドレインには直流電圧源2から120kΩの抵抗を介して1.8Vの電源電圧Vddが供給されている。MOSFET26のゲートはドレインに接続されている。   The source of the MOSFET 26 is connected to ground. A power supply voltage Vdd of 1.8 V is supplied to the drain of the MOSFET 26 from the DC voltage source 2 through a resistor of 120 kΩ. The gate of the MOSFET 26 is connected to the drain.

図4の検知回路Dは、図3の検知回路Cの構成において、MOSFET16のゲートとMOSFET26のゲートとの間に接続される抵抗32が追加された回路である。抵抗32は、電荷発生源8に並列に接続されている。抵抗32の抵抗値は、一例では、10GΩである。   The detection circuit D of FIG. 4 is a circuit to which the resistor 32 connected between the gate of the MOSFET 16 and the gate of the MOSFET 26 is added in the configuration of the detection circuit C of FIG. The resistor 32 is connected in parallel to the charge generation source 8. The resistance value of the resistor 32 is 10 GΩ in one example.

図5は、電荷発生源の実際の構造を示す図である。図5に示すように、電荷発生源8は、圧電体からなるメンブレン構造を有する。中央部に貫通孔が設けられたシリコン基板70の貫通孔を覆うように下地薄膜層68が形成され、その上に、電極薄膜層52,54,56と圧電体薄膜層62,64が交互に積層されている。尚、メンブレンの幾何学的な詳細構造については記載を省略する。   FIG. 5 is a diagram showing the actual structure of the charge generation source. As shown in FIG. 5, the charge generation source 8 has a membrane structure made of a piezoelectric material. Underlying thin film layer 68 is formed to cover the through hole of silicon substrate 70 provided with a through hole at the center, and electrode thin film layers 52, 54, 56 and piezoelectric thin film layers 62, 64 are alternately arranged thereon. It is stacked. The description of the geometrical detailed structure of the membrane is omitted.

このメンブレンに1Paの音圧が入力した時に、圧電体より電流振幅I=2πfQ(at f=20Hz〜20000Hz,発生電荷量Q=5E-14C)、の正弦波が発生する。図1〜図4の回路図には、圧電体キャパシタの等価容量15の容量値2pF、圧電体のリーク電流に相当する等価抵抗12の抵抗値100GΩが表記されている。   When a sound pressure of 1 Pa is input to this membrane, a sine wave of a current amplitude I = 2πfQ (at f = 20 Hz to 20000 Hz, generated charge amount Q = 5E-14C) is generated from the piezoelectric body. In the circuit diagrams of FIGS. 1 to 4, the capacitance value 2 pF of the equivalent capacitance 15 of the piezoelectric capacitor and the resistance value 100 GΩ of the equivalent resistor 12 corresponding to the leak current of the piezoelectric body are described.

以上の構成の検討例の検知回路および実施の形態の検知回路について回路シミュレーターLTSpice(リニアテクノロジー社)でシミュレーションした性能を以下に説明する。   The performance of the detection circuit of the examination example of the above configuration and the detection circuit of the embodiment simulated by the circuit simulator LTSpice (Linear Technology) will be described below.

まずは、検討例の検知回路Aと検知回路Bとの比較結果について説明する。図6は、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す図である。なお、ドレイン電流を示す縦軸は対数目盛となっている点に注意されたい。   First, the comparison result of the detection circuit A and the detection circuit B in the study example will be described. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between gate voltage and drain current. It should be noted that the vertical axis indicating the drain current is in logarithmic scale.

検知回路Aと検知回路Bの構成は基本的に同じであり、FETの特性が異なる。検知回路A(JFETを模擬)のFETは入力容量3pF、図6のAに示すIds−Vgs特性を有するJFETとした。検知を想定するVgs=0V近傍はゲート電圧が閾値電圧Vthより高いON状態である。JFETモデルのフリッカーノイズ係数KF=4.56E−17、フリッカーノイズ指数AF=1とした(これらの値はJFETとして一般的な値である)。   The configurations of the detection circuit A and the detection circuit B are basically the same, and the characteristics of the FET are different. The FET of the detection circuit A (simulating JFET) is a JFET having an input capacitance of 3 pF and an Ids-Vgs characteristic shown in A of FIG. In the vicinity of Vgs = 0 V where detection is assumed, the gate voltage is in the ON state higher than the threshold voltage Vth. The flicker noise coefficient KF of the JFET model is KF = 4.56E-17, and the flicker noise index AF is 1 (these values are common values as a JFET).

検知回路B(サブスレッショルド領域動作のFETを模擬)のFETは入力容量容量13.6pF、図6のBに示すIds−Vgs特性を有するNチャネル型のMOSFETとした。検知を想定するVgs=0V近傍にサブスレッショルド領域がある。MOSFETモデルのフリッカーノイズ係数KF=1E−24、フリッカーノイズ指数AF=1とした(これらの値はMOSFETとして一般的な値である)。   The FET of the detection circuit B (simulating the FET in the subthreshold region operation) is an N-channel MOSFET having an input capacitance of 13.6 pF and an Ids-Vgs characteristic shown in B of FIG. There is a subthreshold region near Vgs = 0 V assuming detection. The flicker noise coefficient of the MOSFET model, KF = 1E-24, and the flicker noise index AF = 1 (these values are general values for a MOSFET).

電荷発生源8では、容量値を2pFとし、電流振幅I=2πfQ(at f=20Hz〜20000Hz,発生電荷量Q=5E−14C)、の正弦波が発生すると仮定した。電荷発生源8にはリーク電流がある想定であり、リーク電流に相当する等価抵抗12として抵抗値100GΩを信号源10と並列に入れてある。   In the charge generation source 8, it is assumed that the capacitance value is 2 pF and a sine wave of current amplitude I = 2πfQ (at f = 20 Hz to 20000 Hz, generated charge amount Q = 5E-14C) is generated. The charge generation source 8 is assumed to have a leak current, and a resistance value 100 GΩ is inserted in parallel with the signal source 10 as an equivalent resistance 12 corresponding to the leak current.

検出回路Aでは、JFET6の0V近傍での電流値と相関をとるように固定抵抗4の抵抗値は20kΩとした。この場合、消費電流は45μA程度となる。   In the detection circuit A, the resistance value of the fixed resistor 4 is set to 20 kΩ so as to correlate with the current value of the JFET 6 in the vicinity of 0 V. In this case, the current consumption is about 45 μA.

検出回路Bでは、MOSFET16の0V近傍での電流値と相関をとるように固定抵抗14の抵抗値は60kΩとした。この場合、消費電流は16μA程度となる。   In the detection circuit B, the resistance value of the fixed resistor 14 is set to 60 kΩ so as to be correlated with the current value in the vicinity of 0 V of the MOSFET 16. In this case, the current consumption is about 16 μA.

図7は、周波数と感度(Vrms)との関係を示す図である。図8は、周波数とノイズ電圧との関係を示した図である。これらは、回路シミュレーターLTSpiceを用いて計算した結果である。尚、今回のノイズ計算においては本回路以外のノイズ源の考慮はされていない(現実的には電荷発生源のtanδやその他リーク電流などがノイズとして付加される)。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between frequency and sensitivity (Vrms). FIG. 8 is a diagram showing the relationship between frequency and noise voltage. These are the results of calculation using the circuit simulator LTSpice. Note that noise sources other than this circuit are not taken into consideration in the noise calculation this time (in reality, tan δ of the charge generation source and other leakage current etc. are added as noise).

応用製品がマイクロフォンであると仮定した場合には、感度Sは1kHzでの電圧、ノイズNはA特性フィルター適用後の20Hz〜20000Hzの範囲を積分した電圧となり、S/N比を含めて結果をまとめると、図9に示す結果(回路A、回路B)となった。   Assuming that the application product is a microphone, sensitivity S is the voltage at 1 kHz, and noise N is the voltage obtained by integrating the range from 20 Hz to 20000 Hz after the application of the A characteristic filter, including the S / N ratio. In summary, the results (circuit A, circuit B) shown in FIG. 9 are obtained.

回路Bは回路Aに比べて、ノイズも大きくなるが、それ以上に感度増大効果が大きいため、S/N比が向上する結果となった。これは、検知回路Bが、ゲート電圧Vgsに対してソース・ドレイン間電流Idsの変化度が大きいサブスレッショルド領域で信号を検知することに起因している。   Although the noise of the circuit B is larger than that of the circuit A, the sensitivity increase effect is larger than that of the circuit A, so that the S / N ratio is improved. This is because the detection circuit B detects a signal in the subthreshold region in which the degree of change in the source-drain current Ids is larger than the gate voltage Vgs.

なお、検知回路Bでは、検知回路Aに比べてFETの入力容量が大きく、消費電流も小さいため、一般的には、S/N面で不利に働くと考えられるが、それ以上にサブスレショルド領域で検知することによる高感度化に起因するS/N向上効果が勝っていると言える。   In addition, in the detection circuit B, the input capacitance of the FET is larger than that of the detection circuit A, and the current consumption is also small. Therefore, although it is generally considered to work disadvantageously in the S / N surface, the subthreshold region is more than that. It can be said that the S / N improvement effect attributable to the high sensitivity by detecting at is superior.

以上より、検知回路Aと検知回路Bとを比べると、FETのサブスレッショルド領域で検知する検知回路Bの方がS/N比が向上することがわかる。したがって、S/N比を向上させるために検知回路Bを使用することも考えられる。   From the above, comparing the detection circuit A and the detection circuit B, it can be seen that the S / N ratio is improved in the detection circuit B which detects in the subthreshold region of the FET. Therefore, it is also conceivable to use the detection circuit B to improve the S / N ratio.

しかし、FETのサブスレッショルド領域で検知する場合の問題は、FETの製造ばらつきによって閾値電圧Vthのズレが生じ、感度が大きく変動することである。   However, the problem in the case of detection in the subthreshold region of the FET is that the variation in the threshold voltage Vth is generated due to the manufacturing variation of the FET, and the sensitivity largely fluctuates.

図10は、FETの閾値電圧が±0.05Vずれると仮定した場合の感度計算結果(at 1kHz)を示す図である。図10のAに示すように、検知回路Aでは閾値電圧Vthがずれても比較的感度変動が小さいが、図10のBに示すように検知回路Bでは閾値電圧Vthがずれると感度が大きく変動してしまい、実使用上で使いこなすのは困難となる。   FIG. 10 is a diagram showing the sensitivity calculation result (at 1 kHz) when it is assumed that the threshold voltage of the FET deviates by ± 0.05V. As shown in A of FIG. 10, in the detection circuit A, the sensitivity fluctuation is relatively small even if the threshold voltage Vth deviates, but as shown in B of FIG. 10, in the detection circuit B, the sensitivity largely fluctuates if the threshold voltage Vth deviates. It becomes difficult to use it in practical use.

本実施の形態では、図3の検知回路Cおよび図4の検知回路Dを用いることによって、このような課題を解決している。   In the present embodiment, such a problem is solved by using the detection circuit C of FIG. 3 and the detection circuit D of FIG.

図3の検知回路Cは、図2の検知回路Bに対して、FET26と固定抵抗24とを付加した構成である。検知回路Cでは、FET16およびFET26は、ともにNチャネル型MOSFETとし、入力容量を13.6pFとした。このとき検知回路CのFET16のIds−Vgs特性を図6のCに示す。検知回路Bの特性に比べて+0.2V閾値電圧が高いFETとした。MOSFETモデルのフリッカーノイズ係数をKF=1E-24とし、フリッカーノイズ指数をAF=1とした(この値はMOSFETとして一般的な値である)。   The detection circuit C of FIG. 3 has a configuration in which an FET 26 and a fixed resistor 24 are added to the detection circuit B of FIG. 2. In the detection circuit C, both the FET 16 and the FET 26 are N-channel MOSFETs, and the input capacitance is 13.6 pF. The Ids-Vgs characteristic of the FET 16 of the detection circuit C at this time is shown in C of FIG. The FET has a +0.2 V threshold voltage higher than the characteristics of the detection circuit B. The flicker noise coefficient of the MOSFET model is KF = 1E-24, and the flicker noise index is AF = 1 (this value is a general value for a MOSFET).

電荷発生源8では、検知回路A、Bと同様に容量値2pF、電流振幅I=2πfQ(at f=20Hz〜20000Hz,発生電荷量Q=5E−14C)、の正弦波が発生すると仮定した。   Similar to the detection circuits A and B, in the charge generation source 8, it was assumed that a sine wave having a capacitance value of 2 pF and a current amplitude I = 2πfQ (at f = 20 Hz to 20000 Hz, generated charge amount Q = 5E-14C) is generated.

固定抵抗14は60kΩとした。これにより、FET16の消費電流量は16μA程度になる。一方、固定抵抗24は120kΩとした。これにより、FET26の消費電流は13μA程度になる。   The fixed resistance 14 was 60 kΩ. As a result, the current consumption of the FET 16 is about 16 μA. On the other hand, the fixed resistance 24 was 120 kΩ. As a result, the consumption current of the FET 26 becomes about 13 μA.

回路シミュレーターLTSpice(リニアテクノロジー社)を用いて、出力電圧とノイズ電圧を計算した結果を図7のCおよび図8のCに示す。   The results of calculation of the output voltage and the noise voltage using the circuit simulator LTSpice (Linear Technology) are shown in FIG. 7C and FIG. 8C.

応用をマイクロフォンと仮定した場合には、感度Sは1kHzでの電圧、ノイズNはA特性フィルター適用後の20Hz〜20000Hzの範囲を積分した電圧となり、S/N比を含めて結果をまとめると、図9の回路Cに示す結果となった。検知回路Cを用いても、検知回路Bと同様に高いS/N比を得ることができるとわかる。   Assuming that the application is a microphone, the sensitivity S is a voltage at 1 kHz, and the noise N is a voltage obtained by integrating the range of 20 Hz to 20000 Hz after the application of the A characteristic filter. The result is shown in the circuit C of FIG. It can be seen that even with the detection circuit C, a high S / N ratio can be obtained as in the detection circuit B.

ここで、FETの閾値電圧が製造ばらつきなどにより±0.05Vずれると仮定した場合の感度計算結果(at 1kHz)を図10のCに示す。製造ばらつき等によって閾値電圧がずれても感度変動は非常に小さくできることがわかった。これは、閾値電圧が変動したとしても、FET16の電流量を保つように、FET26が調整するように働くためである。   Here, the sensitivity calculation result (at 1 kHz) when assuming that the threshold voltage of the FET is shifted by ± 0.05 V due to manufacturing variation or the like is shown in C of FIG. It was found that even if the threshold voltage deviates due to manufacturing variations etc., the sensitivity fluctuation can be made very small. This is because the FET 26 acts to adjust so as to maintain the amount of current of the FET 16 even if the threshold voltage fluctuates.

なお、このように調整が働くためには、FET16のゲート電圧が、FET16のソース電圧と電源電圧の間にあることが必要条件となる。   In addition, in order for this adjustment to work, it is necessary that the gate voltage of the FET 16 be between the source voltage of the FET 16 and the power supply voltage.

図4に示す検知回路Dは、検知回路Cに対して、電荷発生源8に並列に接続されている抵抗32が追加されている。抵抗32は、圧電体の不安定なリーク電流や焦電効果等による不安定な電荷発生に対する出力電圧のドリフトを抑制する目的で導入している。抵抗32の抵抗値は、電荷発生源8の等価抵抗12の抵抗値より小さく、FET16のゲート−ソース間抵抗値より小さくすることで、抵抗32が有効に機能する。一方で抵抗32の抵抗値を小さくしすぎると、低周波領域の感度低下をもたらすため、抵抗32の抵抗値は、抵抗32の抵抗値と電荷発生源8の等価容量15とFET16の容量から換算される時定数の逆数が、検知周波数よりも小さくなるように設定されることが望ましい。   In the detection circuit D shown in FIG. 4, a resistor 32 connected in parallel to the charge generation source 8 is added to the detection circuit C. The resistor 32 is introduced for the purpose of suppressing the drift of the output voltage with respect to the unstable charge generation due to the unstable leak current of the piezoelectric body or the pyroelectric effect. By making the resistance value of the resistor 32 smaller than the resistance value of the equivalent resistor 12 of the charge generation source 8 and smaller than the gate-source resistance value of the FET 16, the resistor 32 effectively functions. On the other hand, if the resistance value of the resistor 32 is too small, the sensitivity of the low frequency region is lowered, so the resistance value of the resistor 32 is converted from the resistance value of the resistor 32 and the equivalent capacitance 15 of the charge source 8 and the capacitance of the FET 16 Preferably, the reciprocal of the time constant to be set is smaller than the detection frequency.

また固定抵抗14,24は、FETのソース−ドレイン間抵抗など、所定のFETを用いた擬似抵抗、またはp−n接合の抵抗成分を利用した疑似抵抗を用いてもよい。   The fixed resistors 14 and 24 may be pseudo resistors using a predetermined FET, such as source-drain resistors of FETs, or pseudo resistors using a resistance component of a pn junction.

図4に示す検知回路Dの場合も、図6、図7、図10において、検知回路Cとほぼ同様な特性を示した。なお、図9に示すように、ノイズに関しては、検知回路Dについては、検知回路Cと比べるとノイズが増加し、S/N比がやや低下したが、感度およびS/N比はいずれも検知回路Aよりも向上しており好ましい特性を示した。   Also in the case of the detection circuit D shown in FIG. 4, substantially the same characteristics as the detection circuit C are shown in FIGS. 6, 7 and 10. As shown in FIG. 9, with regard to noise, with respect to the detection circuit D, the noise increased compared to the detection circuit C, and the S / N ratio slightly decreased, but both the sensitivity and the S / N ratio were detected. It is improved over the circuit A and shows desirable characteristics.

以上より、本実施の形態の検知回路C,Dでは、高S/N比での検知が可能になるとともに、FETの閾値電圧ばらつきに対する感度ばらつきも低減することが可能となる。また、小型、低消費電力、かつ高S/N比の圧電マイクロフォンが実現できる。   As described above, in the detection circuits C and D according to the present embodiment, detection with a high S / N ratio is possible, and sensitivity variation with respect to threshold voltage variation of the FET can also be reduced. In addition, a compact, low power consumption, and high S / N ratio piezoelectric microphone can be realized.

なお、これまで温度特性の問題に関しては触れてきていないが、FETの閾値電圧は温度変化でずれるため、温度変化に対する感度ばらつきの低減にも本実施の形態の構成は効果的であると考えられる。   Although the problem of the temperature characteristic has not been mentioned up to now, the threshold voltage of the FET is shifted due to the temperature change, so the configuration of the present embodiment is considered to be effective also for reducing the sensitivity variation with respect to the temperature change. .

最後に本実施の形態について再び図面を参照して総括する。図3に示す本実施の形態の電荷検知回路Cは、第1の電界効果トランジスタ16と、第1の抵抗14と、第2の電界効果トランジスタ26と、第2の抵抗24と、VoutCを出力する出力ノードNoutとを備える。第1の電界効果トランジスタ16は、電荷発生源8の一方の端子に接続されるゲートと、第1の電圧に固定された第1のノード(GND)に接続されるソースとを有する。第1の抵抗14は、第1の電界効果トランジスタ16のドレインと第2の電圧(Vdd)に固定された第2のノードN2との間に接続される。第2の電界効果トランジスタ26は、電荷発生源8の他方の端子に接続されるゲートおよびドレインと、第1のノード(GND)に接続されるソースとを有する。第2の抵抗24は、第2の電界効果トランジスタ26のドレインと第2のノードN2との間に接続される。出力ノードNoutは、第1の電界効果トランジスタ16のドレインに接続される。   Finally, the present embodiment will be summarized again with reference to the drawings. The charge detection circuit C of the present embodiment shown in FIG. 3 outputs the first field effect transistor 16, the first resistor 14, the second field effect transistor 26, the second resistor 24, and the VoutC. And an output node Nout. The first field effect transistor 16 has a gate connected to one terminal of the charge generation source 8 and a source connected to a first node (GND) fixed to a first voltage. The first resistor 14 is connected between the drain of the first field effect transistor 16 and the second node N2 fixed to the second voltage (Vdd). The second field effect transistor 26 has a gate and a drain connected to the other terminal of the charge generation source 8 and a source connected to the first node (GND). The second resistor 24 is connected between the drain of the second field effect transistor 26 and the second node N2. The output node Nout is connected to the drain of the first field effect transistor 16.

好ましくは、少なくとも第1の電界効果トランジスタ16は、サブスレッショルド領域で動作し、第1の電界効果トランジスタ16のゲート電圧が第1の電圧(GND)と第2の電圧(Vdd)の間で動作する。   Preferably, at least the first field effect transistor 16 operates in the subthreshold region, and the gate voltage of the first field effect transistor 16 operates between the first voltage (GND) and the second voltage (Vdd). Do.

上記の構成とすれば、電荷検知回路は、高S/N比の信号検知が可能になるとともに、電界効果トランジスタの閾値電圧ばらつきに対する出力ばらつきを大きく低減することが可能となる。   With the above configuration, the charge detection circuit can detect a signal with a high S / N ratio, and can greatly reduce the output variation with respect to the threshold voltage variation of the field effect transistor.

好ましくは、第1の電界効果トランジスタ16と第2の電界効果トランジスタ26とは、同一特性を有する。このような構成とすれば、出力電圧ばらつきを更に低減することができる。   Preferably, the first field effect transistor 16 and the second field effect transistor 26 have the same characteristics. With such a configuration, output voltage variation can be further reduced.

好ましくは、図4に示すように、電荷検知回路Dは、電荷検知回路Cの構成に加えて、電荷発生源8と並列に、第1の電界効果トランジスタ16のゲートと第2の電界効果トランジスタ26のゲートとの間に接続される第3の抵抗32をさらに備える。   Preferably, as shown in FIG. 4, in addition to the configuration of the charge detection circuit C, the charge detection circuit D includes the gate of the first field effect transistor 16 and the second field effect transistor in parallel with the charge generation source 8. It further comprises a third resistor 32 connected between it and the gate of 26.

より好ましくは、第3の抵抗32の抵抗値は、電荷発生源8の等価抵抗12の抵抗値より小さく、かつ、第1の電界効果トランジスタ16のゲート−ソース間抵抗より小さい。第3の抵抗32の抵抗値は、第3の抵抗32と電荷発生源8の等価容量15と第1の電界効果トランジスタ16の入力容量から換算される時定数の逆数が、検知周波数よりも小さくなるように設定されている。たとえば、図3に記載したモデルでは、容量が15.6pF(電荷発生源容量2pF+FET入力容量13.6pF)、第3の抵抗が10GΩとなっており、1÷(15.6E−12×10E9)=6.4Hzであり、マイクロフォン応用時の可聴周波数下限値20Hzより小さく設定されている。   More preferably, the resistance value of the third resistor 32 is smaller than the resistance value of the equivalent resistor 12 of the charge generation source 8 and smaller than the gate-source resistance of the first field effect transistor 16. The resistance value of the third resistor 32 is such that the reciprocal of the time constant converted from the third capacitor 32 and the equivalent capacitance 15 of the charge generation source 8 and the input capacitance of the first field effect transistor 16 is smaller than the detection frequency It is set to become. For example, in the model described in FIG. 3, the capacitance is 15.6 pF (charge generation source capacitance 2 pF + FET input capacitance 13.6 pF), and the third resistance is 10 GΩ, and 1 ÷ (15.6E-12 × 10E9) = 6.4 Hz, which is set to be smaller than the lower limit 20 Hz of the audio frequency in microphone application.

このような構成とすれば、第1の電界効果トランジスタ16のゲート電圧を所定の時定数で安定化できるため、出力電圧の安定化を図ることができる。   With such a configuration, the gate voltage of the first field effect transistor 16 can be stabilized at a predetermined time constant, so that the output voltage can be stabilized.

より好ましくは、第1の抵抗14、第2の抵抗24、および第3の抵抗32の少なくとも1つとして、P−N接合の抵抗成分を利用した抵抗を使用する。P−N接合の抵抗成分を利用した抵抗は、半導体基板において、P型不純物領域とN型不純物領域の各抵抗とP−N接合部分の抵抗を含むものであればどのようなものでも良く、たとえばゲート電圧を所定電位に制御した電界効果トランジスタのソース・ドレイン間抵抗や、逆方向接続したツェナーダイオードなどを使用することができる。このような抵抗は、ポリシリコンなどの配線層を利用する抵抗よりも小面積で高抵抗が得られる。したがって、電荷検知回路全体を小型化できる。   More preferably, as at least one of the first resistor 14, the second resistor 24, and the third resistor 32, a resistor using a resistance component of a PN junction is used. The resistance using the resistance component of the P-N junction may be any resistance as long as it includes the respective resistances of the P-type impurity region and the N-type impurity region and the resistance of the P-N junction portion in the semiconductor substrate. For example, a source-drain resistance of a field effect transistor whose gate voltage is controlled to a predetermined potential, a reversely connected zener diode, or the like can be used. Such a resistor can provide a high resistance with a smaller area than a resistor utilizing a wiring layer such as polysilicon. Therefore, the entire charge detection circuit can be miniaturized.

好ましくは、電荷発生源8は、図5に示すような圧電体薄膜層62を含んで構成される圧電体である。   Preferably, the charge generation source 8 is a piezoelectric body including the piezoelectric thin film layer 62 as shown in FIG.

この発明は他の局面では、電荷検知回路Cまたは電荷検知回路Dと、電荷発生源8とを備える圧電マイクロフォンである。電荷発生源8は、図5に示すような圧電体薄膜層62を用いたメンブレン体であり、メンブレン体に入力された音を検知するように構成される。   In another aspect, the present invention is a piezoelectric microphone provided with a charge detection circuit C or a charge detection circuit D and a charge generation source 8. The charge generation source 8 is a membrane body using the piezoelectric thin film layer 62 as shown in FIG. 5, and is configured to detect a sound input to the membrane body.

これにより、小型、低消費電力、高S/N比の圧電マイクロフォンが実現できる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
As a result, a compact, low power consumption, high S / N ratio piezoelectric microphone can be realized.
It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is indicated not by the above description but by the claims, and is intended to include all the modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.

2 直流電圧源、4,14,24,32 抵抗、8 電荷発生源、10 信号源、12 等価抵抗、15 等価容量、16,26 MOSFET、52,54,56 電極薄膜層、62,64 圧電体薄膜層、68 下地薄膜層、70 シリコン基板、A,B,C,D 電荷検知回路、N2 第2のノード、Nout 出力ノード。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 DC voltage source, 4, 14, 24, 32 resistance, 8 charge generation source, 10 signal source, 12 equivalent resistance, 15 equivalent capacity, 16,26 MOSFET, 52,54,56 electrode thin film layer, 62,64 piezoelectric material Thin film layer, 68 base thin film layer, 70 silicon substrate, A, B, C, D charge detection circuit, N2 second node, Nout output node.

Claims (8)

電荷発生源において発生する電荷を検知する電荷検知回路であって、
前記電荷発生源の一方の端子に接続されるゲートと、第1の電圧に固定された第1のノードに接続されるソースとを有する第1の電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタのドレインと第2の電圧に固定された第2のノードとの間に接続される第1の抵抗と、
前記電荷発生源の他方の端子に接続されるゲートおよびドレインと、前記第1のノードに接続されるソースとを有する第2の電界効果トランジスタと、
前記第2の電界効果トランジスタのドレインと前記第2のノードとの間に接続される第2の抵抗と、
前記第1の電界効果トランジスタのドレインに接続される出力ノードとを備える、電荷検知回路。
A charge detection circuit for detecting charge generated in a charge generation source, comprising:
A first field effect transistor having a gate connected to one terminal of the charge generation source and a source connected to a first node fixed to a first voltage;
A first resistor connected between the drain of the first field effect transistor and a second node fixed to a second voltage;
A second field effect transistor having a gate and a drain connected to the other terminal of the charge generation source, and a source connected to the first node;
A second resistor connected between the drain of the second field effect transistor and the second node;
A charge detection circuit comprising: an output node connected to a drain of the first field effect transistor.
少なくとも前記第1の電界効果トランジスタは、サブスレッショルド領域で動作し、前記第1の電界効果トランジスタのゲート電圧が前記第1の電圧と前記第2の電圧の間で動作する、請求項1に記載の電荷検知回路。   2. The device according to claim 1, wherein at least the first field effect transistor operates in a subthreshold region, and a gate voltage of the first field effect transistor operates between the first voltage and the second voltage. Charge detection circuit. 前記第1の電界効果トランジスタと前記第2の電界効果トランジスタとは、同一特性を有する、請求項1または2に記載の電荷検知回路。   The charge detection circuit according to claim 1, wherein the first field effect transistor and the second field effect transistor have the same characteristic. 前記電荷発生源と並列に、前記第1の電界効果トランジスタのゲートと前記第2の電界効果トランジスタのゲートとの間に接続される第3の抵抗をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電荷検知回路。   4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a third resistor connected between the gate of the first field effect transistor and the gate of the second field effect transistor in parallel with the charge generation source. The charge detection circuit according to claim 1. 前記第3の抵抗の抵抗値は、前記電荷発生源の抵抗値より小さく、かつ、前記第1の電界効果トランジスタのゲート−ソース間抵抗より小さく、
前記第3の抵抗の抵抗値は、前記第3の抵抗と前記電荷発生源の容量と前記第1の電界効果トランジスタの入力容量から換算される時定数の逆数が、検知周波数よりも小さくなるように設定されている、請求項4に記載の電荷検知回路。
The resistance value of the third resistor is smaller than the resistance value of the charge generation source, and smaller than the gate-source resistance of the first field effect transistor,
The resistance value of the third resistor is determined such that the reciprocal of the time constant converted from the third resistor, the capacitance of the charge generation source, and the input capacitance of the first field effect transistor is smaller than the detection frequency. The charge detection circuit according to claim 4, wherein the charge detection circuit is set to
前記第1の抵抗、前記第2の抵抗、および前記第3の抵抗の少なくとも1つとして、P−N接合の抵抗成分を利用した抵抗を使用する、請求項4または5に記載の電荷検知回路。   6. The charge detection circuit according to claim 4, wherein a resistance utilizing a resistance component of a PN junction is used as at least one of the first resistance, the second resistance, and the third resistance. . 前記電荷発生源は、圧電体である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電荷検知回路。   The charge detection circuit according to any one of claims 1 to 6, wherein the charge generation source is a piezoelectric body. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電荷検知回路と、
前記電荷発生源とを備え、
前記電荷発生源は、圧電体薄膜を用いたメンブレン体であり、前記メンブレン体に入力された音を検知する、圧電マイクロフォン。
A charge detection circuit according to any one of claims 1 to 7;
And the charge generation source,
The charge generation source is a membrane using a piezoelectric thin film, and detects a sound input to the membrane.
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