JP6544541B2 - チャージポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明はチャージポンプに関し、特に広範な動作温度範囲に渡って、良好な感度を有するＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＥＭＳ＝ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：微小電気機械システム）のためのチャージポンプに関する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、可変の静電容量を有するＭＥＭＳキャパシタおよびＭＥＭＳマイクロフォンのハウジングエレメント等の機械的構成要素を備える。さらに、ＭＥＭＳマイクロフォンは、キャパシタを充電してキャパシタの静電容量を算出するＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：特定用途向け集積回路）等の電気的あるいは電子的構成要素を有する。

また、ＭＥＭＳマイクロフォンの感度がＭＥＭＳマイクロフォンの動作温度に依存すること、特に、ＭＥＭＳマイクロフォンの感度が温度の上昇と共に低下することが知られている。

温度に誘発される感度の低下へのＭＥＭＳマイクロフォンの電気的および機械的構成要素のそれぞれの作用は、ハウジングエレメント、キャパシタおよびＡＳＩＣがそれぞれ温度に依存する特性を示すので、複雑である。

しかしながら、現代の装置においては、良好な電気的および音響的特性を有するＭＥＭＳマイクロフォンが概して望まれ必要とされる。このように、動作温度に無関係で一定の高感度を有するＭＥＭＳマイクロフォンが必要とされている。

特許文献１は、増幅器の利得の温度依存性により、温度補償されたマイクロフォンを開示したものである。特許文献２は、キャパシタを備え、温度係数を低減されたチップを有するＭＥＭＳマイクロフォンを開示したものである。特許文献３は、温度補償されたチャージポンプを有するマイクロフォンである。

国際公開第２０１１／００１１９５ Ａ１号。 米国特許第７，８８９，０３０号明細書。 米国特許出願公開第２０１１／０２００２１２号明細書。

このように、温度依存性を改善された構成要素を有するマイクロフォンの存在は知られているものの、広範な動作温度範囲に渡って一定の感度水準を有するＭＥＭＳマイクロフォンが、なお必要とされている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広範な動作温度に渡って一定であり、かつ高い感度水準を有するＭＥＭＳマイクロフォンを実現するためのチャージポンプ装置を提供するところにある。

本発明のチャージポンプ装置は、入力ポートおよび出力ポートを有するチャージポンプを備え、さらに、チャージポンプの入力ポートと電気的に接続され、バイアス電圧を供給するバイアス回路を備え、前記バイアス電圧は、温度依存性を有する。

上記のチャージポンプ装置は、ＭＥＭＳマイクロフォンのＭＥＭＳキャパシタを充電するために用いられてもよい。

また、バイアス電圧は、チャージポンプの制御電圧であるから、より高いバイアス電圧をチャージポンプの入力ポートへ印加することにより、ＭＥＭＳマイクロフォンのキャパシタへ格納されたより多くの量の充電電荷をもたらすことが可能である。

上記のように、ＭＥＭＳマイクロフォンの感度は、少なくとも部分的にはキャパシタの温度に依存する。そして、温度に依存する電荷量をＭＥＭＳキャパシタへ転送することによって、温度に誘発される感度低下へのキャパシタの寄与が低減されるだけではないことが見い出された。たとえ、ＭＥＭＳマイクロフォン全体の温度に誘発された感度低下であっても、その低下は適正に設計されたチャージポンプ装置により、低減することができ、または無くすことができる。このように、温度に依存しない高い水準の感度で動作する温度補償されたＭＥＭＳマイクロフォンを、構成することできる。

また、上記のように、ＭＥＭＳマイクロフォンの異なる構成要素の各々が、ＭＥＭＳマイクロフォンの温度に誘発される感度の低下を引き起こす。一般に、ＭＥＭＳマイクロフォンのキャパシタに印加する電圧を高くすると、キャパシタの感度、すなわちＭＥＭＳマイクロフォンの感度が向上するものの、広い温度範囲に渡って温度補償のための的確な電圧を定めることは困難であるし、周知のチャージポンプ装置でそれを印加することは、なおさら困難である。

このような、厳しい必要条件さえも満たす温度補償を得ることは、区分線形の温度依存性を有するバイアス電圧をチャージポンプに印加することが可能なバイアス回路を導入することによって簡単に実現できる。ここで、区分線形の温度依存性は、複数の温度区間に対して、それぞれの区間内でバイアス電圧の温度依存の傾きが一定であることを示す。温度区間の個数が多ければ、より正確な温度補償を得ることができる。本発明によれば、チャージポンプ装置の回路トポロジーは、非常に優れた温度補償を得るために数多くの温度区分を選定した場合でも、高度で複雑な回路にはならない。

ここで、チャージポンプ装置が温度センサを備えることが可能である。この温度センサはＰＴＡＴ電圧（ＰＴＡＴとは、絶対温度に比例することを示す）を供給してもよい。つまり、温度センサは、その比例係数ｋが一定であって絶対温度ケルビンに比例する電圧を供給する。

また、バイアス回路は、温度に依存しない複数の異なる電圧を供給する第１のサブ回路を備えることができる。さらに、バイアス回路は、温度に依存する複数の電圧を供給する第２のサブ回路を備えることができ、温度に依存する電圧の各々は、異なる温度依存性を有する。

上記第１のサブ回路は、複数の電圧出力を備えてもよい。ここで、第１のサブ回路の電圧出力の数は、上記第２のサブ回路の出力電圧の数およびチャージポンプの電圧入力の数のそれぞれと等しくてもよい。この第１のサブ回路の各出力は、ａ_ｉ+α_ｉ*Ｔ_ｉなる電圧を供給する。ここで、Ｔ_ｉはあらかじめ決められた温度、または温度に比例する物理量であり、ｉは電圧出力のインデックス番号である。ここでａ_ｉ、α_ｉはそれぞれ定数であり、ａ_ｉ+α_ｉ*Ｔ_ｉは温度に依存しない電圧である。

上記第２のサブ回路は、複数の電圧出力を備えてもよい。ここで、第２のサブ回路の各電圧出力は、ａ_ｉ+α_ｉ*Ｔなる電圧を供給する。ここで、Ｔは温度または温度に比例する物理量であり、ｉは電圧出力のインデックス番号である。ここでａ_ｉ、α_ｉはそれぞれ定数であり、α_ｉはそれぞれ出力電圧の温度依存の傾きである。

ここで、異なるしきい値電圧Ｔ_ｉ（ここでｉ＝１、２、・・・、Ｎ）が隣接する温度区間の境界を決定する。

また、チャージポンプ装置は、コンパレータ等の複数の選択回路を備えてもよい。選択回路の数は、第１のサブ回路の電圧出力の数と等しいことが好ましい。各々の選択回路は、第１のサブ回路の電圧出力のいずれか一つ、第２のサブ回路の電圧出力のいずれか一つ、およびチャージポンプの入力のいずれか１つ、とそれぞれ接続される。そして、各選択回路は温度信号を受信するために、さらに温度センサと接続されてもよい。

各選択回路は、チャージポンプからの入力に対応して、下記の電圧を供給することができる。

すなわち、実際の動作温度がしきい値温度Ｔ_ｉを下回る場合は、温度に依存する電圧であって、実際の動作温度がＴ_ｉと等しいか上回る場合は、温度に対して一定となる。

したがって、チャージポンプには、複数の個別の電圧が供給され、温度の上昇と共に、温度依存のある部分電圧の数は減少する。

チャージポンプは、その入力で受信した複数の単一電圧を追加してもよく、下記の合計に対応する電荷をＭＥＭＳキャパシタに転送してもよい。

また、ＭＥＭＳキャパシタに印加された電圧は、ＡＳＩＣ部により生成された追加オフセット電圧によって、低下または上昇されてもよい。

チャージポンプ装置の回路素子の数は、温度区分の数に線形に比例するだけで、回路の複雑さを増加されることはない。

さらに、チャージポンプ装置は、線形性パタメータを格納するために不揮発性のメモリ素子を備えることができる。線形性パタメータはパラメータα_ｉに含まれ、さらにパタメータａ_ｉおよびパラメータα_ｉはキャパシタに転送される電荷の温度依存性を決定する。

また、パタメータａ_ｉおよびパラメータα_ｉは、ＭＥＭＳマイクロフォン全体の感度の温度依存性を相殺するように選定することができる。そのために、ＭＥＭＳマイクロフォンの設計者が、個々の構成要素の温度に対する振る舞いや複雑な相互関係を学習する必要はない。代わりに、設計者は、構成要素全体の温度に依存する低下を測定し、ａ_ｉおよびα_ｉの値を選定して、それらをメモリ素子に格納するだけでよい。

感度の温度依存性は、同じ温度間隔に分割して区分線形曲線により近似することができる。そして、感度がキャパシタの電圧に対して線形に増加することから、感度の区分線形近似の傾きがａ_ｉおよびα_ｉに明確に対応する。これらのことから、ａ_ｉおよびα_ｉの最適値を非常に簡単に得られることがわかった。

このように、チャージポンプ装置は、ＭＥＭＳマイクロフォンの中の一部分に集積することができる。そして、ＭＥＭＳマイクロフォンは、チャージポンプ装置により充電されるＭＥＭＳキャパシタを、さらに備える。そのキャパシタは、可変の静電容量を有し、入力された音声信号が、その静電容量値を変化させる。例えば、ＡＳＩＣにより、変化する静電容量値を検出することにより、音声信号を電気信号に変換することができる。

本願のもう一つの実施形態のチャージポンプ装置またはチャージポンプ装置を有するＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法は、前記機械的および電気的構成要素を供給するステップと、前記電気的構成要素を電気的に接続するステップと、前記温度依存性による感度低下を決定するステップと、温度範囲を区間に分割し、前記感度の曲線を区分線形曲線に近似するステップと、前記区分線形部分の傾きを決定するステップと、前記傾きをパラメータａ_ｉ、α_ｉに変換するステップと、を備える。

チャージポンプＣＰおよびバイアス回路ＢＣからなるチャージポンプ装置の一実施形態を示す。 チャージポンプに供給される区分線形バイアス電圧の一例を示す。 その絶対値が減少していく負の傾きで、区分線形近似に対応する温度に依存する感度の一例を示す。 その絶対値が増加していく負の傾きで、区分線形近似に対応する温度に依存する感度の一例を示す。 バイアス回路ＢＣ内に第１のサブ回路ＳＣ１および第２のサブ回路ＳＣ２を含む、チャージポンプ装置のさらに詳細な実施形態を示す。 それぞれのしきい値温度Ｔ_ｉおよびしきい値電圧Ｖ_ｉと共に、温度に依存する部分および温度に依存しない部分の複数の電圧で構成されたバイアス電圧を示す。 チャージポンプ装置ＣＰＡおよびＭＥＭＳキャパシタＭＣＡＰからなるＭＥＭＳマイクロフォンＭＭの一実施形態を示す。 ＭＥＭＳマイクロフォンＭＭのさらに詳細な実施形態を示す。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は、チャージポンプ装置ＣＰＡの一実施形態を示す。チャージポンプ装置ＣＰＡは、チャージポンプＣＰおよびバイアス回路ＢＣを備える。チャージポンプＣＰは、複数の信号と接続される入力ポートＩＰを備える。複数の信号との接続は、複数の単一電圧の信号を提供し、その総和を、チャージポンプＣＰを制御するバイアス電圧としてよい。チャージポンプＣＰは、例えばキャパシタに、電荷を転送できる出力ポートＯＰをさらに備える。

バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓは、複数の温度依存を有する個々の電圧を供給するバイアス回路により、提供される。バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓの温度依存性は、チャージポンプＣＰにより出力ポートＯＰに提供される電荷の温度依存性がチャージポンプ装置ＣＰＡの外部の回路環境の温度により誘発される低下を相殺するように、選定される。

図２は、バイアス回路ＢＣからチャージポンプＣＰに印加された、温度に依存するバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓを示す。チャージポンプ装置の回路の構成要素の複雑さを最小限に留めるために、バイアス電圧は、極めて詳細に理想的なバイアス電圧に近似された区分線形セグメントを有する。バイアス電圧の線形セグメントの数は、セグメントの数が多いほうがより良い近似を得られることから、近似の度合いを画定するといえる。

図３および図４のそれぞれには、代表的なＭＥＭＳマイクロフォンの、互いに異なる温度依存性を有する感度曲線を示す。図３の感度の温度依存性は、温度の上昇と共に減少し、その曲線の傾きの絶対値が温度の上昇とともに減少する負の傾きを持つ。温度Ｔ_１、Ｔ_２、．．．，Ｔ_Ｎは、互いに隣接する温度区分のしきい値温度を画定する。各々の温度区分内で、感度の温度依存性が線形の関数によって近似される。したがって、近似関数の絶対値は温度の上昇と共に減少する。図３に対比すると、図４の感度の温度依存性の傾きの絶対値は、温度の上昇と共に増加する。

チャージポンプ装置の設計者は、最適な近似を得るための、個々のしきい値温度Ｔ_１、Ｔ_２、．．．，Ｔ_Ｎの選定をする必要はなく、感度の傾きが高い絶対値を持つ温度範囲を、数多くの区分に分割すればよい。また、温度に依存する感度の低下がそれほど顕著ではない温度範囲では、温度区分の数を少なくしても十分である。

図５は、バイアス回路ＢＣが、第１のサブ回路ＳＣ１および第２のサブ回路ＳＣ２を備える場合のチャージポンプ装置ＣＰＡのより詳細な実施形態を示す。第１のサブ回路ＳＣ１は、温度に依存しない複数の電圧を提供してもよく、第２のサブ回路ＳＣ２は温度に依存する複数の電圧を提供してもよい。第１のサブ回路ＳＣ１は、合計Ｎ個の電圧出力を有してよく、第２のサブ回路も合計Ｎ個の電圧出力を有してよく、また、チャージポンプＣＰは、その入力ポートにおいて、合計Ｎ個の電圧入力を有してもよい。さらに、バイアス回路ＢＣは、合計Ｎ個の選択回路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ．．．、ＳＮ、例えばその各々はコンパレータ、を備え、ここで各々の選択回路は、第１のサブ回路ＳＣ１の一つの電圧出力に接続され、第２のサブ回路ＳＣ２の一つの電圧出力に接続され、そしてチャージポンプＣＰの一つの電圧入力に接続される。各選択回路は、実際の動作温度およびそれぞれのしきい値温度Ｔ_ｉに依存して、第１のサブ回路ＳＣ１からの温度に依存しない電圧、または第２のサブ回路ＳＣ２からの温度に依存する電圧のいずれか一方を、チャージポンプＣＰのそれぞれの電圧入力に転送する。

このように、チャージポンプに印加される全体のバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓは、第１および第２のサブ回路それぞれからの温度に依存する複数の電圧および温度に依存しない複数の電圧の総和である。その結果、チャージポンプＣＰに印加される全体のバイアス電圧は、各々の温度区分内で一定の傾きを持つ区分線形電圧となる。

図６は、図の下部に示した複数の個々の電圧からなる全体のバイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓ（図６の上部に示された）の構成を図示するものである。温度Ｔ１、Ｔ２、．．．は、対応する温度区分の境界に設定されているしきい値電圧を画定する。

図６の下部に示された電圧の各々の曲線は、温度が特定のしきい値電圧を下回る場合に温度に依存する電圧を選択し、実際の温度が関連するしきい値温度を超える場合に一定値の電圧を選択するという選択回路の選択性によるものである。

このように、回路素子の数は、チャージポンプ装置の回路の複雑性を増すことなしに、温度区分の数と連動する。

ＭＥＭＳマイクロフォンの感度が、主に、それに対応するＭＥＭＳキャパシタに印加される電圧に比例することから、そして、ＭＥＭＳマイクロフォンの温度に依存する感度が、区分線形曲線によって、容易に、かつ高精度に近似できることから、図６に示された区分線形の温度に依存するバイアス電圧の、それぞれに対応するセグメントの傾きと電圧を画定する、係数ａ_ｉおよびα_ｉを決定することは容易である。

図７は、チャージポンプ装置ＣＰＡの、ＭＥＭＳマクロフォンへの可能な適用形態を示す。チャージポンプ装置ＣＰＡとは別に、ＭＥＭＳマイクロフォンは、可変の静電容量を備えるＭＥＭＳキャパシタと、不可欠な接続である、例えば電圧供給ポートＶＳＵＰと、第２の出力ポートＯＰ２と、を備える。電圧供給ポートＶＳＵＰを通して、チャージポンプ装置ＣＰＡは電力を供給されてもよい。第２の出力ポートＯＰ２を通して、ＭＥＭＳキャパシタの静電容量の変化を、音声信号を電気信号に変換するために分析してもよい。

図８は、さらに詳細な適用形態を示し、そこでは、さらなる増幅回路ＡＭＰがＭＥＭＳキャパシタＭＣＡＰと第２の出力ＯＰ２に間に配置される。さらなる増幅回路ＡＭＰはプリアンプまたはメインアンプを構成してもよい。また、ＭＥＭＳマイクロフォンＭＭは、パラメータａ_ｉおよびα_ｉのそれぞれに対応する値を、例えば１回のプログラムステップで、ＭＥＭＳマイクロフォンに供給するための回路ＯＴＰを、さらに備える。

このようなチャージポンプ装置およびチャージポンプ装置を備えるＭＥＭＳマイクロフォンはいずれも、上述の実施形態および図面の記載に限定されるものではない。さらなる回路構成要素または機械的構成要素を有し、さらなる回路構成要素またはＭＥＭＳマイクロフォンを有するチャージポンプ装置もまた本発明に含まれる。

ＡＭＰ 増幅器
ＢＣ バイアス回路
ＣＰ チャージポンプ
ＣＰＡ チャージポンプ装置
ＩＰ 入力ポート
ＭＣＡＰ ＭＥＭＳキャパシタ
ＭＭ ＭＥＭＳマイクロフォン
ＯＰ 出力ポート
ＯＰ２ 第２の出力ポート
ＯＴＰ ＯＰＴ回路
Ｓ１、Ｓ２、．．．、ＳＮ 選択回路
ＳＣ１ 第１のサブ回路
ＳＣ２ 第２のサブ回路
Ｔ 温度
Ｔ_{１、２、．．．Ｎ} しきい値温度
Ｖ_{１、２、．．．Ｎ} しきい値電圧
Ｖ_ｂｉａｓ バイアス電圧
ＶＳＵＰ 電圧供給ポート

Claims (13)

1. 入力ポート（ＩＰ）および出力ポート（ＯＰ）を有するチャージポンプ（ＣＰ）と、
   前記入力ポート（ＩＰ）と電気的に接続され、バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓを生成するために設けられたバイアス回路（ＢＣ）と、を備えるチャージポンプ装置（ＣＰＡ）であって、
   前記バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓは、区分線形の温度依存性を有する、ことを特徴とするチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
2. 前記バイアス回路（ＢＣ）は、温度センサを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
3. 前記温度センサは、ＰＴＡＴ電圧を供給する、ことを特徴とする請求項２に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
4. 前記バイアス回路（ＢＣ）は、温度に依存しない複数の異なる電圧を供給する、第１のサブ回路（ＳＣ１）を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
5. 前記バイアス回路（ＢＣ）は、温度に依存する複数の電圧を供給する、第２のサブ回路（ＳＣ２）を備え、前記温度に依存する電圧の各々は、異なる温度依存性を有する、ことを特徴とする請求項４に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
6. 前記温度に依存する電圧は線形の温度依存性を有する、ことを特徴とする請求項５に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
7. 前記バイアス回路（ＢＣ）は、複数の選択回路（Ｓ１、Ｓ２、．．．）を備える、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
8. 前記複数の選択回路（Ｓ１、Ｓ２、．．．）は、コンパレータを備える、ことを特徴とする請求項７に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
9. 前記バイアス電圧は、前記第１のサブ回路（ＳＣ１）および前記第２のサブ回路（ＳＣ２）により供給された複数の電圧の合計である、ことを特徴とする請求項５に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
10. 線形性パラメータを格納するための不揮発性メモリ素子を更に備える、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のチャージポンプ装置（ＣＰＡ）と、
    可変容量を有するＭＥＭＳキャパシタと、を備えるＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）であって、
    前記チャージポンプ装置（ＣＰＡ）の前記出力ポート（ＯＰ）は、前記ＭＥＭＳキャパシタを電気的に接続され、前記ＭＥＭＳキャパシタを充電するために設けられる、ことを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）。
12. 前記バイアス回路（ＢＣ）は、前記ＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）のＡＳＩＣの一部である、ことを特徴とする請求項１１に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（ＭＭ）。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の機械的構成要素および電気的構成要素を有するチャージポンプ装置（ＣＰＡ）の製造方法であって、
    チャージポンプ装置（ＣＰＡ）の前記機械的構成要素および前記電気的構成要素を供給するステップと、
    前記電気的構成要素を電気的に接続するステップと、
    前記温度依存性による感度の低下を決定するステップと、
    温度範囲を区間に分割し、前記区間の前記感度を区分線形曲線に近似するステップと、
    前記区分線形曲線の傾きを決定するステップと、
    前記傾きをパラメータａ_ｉ、α_ｉに変換するステップと、を備える方法。

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