KR101673681B1 - 변환기 바이어싱 및 충격 보호를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따라, 인터페이스 회로는 변환기에 결합되도록 구성된 증폭기, 제1 전압 기준과 증폭기에 결합된 제1 바이패스 회로, 제1 전압 기준 및 증폭기에 결합된 제2 바이패스 회로, 및 제2 바이패스 회로에 결합된 제어 회로를 포함한다. 제1 바이패스 회로는 변환기에 제1 임계치보다 더 큰 입력 신호 진폭이 인가될 때 전류를 전도시키고, 제어 회로는 제1 바이패스 회로가 전류를 전도한 후 제2 바이패스 회로가 제1 시구간 동안 전류를 전도시키도록 한다.

Description

변환기 바이어싱 및 충격 보호를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR TRANSDUCER BIASING AND SHOCK PROTECTION}
본 발명은 일반적으로 변환기에 관한 것으로, 특정 실시예에서, 변환기 바이어싱 및 충격 보호를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
변환기는 신호를 하나의 도메인에서 또 다른 도메인으로 변환하는 것으로 종종 센서에서 사용된다. 일상 생활에서 볼 수 있는 변환기를 구비한 공통 센서로는 음파를 전기 신호로 변환하는 변환기를 구비한 오디오 신호를 위한 센서인 마이크로폰이 있다.
MEMS(Microlelctromechanical system) 기반 센서는 미세 기계가공 기술을 이용하여 생산된 변환기 부류를 포함한다. MEMS 마이크로폰과 같은 MEMS는 물리 현상 측정을 통해 환경으로부터 정보를 수집하고, MEMS에 부착된 전자기기가 센서로부터 도출된 신호 정보를 처리한다. MEMS 디바이스는 집적회로용으로 사용되는 것과 유사한 미세 기계가공 제조 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
오디오 마이크로폰은 셀룰러 전화, 디지털 오디오 레코더, 개인용 컴퓨터, 및 화상회의 시스템과 같은 다양한 소비자 애플리케이션에 공통적으로 사용된다. MEMS 마이크로폰에서, 집적회로 상에 압력 감지 다이아프램(pressure sensitive diaphragm)이 직접 배치된다. 따라서, 마이크로폰은 개별 이산 부품으로부터 제조되기보다는 오히려 하나의 집적회로 상에 포함된다.
MEMS 디바이스는 발진기, 공진기, 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서, 마이크로폰, 마이크로-미러, 및 다른 디바이스로서 형성될 수 있고, 측정되는 물리 현성을 측정하기 위한 용량성 감지 기술을 종종 사용한다. 그러한 애플리케이션에서, 용량 센서의 용량 변화는 인터페이스 회로를 이용하여 사용가능 전압으로 변환된다. 많은 애플리케이션에서, 충격 또는 유사한 이벤트에 의해 야기되는 큰 진폭의 물리 신호가 MEMS 디바이스에 과부하를 주어 영구적으로 또는 일시적으로 성능에 영향을 미치게 할 수 있다. MEMS 마이크로폰에서, 충격 이벤트는 용량성 플레이트 상의 전하의 양에 영향을 미칠 수 있다. MEMS의 성능 및 특히 민감도는 용량성 플레이트 상의 전하의 양과 관련된다. 따라서, MEMS 마이크로폰용 집적회로는 일반적으로 전하 바이어싱으로 설계된다는 것을 유의하자.
실시예에 따라, 인터페이스 회로는 변환기에 연결되도록 구성된 증폭기, 제1 전압 기준 및 증폭기에 연결된 제1 바이패스 회로, 제1 전압 기준 및 증폭기에 연결된 제2 바이패스 회로, 및 제2 바이패스 회로에 연결된 제어 회로를 포함한다. 제1 바이패스 회로는 변환기에 제1 임계치보다 더 큰 입력 신호 진폭이 인가될 때 전류를 전도하고, 제어 회로는 제1 바이패스 회로가 전류를 전도한 후 제1 시구간 동안 제2 바이패스 회로가 전류를 전도하게 한다.
본 발명 및 그의 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 결합하여 다음의 설명이 이제 참조된다.
도 1은 일 실시예의 마이크로폰 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 일 실시예의 MEMS 마이크로폰 시스템의 개략도를 도시한다.
도 3은 일 실시예의 마이크로폰 시스템의 동작시의 파형도를 도시한다.
도 4는 일 실시예의 전류 검출 블록의 개략도를 도시한다.
도 5는 또 다른 실시예의 전류 검출 블록의 개략도를 도시한다.
도 6은 또 다른 실시예의 MEMS 마이크로폰 시스템의 개략도를 도시한다.
도 7은 일 실시예의 마이크로폰 시스템의 동작 방법의 블록도를 도시한다.
상이한 도면들의 대응하는 번호들 및 기호들은 일반적으로 다른 지시가 없다면 대응하는 부분들을 지칭한다. 도면은 실시예의 관련 양상을 명확히 나타내도록 도시되고 반드시 축적을 맞춰 도시될 필요는 없다.
다양한 실시예의 구성 및 이용 방법이 이하에 상세하게 설명된다. 그러나, 여기서 설명되는 다양한 실시예는 폭넓은 다양한 특성 콘텍스트에 적용가능하다는 것이 이해되어야 한다. 논의되는 특정 실시예는 단순히 다양한 실시예를 구성하고 이용하기 위한 특정 방법을 예시한 것이고, 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
특정 콘텍스트, 즉, 마이크로폰 변환기, 및 보다 상세하게는 MEMS 마이크로폰의 다양한 실시예에 관해 설명된다. 여기서 설명되는 다양한 실시예의 일부는 MEMS 변환기 시스템, MEMS 마이크로폰 시스템, 변환기 및 MEMS 변환기 시스템용 인터페이스 회로, MEMS 변환기 시스템용 바이어싱 회로, 및 MEMS 변환기 시스템용 충격 보호 및 복원을 포함한다. 다른 실시예에서, 양상들은 임의의 유형의 센서 또는 물리적 신호를 다른 도메인으로 변환하고 임의의 공지된 기술에 따라 전자기기와 인터페이싱하는 변환기를 포함하는 다른 애플리케이션에도 또한 적용될 수 있다.
여기서 설명된 실시예의 일 양상은 마이크로폰을 바이어싱하고, 충격 이벤트 동안 마이크로폰을 보호하며, 충격 이벤트 후 전압 바이어스를 빠르게 복구하는 마이크로폰용 인터페이스 회로를 제공한다. 다양한 실시예에 따라, 충격 이벤트 동안 인터페이스 회로의 다양한 부품에 전류가 유도되고, 이러한 전류는 전류 검출 블록에 의해 검출되며, 제어 회로는 검출된 전류에 관련된 정보를 수신하고 인터페이스 회로의 일부의 임피던스를 수정한다. 일부 실시예에서, 임피던스는 시구간 동안 및/또는 충격 이벤트 후에 수정된다. 특정 실시예와 관련하여, 임피던스는 충격 이벤트 동안 및/또는 후에 더 낮아져서, 전압 바이어스가 보다 빠르게 복구되도록 할 수 있다.
도 1은 마이크로폰(102) 및 증폭기(106)에 연결된 바이어스 및 충격 회로(104)를 포함하는 마이크로폰 시스템(100)의 실시예의 블록도를 도시한다. 도시된 블록도에서, 마이크로폰 시스템(100)은 음파(108)를 마이크로폰(102)의 입력으로서 수신한다. 다양한 실시예에서, 마이크로폰 시스템(100)은 백플레이트 및 다이아프램을 구비한 용량성 MEMS 마이크로폰을 포함할 수 있다. 음파(108)는 다이아프램이 변위되게 하여 마이크로폰(102)으로부터 바이어스 및 충격 회로(104)로 출력되는 전압 신호를 생성하고, 바이어스 및 충격 회로(104)는 이러한 전압 신호를 증폭기(106)에 공급한다. 다양한 실시예에 따라, 바이어 및 충격 회로(104)는 정상 동작 동안 마이크로폰(102) 상에 바이어스 전하 레벨을 유지한다. 특정 실시예에서, 마이크로폰(102) 상의 바이어스 전하 레벨은 마이크로폰 시스템(100)의 민감도와 직접적으로 관련된다.
증폭기(106)는 이득 A를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 증폭기(106)는 전체적인 이득이 A가 되는 다단계 증폭기 회로의 일부일 수 있다. 정상 동작 동안, 음파(108)는 마이크폰 시스템(100)에 의해 압력 신호에서 증폭된 전압 신호로 변환된다.
다양한 실시예에 따라, 바이어스 및 충격 회로(104)는 충격 이벤트 동안 마이크로폰(102) 상의 전하에 대한 전류 경로를 제공하고 충격 이벤트 후에 마이크로폰(102) 상의 바이어스 전압을 복구하는데 도움을 준다. 다양한 실시예에서, 충격 이벤트는, 예를 들면, 드롭핑(dropping) 마이크로폰 시스템(100), 마이크로폰 시스템(100)의 사운드 포트에 대한 물리적 충격, 또는 환경에서의 극도로 큰 사운드 신호를 포함할 수 있다. 그러한 충격 이벤트에서, 마이크로폰(102)은 그 마이크로폰(102) 상의 바이어스 전하가 마이크로폰(102)을 벗어나 전류로서 흐르게 되도록 허여되지 않는다면 충격에 민감할 수 있다. 바이어스 및 충격 회로(104)는 마이크로폰(102)으로부터, 예를 들면, 전압 소스 또는 접지 단자와 같은 기준 전압으로의 전류 경로를 제공할 수 있다.
충격 이벤트에 이어, 바이어스 및 충격 회로(104)는 바이어스 전압 값을 보다 빠르게 복구하기 위해 마이크로폰(102)과 기준 전압 사이의 결합의 임피던스 값을 수정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 바이어스 전압(즉, 마이크로폰 상의 전하의 양)은 충격 이벤트 동안 영향을 받기 때문에, 충격 이벤트에 이어지는 민감도는 실질적으로 영향받을 것이다. 민감도가 빠르게 복구되지 않는다면, 변경된 마이크로폰 시스템의 성능은 인간 관찰자에 의해 검출가능할 수 있다. 예를 들면, 기록된 신호의 품질이 들을 수 있을 정도로 영향을 받을 것이다. 특정 실시예에서, 바이어스 및 충격 회로(104)는 시구간 동안 기준 전압과 마이크로폰(102) 간의 스위치를 닫을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시구간은 충격 이벤트 동안 시작할 수 있다. 다른 실시예에서, 시구간은 충격 이벤트 후에 시작할 수 있다. 스위치가 닫혀 있을 때의 시구간은 특정 시구간으로 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 닫힌 스위치를 통해 흐르는 전류가 모니터링될 수 있고, 스위치는 전류가 임계값에 도달할 때 개방될 수 있다.
도 2는 단자(206 및 208)를 통해 인터페이스(220)에 부착된 용량성 MEMS 마이크로폰(210)을 포함하는 MEMS 마이크로폰 시스템(200)의 실시예의 개략도이다. MEMS 마이크로폰(210)은 단자(208)에 연결된 편향가능 멤브레인(204) 및 단자(206)에 연결된 관통형 강성 백플레이트(202)를 포함한다. 다양한 실시예에 따라, 멤브레인(204) 상에 입력되는 사운드 포트(도시 생략)로부터의 음파는 멤브레인(204)이 편향되게 한다. 편향은 멤브레인(204)와 백플레이트(202) 간의 거리를 변하게 함으로써, 백플레이트(202)와 멤브레인(204)가 평행한 플레이트 커패시터를 형성하기 때문에 커패시턴스를 변경시킨다. 커패시턴스의 변화는 단자(206과 208) 사이의 전압 변화로서 검출된다. 인터페이스 회로(220)는 단자(206과 208) 사이의 전압 변화를 측정하고, 멤브레인(204)에 입사되는 음파에 대응하는 출력 신호를 출력(234)에 제공한다.
도시된 실시예에서, 증폭기(212)는 단자(206)에 연결되고 MEMS 마이크로폰(210)으로부터 전압 신호를 수신한다. 증폭기(212)는 MEMS 마이크로폰(210)으로부터 수신된 전압 신호를 증폭하고 출력 신호를 출력(234)에 제공한다. 다른 실시예에서, 증폭기(212)는 다단계 증폭기 캐스케이드에서의 제1 단이다. 특히 도시된 바와 같이, 증폭기(212)는 소스-팔로워(source-follower) 증폭기일 수 있다.
다양한 실시예에서, MEMS 마이크로폰 시스템(200)은 단자(206 및 208)를 통해 백플레이트 및 다이아프램(202 및 204)에 각각 인가된 바이어스 전압에 직접적으로 관련된 민감도를 갖는다. 민감도는 바이어스 전압에 직접적으로 관련되기 때문에, MEMS 마이크로폰 시스템(200)은 백플레이트(202) 및 다이아프램(204) 상의 일정한 양의 전하로 동작될 수 있다. 전하 펌프(218) 및 전압 소스(232)는 함께 바이어스 전압을 MEMS 마이크로폰(210)에 공급하고 일정한 양의 전하를 설정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 백플레이트(202)와 다이아프램(204) 사이에 소량의 누설 전류가 존재할 수 있다. 전하 펌프(218) 및 전압 소스(232)는 또한 소량의 누설 전류를 보상할 수 있다.
백플레이트(202) 및 다이아프램(204) 상에 일정한 전하를 유지하기 위해, 단자(206)로부터 보여주는 임피던스가 매우 크게 될 수 있다. 몇몇 특정 실시예에서, 임피던스는 약 10GΩ일 수 있다. 다른 특정 실시예에서, 임피던스는 약 100GΩ이거나 더 높을 수 있다.
충격 이벤트가 발생하면, MEMS 마이크로폰(210) 상의 전하는 증폭기(212)로의 입력에서 단자(206)에 연결된 (압력 증가 충격을 위한) 바이어스 다이오드(222) 및/또는 (압력 감소 충격을 위한) 다이오드(228)로 전달되고, 전류가 다이오드(222) 및/또는 다이오드(228)를 통해 흐르게 할 수 있다. 단자(206)가 인터페이스 회로(220)에 대해 높은 임피던스 입력이기 때문에, 전압 변화는 다이오드(222 또는 228) 중 어느 하나가 순방향 바이어싱되어 전류를 전도하기 전에 적용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 역평행 다이오드(224)는 단자(206)에서 회로 노드를 바이어싱하기 위해 다이오드(222) 옆에 포함되고 단자(206)에 연결될 수 있다. 다이오드(224)는 전압 소스(232)와 단자(206) 사이의 전압차가 다이오드(224)의 다이오드 드롭(diode drop)보다 높을 경우에만 동작한다. 몇몇 실시예에서, 다이오드(224)는 시작 동안 바이어싱을 향상시킨다. 부가의 실시예에서, 다이오드(224)는 단자(206)에서 높은 입력 임피던스를 유지하는 동안 MEMS 누설의 경우에 바이어싱 전류를 제공한다.
도시된 실시예에서, 전류 검출 블록(214)은 다이오드(222)와 전압 소스(232) 사이에 연결되고, 전류 검출 블록(215)은 다이오드(228)와 접지 노드 사이에 연결된다. 전류 검출 블록(214)은 다이오드(222)를 통과하는 전류를 검출하고, 전류 검출 블록(215)은 다이오드(228)를 통과하는 전류를 검출한다. 대체 실시예에서, 하나의 전류 검출 블록(214)이 사용될 수 있다. 추가의 실시예에서, 전류 검출 블록(214)은 인터페이스 회로(220) 내의 다른 위치에 있는 다른 회로 소자에 연결될 수 있다.
충격 이벤트 후에, 전하가 MEMS 마이크로폰(210)을 벗어나 이동하였기 때문에, 민감도가 변경될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다이오드(222 및 228)는 충격 이벤트 동안만 전류를 전도하기 때문에, 전류 검출 블록 중 어느 하나(214 또는 215)에서 검출된 전류가 충격 이벤트를 나타낸다. 다양한 실시예에 따라, 전류 검출 블록(214 또는 215)은 전류 검출 신호를 논리 OR 게이트(216)에 제공함으로써 검출된 전류를 통해 충격 이벤트를 나타내는데 사용된다. 다른 실시예에서, OR 게이트(216)는 다른 디지털 로직 또는 제어 회로를 이용하여 구현될 수 있고, 논리 OR과는 다른 제어 로직을 포함할 수 있다. OR 게이트(216)는 스위치 제어 신호(230)를 스위치(226)에 제공한다. 스위치(226)는 다이오드(222)와 병렬로 연결되고, 닫혔을 때, 다이오드(222)를 바이패싱하고 단자(206)에서 보여지는 임피던스를 낮춘다. 다양한 실시예에 따라, 전류 검출 블록(214 또는 215)에 의해 검출된 전류는 스위치 제어 신호(230)를 이용하여 OR 게이트(216)가 스위치(226)를 닫히게 한다. 스위치(226)를 닫으면 전압 소스(232)로부터 MEMS 마이크로폰(210) 상에 일정한 전하량을 보다 빠르게 복구할 수 있고 충격 이벤트 후에 정상적인 민감도를 복구할 수 있다.
다양한 실시예에 따라, 충격 이벤트 후에 정상 민감도 및 마이크로폰의 기능을 복구하는 것은 50 ms 미만에 완료된다. 몇몇 실시예에서, 단자(206)에 부착된 회로의 높은 임피던스에 기인하여, MEMS 마이크로폰(210) 상에 일정한 전하량을 복구하는 것은 스위치(226)가 개방되어 있다면 50 ms 내지 1-10초가 걸릴 수 있다. 그러나, 스위치(226)가 닫혀 있다면, MEMS 마이크로폰(210) 상에 일정한 전하량을 복구하는 것은 50 ms 미만이 걸릴 수 있다. 몇몇 실시예에서, MEMS 마이크로폰(210) 상에 일정한 전하량을 복구하는 것은 스위치(226)가 닫혀 있다면 10 ms 미만이 걸릴 수 있다. 추가의 실시예에서, MEMS 마이크로폰(210) 상에 일정한 전하량을 복구하는 것은 스위치(226)가 닫혀 있다면 50 ㎲ 미만이 걸릴 수 있다. 그러한 다양한 실시예에 따라, 스위치(226)가 닫혀 있는 동안 충격 이벤트 후의 시구간은 가변가능한 길이를 가질 수 있다. 시구간은, 예를 들면, 20 ms 같은 고정 시간일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시구간은 전류 검출 블록(214 또는 215)으로부터의 전류 검출 신호에 의존할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, MEMS 마이크로폰 시스템(200)이 턴온될 때, MEMS 마이크로폰(210) 상의 초기 전하 레벨을 설정하는 것은 단자(206)에서 보여지는 높은 임피던스 때문에 지연될 수 있다. 그러한 실시예에서, 입력(236)은 OR 게이트(216)에 시작 조건을 나타내는데 사용될 수 있고, OR 게이트(216)는 스위치(226)를 닫기 위한 스위치 제어 신호(230)를 제공할 것이다. 시작 조건 동안 스위치(226)를 닫히게 하면, MEMS 마이크로폰 시스템(200)은, 충격 복구와 관련하여 전술한 바와 같이, 동작 전하 레벨 및 정상 민감도에 보다 빠르게 도달할 수 있다.
도 3은 마이크로폰 시스템(300)의 동작시의 실시예의 파형도를 도시하고 여기서 설명된 실시예의 다양한 양상이 채용될 때의 개선된 충격 복구를 도모한다. 파형(302)은 충격 검출 및 복구의 기능이 없는 마이크로폰 시스템의 출력 전압을 도시하고, 파형(304)은 마이크로폰 시스템 내에 마이크로폰에 인가된 바이어스 전압을 도시한다. 파형(306)은 충격 검출 신호를 도시하고 파형(308)은 충격 자극을 도시한다. 파형(310)은 충격 검출 및 복구를 구비한 마이크로폰 시스템의 출력 전압을 도시하고, 파형(312)은 충격 검출 및 복구를 구비한 마이크로폰에 인가된 바이어스 전압을 도시한다. 다양한 실시예에 따라, 출력 전압은 도 2의 출력(234)에 대응할 수 있고, 바이어스 전압은, 예를 들면, 도 2의 단자(206과 208) 사이에 인가된 전압에 대응할 수 있다.
도시된 실시예에 따라, 충역 복구는 여기서 설명된 실시예에 따라 검출 및 복구 기능을 가지면 더 빠르다. 제3 충격 이벤트 후 100 ms 미만인 시간 314에서, 출력 전압 파형(302) 및 바이어스 전압 파형(304)은 각각의 초기값과 실질적으로 분리된다. 시간 314에서, 충격 복구를 갖는 출력 전압 파형(310) 및 바이어스 전압 파형(312)은 충격 복구를 갖지 않는 파형(302 및 304)과 비교해 초기값에 더 근접한다.
도 4는 도 2의 전류 검출 블록(215)을 구현하는데 사용될 수 있는 전류 검출 블록(400)의 실시예의 개략도이다. 도시된 실시예에서, 저항(402) 및 다이오드(404)를 통해 전류가 흐른다. 저항(402)은 충격 이벤트에 의해 발생될 수 있는 전류를 전압으로 변환한다. 몇몇 실시예에서, 충격 이벤트는 입력 전압이 접지 이하의 하나보다 많은 다이오드 드롭이 있다면 다이오드(404)가 순방향으로 바이어싱되도록 할 수 있다. 다이오드(404)가 순방향으로 바이어싱되면, 비교기 입력 신호(410)는 접지 아래로 풀링(pulling)될 수 있고, 출력(408)이 하이(high)로 가게할 수 있다. 입력 신호(410)는 MOSFET(418)에서 비교기의 제2 입력(GND)에 비교된다. 비교 결과는, 예를 들면, 도 2에서 OR 게이트(216)를 구동할 수 있는 출력(408)에 출력된다. 또 다른 실시예에서, 출력(408)은 도면에는 도시되지 않은 히스테레시스(hysteresis)를 포함할 수 있다. 당업자에게 알려진 바와 같이, NMOS/PMOS와 VDD/GND 접속을 변경함으로써 도 2의 다이오드(222)를 통과하는 전류를 검출하는 전류 검출 블록(214)을 구현하는데 동일한 전류 검출 블록이 사용될 수 있다.
도 5는 도 2의 전류 검출 블록(215)을 구현하는데 또한 사용될 수 있는 전류 검출 블록(500)의 또 다른 실시예의 개략도이다. 도시된 실시예에서, MOSFET(502)은 입력에 연결되고 MOS 다이오드로서 구성된다. 다양한 실시예에서, 이 MOS 다이오드는 도 2의 다이오드(228)에 대응한다. MOSFET(502)은 그 MOSFET(502)을 통해 흐르는 전류를 기준 전류 소스(506)와 비교하는 전류 검출 블록(500)의 나머지에 연결된다. 입력에서의 전압이 MOSFET(502)을 구비한 MOS 다이오드의 다이오드 드롭에 의해 접지 이하로 강하하면, 전류는 MOSFET(502)을 통해 접지에서 입력으로 흐른다. 그러한 전류는 MOSFET(502 및 504)가 전류 미러로서 연결되기 때문에 MOSFET(504)이 전류를 전도하게 할 것이다. MOSFET(504)을 통해 흐르는 전류가 기준 전류 소스(506)보다 더 크다면, 출력(508)은 하이로 진행함으로써 검출된 전류를 표시한다. 몇몇 실시예에서, 출력(508)은 OR 게이트(216)에 연결된다. 몇몇 실시예에서, 전류 검출 블록(500)은, 예를 들면, 도 2의 전류 검출 블록(214)을 구현하기 위해 NMOS/PMOS 및 VDD/GND를 교환함으로써 (접지 대신에) 전압 소스에 대해 재배향될 수 있다.
도 6은 증폭기(612)의 출력에 부착된 전류 검출 블록(614 및 615) 및 다이오드(622 및 628)를 구비한 MEMS 마이크로폰 시스템(600)의 또 다른 실시예의 개략도이다. MEMS 마이크로폰(610) 및 인터페이스 회로(620)를 구비한 MEMS 마이크로폰 시스템(600)의 동작은 MEMS 마이크로폰(210) 및 인터페이스 회로(220)를 구비한 MEMS 마이크로폰 시스템(200)과 유사하다. 증폭기(612)의 출력 상의 전류 검출 블록(614 및 615) 및 다이오드(622 및 628)의 배치는 상이한 측정 포인트를 제공하지만, MEMS 마이크로폰 시스템(600)의 동작은 일반적으로 도 2의 MEMS 마이크로폰 시스템(200)을 참조하여 설명된 것과 동일하고 다시 설명되지는 않을 것이다.
도 7은 마이크로폰에 대해 충격 이벤트에 대해 보호하고 충격 이벤트로부터 복구하기 위한 단계 702, 704, 및 706을 포함하는 마이크로폰 시스템의 동작 방법(700)의 실시예의 블록도이다. 단계 702는 출력 이벤트에 의해 기인한 전류를 마이크로폰의 플레이트로부터 떨어져 전도하는 것을 포함한다. 단계 704는 마이크로폰의 플레이트로부터 떨어져 흐르는 전류를 검출하는 것을 포함한다. 단계 702는 다이오드를 순방향 바이어싱하는 것에 대응할 수 있다. 다른 실시예에서, 단계 702는 스위치를 닫는 것에 대응할 수 있다. 다음 단계 704 및 706은 MEMS 마이크로폰의 플레이트에 연결된 인터페이스 회로의 임피던스를 줄이는 것을 포함한다. 다양한 실시예에서, 인터페이스 회로의 임피던스를 줄이는 것은 스위치를 다는 것을 포함할 수 있다. 추가의 실시예에서, 스위치는 MEMS 마이크로폰의 플레이트와 기준 전압 소스 사이에 연결될 수 있다. 특정 실시예에서, 단계 706는 MEMS 마이크로폰의 플레이트가 대응하는 민감도 값을 갖는 정상 전하 레벨을 가질 때까지 특정 시구간 동안 임피던스를 줄이는 것을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 인터페이스 회로는 변환기에 결합되도록 구성된 증폭기, 제1 전압 기준과 증폭기에 결합된 제1 바이패스 회로, 제1 전압 기준 및 증폭기에 결합된 제2 바이패스 회로, 및 제2 바이패스 회로에 결합된 제어 회로를 포함한다. 제1 바이패스 회로는 변환기에 제1 임계치보다 더 큰 입력 신호 진폭이 인가될 때 전류를 전도시키고, 제어 회로는 제1 바이패스 회로가 전류를 전도한 후 제2 바이패스 회로가 제1 시구간 동안 전류를 전도시키도록 한다.
다양한 실시예에서, 제1 바이패스 회로는 다이오드를 포함한다. 인터페이스 회로는 또한 제1 바이패스 회로 및 제2 바이패스 회로에 결합된 제1 전류 검출 블록을 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 전류 검출 블록은 검출된 전류를 나타내는 제어 신호를 제어 회로에 제공한다. 제2 바이패스 회로는 제1 전압 기준에 결합된 제1 도전 단자, 증폭기에 결합된 제2 도전 단자, 및 스위칭 제어 신호를 수신하기 위한 제어 단자를 구비한 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 제어 회로는 제1 전류 검출 블록으로부터 제어 신호를 수신하고 스위칭 제어 신호를 제2 바이패스 회로의 제어 단자에 제공한다.
몇몇 실시예에 따라, 인터페이스 회로는 제2 전압 기준 및 증폭기에 결합된 제3 바이패스 회로를 포함하고, 제3 바이패스 회로는 변환기에 제2 임계치보다 크기가 더 큰 입력 신호 진폭이 인가될 때 전류를 전도시키다. 인터페이스 회로는 또한 제3 바이패스 회로에 결합된 제2 전류 검출 블록을 포함하고, 제2 전류 검출 블록은 검출된 전류를 나타내는 부가의 제어 신호를 제어 회로에 제공한다.
다양한 실시예에서, 제1 바이패스 회로, 제2 바이패스 회로, 및 제3 바이패스 회로는 증폭기의 입력에 결합된다. 제어 회로는 스위칭 제어 신호에 의존하여 제2 바이패스 회로가 제1 시구간 동안 전류를 전도하게 한다. 제어 회로는 몇몇 실시예에서 디지털 제어 로직을 포함한다. 인터페이스 회로는 변환기에 결합되도록 구성된 바이어스 생성기를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 인터페이스 회로는 변환기를 더 포함한다. 변환기는 백플레이트 및 편향가능 멤브레인을 구비한 용량성 MEMS(microelectromechnical system) 마이크로폰일 수 있다.
일 실시예에 따라, 변환기를 동작시키는 방법은, 크기가 임계값보다 더 큰 진폭을 갖는 입력 신호가 변환기에 입력될 때 변환기로부터 전류를 전도시키는 단계, 변환기로부터의 전류를 검출하는 단계, 및 전류를 검출한 후 변환기와 전압 소스 간의 임피던스를 줄이는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 정상 동작 동안 변환기 상에 일정한 전하를 유지하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 변환기와 전압 소스 간의 임피던스를 줄이는 단계는 변환기와 전압 소스 간에 결합된 스위치를 닫는 단계를 포함한다. 이 방법은 시작 단계 동안 변환기와 전압 소스 간의 임피던스를 줄이는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 마이크로폰 시스템은 용량성 MEMS 마이크로폰, MEMS 마이크로폰의 제1 용량성 플레이트에 결합된 증폭기, 및 증폭기에 결합된 전하 제어 회로를 포함한다. 전하 제어 회로는 증폭기에 결합된 제1 다이오드, 증폭기에 결합되고 제1 다이오드와 병렬인 바이패스 스위치, 제1 다이오드 및 바이패스 스위치에 결합된 전류 검출 회로, 및 전류 검출 회로에 결합되고 바이패스 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로를 포함한다.
다양한 실시예에서, 마이크로폰 시스템은 증폭기에 결합된 제2 다이오드, 및 제2 다이오드 및 상기 스위치 제어 회로에 결합된 부가의 전류 검출 회로, 및/또는 MEMS 마이크로폰의 제2 용량성 플레이트에 결합된 바이어스 생성기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 스위치 제어 회로는 논리 OR 게이트를 포함한다. 제1 다이오드는 증폭기의 입력에 결합될 수 있다. 마이크로폰 시스템은 제1 다이오드와 병렬로 결합된 제3 다이오드를 포함할 수 있고, 제1 다이오드의 애노드는 제3 다이오드의 캐소드에 결합될 수 있다.
여기서 설명된 바와 같은 실시예들의 다양한 양상의 이점 및 수정은 고 임피던스 노드 후에 전류를 검출하는 것을 통해 용량성 MEMS 센서 상의 저장된 전하의 변화를 직접 감지하고, 시스템에 관찰자를 방해하는 것을 도입하지 않고 충격 이벤트에 대한 시작 및 종료 시간 검출, 신뢰성이 향상된 충격 검출, 바이어싱 조건에 독립적인 충격 검출, 및 부가의 기생 컴포넌트 또는 잡음 소스없는 충격 검출을 포함한다. 추가의 이점은 충격 이벤트에 이어 그리고 시작 단계 동안 마이크로폰을 정상 바이어스 전압으로 빠르게 바이어싱하는 것을 포함한다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 설명은 제한적인 것으로 해석될 것을 의도한 것이 아니다. 예시적인 실시예뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예의 다양한 수정 및 결합은 설명을 참조할 때 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 임의의 그러한 수정 또는 실시예를 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 인터페이스 회로로서,
    변환기에 결합되도록 구성된 증폭기와,
    제1 전압 기준 및 상기 증폭기에 결합된 제1 바이패스 회로 - 상기 제1 바이패스 회로는 상기 변환기에 제1 임계치보다 큰 입력 신호 진폭이 인가될 때 제 1 전류를 전도시키도록 구성됨 - 와,
    상기 제1 전압 기준 및 상기 증폭기에 결합된 제2 바이패스 회로와,
    상기 제2 바이패스 회로에 결합되고, 상기 제1 바이패스 회로가 상기 제 1 전류를 전도한 후 제1 시구간 동안 상기 제2 바이패스 회로가 제 2 전류를 전도시키도록 구성된 제어 회로를 포함하는
    인터페이스 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 회로는 다이오드를 포함하는
    인터페이스 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 회로 및 상기 제2 바이패스 회로에 결합된 제1 전류 검출 블록을 더 포함하되,
    상기 제1 전류 검출 블록은 상기 제 1 전류를 검출하고 상기 제 1 전류의 검출을 나타내는 제어 신호를 상기 제어 회로에 제공하도록 구성되는
    인터페이스 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 바이패스 회로는 상기 제1 전압 기준에 결합된 제1 도전 단자, 상기 증폭기에 결합된 제2 도전 단자, 및 스위칭 제어 신호를 수신하도록 구성된 제어 단자를 구비한 반도체 스위치를 포함하는
    인터페이스 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 제1 전류 검출 블록으로부터 상기 제어 신호를 수신하고 상기 스위칭 제어 신호를 상기 제2 바이패스 회로의 제어 단자에 제공하도록 또한 구성되는
    인터페이스 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    제2 전압 기준 및 상기 증폭기에 결합된 제3 바이패스 회로 - 상기 제3 바이패스 회로는 상기 변환기에 제2 임계치보다 크기가 큰 입력 신호 진폭이 인가될 때 전류를 전도시키도록 구성됨 - 와,
    상기 제3 바이패스 회로에 결합된 제2 전류 검출 블록 - 상기 제2 전류 검출 블록은 검출된 전류를 나타내는 부가의 제어 신호를 상기 제어 회로에 제공하도록 구성됨 - 을 더 포함하는
    인터페이스 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 바이패스 회로, 상기 제2 바이패스 회로 및 상기 제3 바이패스 회로는 상기 증폭기의 입력에 결합되는
    인터페이스 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 스위칭 제어 신호에 의존하여 상기 제2 바이패스 회로가 상기 제1 시구간 동안 전류를 전도하게 하도록 또한 구성되는
    인터페이스 회로.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제어 회로는 디지털 제어 로직을 포함하는
    인터페이스 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 변환기에 결합되도록 구성된 바이어스 생성기를 더 포함하는
    인터페이스 회로.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 변환기는 상기 인터페이스 회로 내에 배치되는
    인터페이스 회로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 변환기는 백플레이트(backplate) 및 편향가능 멤브레인(deflectable membrane)을 구비한 용량성 MEMS(microelectromechnical system) 마이크로폰인
    인터페이스 회로.
  13. 변환기를 동작시키는 방법에 있어서,
    크기가 임계값보다 큰 진폭을 갖는 입력 신호가 상기 변환기에 입력될 때 상기 변환기로부터 전류를 전도시키는 단계와,
    상기 변환기로부터의 상기 전류를 검출하는 단계와,
    상기 전류를 검출한 후, 상기 변환기와 전압 소스 간의 임피던스를 감소시키는 단계를 포함하는
    변환기 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 변환기의 정상 동작 동안 상기 변환기 상에 일정한 전하를 유지하는 단계를 더 포함하는
    변환기 동작 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 변환기로부터 전류를 전도시키는 단계는 상기 전류를 바이패스 회로를 통해 전도시키는 단계를 포함하며,
    상기 변환기로부터 상기 전류를 검출하는 단계는 상기 전류를 상기 바이패스 회로에 결합된 전류 검출 회로에서 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 변환기와 상기 전압 소스 간의 임피던스를 감소시키는 단계는 상기 변환기와 상기 전압 소스 사이에 결합된 스위치를 상기 전류 검출 회로에서 상기 전류를 검출하는 것에 기초하여 닫는 단계를 포함하는
    변환기 동작 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 변환기의 시작 단계 동안 상기 변환기와 상기 전압 소스 간의 임피던스를 감소시키는 단계를 더 포함하는
    변환기 동작 방법.
  17. 마이크로폰 시스템으로서,
    용량성 MEMS 마이크로폰과,
    상기 MEMS 마이크로폰의 제1 용량성 플레이트에 결합된 증폭기와,
    상기 증폭기에 결합된 전하 제어 회로를 포함하되,
    상기 전하 제어 회로는,
    상기 증폭기에 결합된 제1 다이오드와,
    상기 증폭기에 결합되고 상기 제1 다이오드와 병렬인 바이패스 스위치와,
    상기 제1 다이오드 및 상기 바이패스 스위치에 결합되고 상기 제1 다이오드에서의 전류를 검출하도록 구성되는 전류 검출 회로와,
    상기 전류 검출 회로에 결합되고 상기 전류 검출 회로로부터 수신되는 정보에 기초하여 상기 바이패스 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로를 포함하는
    마이크로폰 시스템.
  18. 마이크로폰 시스템으로서,
    용량성 MEMS 마이크로폰과,
    상기 MEMS 마이크로폰의 제1 용량성 플레이트에 결합된 증폭기와,
    상기 증폭기에 결합된 전하 제어 회로를 포함하되,
    상기 전하 제어 회로는,
    상기 증폭기에 결합된 제1 다이오드와,
    상기 증폭기에 결합되고 상기 제1 다이오드와 병렬인 바이패스 스위치와,
    상기 제1 다이오드 및 상기 바이패스 스위치에 결합된 전류 검출 회로와,
    상기 전류 검출 회로에 결합되고 상기 바이패스 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로와,
    상기 증폭기에 결합된 제2 다이오드와,
    상기 제2 다이오드 및 상기 스위치 제어 회로에 결합된 부가의 전류 검출 회로를 포함하는
    마이크로폰 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 MEMS 마이크로폰의 제2 용량성 플레이트에 결합된 바이어스 생성기를 더 포함하는
    마이크로폰 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 스위치 제어 회로는 논리 OR 게이트를 포함하는
    마이크로폰 시스템.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제1 다이오드는 상기 증폭기의 입력에 결합되는
    마이크로폰 시스템.
  22. 마이크로폰 시스템으로서,
    용량성 MEMS 마이크로폰과,
    상기 MEMS 마이크로폰의 제1 용량성 플레이트에 결합된 증폭기와,
    상기 증폭기에 결합된 전하 제어 회로를 포함하되,
    상기 전하 제어 회로는,
    상기 증폭기에 결합된 제1 다이오드와,
    상기 증폭기에 결합되고 상기 제1 다이오드와 병렬인 바이패스 스위치와,
    상기 제1 다이오드 및 상기 바이패스 스위치에 결합된 전류 검출 회로와,
    상기 전류 검출 회로에 결합되고 상기 바이패스 스위치를 제어하도록 구성된 스위치 제어 회로와,
    상기 제1 다이오드와 병렬로 결합된 제2 다이오드를 포함하되,
    상기 제1 다이오드의 애노드는 상기 제2 다이오드의 캐소드에 결합되는
    마이크로폰 시스템.
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