KR101824939B1 - 마이크로폰 전원 리젝션에 관한 ３ｄ 기생 효과들의 제거 - Google Patents

Abstract

제 1 노드에 대해 생성된 임의의 잡음이 제 2 노드에 대해 생성된 임의의 잡음과 동등하도록, 마이크로폰 패키지의 전치증폭기에 관하여 거의 동등한 3D 기생 커패시턴스들을 가지는 제 1 노드 및 제 2 노드를 포함하는 MEMS 마이크로폰 패키지가 설명된다. 외부 전원은 제 1 노드에 접속되고 제 1 노드를 통해 MEMS 마이크로폰 패키지에 바이어스 전압 신호를 제공한다. 반전 증폭기는 전원과 제 2 노드 사이에 접속된다. 제 3 노드는 패키징 기생 커패시터를 통해 제 1 노드에 접속되는 반면에, 제 2 노드는 의도된 기생 커패시터 또는 명백한 커패시터를 통해 제 3 노드에 결합된다. 외부 전원으로부터 제 3 노드에 결합된 잡음은 그 다음, 반전 전원 잡음을 제 3 노드로 합산함으로써 소거된다.

Description

마이크로폰 전원 리젝션에 관한 ３Ｄ 기생 효과들의 제거{ELIMINATION OF 3D PARASITIC EFFECTS ON MICROPHONE POWER SUPPLY REJECTION}

관련 출원들

본 출원은, 그의 전체 콘텐트들이 본 명세서에 참조로서 통합되는 2014년 2월 10일에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 제 61/937,711 호의 이득을 주장한다.

본 발명은 마이크로폰 시스템의 전원에 의해 야기된 신호 잡음을 감소시키기 위한 마이크로폰 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 마이크로폰 시스템의 전원에 의해 야기된 신호 잡음을 감소시키기 위한 마이크로폰 시스템들 및 방법들을 제공하는 것이다.

일부 실시예들에서, 본 발명은 패키징(packaging) 기생 커패시터들로 인해 고 임피던스 전치증폭기 입력부에 결합하는 전원 잡음의 효과를 제거하기 위한 기술을 제공한다. 기술은 전원 잡음의 반전(inversion)을 생성하고 전치증폭기 입력부에 그것을 다시 결합시키며, 이것은 패키징 기생 전원 잡음 결합의 효과들을 감소시키거나 심지어 소거할 것이다.

일부 실시예들에서, 본 발명은 패키징 기생 커패시터들로 인해 전원 리젝션 비(Power Supply Rejection Ratio; PSRR) 성능으로 제한되지 않는 마이크로폰 시스템을 제공하는 것이다. 이 기술 없이 시스템에서 최상으로 성취가능한 PSRR은 패키징 기생 및 MEMS 센서에 의해 설정된 용량성 분주기(capacitive divider)에 의해 결정될 것이다. 따라서, 이 기술을 통해 우리는 PSRR이 패키징 환경 대신에 회로 성능에 의해 지배되는 것을 허용할 수 있고, 이것은 더 큰 전원 잡음 리젝션을 허용해야 한다.

하나의 실시예에서, 본 발명은 MEMS 마이크로폰 패키지 및 MEMS 마이크로폰 패키지 외부의 전원을 포함하는 마이크로폰 시스템을 제공한다. MEMS 마이크로폰 패키지는, 제 1 노드 상에 생성된 임의의 잡음이 전치증폭기 입력부에서 제 2 노드 상에 생성된 임의의 잡음만큼 감소되거나 소거되도록 제 1 노드 및 마이크로폰 패키지의 전치증폭기에 관하여 거의 동등한 3D 기생 커패시턴스들을 가지는 제 2 노드를 포함한다. 전원은 제 1 노드에 접속되고 제 1 노드를 통해 MEMS 마이크로폰 패키지에 바이어스(bias) 전압 신호를 제공한다. 마이크로폰 시스템은 또한, MEMS 마이크로폰 패키지 내부의 그리고 주문형 반도체(application specific integrated circuit; ASIC) 상에 위치된 반전 증폭기를 포함한다. 반전 증폭기는 전원과 제 2 노드 사이에 접속된다. 반전 증폭기는 제 2 노드를 통해 MEMS 마이크로폰 패키지의 전치증폭기에 반전된 전압 신호를 제공한다. MENS 마이크로폰 패키지 내부에 위치된 제 3 노드는, 바이어스 전압 신호에 대한 잡음이 반전된 전압 신호에 대한 대응하는 잡음 만큼 감소되거나 소거되도록 기생 커패시터들을 통해 제 1 노드 및 제 2 노드 둘 모두에 접속된다. 제 3 노드로부터의 잡음 감소 바이어스 전압 신호는 마이크로폰에 인가된다. 마이크로폰은 MEMS 마이크로폰 패키지 내에 위치된 전치증폭기로 출력 신호를 제공한다.

본 발명의 다른 양태들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려하여 명백해질 것이다.

도 1은 하나의 실시예에 따른 마이크로폰 다이 패키지의 투시도.
도 2는 도 1의 마이크로폰 시스템의 증폭기에 결합하는 전원 잡음의 전자 효과를 도시하는 회로도.
도 3은 도 1의 마이크로폰 시스템에 대한 전원 잡음 리젝션 시스템의 회로도.
도 4는 도 3의 전원 잡음 리젝션 시스템에 의해 이용하기 위해 이득 트림(trim) 모듈을 설정하기 위한 방법을 도시하는 흐름도.
도 5는 다양한 마이크로폰 시스템 패키지들에 대한 이득의 함수로서의 전원 리젝션 비들의 그래프.

본 발명의 임의의 실시예들이 상세하게 설명되기 전에, 본 발명이 그것의 출원에서, 다음의 설명에서 진술되거나 다음의 도면들에서 도시된 구성요소들의 구성 및 배열의 상세들로 제한되지 않음이 이해될 것이다. 본 발명은 다른 실시예들일 수 있고 다양한 방식들로 실시될 수 있거나 실행될 수 있다.

도 1은 마이크로폰의 집적 회로를 포함하는 다이(die)(100) 내 및 외부 둘 모두에 존재하는 3D 기생 커패시턴스들을 도시한다. 다이(100)는 본드 와이어(bond wire)들에 접속되고, 상기 본드 와이어들은 전력(본드 와이어(102A)), 접지(본드 와이어(102B)), 및 입력/출력 신호들(본드 와이어(102C))을 제공한다. 서로에 대한 본드 와이어들(102A, 102B, 102C)의 근접성은 본드 와이어들(102A, 102B, 102C) 사이에 기생 커패시턴스(106)를 생성한다. 기생 커패시턴스(106)는 또한, 본드 와이어들(102A, 102B, 102C)을 접속 패드들(104A, 104B, 104C)에 각각 접속시키는 납땜 이음(solder joint)들로부터 발생할 수 있다. 본드 와이어들(102A, 102B, 102C) 사이의 기생 커패시턴스(106)에 더하여, 기생 커패시턴스(108)는 본드 와이어들(102A, 102B, 102C)(및 접속 패드들(104A, 104B, 104C))과 다이(100) 상의 금속 루트(route)들(112) 사이에서 발생한다. 부가적인 기생 커패시턴스(110)는 다이(100) 상의 다양한 금속 루트들(112) 사이에서 발생한다.

도 2는 3D 기생 커패시턴스들(도 1에서 설명된 바와 같은)이 마이크로폰 출력 신호의 품질에 미치는 전자 효과를 도시한다. 용량성 마이크로폰(200)의 제 1 단자는 전치증폭기(202)의 입력부에 직접적으로 접속된다. 용량성 마이크로폰(200)의 다른 단자는 접지에 접속된다. 전원 라인(204)은 노드(210)에 전력(용량성 마이크로폰(200)에 대한 바이어싱(biasing) 전압)을 공급한다. 전원(204)의 위치는 회로 노드들(208) 사이에 용량성 결합(206)을 생성한다. 일부 실시예들에서, 패드(210)는 접속 패드들(104A, 104B, 104C) 중 하나 이상이고 칩에 본드 와이어들을 고정시키는 하나 이상의 납땜 볼들을 갖는다. 용량성 결합(206)은 전치증폭기(208)의 입력부에서 원하지 않는 잡음을 생성한다. 도 1에 의해 도시된 바와 같이, 부가적인 용량성 결합은 전치증폭기(208)에 직접적으로 결합하기 위해 원하지 않는 신호들을 생성한다.

설계에 의해, 마이크로폰(200)이 접속되는 전치증폭기(202)의 입력부는 매우 높은 임피던스이고, 이것은 전원 라인(204)으로부터의 원하지 않는 잡음이 이 노드로 결합되고 총 3D 기생 커패시턴스에 의해 결정된 크기를 가짐을 의미한다. 이 크기는, 회로가 성취할 수 있는 총 성취가능한 전원 리젝션 비(PSRR)에 직접적으로 영향을 미친다. 이 노드에 대한 패키지 기생 커패시턴스들에 의해 제한되지 않은 고 PSRR을 성취하기 위해, 전원 잡음 결합의 효과는 완화될 필요가 있다.

도 3은 성취가능한 PSRR을 개선하는 마이크로폰 시스템(300)의 일 실시예를 도시한다. 시스템은 전원 신호(302)의 반전된 사본(duplicate)을 생성하는 반전 증폭기(304)를 포함한다. 이득 트림 모듈(306)은 반전된 신호의 크기가 조정되도록 허용한다. 전원 신호(302) 및 트림된, 반전된 신호는 각각 전치증폭기(314) 입력부로부터 대략 동일한 거리에 위치된 별개의 패드들(308A, 308B)에 납땜 볼에 의해 결합된다. 패드들(308)은, 용량성 분주기가 형성되도록 기생 커패시터들을 통해 마이크로폰 패키지 내부의 접속 노드에 결합한다. 결합 커패시턴스는 반전 증폭기(304)로부터의 전원 신호(302) 및 반전된 신호에 대해 거의 동일하다. 따라서, 전원으로부터 생성된 임의의 잡음은 전치증폭기 입력에 대한 거의 동등한 전달 함수를 전치증폭기 입력에 대한 반전 증폭기 출력으로 간주한다. 결과적으로, 주(primary) 신호 및 반전된 신호 둘 모두에 존재하는 잡음은 전치증폭기(314) 입력부에서 감소되거나 소거된다. 전치증폭기 입력부에서의 공급 전압 신호(302)의 잡음 구성요소의 이 감소 또는 소거는 마이크로폰 시스템(300)에 대해 더 높은 PSRR을 야기한다.

다른 실시예들에서, 3D 기생 커패시턴스에 매칭(matching)하기 위해 필요한 동등한 결합 커패시턴스는 다른 방식들로 생성될 수 있다. 또 다른 방법은, 반전 증폭기가 전압 공급 신호의 기생 커패시턴스에 매칭하는 커패시턴스를 생성하도록 다이 상의 반전 증폭기의 출력을 라우팅(routing)하는 것이다. 부가적으로, 결합 커패시터들은 반전 증폭기 대신에, 또는 그것과 조합하여 반전된 신호의 진폭을 변경하도록 조정될 수 있다.

도 3에서의 개략도는 PSRR이 최종 디바이스 테스팅에서 조정되도록 허용하는 하나의 실시예의 아키텍처(architecture)를 도시한다. 다른 구성들에서, PSRR이 사후 제조를 위해 조정될 수 있음이 이해되어야 한다. 이러한 실시예에서, 마이크로프로세서 및 메모리 모듈은 간헐적으로 예를 들면, 디바이스의 매 작동 시작 시에 이득 트림 조정들을 수행할 수 있다.

하나의 실시예에서, 이득 트림 모듈(206)은 트랜지스터 레벨 스위치들을 이용하여 수동으로 조정된다. 도 4는 이러한 방법(400)에 관해 도시한다. 테스터(자동화 테스트 시스템 또는 이용자)는 최저 이득 설정으로 이득 트림 모듈(206)을 설정한다(단계(402)). 테스터는 그 다음, 외부 디바이스로 PSRR을 측정한다(단계(404)). 더 높은 이용가능한 이득 설정이 존재하는 한(단계(406)), 테스터는 각각의 이득 설정에서 PSRR을 측정하면서(단계(404)), 계속해서 다음의 최고 이득 설정들로 이득 설정을 조정한다(단계(408)). 모든 이득 설정에 대한 PSRR 값이 측정되었을 때(410), 테스터는 이득 트림 모듈을 최고 측정된 PSRR 값과 연관된 이득 값으로 설정한다(단계(410)).

마이크로폰에서 최대 PSRR을 위해 필요한 이득 설정을 결정할 파라미터들은 전형적으로, 시간에 따라 눈에 띄게 변경되지 않을 것이다. 따라서, 한번의 최종 디바이스 테스팅 동안 이 테스트가 충분할 수 있다. 교정이 단지 한번 수행되는 실시예들에서, 이득 설정은 마이크로폰 시스템 내의 트랜지스터 레벨 스위치들을 통해 설정된다.

도 5는 도 4의 방법을 이용하여 일련의 마이크로폰 패키지들(HAC22, HAC26, HAC35, HAC42, HAC46, HAC53, HAC54, HAC62, HAC66)에 대한 트림 이득 설정들을 증가시키기 위한 PSRR 값들의 일례를 도시한다. 수직 축 상에서, PSSR의 변경이 데시벨 단위로 표시된다. 수평 축 상에서, 반전 증폭기(304)에 대한 이득 트림 코드들이 최저로부터 최고로 표시된다. 이득 트림 코드들은, 각각의 수가 반전 증폭기(304)에 대한 이득의 증가를 표현하는 트랜지스터 레벨 스위치들에 대한 연속적인 단계들을 표현한다. 플롯(plot)의 바디(body)의 곡선들은 각각 상이한 마이크로폰 설계에 대한 특성 곡선을 표현한다. 이들 곡선들은 임의의 잡음 소거 없이 제로의 PSRR 값으로 정규화된다. 플롯의 맨아래 부분에서의 직선은 도 3에서 시스템의 잡음 소거를 이용하지 않는 마이크로폰을 보여준다.

마이크로폰 디바이스들의 각각에 대해, PSRR의 최고 변경을 성취하는 단일 이득 설정이 식별된다. HAC66에 대해, 최적 이득 설정은 4이다. HAC35에 대해, 최적 이득 설정은 6이다. 도 5에 도시된 모든 다른 마이크로폰 시스템들에 대해, 최상의 전원 잡음 소거를 제공하기 위한 최적 이득 설정은 이득 설정 5이다.

따라서, 본 발명은 무엇보다도, 최적 전원 잡음 리젝션 설정을 성취하기 위해 개선된 전원 잡음 소거를 가능하게 하는 마이크로폰 시스템 및 이러한 마이크로폰 시스템의 반전 증폭기의 이득 설정을 조정하는 방법을 제공한다. 다양한 특징들 및 장점들이 다음의 청구항들에서 진술된다.

100: 다이
102A, 102B, 102C: 본드 와이어
104A, 104B, 104C: 접속 패드
106, 108, 110: 기생 커패시턴스 112: 금속 루트
200: 용량성 마이크로폰
202, 208, 314: 전치증폭기 204: 전원 라인
206: 용량성 결합 208: 회로 노드
210: 패드 300: 마이크로폰 시스템
302: 전원 신호 304: 반전 증폭기
306: 이득 트림 모듈 308A, 308B: 별개의 패드

Claims (15)

1. 마이크로폰 시스템에 있어서:
   MEMS 마이크로폰 패키지로서,
   마이크로폰 구성요소,
   상기 마이크로폰 구성요소에 접속되고 상기 마이크로폰 구성요소로부터 출력 신호를 수신하도록 구성된 전치증폭기, 및
   전원으로부터 생성된 임의의 잡음이 전치증폭기 입력에 대한 동등한 전달 함수를 상기 전치증폭기 입력에 대한 반전 증폭기 출력으로 간주하도록, 상기 전치증폭기에 관하여 동등한 3D 기생 커패시턴스를 가지는 제 1 노드 및 제 2 노드를 포함하는, 상기 MEMS 마이크로폰 패키지;
   상기 MEMS 마이크로폰 패키지에 바이어스 전압 신호를 제공하기 위해 상기 MEMS 마이크로폰 패키지 외부에 있으며 상기 제 1 노드에 접속된 상기 전원;
   상기 전원과 상기 제 2 노드 사이에 접속된 상기 MEMS 마이크로폰 패키지 내부의 반전 증폭기로서, 상기 MEMS 마이크로폰 패키지에 반전된 전압 신호를 제공하는, 상기 반전 증폭기; 및
   가산 노드에 대한 잡음이 상기 반전된 전압 신호에 대한 잡음에 의해 감소되거나 소거되도록, 상기 MEMS 마이크로폰 패키지 내부에 위치되고 상기 제 1 노드 및 상기 제 2 노드 둘 모두에 접속되는 상기 가산 노드를 포함하는, 마이크로폰 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반전 증폭기는 조정가능한 이득 반전 증폭기를 포함하는, 마이크로폰 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   하나 이상의 레벨 스위치들을 더 포함하고, 상기 반전 증폭기의 이득은 상기 하나 이상의 레벨 스위치들을 이용하여 수동으로 조정되는, 마이크로폰 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 반전 증폭기에 이득 설정을 공급하도록 구성된 이득 트림(trim) 모듈을 더 포함하는, 마이크로폰 시스템.
5. 제 2 항에 있어서,
   마이크로프로세서를 더 포함하고,
   상기 마이크로프로세서는,
   제 1 이득 설정으로 상기 반전 증폭기를 설정하고,
   상기 제 1 이득 설정에서 전원 리젝션 비(Power Supply Rejection Ratio)를 결정하고,
   제 2 이득 설정으로 상기 반전 증폭기의 이득을 조정하고,
   상기 제 2 이득 설정에서 전원 리젝션 비를 결정하고,
   상기 제 1 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비를 상기 제 2 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비와 비교하며,
   상기 제 1 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비가 상기 제 2 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비보다 클 때, 상기 제 1 이득 설정으로 상기 마이크로폰 시스템을 동작시키도록 구성되는, 마이크로폰 시스템.
6. 제 2 항에 있어서,
   마이크로프로세서 및 비 일시적 컴퓨터 판독가능한 메모리 모듈을 더 포함하고,
   상기 마이크로프로세서 및 상기 비 일시적 컴퓨터 판독가능한 메모리 모듈은 복수의 이득 설정들의 각각에서 전원 리젝션 비를 결정하도록 구성되고 각각의 이득 설정에서 상기 결정된 전원 리젝션 비에 기초하여 최적 이득 설정을 식별하도록 구성되는, 마이크로폰 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 노드 및 상기 제 2 노드는 납땜 이음(solder joint)들에 대한 외부 패드 접속부들인, 마이크로폰 시스템.
8. MEMS 마이크로폰을 바이어싱(biasing)하기 위한 방법에 있어서:
   마이크로폰 구성요소, 전치증폭기, 제 1 노드, 및 제 2 노드를 포함하는 MEMS 마이크로폰 패키지를 구성하는 단계로서, 상기 제 1 노드 및 상기 제 2 노드는, 상기 제 2 노드에 대해 생성된 잡음이 상기 제 1 노드에 대해 생성된 잡음의 반전이 되도록 상기 전치증폭기에 관하여 동등한 3D 기생 커패시턴스를 갖는, 상기 MEMS 마이크로폰 패키지를 구성하는 단계;
   전원이 MEMS 마이크로폰으로 바이어스 전압 신호를 제공하도록 상기 전원을 상기 MEMS 마이크로폰 패키지의 외부에 접속시키는 단계;
   반전 증폭기가 상기 제 2 노드에 반전된 전압 신호를 공급하도록 상기 전원과 상기 제 2 노드 사이에 상기 반전 증폭기를 접속시키는 단계; 및
   용량성 결합을 통해 상기 제 1 노드 및 상기 제 2 노드를 가산 노드에 접속시키는 단계로서, 상기 가산 노드는 상기 가산 노드에 대한 잡음이 상기 제 1 노드로부터의 그리고 상기 제 2 노드로부터의 잡음의 조합에 의해 감소되거나 소거되도록 상기 MEMS 마이크로폰 패키지 내부에 위치되고 접속되는, 상기 제 1 노드 및 상기 제 2 노드를 가산 노드에 접속시키는 단계를 포함하는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 반전 증폭기의 이득을 조정하는 단계를 더 포함하는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반전 증폭기의 이득을 조정하는 단계는 하나 이상의 레벨 스위치들을 이용하여 수동으로 조정되는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    조정가능한 이득 트림 모듈을 상기 반전 증폭기에 접속시키는 단계를 더 포함하는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    마이크로프로세서가 상기 반전 증폭기의 이득을 제어하도록 상기 마이크로프로세서 및 비 일시적 컴퓨터 판독가능한 메모리 모듈을 상기 조정가능한 이득 트림 모듈에 접속시키는 단계를 더 포함하는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는:
    제 1 이득 설정으로 상기 반전 증폭기를 설정하는 단계;
    상기 제 1 이득 설정에서 전원 리젝션 비를 결정하는 단계;
    제 2 이득 설정으로 상기 반전 증폭기의 이득을 조정하는 단계;
    상기 제 2 이득 설정에서 전원 리젝션 비를 결정하는 단계;
    상기 제 1 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비를 상기 제 2 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비와 비교하는 단계; 및
    상기 제 1 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비가 상기 제 2 이득 설정에서의 상기 전원 리젝션 비보다 클 때, 상기 제 1 이득 설정으로 마이크로폰 시스템을 동작시키는 단계를 따르는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
14. 제 12 항에 있어서,
    복수의 이득 설정들의 각각에서 전원 리젝션 비를 결정하는 단계;
    최고 전원 리젝션 비를 갖는 이득 설정을 선택함으로써 최적 이득 설정을 식별하는 단계;
    상기 최적 이득 설정으로 마이크로폰 시스템을 동작시키는 단계; 및
    상기 비 일시적 컴퓨터 판독가능한 메모리 모듈에 상기 최고 전원 리젝션 비를 야기한 상기 최적 이득 설정의 값을 저장하는 단계를 더 포함하고,
    상기 복수의 이득 설정들의 각각에서 전원 리젝션 비를 결정하는 단계는 MEMS 패키지가 전압 공급장치 상에서 신호를 구동시키는 단계를 포함하는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.
15. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 위치된 기생 커패시터의 커패시턴스를 조정하는 단계를 더 포함하는, MEMS 마이크로폰을 바이어싱하기 위한 방법.

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