KR20140029293A

KR20140029293A - 용량성 신호 소스의 민감도 조정을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140029293A
Application number: KR1020130103134A
Authority: KR
Inventors: 마이클 크롭피츠; 안드레아스 위스바우어
Original assignee: 인피니언 테크놀로지스 아게
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2014-03-10
Also published as: CN103686576B; KR101618406B1; US10027298B2; US20160094194A1; DE102013216305A1; US20140064523A1; US9214911B2; DE102013216305B4; CN103686576A

Abstract

실시예에 따라, 용량성 신호 소스에 의해 제공되는 신호를 증폭하기 위한 시스템은, 용량성 신호 소스의 제1 단자에 결합되도록 구성된 입력 노드를 갖는 임피던스 변환기, 및 용량성 신호 소스의 제2 단자에 결합되도록 구성된 제1 노드 및 임피던스 변환기의 출력 노드에 결합된 제2 노드를 갖는 조정가능 용량성 네트워크를 포함한다.

Description

용량성 신호 소스의 민감도 조정을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ADJUSTING THE SENSITIVITY OF A CAPACITIVE SIGNAL SOURCE}

본 발명은 일반적으로 반도체 회로 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 용량성 신호 소스의 민감도를 조정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

셀룰러 전화, 디지털 오디오 레코더, 개인용 컴퓨터 및 원격회의 시스템과 같은 다양한 소비자 애플리케이션에서 오디오 마이크로폰이 공통으로 사용되고 있다. 특히, 대량 생산되는 비용 민감성 애플리케이션에 있어서 저비용 ECM(electret condenser microphone)이 사용되고 있다. ECM 마이크로폰은 전형적으로 사운드 포트 및 전기 출력 단자를 갖는 소형 패키지에 장착되는 일렉트릿(electret) 재료의 막을 포함한다. 일렉트릿 재료는 다이아프램에 부착되거나 다이아프램 자체를 구성한다. 대부분의 ECM 마이크로폰은 또한 셀폰과 같은 타겟 애플리케이션 내의 오디오 프론트-엔드 증폭기에 인터페이싱될 수 있는 전치 증폭기를 포함한다. 또 다른 유형의 마이크로폰으로는 MEMS(microelectro-mehanical system) 마이크로폰이 있으며, 이 마이크로폰은 압력 민감형 다이아프램이 집적 회로 상에 직접적으로 에칭되어 구현될 수 있다.

환경 사운드 압력 레벨은 매우 큰 동적 범위를 스패닝한다. 예를 들면, 인간이 들을 수 있는 임계치는 약 0 dBSPL이고, 대화 음성은 약 60 dBSPL인 반면, 50m 떨어진 제트 항공기의 사운드는 약 140 dBSPL이다. MEMS 마이크로폰과 같은 마이크로폰의 다이아프램은 높은 강도의 음향 신호를 견딜 수 있고 이들 높은 강도의 음향 신호를 전자 신호로 신뢰성있게 변환할 수 있지만, 몇몇 어려움을 제기하는 그러한 높은 레벨의 신호를 다룬다. 예를 들면, 음향 마이크로폰용의 많은 증폭기 및 전치 증폭기는 특정한 동적 범위에 최적화되어 있다. 따라서, 이들 시스템은 상당한 왜곡이 부가되지 않고는 전체 오디오 범위를 조정할 수 없을 수 있다.

부가하여, MEMS 디바이스의 균일성에 영향을 미치는 파라미터는 MEMS 디바이스의 이득 및 성능에 변화를 야기할 수 있다. 예를 들면, 기계적 강성, 전기 저항, 다이아프램 영역, 및 에어 갭 높이를 포함하는 그러한 파라미터는 +/- 20% 정도까지 가변할 수 있다. 그러한 파라미터 변화는 특히 고전압이고 저비용의 MEMS 제조 공정에서 중요하다.

본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부 사항은 첨부 도면 및 이하의 설명에서 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점은 상세한 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구범위로부터 자명해질 것이다.

실시예들의 이점은 가변 이득 증폭기만을 사용하여 이득을 제어하는 시스템이 비해 양호한 잡음 성능 및 더 낮은 전력 소모를 포함한다. 잡음 성능은, 예를 들면, 소스 팔로워를 이용하여 구현될 수 있는 버퍼 증폭기 또는 임피던스 변환기의 간단한 구조 때문에 향상된다. 몇몇 실시예에서, 소스 팔로워 트랜지스터는 보다 복잡한 증폭기보다 더 작은 수의 능동 회로 컴포넌트를 이용하고, 이에 의해 더 작은 잡음을 생성하고 더 작은 전력을 소모할 수 있다. 더욱이, MEMS 출력 신호가 판독 회로에 의해 직접 조정되는 실시예에서, SNR이 향상된다.

실시예들의 추가의 이점은, 기생 캐패시턴스의 변수를 포함하는 집적 회로 상의 용량성 네트워크의 MEMS 파라미터(민감도, 캐패시턴스) 변수와 같은 파라미터 변수의 영향을 정리하는(trim out) 능력을 포함한다. 교정 시스템 및 방법의 실시예를 이용하여, 이러한 변수는 어셈블리 MEMS 및 집적 회로가 함께 조립된 후에 교정될 수 있다.

본 발명의 보다 철저한 이해 및 이점을 위해, 첨부 도면과 결합하여 취해진 다음의 상세한 설명이 이제 참조된다.
도 1은 용량성 센서의 출력을 증폭하기 위한 실시예의 시스템을 도시한다.
도 2는 실시예의 버퍼의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 실시예의 조정가능 용량성 네트워크 및 그와 관련된 제어 블록을 도시한다.
도 4는 실시예의 방법을 도시한다.
상이한 도면에서의 대응하는 번호 및 기호는 다른 지시가 없다면 일반적으로 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 바람직한 실시예의 관련 양상을 명확히 설명하기 위한 것으로 반드시 축적대로 도시될 필요는 없다. 임의의 실시예를 보다 명확히 설명하기 위해, 동일한 구조, 재료 또는 프로세스 단계의 변경을 나타내는 문자는 도면 번호 다음에 이어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 사용이 이하에 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 광범위한 특정 콘텍스트에서 구체화될 수 있는 다수의 적용가능한 진보적 개념을 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 논의되는 특정 실시예는 단순히 본 발명을 구성하고 사용하기 위한 특정 방법의 설명으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명은 특정 콘텍스트, 즉, MEMS 마이크로폰과 같은 용량성 신호 소스의 민감도를 조정하는데 사용될 수 있는 피드백 회로에 대한 실시예에 대해 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 오디오 시스템, 통신 시스템, 센서 시스템과 같은 다른 유형의 회로 및 시스템, 및 MEMS 디바이스, 용량성 센서 또는 다른 용량성 회로와 인터페이싱하는 다른 시스템에도 적용될 수 있다.

도 1은 MEMS 마이크로폰(102)에 결합되도록 구성된 실시예의 증폭기 집적 회로(IC)를 구비한 시스템(100)을 도시하는 것으로, 이 도면에서, 마이크로폰(102)은 IC(101) 상에 반드시 포함될 필요가 없다는 것을 나타내도록 점선으로 도시되어 있다. 몇몇 실시예에서, 마이크로폰(102)은 또한 IC(101) 상에 포함될 수 있거나 동일 패키지 내에 하우징된 개별 다이 상에 포함될 수도 있다. 대체 실시예에서, MEMS 마이크로폰(102) 대신 다른 유형의 용량성 회로가 사용될 수도 있다. MEMS 마이크로폰(102)은 전압원 Vmic이 마이크로폰 용량 Cmic에 직렬로 결합되고, IC(101)의 핀(116 및 120)에 결합된 것으로 모델링되어 도시되어 있다. 용량 Cp는 병렬 기생 용량을 나타낸다.

IC(101)는 증폭기(112), 아날로그 대 디지털 변환기(A/D)(114), 신호 검출 및 레벨 적응 블록(122), 조정가능 용량성 네트워크(104), 증폭기(112)의 입력을 바이어싱하는 바이어스 생성기(123), 및 핀(120)을 통해 MEMS 마이크로폰(102)을 바이어싱하는 바이어스 생성기(110)를 구비한다. 실시예에서, 증폭기(112)는 1 이하(unity or less)의 이득, 높은 입력 임피던스, 및 낮은 출력 임피던스를 갖는 증폭기이다. 대안으로, 증폭기(112)는 1보다 큰 전압 이득을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기(112)는 MOS 소스 팔로워(follower) 회로, 또는 소스 팔로워 개념에 따라 동작하는 다른 회로를 이용하여 구현될 수 있다.

조정가능한 용량성 네트워크(104)는 증폭기(112)의 출력에 결합되고, 스위칭가능한 캐패시터 어레이를 이용하여 구현될 수 있는 조정가능한 캐패시터(C1 및 C2)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 약 16 dB의 총 제어가능한 이득 범위에 대해 약 -6 dB 내지 약 10 dB의 이득 적응이 달성될 수 있다. 대안으로, 이 범위 밖의 다른 제어가능한 이득 범위도 달성될 수 있다.

저항(124)과 직렬로 결합된 DC 전압원(126)으로서 표현된 바이어스 생성기(123)는 증폭기(112)의 입력에 바이어스 전압을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 저항(124)은 오디오 주파수에서 높은 입력 임피던스를 유지하기 위해 높은 저항값을 갖는다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 저항값은 증폭기(112)로의 입력이 애플리케이션 및 그의 특정 명세에 따라 약 100 mH 내지 약 20 Hz의 고역 통과 코너 주파수를 갖도록 설정된다. 이러한 고역 통과 코너 주파수는 입력 바이어싱 저항 및 MEMS 마이크로폰 용량 Cmic의 RC 시상수에 반비례할 수 있다. 대안으로, 이 범위 외의 다른 고역 통과 코너 주파수가 사용될 수도 있다. DC 전압원(126)의 전압은 증폭기(112)의 입력 전압 요구사항에 따라 설정될 수 있다.

실시예에서, ADC(114)는 증폭기(112)의 신호 출력의 디지털 표현을 출력한다. 이러한 디지털 표현은, 2012년 4월 16일에 출원되고 발명의 명칭이 System and Method for High Input Capacitive Signal Amplifier인 공동 계류중인 미국 출원번호 제13/447,792호(그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합됨)에 설명된 바와 같이, 출력 패드(118)에서 마이크로폰 신호의 디지털 워드, 비트스트림, 또는 펄스 폭 변조 표현의 형태일 수 있다. 대안으로, 마이크로폰 신호의 아날로그 표현이 출력 패드(118)에 결합될 수 있다.

MEMS 마이크론폰을 이용하는 몇몇 실시예에서, 저항(128)과 직렬로 결합된 DC 전압원(127)으로 표현된 바이어스 생성기(110)는 핀(120)에서 마이크로폰(102)에 바이어스 전압을 제공한다. 이 바이어스 전압은 특정 마이크로폰 및 시스템 구현에 따라 약 3 V 내지 약 16 V일 수 있다. 대안으로, 다른 전압 범위가 사용될 수 있다. 바이어스 생성기(110)는 종래의 회로 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 바이어스 생성기(110)는 전하 펌프를 이용하여 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 바이어스 전압은 2012년 4월 30일에 출원되고 발명이 명칭이 System and Method for a Programmable Voltage Source인 공동 계류중인 미국 출원번호 제13/460,025호(대리인 번호 2012 P 50197)(그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합됨)에 설명된 바와 같이 구현될 수 있고 조정가능할 수 있다. 대안으로, 다른 바이어싱 구조 및/또는 고정 바이어스 전압이 사용될 수 있다.

실시예에서, 신호 검출 및 레벨 적응 블록(112)은 증폭기(112)의 출력에서의 진폭을 측정하고, 측정된 진폭의 함수로서 이득 제어 신호 GC를 계산한다. 이득 제어 신호 GC는 조정가능한 용량성 네트워크(104)를 제어함으로써, 시스템의 이득을 조정한다. 캐패시터(C1 및/또는 C2)의 용량을 가변시킴으로써, 증폭기(112)의 출력에서의 신호 레벨이 조정된다. 실시예에서, MEMS 마이크로폰(102)으로의 음향 입력에 대한 증폭기(112)의 출력에서의 전압의 진폭은, 1차로(at a first order), 약 1+C1/C2에 비례한다.

신호 검출 및 레벨 적응 블록(122)은 피크 검출기, 및 이득 제어 신호 GC를 결정하는 제어 로직(도시 생략)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 신호 검출 및 레벨 적응 블록(122)은 높은 음향 동적 범위를 더 작은 전기적 동적 범위에 매핑하기 위해, 증가된 음향 진폭에서는 시스템의 민감도를 감소시키고 감소된 음향 진폭에서는 시스템의 민감도를 증가시킨다. 신호 검출 및 레벨 적응 블록(122)은 선형 전달 특성을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 아날로그 도메인에서의 이득 감소는 전술한 공동 계류 중인 미국 출원번호 제13/447,792호에 설명된 바와 같이 디지털 도메인에서의 이득을 증가시킴으로써 정정될 수 있다. 신호 검출 및 적응 블록(122)에 제공되는 피크 검출기, 제어 로직 및 다른 회로는, 예를 들면, 2011년 8월 25일에 출원되고 발명이 명칭이 System and Method for Low Distortion Capacitive Signal Source Amplifier인 공동 계류중인 미국 출원번호 제13/217,890호(그 전체가 본 명세서에 참조로서 통합됨)에 설명된 바와 같이 구현될 수 있다. 대안으로, 공지된 다른 제어 회로 및 방법이 또한 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 조정가능 캐패시터 네트워크(104)를 통해 MEMS 마이크로폰(102)의 민감도를 교정(calibrate)하기 위한 교정 블록(130)이 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 시스템(100)의 제조 동안, 미리 정해진 허용오차(tolerance) 내로 공칭 민감도를 제공하기 위해 민감도가 조정될 수 있다. 이러한 MEMS 교정 프로세스는 한 단계 또는 두 단계로 수행될 수 있다. 제1의 선택 단계에서, DC 바이어스 전압 생성기 블록(110)에 의해 출력된 전압은 풀인(pull-in) 전압 이벤트까지 증가될 수 있다. 이 경우, 센서의 두 개의 플레이트가 소실(collapse)되고, 버퍼(112)의 입력에서 전압 글리치(voltage glitch)가 생성되며, 이 글리치는 글리치 검출 회로(140)에 의해 검출된다. 다음에, 정의된 비율의 DC 바이어스 전압이 풀인 전압에서 도출되고, 예를 들면, 교정 블록(130)에 위치된 하나 이상의 비휘발성 메모리 셀에 저장된다.

제2 단계에서, MEMS 마이크로폰(102)에 미리 정해진 음향 신호가 적용되고, 증폭기(112)의 출력에서의 결과 진폭이, 예를 들면, 신호 검출 레벨 적응 블록(122) 내의 피크 검출기를 이용하여 측정된다. 다음에, 이 측정은 미리 정해진 임계치에 비교된다. 몇몇 실시예에서, 이러한 비교는 테스트 시스템 인터페이스(142)를 통해 칩의 외부에서 수행될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 교정 블록(130)은, 증폭기(112)의 출력에서 측정된 진폭이 미리 정해진 임계치 범위 내에 들어올 때까지, 또는 측정된 진폭이 미리 정해진 임계치를 초과할 때까지 C1 및 C2의 값을 조정한다. 추가의 실시예에서, 교정 블록(130)은 신호 검출 및 레벨 적응 블록(122)의 동작을 교정하기 위해 이득 곡선을 조정하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 교정 블록(130)에 의해 도출된 교정 값은 비휘발성 메모리 같은 메모리에 기입될 수 있고, 및/또는 시스템에 의한 사용을 위해 룩업 테이블에 입력될 수 있다. 교정 시스템 및 방법은, 2011년 11월 28일에 출원되고 발명의 명칭이 Microphone and Method for Calibrating a Microphone인 공동 계류중인 미국 출원번호 제13/305,572호(그 전체가 본 명세서에 참조로 통합됨)에 따라 구현될 수 있다. 대안으로, 다른 교정 회로 및 방법이 사용될 수 있다.

IC(101) 상의 컴포넌트들은 대체 실시예에서 하나 이상의 컴포넌트 및/또는 하나 이상의 IC를 이용하여 구현될 수 있다는 것 또한 유념해야 한다.

도 2는 실시예의 버퍼 또는 임피던스 변환기(200)의 개략도를 도시한다. 기본 레벨에서, 버퍼(200)는 노드 Vin에서 전압을 버퍼링하고 노드 Vout에서 더 낮은 임피던스 버퍼링된 전압을 제공하는 PMOS 소스 팔로워 트랜지스터(228)를 구비한다. 본 발명의 대체 실시예에서, PMOS 소스 팔로워(228) 대신 NMOS 소스 팔로워가 사용될 수 있다.

NMOS 전류 소스 트랜지스터(224)는 PMOS 소스 팔로워 트랜지스터(228)에 바이어스 전류를 제공하고, NMOS 카스코드 트랜지스터(226)는 PMOS 소스 팔로워(228)의 드레인에서 낮은 임피던스를 제공한다. PMOS 디바이스(214 및 216) 및 NMOS 디바이스(226 및 228)로 구성된 피드백 루프는, PMOS 디바이스(214), PMOS 디바이스(216)과하는 전류 및 노드 Vout을 통해 손실된 임의의 전류의 합이 NMOS 디바이스(224)에 의해 소싱되는 전류와 거의 동일하게 되도록 충분한 전류를 소싱하도록 PMOS 트랜지스터(216)의 게이트에서의 전압을 조정한다. NMOS 디바이스(226) 및 PMOS 디바이스(214)는 PMOS 트랜지스터(210, 212), 및 NMOS 트랜지스터(218, 220 및 222)를 포함하는 바이어스 네트워크를 이용하여 바이어싱된다. 다이오드 접속 NMOS 트랜지스터(도시 생략)에 결합된 전류 소스와 같은 바이어스 생성기에 의해 전압 Vbias가 제공된다. 소스 팔로워 트랜지스터(228)의 게이트 용량과 직렬인 저항(230)은, MEMS 마이크로폰이 몇몇의 경우에 안테나로서 동작할 수 있기 때문에, 고주파 잡음에 대한 저역 통과 필터를 실현한다. 예를 들면, 셀룰러 전화 애플리케이션에서, 셀룰러 전화의 안테나로부터의 신호는 MEMS 마이크로폰을 통해 증폭기의 입력에 결합될 수 있다. 몇몇의 경우에, 800 MHz 내지 1900 MHz 범위 및 그 이상의 잡음 및 장애를 필터링하기 위해 저역 통과 필터가 구성된다. 대안으로, 다른 주파수 범위가 감쇄될 수 있다.

실시예에서, 버퍼의 출력 임피던스를 증가시키지 않고 ESD 요구사항을 충족하기 위해 직렬의 저항(232 및 234)이 제공된다. 저항(232 및 234)이 피드백 루프 내에 있기 때문에, 그 저항은 루프 이득에 의해 분할된다. 저항(236)과 직렬인 캐패시터(238)는 트랜지스터(216)를 통과하는 전류를 제어하는 피드백 루프를 보상하는데 사용될 수 있다.

실시예에서, 입력 노드 Vin는 전류 소스(202)와 저항(204)에 의해 생성된 기준 전압(VR)을 버퍼링하는 연산 증폭기(206)에 의해 바이어싱된다. 몇몇 실시예에서, 전압 VR은 밴드갭 전압 생성기 또는 공지된 다른 전압 기준 회로를 이용하여 생성될 수 있다. 저항(208)은 마이크로폰(102)(도 1)에 충분히 높은 임피던스를 제공하기 위해 높은 저항값을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 이 저항값은 약 50 GΩ 내지 약 300 GΩ일 수 있다. 대안으로, 이 범위 밖의 저항이 사용될 수도 있다. 저항(208)은 사용되고 있는 특정 프로세스 기술에서 이용가능한 저항층 및/또는 높은 저항을 제공하기 위해 바이어싱되는 긴 채널 MOSFET 디바이스를 이용하여 구현된다.

도 3a는 도 1에 도시된 조정가능 캐패시턴스 C1 및 C2를 구현하는데 사용될 수 있는 캐패시터 어레이(302)를 포함하는 조정가능 캐패시터 네트워크(300)의 실시예를 도시한다. 캐패시터 어레이(302)는 각각 스위치(310)와 스위치(311)에 결합된 복수의 캐패시터(308)를 구비한다. 각각의 스위치(310)는 입력 노드 In에 스위칭가능하게 결합되고, 각각의 스위치(311)는 접지 또는 또 다른 기준 노드에 스위칭가능하게 결합된다. 출력 노드 Out는 캐패시터(308)의 상부 플레이트에 결합되고 도 1에 도시된 핀(120)을 통해 MEMS 마이크로폰(102)에 결합될 수 있다. 입력 노드 In은 증폭기 또는 버퍼(112)의 출력에 결합될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 캐패시터(308)의 상부 플레이트는 노드 Out에 결합되고 캐패시터(308)의 하부 플레이트는 스위치(310 및 311)에 결합된다. 대안으로, 다른 구성이 사용될 수 있다.

캐패시터(308)는 몇몇 실시예에서 애플리케이션 및 그의 명세에 따라 동일한 값 또는 스케일링된 값을 갖도록 구성될 수 있다. 캐패시터 어레이(302)는 이진 가중 캐패시터 어레이를 이용하여 구성될 수 있다. 대안으로, 로그형(logarithmically) 가중 캐패시터 값과 같은 다른 가중치가 가능할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 애플리케이션 및 그의 특정 명세, 및 사용되는 반도체 프로세스의 특정 허용오차에 따라 약 100 fF 내지 약 500 fF의 값을 갖는 단위 값 캐패시터를 이용하여 구현된다. 도 3a에 단지 네 개의 스위칭가능 캐패시터가 도시되어 있지만, 특정 실시예 및 그의 명세에 따라 임의의 수의 캐패시터가 사용될 수 있다.

디지털 제어 블록(301)은 디지털 제어 버스 S를 이용하여 캐패시터 어레이(302) 내의 스위치(310 및 311)의 상태를 제어한다. 실시예에서, 디지털 제어 블록(301)은 이득 제어 신호 GC를 버스 S 상의 신호로 변환한다. MEMS 마이크로폰의 공칭 레벨을 교정하기 위해 및/또는 도 1에 도시된 신호 검출 및 레벨 적응 블록(122)에 의해 구현된 이득 제어 곡선의 상대 레벨 형상을 교정하기 위해 교정 신호 CAL이 도 1에 도시된 교정 블록(130)에 의해 사용될 수 있다.

도 3b는 디지털 제어 블록(301)의 실시예의 블록도를 도시한다. 디지털 제어 블록(301)은 이득 제어 신호 GC를 스위치 제어 버스 S1 및 S2에 매핑하는 룩업 테이블(320)뿐만 아니라, 실시예의 교정 방법에 따라 룩업 테이블(320)의 콘텐츠를 조정하는 교정 로직(322)을 포함한다. 본 발명의 대체 실시예에서, 디지털 제어 블록(301)은 다른 토폴로지를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 룩업 테이블(320)을 사용하는 대신 또는 그에 부가하여, 디지털 프로세서, 또는 맞춤형 디지털 로직이 스위칭 버스 S1 및 S2의 출력을 결정하는데 사용될 수 있다.

도 4는 실시예의 교정 방법의 흐름도(400)를 도시한다. 선택적인 제1 단계(401)에서, 마이크로폰 바이어스 전압 적응을 위한 풀인 전압 검출이 수행된다. 이 단계에서, 손실(collapse) 전압(풀인 전압)이 검출되는데, 이 값이 MEMS 마이크로폰의 민감도를 위한 측정값이기 때문이다. 여기서, MEMS 마이크로폰의 DC 바이어스 전압은 두 개의 플레이트가 손실될 때까지 증가된다. 최종 DC 바이어스 전압은 검출된 풀인 전압의 일부이고 ASIC 내의 메모리 셀에 저장된다. 다음에 MEMS 마이크로폰에 정의된 저장 DC 바이어스 전압이 인가된다.

다음에, 단계(402)에서, MEMS 마이크로폰 및 실시예의 증폭 시스템을 포함하는 시스템의 공칭 레벨은 MEMS 디바이스에 정의된 음향 신호를 인가함으로서 교정된다. 단계(404)에서, 증폭기 단위의 출력 민감도가 측정되고, 단계(406)에서, 측정된 출력 민감도와 목표 출력 민감도 간의 차이가 결정된다. 마지막으로, 진폭 단위의 이득이, 예를 들면, 실시예의 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하고 하나 이상의 비휘발성 메모리 셀에 최종 이득 설정을 저장함으로써 교정된다(단계 408). 몇몇 실시예에서, 목표 민감도 값을 위한 캐패시턴스 설정을 결정하는데 다수의 단계가 사용될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 시스템이 솔루션으로 수렴할 때까지 다수의 측정 및 조정이 이루어질 수 있다.

도 4에 도시된 방법은 또한 이득 제어 함수를 교정하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 흐름도(400)에 도시된 방법을 이용하여 이득 곡선에서의 하나 이상의 포인트가 교정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이득 곡선 내의 포인트들의 서브세트가 교정되면, 이득 곡선 내의 나머지 포인트들도 보간을 이용하여 도출될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 공칭 레벨을 설정하기 전에 손실 또는 풀인 전압이 결정된다. 이것은 두 개의 플레이트가 손실될 때까지 MEMS 마이크로폰의 DC 바이어스 전압을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 최종 DC 바이어스 전압은 검출된 풀인 전압의 일부(fraction)이다. 이 일부가 결정되면, MEMS 마이크로폰에 최종 DC 바이어스 전압이 인가되고, 도 4의 교정 절차가 수행된다.

실시예에 따라, 용량성 신호 소스에 의해 제공되는 신호를 증폭하기 위한 시스템은, 용량성 신호 소스의 제1 단자에 결합되도록 구성된 입력 노드를 갖는 임피던스 변환기, 및 용량성 신호 소스의 제2 단자에 결합되도록 구성된 제1 노드 및 임피던스 변환기의 출력 노드에 결합된 제2 노드를 갖는 조정가능 용량성 네트워크를 포함한다. 조정가능 용량성 네트워크는 제1 노드와 제2 노드 사이에 결합된 제1 캐패시터, 및 제1 노드와 기준 노드 사이에 결합된 제2 캐패시터를 포함할 수 있고, 여기서, 제1 캐패시터와 제2 캐패시터 중 적어도 하나의 캐패시터는 조정가능 캐패시터를 포함한다. 조정가능 캐패시터는 대응하는 복수의 스위치를 통해 병렬로 선택적으로 결합되는 복수의 캐패시터를 포함할 수 있고, 제2 노드는 접지 노드 또는 다른 기준 전압일 수 있다. 더욱이, 복수의 캐패시터 각각은 용량성 네트워크의 제1 노드에 결합된 상부 플레이트를 구비할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 또한 MEMS 마이크로폰일 수 있는 용량성 신호 소스를 포함할 수 있다.

실시예에서, 이 시스템은 또한 임피던스 변환기의 출력 노드에서 신호의 진폭을 측정하고 측정된 진폭에 기초하여 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성된 이득 제어 회로를 포함한다. 이 시스템은 또한 조정가능 용량성 네트워크에 결합되어, 조정가능 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성된 교정 회로를 포함할 수 있다.

실시예에서, 교정 회로는 또한, 제1 전압을 결정하기 위해 용량성 신호 소스로부터 전압 글리치(voltage glitch)가 검출될 때까지 용량성 신호 소스에 결합되도록 구성된 바이어스 전압을 증가시키고, 제1 전압에 기초하여 최종 DC 바이어스 전압을 결정하고, 결정된 최종 DC 바이어스 전압을 용량성 신호 소스에 인가하도록 구성된다. 교정 회로는 룩업 테이블 회로 및/또는 교정 설정을 저장하도록 구성된 메모리 셀을 포함할 수 있다.

추가의 실시예에 따라, 집적 회로는 MEMS 마이크로폰의 제1 단자에 결합되도록 구성된 입력 노드를 갖는 전압 버퍼, 및 MEMS 마이크로폰의 제2 단자에 결합되도록 구성된 제1 노드, 전압 버퍼의 출력 노드에 결합된 제2 노드, 조정가능 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성된 조정 입력을 갖는 조정가능 용량성 네트워크를 포함한다. 이 집적 회로는 또한 전압 버퍼의 출력에 결합된 입력 노드 및 조정가능 용량성 네트워크의 조정 입력에 결합된 출력을 갖는 이득 제어 회로를 포함한다. 이득 제어 회로는 전압 버퍼의 출력에서 신호의 진폭을 측정하고 측정된 진폭에 기초하여 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성될 수 있다.

실시예에서, 전압 버퍼는 MOS 소스 팔로워를 이용하여 구현된다. 몇몇의 경우에, 전압 버퍼는 1 이하의 전압 이득을 가질 수 있다.

실시예에서, 조정가능 용량성 네트워크는, 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드에 결합된 제1 플레이트를 갖는 복수의 제1 캐패시터, 및 복수의 제1 캐패시터의 제2 플레이트에 결합된 대응하는 복수의 스위치를 포함하는 제1 캐패시터 어레이를 구비한다. 복수의 제1 캐패시터의 제1 플레이트는 복수의 제1 캐패시터의 상부 플레이트일 수 있다.

실시예에서, 조정가능 용량성 네트워크는, 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드와 조정가능 용량성 네트워크의 제2 노드 사이에 결합된 제1 조정가능 캐패시터, 및 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드와 기준 노드 사이에 결합된 제2 조정가능 캐패시터를 포함한다.

추가의 실시예에서, 조정가능 용량성 네트워크는 각각 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드에 결합된 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 갖는 복수의 캐패시터를 포함한다. 복수의 캐패시터 각각의 하부 플레이트는 기준 노드에 그리고 조정가능 용량성 네트워크의 제2 노드에 스위칭가능하게 결합되도록 구성된다.

몇몇 실시예에서, 집적 회로는 또한 MEMS 마이크로폰 및/또는 전압 버퍼의 출력에 결합된 아날로그 대 디지털 변환기를 포함한다.

추가의 실시예에 따라, 전압 버퍼 회로에 결합된 제1 노드를 갖는 MEMS 마이크로폰을 교정하는 방법은, 음향 신호를 MEMS 마이크로폰에 인가하는 단계, MEMS 마이크로폰과 전압 버퍼 회로의 민감도를 측정하는 단계, MEMS 마이크로폰과 전압 버퍼 회로의 이득을 교정하는 단계를 포함한다. 이득을 교정하는 단계는 전압 버퍼 회로의 출력과 MEMS 마이크로폰의 제2 노드 사이에 결합된 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하는 단계를 포함한다.

실시예에서, 이 방법은 또한, MEMS 마이크로폰과 전압 버퍼 회로의 측정된 민감도와 목표 출력 민감도 간의 차이를 결정하는 단계를 포함한다. 이득을 교정하는 단계는 용량성 네트워크 내에 배치된 스위칭가능 캐패시터 어레이의 스위칭 구성을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 구성을 선택하는 단계는 디지털 룩업 테이블을 구성하는 단계를 포함한다.

실시예에서, 이 방법은 또한, 제1 전압을 결정하기 위해 MEMS 마이크로폰으로부터 전압 글리치가 검출될 때까지 MEMS 마이크로폰에 결합되도록 구성된 바이어스 전압을 증가시키는 단계, 제1 전압에 기초하여 최종 DC 바이어스 전압을 결정하는 단계, 및 결정된 최종 DC 바이어스 전압을 MEMS 마이크로폰에 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 설명은 제한적인 것으로 해석되고자 의도된 것이 아니다. 예시적인 실시예뿐만 아니라 본 발명의 다른 실시예의 다양한 수정 및 조합이 설명을 참조하여 당업자에게는 자명해 질 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위가 임의의 그러한 수정 또는 실시예를 포함하는 것이 의도된다.

100: 시스템
101: 증폭기 집적 회로
102: 마이크로폰
104: 조정가능 용량성 네트워크
110: 바이어스 생성기
112: 증폭기
114: ADC
116: 핀
118: 출력 패드
120: 판
122: 신호 검출 및 레벨 적응 블록
123: 바이어스 생성기
130: 교정 블록
140: 글리치 검출 회로
142: 테스트 시스템 인터페이스
301: 디지털 제어 블록
302: 캐패시터 어레이
320: 룩업 테이블
322: 교정 블록

Claims

용량성 신호 소스에 의해 제공되는 신호를 증폭하기 위한 시스템으로서,
상기 용량성 신호 소스의 제1 단자에 결합되도록 구성된 입력 노드를 갖는 임피던스 변환기와,
상기 용량성 신호 소스의 제2 단자에 결합되도록 구성된 제1 노드 및 상기 임피던스 변환기의 출력 노드에 결합된 제2 노드를 갖는 조정가능 용량성 네트워크를 포함하는
시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 조정가능 용량성 네트워크는,
상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 결합된 제1 캐패시터와,
상기 제1 노드와 기준 노드 사이에 결합된 제2 캐패시터를 포함하되,
상기 제1 캐패시터와 상기 제2 캐패시터 중 적어도 하나의 캐패시터는 조정가능 캐패시터를 포함하는
시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제2 노드는 접지 노드인
시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 조정가능 캐패시터는 대응하는 복수의 스위치를 통해 병렬로 선택적으로 결합되는 복수의 캐패시터를 포함하는
시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 캐패시터 각각은 상기 용량성 네트워크의 상기 제1 노드에 결합된 상부 플레이트를 포함하는
시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 임피던스 변환기의 상기 출력 노드에서 신호의 진폭을 측정하고 측정된 진폭에 기초하여 상기 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성된 이득 제어 회로를 더 포함하는
시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 조정가능 용량성 네트워크에 결합된 교정 회로를 더 포함하고, 상기 교정 회로는 상기 조정가능 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성되는
시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 교정 회로는 또한,
상기 용량성 신호 소스로부터 전압 글리치(voltage glitch)가 검출될 때까지 상기 용량성 신호 소스에 결합되도록 구성된 바이어스 전압을 증가시켜 제1 전압을 결정하고,
상기 제1 전압에 기초하여 최종 DC 바이어스 전압을 결정하고,
결정된 최종 DC 바이어스 전압을 상기 용량성 신호 소스에 인가하도록 구성되는
시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 교정 회로는 룩업 테이블 회로를 포함하는
시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 교정 회로는 교정 설정을 저장하도록 구성된 메모리 셀을 포함하는
시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 용량성 신호 소스를 더 포함하는
시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 용량성 신호 소스는 MEMS 마이크로폰인
시스템.
집적 회로로서,
MEMS 마이크로폰의 제1 단자에 결합되도록 구성된 입력 노드를 갖는 전압 버퍼와,
상기 MEMS 마이크로폰의 제2 단자에 결합되도록 구성된 제1 노드, 상기 전압 버퍼의 출력 노드에 결합된 제2 노드, 조정가능 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성된 조정 입력을 구비하는 조정가능 용량성 네트워크를 포함하는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 전압 버퍼의 출력에 결합된 입력 노드 및 상기 조정가능 용량성 네트워크의 조정 입력에 결합된 출력을 갖는 이득 제어 회로를 더 포함하고, 상기 이득 제어 회로는 상기 전압 버퍼의 출력에서 신호의 진폭을 측정하고 측정된 진폭에 기초하여 상기 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하도록 구성된
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 전압 버퍼는 MOS 소스 팔로워를 포함하는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 전압 버퍼는 1 이하의 전압 이득을 포함하는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 조정가능 용량성 네트워크는 제 1 캐패시터 어레이를 포함하되,
상기 제 1 캐패시터 어레이는,
상기 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드에 결합된 제1 플레이트를 갖는 복수의 제1 캐패시터와,
상기 복수의 제1 캐패시터의 제2 플레이트에 결합된 대응하는 복수의 스위치를 포함하는
집적 회로.
제 17 항에 있어서,
상기 복수의 제1 캐패시터의 제1 플레이트는 상기 복수의 제1 캐패시터의 상부 플레이트를 포함하는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 조정가능 용량성 네트워크는,
상기 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드와 상기 조정가능 용량성 네트워크의 제2 노드 사이에 결합된 제1 조정가능 캐패시터와,
상기 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드와 기준 노드 사이에 결합된 제2 조정가능 캐패시터를 포함하는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 조정가능 용량성 네트워크는 각각 상기 조정가능 용량성 네트워크의 제1 노드에 결합된 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 갖는 복수의 캐패시터를 포함하고, 상기 복수의 캐패시터 각각의 하부 플레이트는 기준 노드에 그리고 상기 조정가능 용량성 네트워크의 제2 노드에 스위칭가능하게 결합되도록 구성되는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
MEMS 마이크로폰을 더 포함하는
집적 회로.
제 13 항에 있어서,
상기 전압 버퍼의 출력에 결합된 아날로그 대 디지털 변환기를 더 포함하는
집적 회로.
전압 버퍼 회로에 결합된 제1 노드를 갖는 MEMS 마이크로폰을 교정하는 방법으로서,
음향 신호를 상기 MEMS 마이크로폰에 인가하는 단계와,
상기 MEMS 마이크로폰과 상기 전압 버퍼 회로의 민감도를 측정하는 단계와,
상기 MEMS 마이크로폰과 상기 전압 버퍼 회로의 이득을 교정하는 단계를 포함하고,
상기 이득을 교정하는 단계는 상기 전압 버퍼 회로의 출력과 상기 MEMS 마이크로폰의 제2 노드 사이에 결합된 용량성 네트워크의 캐패시턴스를 조정하는 단계를 포함하는
MEMS 마이크로폰 교정 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 MEMS 마이크로폰과 상기 전압 버퍼 회로의 측정된 민감도와 목표 출력 민감도 간의 차이를 결정하는 단계를 더 포함하는
MEMS 마이크로폰 교정 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 이득을 교정하는 단계는 상기 용량성 네트워크 내에 배치된 스위칭가능 캐패시터 어레이의 스위칭 구성을 선택하는 단계를 포함하는
MEMS 마이크로폰 교정 방법.
제 25 항에 있어서,
상기 스위칭 구성을 선택하는 단계는 디지털 룩업 테이블을 구성하는 단계를 포함하는
MEMS 마이크로폰 교정 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 MEMS 마이크로폰으로부터 전압 글리치가 검출될 때까지 상기 MEMS 마이크로폰에 결합되도록 구성된 바이어스 전압을 증가시켜 제1 전압을 결정하는 단계,
상기 제1 전압에 기초하여 최종 DC 바이어스 전압을 결정하는 단계, 및
결정된 최종 DC 바이어스 전압을 상기 MEMS 마이크로폰에 인가하는 단계를 더 포함하는
MEMS 마이크로폰 교정 방법.