TWI392381B - 偏壓麥克風的積體電路 - Google Patents

Description

偏壓麥克風的積體電路

本發明係有關於麥克風，特別是有關於麥克風的偏壓電路。

第1A圖為習知麥克風電路100的區塊圖。麥克風電路100包括麥克風102、偏壓電路104、以及積體電路110。麥克風102為駐極式電容麥克風(Electric Condenser Microphone,ECM)，包括傳感器(transducer)112、電容114、以及電晶體116。當一聲波傳遞至麥克風102的振動板(diaphragm)時，振動板會隨聲波而振動，從而使振動版與麥克風102的背板(back plate)間的距離隨之變動，而改變振動版與背板(back plate)間的電容大小。因此，麥克風102可轉換聲波為電壓信號並將電壓信號輸出於節點152。

因為麥克風102需要額外的驅動力才能工作，偏壓電路104提供麥克風102電壓源V_A 的驅動能量。偏壓電路104包括電阻122及電容124。電阻122耦接於電壓源V_A 與節點152之間。電阻122之阻值介於2.2kΩ至3.3kΩ之間。電容124將節點152的直流電壓與節點154的直流電壓相分隔開來，僅讓節點152的交流電壓部份通過而傳遞志節點154。

電晶體116與電阻122構成第一增益級，以放大電晶體116之閘極的電壓信號而得到節點152之電壓信號。第一增益級之電壓增益G₁ 係依據下式所決定：

G ₁ =g _m ×(R ₁₂₂ ∥R ₁₃₂ )；　(1)

其中g_m 為電晶體116之閘極與汲極間的跨導值(transconductance)，R₁₂₂ 為電阻122之阻值，而R₁₃₂ 為電阻132之阻值。一般而言，電壓增益G₁ 之值等於1。

積體電路110包括前置放大器電路106及類比至數位轉換器108。前置放大器106包括兩電阻132及134與一運算放大器136。前置放大器106形成一第二增益級，放大節點154之電壓信號以產生節點156的電壓信號。輸入電阻132耦接於節點154及運算放大器136之負輸入端之間。回授電阻134耦接於運算放大器136之輸出端與負輸入端之間。運算放大器136之正輸入端耦接至一電壓源V_B 。前置放大器電路106的電壓增益G₂ 係依據下式決定：

其中R_fb 為回授電阻134之阻值，R_in 為輸入電阻132之阻值。類比至數位轉換器108接著對節點156之電壓進行類比至數位轉換，以供後續的數位處理。

輸入電阻132與電容124形成一高通濾波器(high pass filter)。第1B圖為由電阻132與電容124所形成的高通濾波器的波德圖(Bode plot)。高通濾波器的截止頻率(cut-off frequency)F_3dB 係依據下式決定：

其中R₁₃₂ 為電阻132的阻值，而C₁₂₄ 為電容124的電容值。因為人而可聽見頻率高於20Hz的聲音，因此截止頻率F_3dB 必須高於20Hz，以防止人耳可聽見的聲波被電阻132與電容124所形成的高通濾波器不當衰減。

一般而言，電阻132的阻值R₁₃₂ 大小自10kΩ至50kΩ。為了使截止頻率F_3dB 係大於20Hz，依據公式(3)電容124的容值C₁₂₄ 必須大於0.1μF。然而，因為習知半導體製程僅能於積體電路中生產電容值為1fF至100pF大小的電容，因此容值C₁₂₄ 必須大於0.1μF的電容124無法合併於積體電路110中。因此，電容124必須單獨獨立形成於電路板上，而佔據較大的電路板面積。然而，可攜式電子裝置，例如手機或PDA，一般具有較小的體積，而無法具有空間容納較大面積的電路板。因此，習知麥克風電路100因具有較大的電路板體積，而無法應用於可攜式電子裝置。因此，需要具有較小體積的麥克風電路。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種積體電路，以解決習知技術存在之問題。於一實施例中，該積體電路經由一第一節點接收來自一麥克風的一第一信號，包括一偏壓電路(biasing circuit)及一緩衝電路。該偏壓電路(biasing circuit)耦接於該第一節點與一第二節點之間，以一第一電壓源驅動該麥克風，過濾該第一信號以於該第二節點產生一第二信號，並包括一第一電阻、一第一電容、以及一負載元件(load element)。其中該第一電阻耦接於該第一電壓源與該第一節點之間，該第一電容耦接於該第一節點與該第二節點之間，而該負載元件耦接於該第二節點與一第二電壓源之間。該緩衝電路耦接於該第二節點與一第三節點之間，緩衝該第二信號以於該第三節點產生一第三信號。

本發明更提供一種積體電路。於一實施例中，該積體電路經由一第一節點接收來自一麥克風的一第一信號，並經由一第一反向節點接收來自該麥克風的一第一反向信號，包括一偏壓電路以及一緩衝電路。該偏壓電路(biasing circuit)耦接於該第一節點、該第一反向節點、一第二節點、與一第二反向節點之間，以一第一電壓源及一第二電壓源偏壓該麥克風，過濾該第一信號以於該第二節點產生一第二信號，過濾該第一反向信號以於該第二反向節點產生一第二反向信號，並包括一第一電阻、一第一電容、一第一負載元件(load element)、一第二電阻、一第二電容、以及一第二負載元件。其中該第一電阻耦接於該第一電壓源與該第一節點之間，該第一電容耦接於該第一節點與該第二節點之間，該第一負載元件耦接於該第二節點與一第三電壓源之間，該第二電阻耦接於該第二電壓源與該第一反向節點之間，該第二電容耦接於該第一反向節點與該第二反向節點之間，且該第二負載元件耦接於該第二反向節點與該第三電壓源之間。該緩衝電路(buffering circuit)耦接於該第二節點、該第二反向節點、一第三節點、與一第三反向節點之間，緩衝該第二信號以於該第三節點產生一第三信號，並緩衝該第二反向信號以於該第三反向節點產生一第三反向信號。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：

第2A圖為依據本發明之麥克風電路200的區塊圖。麥克風電路200包括麥克風202及積體電路(integrated circuit,IC)210。麥克風202轉換一聲波為電壓信號S₁ 。積體電路210包括偏壓電路(biasing circuit)204、緩衝電路(buffering circuit)206、以及類比至數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)208。由於麥克風202需要外部的電源才能運作，偏壓電路204位麥克風202提供外部電能。此外，偏壓電路204過濾電壓信號S₁ 以產生電壓信號S₂ 。緩衝電路206接著緩衝儲存信號S₂ 以產生信號S₃ 。最後，類比至數位轉換器208對信號S₃ 進行類比至數位轉換，以產生信號S₄ ，以供後續的數位處理。不像第1圖之習知技術的偏壓電路104必須獨立於積體電路110之外，偏壓電路204係合併於積體電路210之中，以減少其所佔據的電路板面積。因此，本發明之麥克風電路200具有較小之尺寸，而可應用於體積小的可攜式裝置(portable device)。

第2B圖為依據本發明的麥克風電路200之電路圖。於一實施例中，麥克風202為駐極式電容麥克風(Electric Condenser Microphone,ECM)。麥克風202之電路與第1圖之麥克風102相同，包括傳感器(transducer)212、電容214、以及電晶體216。偏壓電路204經由節點252耦接至麥克風202，包括兩電阻222、226以及電容224。電阻222耦接於節點252與電壓源Vc之間。電容224耦接於節點252與節點254之間。電容224可將節點252之直流電壓與節點254之直流電壓相隔絕，而僅讓節點254之交流電壓通過而傳遞至節點254。電阻226耦接於節點254與電壓源V_D 之間。於一實施例中，電壓源Vc的電位為2V，而電壓源V_D 之電位為0.3V。

電阻222之阻值範圍介於2.2kΩ至4.7kΩ之間。電容224之電容值介於100fF至100pF。因為電容224之電容值範圍可由半導體製程所製造，因此偏壓電路204可被合併於積體電路210之中。電阻226之阻值大於1MΩ，因此電阻226之阻值遠大於電阻222之阻值。因此，節點254之電壓V₂₅₄ 可依據下式而決定：

其中V₂₅₂ 為節點252之電壓，g_m 為電晶體216之閘極與汲極間的跨導(transconductance)，R₂₂₂ 為電阻222之阻值，R₂₂₆ 為電阻226之阻值，s為角頻率參數。依據公式(4)，偏壓電路204之輸出電壓V₂₅₄ 之截止頻率(cut-off frequency)為。當頻率低於截止頻率時，輸出電壓V₂₅₄ 可依據下式決定，而具有近似於電壓源V_D 之電位之值：

此外，當頻率高於截止頻率時，輸出電壓V₂₅₄ 可依據下式決定，而具有近似於(g_m ×R₂₂₂ )之交流電壓增益值：

偏壓電路204因此形成一高通濾波器(high pass filter)而以約等於之截止頻率對節點252之電壓信號進行過濾，以產生節點254之電壓信號。由於人耳可聽見頻率高於20Hz之聲音，因此上述截止頻率必須大於20Hz以避免將人耳可聽見的聲音成分不當的衰減而造成失真。因為電容224之電容值範圍介於1fF至100pF之間，電阻226之阻值因此必須大於1MΩ。舉例來說，當電容224之電容值為5pF時，電阻226之阻值必須大於1.6GΩ(=1/[2×π×5pF×20Hz])。

習知的半導體製程僅能於積體電路中製造出阻值範圍由1Ω至1MΩ的電阻。然而，積體電路難以製造出具有高於1MΩ的阻值的電阻。電阻226因此必須以二極體或電晶體來製成。第3A圖為具有高阻值的負載元件320的一實施例，用以作為第2圖之電阻226。負載元件320包括兩二極體322與324，兩者以相反方向耦接於偏壓電路204的輸出節點254與電壓源V_D 之間。節點254與電壓源V_D 之間的電壓差小於0.3V以使二極體322及324均被關閉。

第3B圖為具有高阻值的負載元件330的另一實施例，用以作為第2圖之電阻226。負載元件330包括電晶體332，電晶體332耦接於偏壓電路204的輸出節點254與電壓源V_D 之間。此外，電晶體332之閘極耦接至電壓源V_E 。電壓源V_D 與電壓源V_E 之間的電位差較電晶體332的臨界電壓(threshold voltage)小0.7V，而使電晶體332被偏壓在弱反轉區域(weak inversion region)，因此電晶體332介於汲極與源極間的電阻高於1MΩ。

當第2B圖的偏壓電路204於節點254產生一電壓信號後，緩衝電路206緩衝儲存節點254之電壓信號並於節點256產生一電壓信號。於一實施例中，緩衝電路206包括一運算放大器(operational amplifier)232，該運算放大器232之正輸入端耦接至節點254，其負輸入端耦接至節點256，而其輸出端亦耦接至節點256。類比至數位轉換器208接著將節點256之類比電壓信號轉換為數位信號，以供後續模組進行數位處理。

第2A圖及第2B圖的麥克風202有兩端點，其中一端點耦接至地電位V_GND ，而另一端點耦接至積體電路210。於另一實施例中，麥克風的兩端點均耦接至積體電路，稱之為差動輸入(differential input)型態。第4A圖為依據本發明的差動輸入型態之麥克風電路400的區塊圖。麥克風電路400包括麥克風402及積體電路410。麥克風402產生兩信號S₁ 及S₁ ’，兩者的電壓以相反的方向變化。

積體電路410包括偏壓電路404、緩衝電路406、以及類比至數位轉換器408。偏壓電路404偏壓麥克風402以使其能獲得電能，過濾信號S₁ 以得到信號S₂ ，並過濾信號S₁ ’以得到信號S₂ ’。緩衝電路406接著緩衝儲存信號S₂ 以得到信號S₃ ，並緩衝儲存信號S₂ ’以得到信號S₃ ’。最後，類比至數位轉換器408對信號S₃ 與S₃ ’之差異信號進行類比至數位轉換，以得到數位信號S₄ 。

第4B圖為依據本發明之差動輸入型態之麥克風電路400之細部電路圖。積體電路410的每一子電路均與第2B圖之積體電路210的對應子電路有相類似的電路結構。偏壓電路404包括電阻422、423、426、427，以及電容424、425。電阻422、423與第2圖之電阻222相似，其中電阻422耦接於電壓源V_F 與節點452之間，而電阻423耦接於電壓源V_H 與節點453之間。於一實施例中，電阻422、423之阻值為2.2kΩ，電壓源V_F 之電位介於2V~10V之間，而電壓源V_H 的電位約在0V。

電容424、425與第2圖之電容224類似，其中電容424耦接於節點452與節點454之間，而電容425耦接於節點453與節點455之間。於一實施例中，電容424、425之電容值為8pF。電阻426、427與第2圖之電阻226類似，其中電阻426耦接於節點454與電壓源V_G 之間，而電阻427耦接於節點455與電壓源V_G 之間。如同第2圖之電阻226，電阻426、427之阻值約為1GΩ。電阻426、427可由第3A圖或第3B圖之負載元件320、330製成。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

(第1A圖)

100．．．麥克風電路

102．．．麥克風

104．．．偏壓電路

106．．．前置放大器

108．．．類比至數位轉換器

110．．．積體電路

112．．．電壓源

114、124．．．電容

116．．．電晶體

122、132、132、134．．．電阻

136．．．運算放大器

(第2A/2B圖)

200．．．麥克風電路

202．．．麥克風

204．．．偏壓電路

206．．．緩衝電路

208．．．類比至數位轉換器

210．．．積體電路

212．．．電壓源

214、224．．．電容

216．．．電晶體

222、226．．．電阻

232．．．運算放大器

(第3A圖)

322、324．．．二極體

(第3B圖)

332電晶體

(第4A/4B圖)

400．．．麥克風電路

402．．．麥克風

404．．．偏壓電路

406．．．緩衝電路

408．．．類比至數位轉換器

410．．．積體電路

412．．．電壓源

414、424、425．．．電容

416．．．電晶體

422、423、426、427．．．電阻

以及

432、433．．．運算放大器

第1A圖為習知麥克風電路的區塊圖；

第1B圖為由第1圖之電阻132與電容124所形成的高通濾波器的波德圖；

第2A圖為依據本發明之麥克風電路的區塊圖；

第2B圖為依據本發明的麥克風電路之電路圖；

第3A圖為具有高阻值的負載元件的一實施例，用以作為第2圖之電阻226；

第3B圖為具有高阻值的負載元件的另一實施例，用以作為第2圖之電阻226；

第4A圖為依據本發明的差動輸入型態之麥克風電路的區塊圖；以及

第4B圖為依據本發明之差動輸入型態之麥克風電路之細部電路圖。

200．．．麥克風電路

202．．．麥克風

204．．．偏壓電路

206．．．緩衝電路

208．．．類比至數位轉換器

210．．．積體電路

212．．．電壓源

214、224．．．電容

216．．．電晶體

222、226．．．電阻

以及

232．．．運算放大器

Claims (18)

1. 一種積體電路，經由一第一節點接收來自一麥克風的一第一信號，包括：一偏壓電路(biasing circuit)，耦接於該第一節點與一第二節點之間，以一第一電壓源驅動該麥克風，過濾該第一信號以於該第二節點產生一第二信號，並包括：一第一電阻，耦接於該第一電壓源與該第一節點之間；一第一電容，耦接於該第一節點與該第二節點之間；以及一負載元件(load element)，耦接於該第二節點與一第二電壓源之間；以及一緩衝電路(buffering circuit)，耦接於該第二節點與一第三節點之間，緩衝該第二信號以於該第三節點產生一第三信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該負載元件之電阻大於1MΩ。
3. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該負載元件包括：一第一二極體，耦接於該第二節點與該第二電壓源之間；以及一第二二極體，以相反於該第一二極體之方向耦接於該第二節點與該第二電壓源之間；其中跨越該負載元件之電壓差小於0.3V以使該第一二極體與該第二二極體皆關閉。
4. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該負載元件包括一第一電晶體，具有一汲極耦接至該第二節點，具有一源極耦接至該第二電壓源，並具有一閘極耦接至一第三電壓源，其中該第二電壓源與該第三電壓源之電壓差較該第一電晶體之一臨界電壓(threshold voltage)小0.7V，以將該第一電晶體偏壓於弱反轉區(weak inversion region)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該偏壓電路依據約等於20Hz之一截止頻率(cut-off frequency)過濾該第一信號，以產生該第二信號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該緩衝電路包括一放大器，具有一正輸入端耦接至該第二節點，具有一負輸入端耦接至該第三節點，並具有一輸出端耦接至該第三節點。
7. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該積體電路更包括一類比至數位轉換器(analog-to-digital converter)，經由該第三節點耦接至該緩衝電路，將該第三信號由類比轉換為數位格式。
8. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該麥克風為駐極式電容麥克風(Electric Condenser Microphone,ECM)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之積體電路，其中該麥克風包括：一傳感器(transducer)，轉換聲波為一電壓信號；一第二電容，耦接於該傳感器及一第二電晶體的閘極之間；以及該第二電晶體，耦接於該第一節點與地電位之間，轉換該電壓信號為該第一信號，並自該第一節點輸出該第一信號。
10. 一種積體電路，經由一第一節點接收來自一麥克風的一第一信號，並經由一第一反向節點接收來自該麥克風的一第一反向信號，包括：一偏壓電路(biasing circuit)，耦接於該第一節點、該第一反向節點、一第二節點、與一第二反向節點之間，以一第一電壓源及一第二電壓源偏壓該麥克風，過濾該第一信號以於該第二節點產生一第二信號，過濾該第一反向信號以於該第二反向節點產生一第二反向信號，並包括：一第一電阻，耦接於該第一電壓源與該第一節點之間；一第一電容，耦接於該第一節點與該第二節點之間；一第一負載元件(load element)，耦接於該第二節點與一第三電壓源之間；一第二電阻，耦接於該第二電壓源與該第一反向節點之間；一第二電容，耦接於該第一反向節點與該第二反向節點之間；一第二負載元件，耦接於該第二反向節點與該第三電壓源之間；以及一緩衝電路(buffering circuit)，耦接於該第二節點、該第二反向節點、一第三節點、與一第三反向節點之間，緩衝該第二信號以於該第三節點產生一第三信號，並緩衝該第二反向信號以於該第三反向節點產生一第三反向信號。
11. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該第一負載元件與該第二負載元件之電阻大於1MΩ。
12. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該第一負載元件包括：一第一二極體，耦接於該第二節點與該第三電壓源之間；以及一第二二極體，以相反於該第一二極體之方向耦接於該第二節點與該第三電壓源之間；其中跨越該第一負載元件之電壓差小於0.3V以使該第一二極體與該第二二極體皆關閉；且該第二負載元件包括：一第三二極體，耦接於該第二反向節點與該第三電壓源之間；以及一第四二極體，以相反於該第三二極體之方向耦接於該第二反向節點與該第三電壓源之間；其中跨越該第二負載元件之電壓差小於0.3V以使該第三二極體與該第四二極體皆關閉。
13. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該第一負載元件包括一第一電晶體，該第一電晶體具有一汲極耦接至該第二節點、一源極耦接至該第三電壓源、一閘極耦接至一第四電壓源，而該第二負載元件包括一第二電晶體，該第二電晶體具有一汲極耦接至該第二反向節點、一源極耦接至該第三電壓源、一閘極耦接至一第五電壓源，其中該第四電壓源與該第三電壓源之電壓差較該第一電晶體之一臨界電壓(threshold voltage)小0.7V以將該第一電晶體偏壓於弱反轉區(weak inversion region)，該第五電壓源與該第三電壓源之電壓差較該第二電晶體之臨界電壓小0.7V以將該第二電晶體偏壓於弱反轉區。
14. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該偏壓電路依據約等於20Hz之一截止頻率(cut-off frequency)過濾該第一信號以產生該第二信號，並依據約等於20Hz之一截止頻率過濾該第一反向信號以產生該第二反向信號。
15. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該緩衝電路包括：一第一放大器，具有一正輸入端耦接至該第二節點，具有一負輸入端耦接至該第三節點，並具有一輸出端耦接至該第三節點；以及一第二放大器，具有一正輸入端耦接至該第二反向節點，具有一負輸入端耦接至該第三反向節點，並具有一輸出端耦接至該第三反向節點。
16. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該積體電路更包括一類比至數位轉換器(analog-to-digital converter)，經由該第三節點及該第三反向節點耦接至該緩衝電路，將該第三信號及該第三反向信號兩者間之差異信號由類比轉換為數位格式。
17. 如申請專利範圍第10項所述之積體電路，其中該麥克風為駐極式電容麥克風(Electric Condenser Microphone,ECM)。
18. 如申請專利範圍第17項所述之積體電路，其中該麥克風包括：一傳感器(transducer)，轉換聲波為一電壓信號；一第二電容，耦接於該傳感器及一第二電晶體的閘極之間；以及該第二電晶體，耦接於該第一節點與該第一反向節點之間，依據該電壓信號產生該第一信號及該第一反向信號，並自該第一節點及該第一反向節點輸出該第一信號及該第一反向信號。