TWI547143B - 差動高阻抗裝置 - Google Patents

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TWI547143B TW103135810A TW103135810A TWI547143B TW I547143 B TWI547143 B TW I547143B TW 103135810 A TW103135810 A TW 103135810A TW 103135810 A TW103135810 A TW 103135810A TW I547143 B TWI547143 B TW I547143B
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Description

差動高阻抗裝置
本案係有關於麥克風，特別是關於麥克風之阻抗元件。
本案主張依據35 U.S.C.§119(e)條款而在2013年10月17日提出申請之標題為「Differential High Impedance Apparatus」的第61892153號美國臨時申請案的優先權之權益，其內容全部併入於本文中以當作參考。
微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System；MEMS)麥克風基本上係由二個主要組件所構成：接收音聲能量並將其轉換成電氣信號之一MEMS裝置，以及一特定用途積體電路(Application Specific Integrated Circuit；ASIC)(或者諸如緩衝器、放大器、以及類比至數位轉換器之其他電路)。此等裝置通常從MEMS裝置取得電氣信號並針對該等信號執行後處理及/或緩衝該等信號以供一較大電子環境中的後續電路級使用。
音頻應用之積體電路使用時間常數在大約0.01至10秒範圍內的元件。此可以利用大數值電容或者大數值電阻實施之。
積體電路製程之中的電阻實際上通常被限制於大約1-10M歐姆。此係肇因於電阻之實施通常係使用高電阻多晶矽，其具有每單位面積(例如，一2微米寬2微米長之電阻元件)1-10k歐姆之電阻率(resistivity)。大於100pF之電容之實施亦不可行。
因此，大型電阻占據大面積，此對於晶片上之電容亦同樣成立，該等電容的代表性數值係每平方微米1至2fF。其無法做出遠大於100至200pF之電容。
先前之方式並未充分提供不具有某些效能問題的小電阻。此導致許多使用者並不滿意此等先前之方式。
提供一種使用於聲音裝置的差動高阻抗電路。該電路包含：一第一組電晶體元件，包含一第一電晶體及一第二電晶體；一第二組之兩個電晶體元件，包含一第三電晶體及一第四電晶體，該第三電晶體耦接至該第一電晶體並提供一第一輸出，而該第四電晶體耦接至該第二電晶體並提供一第二輸出，該第一及第二輸出被配置成用以提供一電阻值；使得該第一電晶體及該第二電晶體各自均被選擇性地致動而導通，並使得該第三電晶體及該第四電晶體被交替地致動成導通或者取消致動而變成弱導通，該第三電晶體及該第四電晶體的致動及取消致動有效地提供一個在時間上大致恆定之高電阻值。
100‧‧‧麥克風
101‧‧‧音聲能量
102‧‧‧MEMS裝置
103‧‧‧電容
104‧‧‧緩衝器
106‧‧‧差動放大器
108‧‧‧類比至數位轉換器
200‧‧‧差動放大器
202‧‧‧第一高電阻阻抗
204‧‧‧第二高電阻阻抗
206‧‧‧第一電容
208‧‧‧第二電容
210‧‧‧第三電容
212‧‧‧第四電容
214‧‧‧運算放大器
216‧‧‧共模回授區塊
300‧‧‧差動高阻抗元件
302‧‧‧第一NMOS電晶體元件
304‧‧‧第二NMOS電晶體元件
306‧‧‧第一PMOS電晶體元件
308‧‧‧第二PMOS電晶體元件
310‧‧‧第一電流源
312‧‧‧第二電流源
314‧‧‧偏壓
316‧‧‧電流
402‧‧‧第一區域
404‧‧‧第二區域
406‧‧‧第三區域
為了對本揭示之一更完全之理解，請參閱以下配合附圖進行之詳細說明，其中：圖1包含依據本發明各種實施例之使用一差動式高阻抗元件之一麥克風之方塊圖；圖2包含依據本發明各種實施例之使用一差動式高阻抗元件之一差動 放大器(differential amplifier)之方塊圖；圖3包含依據本發明各種實施例之一高阻抗差動裝置之電路圖；圖4顯示依據本發明各種實施例之圖3之電路之工作區域之一關係圖。
熟習相關技術者應理解，其係基於簡易性及清晰性例示圖中之元件。另外其亦應理解，其有可能以特別之進行順序描述或描繪某些動作及/或步驟，但熟習相關技術者應了解，對於順序之特定性實際上並非必要。其亦應了解，除非文中另有敘明，否則本文所使用的用語及表達方式均具有符合此等用語及表達方式相對於其對應之各別探查研究領域中之一般含義。
本文描述提供一差動高阻抗裝置或電路之方法。在一實例之中，其使用四個互補式CMOS元件，包含一組(二元件)NMOS元件以及一組(二元件)PMOS元件。該二組電晶體均被依比例縮放一M之因子，並被施加Ibias+及Ibias-之偏置電流源。一參考電壓產生器施加偏壓於接地端(GND)上方之差動電路。當其中一對電晶體開始導通而變成低阻抗之時，其他對仍處於高阻抗。在一態樣之中，當電路運作於VDD/2左右的偏壓(或者至少未靠近VDD或GND中的任一者)之時，寄生的(體效應)二極體將開始導通。
本文提供的電路可以結合一完全差動式類比電路運作，例如放大器。此例中，放大器運作於接近大約VDD/2之直流位準。
在許多此等實施例之中，使用於一聲音裝置中之一差動高阻抗電路包含一第一組電晶體元件以及一第二組二電晶體元件，且該第一組電晶體元件包含一第一電晶體與一第二電晶體，而該第二組二電晶體元件則包含一第三電晶體與一第四電晶體。第三電晶體耦接至第一電晶體並提 供一第一輸出，而第四電晶體耦接至第二電晶體並提供一第二輸出。第一及第二輸出被配置成用以提供一電阻值。
第一電晶體及第二電晶體各自均被選擇性地致動而導通，使得第三電晶體及第四電晶體被交替地致動成導通或者取消致動而變成弱導通。第三電晶體及第四電晶體的致動及取消致動有效地提供一個在時間上大致恆定之高電阻值。
在其他態樣之中，第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、以及第四電晶體之中被選定的若干者係NMOS元件。在一些其他態樣之中，第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、以及第四電晶體之中被選定的若干者係PMOS元件。
在若干實例之中，當第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、或第四電晶體中的任一者導通之時，該電阻值係位於千歐姆的等級。在其他實例之中，當第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、或第四電晶體中的任一者均未導通之時，該電阻值係位於十億歐姆(giga ohm)的等級。
在其他態樣之中，上述之差動高阻抗電路被配置於一差動放大器之中。在又其他態樣之中，該差動放大器係配置於一特定用途積體電路(ASIC)之上該ASIC可以包含一微機電系統(MEMS)元件。
以下參見圖1，其顯示一數位微機電系統(MEMS)麥克風100之一實例。麥克風100包含一MEMS裝置102、一緩衝器104、一差動放大器106、以及一類比至數位轉換器108。
MEMS裝置102係任何類型之MEMS麥克風裝置，其將音聲能量101(表示成Vacoustic)轉換成一類比電氣信號。MEMS裝置102亦可 以包含一隔膜及背板，形成一個隨接收之聲音能量變動的電容103以產生一類比電氣信號。該類比電氣信號被饋入緩衝器104，其緩衝該信號以供後續之處理。該類比信號接著被從緩衝器饋入至差動放大器106。
差動放大器106提供一差動電阻值，被許多組件所用，包含類比至數位轉換器108。由於本文所述之方法，此元件之實體尺寸雖小，但其提供的電阻量值卻很大。因為其能夠供應此一大電阻值，故其可以被在運作時需要或使用大電阻值的其他電路使用。類比至數位轉換器108將接收自差動放大器106的類比信號轉換成一數位信號。
該數位信號可以被傳送至位於麥克風100外部的其他電子電路。因此，其應理解，麥克風100可以配置於另一裝置之中，諸如一行動電話或一個人電腦。其亦有可能存在其他實例。麥克風100之元件可以配置於一或多個印刷電路板、外殼、或其他組件之上。
以下參見圖2，其描述差動放大器200(例如，圖1之差動放大器106)之一實例。差動放大器200之功能係放大信號並將其從單端式信號轉換成一差動式信號。
放大器200包含一第一高電阻阻抗202、一第二高電阻阻抗204、一第一電容206、一第二電容208、一第三電容210、一第四電容212、一運算放大器(operational amplifier)214、以及一共模回授區塊(common mode feedback block；CMFB)216。共模回授區塊216確保差動放大器之共模電壓被偏置於接近VDD/2處。此係用以確保放大器能夠在輸出端發出最大的可能信號振幅。
第一高電阻阻抗202與第二高電阻阻抗204提供高阻抗，如 以下參閱圖3及圖4之說明。
第一電容206、第二電容208、第三電容210、以及第四電容212之功能係設定放大器之差動增益。運算放大器214之功能係提供高差動開迴路增益，使得增益電容所設定之增益被精確地界定。
以下參見圖3及圖4，其顯示一差動高阻抗元件300(諸如圖2之中的元件202及204)之一實例。元件300包含一第一NMOS電晶體元件302、一第二NMOS電晶體元件304、一第一PMOS電晶體元件306、以及一第二PMOS電晶體元件308。元件302、304、306、及308之內部結構及運作眾所周知於熟習相關技術者，故此處將不進一步說明。
該電路亦包含一第一電流源310及一第二電流源312。一偏壓314被施加至電晶體302及306之源極，從而施加偏壓於接地端上方之差動電路。一輸出電壓呈現於Out+與Out-之間。
該二組電晶體(電晶體302/306及304/308)均依比例縮放一M之因子(例如，M=1)，並被施加Ibias+及Ibias-之偏置電流源310及312。所謂"依比例縮放"係表示類似或完全相同的元件被並聯。
如圖4所示，圖3之電路運作於三個區域之中。不同電壓被施用於輸出電壓(圖3之中介於OUT+與OUT-之間)之上以產生不同電流並從而產生不同電阻。因此，一個流過電晶體304與308之電流316(I)在如圖3所示的+/- Ibias/M之間變動。在每一區域之中，可以計算出一小信號等效電阻值，意即，對於電路輸出的微小電壓變異，電流將大約線性地變動。結果是該電路將表現為一電阻。此即是所謂的等效電阻。該電阻值將如先前所述地跨三個區域變動。
在一第一區域402之中，電晶體304係低阻抗(導通)，而電晶體308係高阻抗(弱導通)。在一第二區域404之中，電晶體304及電晶體308二者均係高阻抗(二者均弱導通)。在第三區域406之中，電晶體304係高阻抗(弱導通)，而電晶體308係低阻抗(導通)。在所有的區域之中，電晶體302與電晶體306均被啟動(導通)。所謂"低阻抗"係表示等效電阻係位於千歐姆的等級。而所謂"高阻抗"則表示等效電阻係位於十億歐姆的等級。
在所有的區域之中，電路的輸出電阻係高阻抗，且在每一區域之內極微小幅地變動，例如，變動十個單位。對比於先前之方式，其中阻抗可以在整個運作範圍上變動數十個單位。舉例而言，某些方式具有的區域，元件開始導通並且阻抗以非線性的方式大幅下降數十個單位。
由於本文所述之方法，此元件之實體尺寸雖小，但其提供的電阻量值卻很大。因為其能夠供應此一大電阻值，故其可以被運作上需要大電阻值的其他電路使用。
本說明書描述本發明之較佳實施例，包含發明人所知悉之用以實行本發明的最佳模式。其應理解，例示實施例僅係示範性質，且不應被視為對於本發明範疇之限制。
300‧‧‧差動高阻抗元件
302‧‧‧第一NMOS電晶體元件
304‧‧‧第二NMOS電晶體元件
306‧‧‧第一PMOS電晶體元件
308‧‧‧第二PMOS電晶體元件
310‧‧‧第一電流源
312‧‧‧第二電流源
314‧‧‧偏壓
316‧‧‧電流

Claims (8)

  1. 一種使用於聲音裝置的差動高阻抗電路，該電路包含：一第一組電晶體元件，包含一第一電晶體及一第二電晶體，其中該第一電晶體係NMOS電晶體且該第二電晶體係PMOS電晶體；一第二組之兩個電晶體元件，包含一第三電晶體及一第四電晶體，該第三電晶體耦接至該第一電晶體並提供一第一輸出，而該第四電晶體耦接至該第二電晶體並提供一第二輸出，該第一及第二輸出被配置成用以提供一電阻值；其中一偏壓被施加至該第一電晶體之源極及該第二電晶體之源極，使得該第一電晶體及該第二電晶體各自均被選擇性地致動而導通，並使得該第三電晶體及該第四電晶體被交替地致動成導通或者取消致動而變成弱導通，該第三電晶體及該第四電晶體的致動及取消致動有效地提供一個在時間上大致恆定之高電阻值。
  2. 如申請專利範圍第1項之差動高阻抗電路，其中該第三電晶體係NMOS電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項之差動高阻抗電路，其中該第四電晶體係PMOS電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項之差動高阻抗電路，其中當該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、或該第四電晶體中的任一者導通之時，該電阻值係位於千歐姆的等級。
  5. 如申請專利範圍第1項之差動高阻抗電路，其中當該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、或該第四電晶體中的任一者均未導通之時， 該電阻值係位於十億歐姆的等級。
  6. 如申請專利範圍第1項之差動高阻抗電路，其中該差動高阻抗電路係配置於一差動放大器之中。
  7. 如申請專利範圍第6項之差動高阻抗電路，其中該差動放大器係配置於一特定用途積體電路(ASIC)之上。
  8. 如申請專利範圍第7項之差動高阻抗電路，其中該ASIC包含一微機電系統(MEMS)元件。
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