TWI612528B - 感測裝置 - Google Patents

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TWI612528B TW105140006A TW105140006A TWI612528B TW I612528 B TWI612528 B TW I612528B TW 105140006 A TW105140006 A TW 105140006A TW 105140006 A TW105140006 A TW 105140006A TW I612528 B TWI612528 B TW I612528B
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林文琦
楊思哲
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Abstract

一種感測裝置包含微機電感測器與可調放大器。微機電感測器用以依據環境變化產生輸入信號。可調放大器具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、第四輸入端與第一輸出端。第一輸入端電性連接微機電感測器，以接收輸入信號。第二輸入端電性連接第一信號端，以接收第一共模信號。第三輸入端電性連接第一輸出端。第四輸入端電性連接第二信號端。其中，可調放大器於第一輸出端的第一輸出信號的電位係關聯於輸入信號、第一信號端與第二信號端的電位。

Description

感測裝置
本發明係關於一種感測裝置，特別是一種應用於微機電的感測裝置。
隨著科技的發展以及人們對視聽娛樂的重視，使得數位麥克風的應用越來越普及。無論是在公領域的場合(例如公司會議、公開展場)，或是私人領域的場合(例如個人視聽室)，都少不了數位麥克風的使用。一般來說，數位麥克風的內部電路通常具有微機電系統(Microelectromechanical Systems, MEMS)與一個特定用途積體電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)。通過微機電(MEMS)裝置取得電氣信號之後，該特定用途積體電路(ASIC)中所包含的源極隨耦器(Source Follower)、可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)與類比數位轉換器(Analog to Digital converter, ADC)等電子元件，會針對此電氣信號進行後續的處理或緩衝，進一步轉換成數位信號，以達到高訊噪比(SNR) 。然而，此種電路架構(具有源極隨耦器、可编程增益放大器與類比數位轉換器)，會消耗許多的電流且造成電路空間上的佔用。
本發明在於提供一種感測裝置，藉由將微機電感測器直接耦接可調放大器，以達到減少電流且節省電路佔用的面積。
依據本發明之一實施例提供一種感測裝置，包含：微機電感測器與可調放大器。微機電感測器用以依據環境變化產生輸入信號。可調放大器具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、第四輸入端與第一輸出端。可調放大器的第一輸入端電性連接微機電感測器，以接收輸入信號。第二輸入端電性連接第一信號端，以接收第一共模信號。第三輸入端電性連接第一輸出端。第四輸入端電性連接一第二信號端。其中，可調放大器於第一輸出端的第一輸出信號的電位係關聯於輸入信號、第一信號端與第二信號端的電位。
綜合以上所述，本發明所揭露的感測裝置，係藉由將微機電(MEMS)感測器直接耦接可調放大器，通過具有高阻抗輸入的可調放大器作為微機電感測器的輸入介面，從而達到減少電流的效果，並節省電路(源極隨耦器)的佔用，以提升電路可利用的面積。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1，圖1係依據本發明之一實施例所繪示的感測裝置的功能方塊圖。如圖1所示，感測裝置10包含微機電感測器102與可調放大器104。微機電感測器102係用以依據環境變化產生輸入信號，所謂環境變化係指環境中的聲音變化。於一個例子中，微機電感測器102係由一層較薄且應力較低的複晶矽(或是氮化矽)形成一個振膜，再搭配一個較厚的複晶矽(或是金屬層)所形成的背板，兩者進而形成一組以空氣作為介電層的電容器。利用微機電感測器102中的電容結構，可以將於環境中所偵測到的聲壓轉換成電容變化，且進一步地依據電容變化產生一個電信號，也就是前述的輸入信號。
請一併參照圖1與圖2，圖2係依據本發明之另一實施例所繪示的感測裝置的電路示意圖。如圖2所示，可調放大器104具有第一輸入端1、第二輸入端2、第三輸入端3、第四輸入端4與第一輸出端OUT_1。第一輸入端1電性連接微機電感測器102，以接收輸入信號。第二輸入端2電性連接第一信號端Vcm1，以接收第一共模信號。第三輸入端3電性連接第一輸出端OUT_1。第四輸入端4電性連接第二信號端Vcm2。可調放大器104於第一輸出端OUT_1的第一輸出信號的電位係關聯於輸入信號、第一信號端Vcm1與第二信號端Vcm2的電位。於此實施例中，第一信號端Vcm1的電位係等於第二信號端Vcm2的電位，於本發明的感測裝置10中，由於可調放大器104具有高阻抗輸入的特性，因此藉由微機電感測器102直接耦接可調放大器104的高阻抗輸入端(也就是圖2中的第一輸入端1)，可以減少電流消耗。再者，於本發明的感測裝置10中，由於微機電感測器102與可調放大器104係直接耦接，兩者之間並未如同現有技術中，需要設置一個源極隨耦器，藉此可以為電路板節省更多可利用的空間，亦可以達到高訊雜比(Signal-to-noise ratio, SNR)的效果。
請回到圖1，於一個例子中，如圖1所示，感測裝置10更包含電荷泵106與類比數位轉換器108。電荷泵106電性連接微機電感測器102。電荷泵106用以提供參考電壓，使微機電感測器得以依據環境變化與參考電壓產生輸入信號。於一實施例中，微機電感測器係依據環境聲音的變化與參考電壓來產生輸入信號。類比數位轉換器108電性連接可調放大器104的第一輸出端OUT_1，用以將輸出信號由類比形式轉換為數位形式。也就是說，由調放大器104的第一輸出端OUT_1所輸出的輸出信號係為類比形式的信號，通過類比數位轉換器108的運作，可以將類比形式的輸出信號轉換成數位形式。而此數位形式的輸出信號可以進一步地供給外部電路使用。於一個實際的例子中，感測裝置10係被應用於數位麥克風。因此，所述的感測裝置10更與參考電路110與偏壓產生電路112耦接。
請一併參照圖1與圖3，圖3係依據本發明之另一實施例所繪示的感測裝置的電路示意圖。相較於圖2的實施例，如圖3所示，感測裝置10更包含第一電阻器RD_1。第一電阻器RD_1包含第一電阻R1與第二電阻R2。第一電阻R1的第一端電性連接第三信號端Vcm3，第三信號端Vcm3提供第三共模信號。第一電阻R1的第二端電性連接第三輸入端3。第二電阻R2的第一端電性連接第三輸入端3。第二電阻R2的第二端電性連接第一輸出端OUT_1。於實務上，第一電阻器RD_1係用來調整第一輸出信號。具體來說，可以藉由調整第一電阻器RD_1中的第一電阻R1與第二電阻R2的電阻值，進而調整第一輸出信號的電位大小。於此實施例中，第二信號端Vcm2的電位係等於第三信號端Vcm3的電位。
請一併參照圖1與圖4，圖4係依據本發明之另一實施例所繪示的感測裝置的電路示意圖。相較於圖3的實施例，如圖4所示，該可調放大器更具有第二輸出端OUT_2且更包含有第二電阻器RD_2。第二電阻器RD_2包含第三電阻R3與第四電阻R4。第三電阻R3的第一端電性連接第二信號端Vcm2。第三電阻R3的第二端電性連接第四輸入端4。第四電阻R4的第一端電性連接第四輸入端4。第四電阻R4的第二端電性連接第二輸出端OUT_2。第二信號端Vcm2的電位等於第三信號端Vcm3的電位，於圖4的實施例中，依據需求，第三輸入端3耦接第一電阻R1與第二電阻R2，以及第四輸入端4耦接第三電阻R3與第四電阻R4可以用來調節第一輸出端OUT_1與第二輸出端OUT_2的電位大小。而第一輸入端1係用來提供一個高阻抗輸入給微機電感測器102。如此一來，於微機電感測器102與可調放大器104之間，不需要設置源極隨耦器。
請參照圖5，圖5係依據本發明之一實施例所繪示的可調放大器的內部電路架構圖，其對應圖2的可調放大器104。如圖5所示，可調放大器104包含主動負載模組ALM、第一差動對DP_1、第二差動對DP_2與電源模組PSM。主動負載模組ALM具有第一負載端LD1與第二負載端LD2。第一差動對DP_1具有第一差動輸入端DI1、第二差動輸入端DI2、第一差動輸出端DO1、第二差動輸出端DO2與第一電源端P1。第一差動輸入端DI1接收來自第一輸入端1的輸入信號。第二差動輸入端DI2接收來自第二輸入端2的第一共模信號。第一差動輸出端DO1電性連接第二負載端LD2。第二差動輸出端DO2電性連接第一負載端LD1。於一實施例中，如圖5所示，第二差動對DP_2具有第三差動輸入端DI3、第四差動輸入端DI4、第三差動輸出端DO3、第四差動輸出端DO4與第二電源端P2。第三差動輸入端DI3電性連接第一輸出端OUT_1。第四差動輸入端接收來自第四輸入端4的第二共模信號。第三差動輸出端DO3電性連接第一負載端LD1。第四差動輸入端電性連接第二負載端LD2。於實務上，第一差動對DP_1與第二差動對DP_2係用來放大所接收到的信號。舉例來說，當差動對接收到的係為差模信號(同振幅但相位相反)，信號電流會倍增。當差動對接收到的係為共模信號 (同振幅且同相位)時，信號電流會相互抵消，而一般所說的雜訊即為所述的共模信號。
電源模組PSM電性連接第一電源端P1、第二電源端P2與第一參考電壓Vss。電源模組PSM用以經由第一電源端P1提供第一電流I1給第一差動對DP_1。電源模組PSM用以經由第二電源端P2提供第二電流I2給第二差動對DP_2。其中，電源模組PSM包含電晶體T7~T8與電晶體T11~12，電源模組PSM可用以調整第一電流I1或第二電流I2至少其中之一。而如圖5所示，電晶體T14接收電流源C_ext的輸入電流I bias且與電晶體T11形成一電流鏡，而電晶體T13則與電晶體T7形成另一電流鏡，第一電流I1係由此兩電流鏡映射而產生。而同樣地，電晶體T14與電晶體T12形成一電流鏡，電晶體T13與電晶體T8形成另一電流鏡，第二電流I2係由此兩電流鏡映射而產生。
於一實施例中，第一差動對DP_1包含第一電晶體T1與第二電晶體T2。第一電晶體T1的第一端電性連接第二負載端LD2。第一電晶體T1的第二端電性連接電源模組PSM。第一電晶體T1的主控端接收輸入信號。第二電晶體T2的第一端電性連接第一負載端LD1。第二電晶體T2的第二端電性連接電源模組PSM。第二電晶體T2的主控端接收第一共模信號。於一實施例中，第二差動對DP_2包含第三電晶體T3與第四電晶體T4。第三電晶體T3的第一端電性連接第一負載端LD1。第三電晶體T3的第二端電性連接電源模組PSM。第三電晶體T3的主控端接收第一輸出信號。第四電晶體T4的第一端電性連接第二負載端LD2。第四電晶體T4的第二端電性連接電源模組PSM。第四電晶體T4的主控端接收第二共模信號。
於一實施例中，主動負載模組ALM包含第五電晶體T5與第六電晶體T6。第五電晶體T5的第一端用以接收第一工作電壓VDD。第五電晶體T5的第二端電性連接第一負載端LD1。第五電晶體T5的主控端電性連接第一負載端LD1。第六電晶體T6的第一端用以接收第一工作電壓VDD。第六電晶體T6的第二端電性連接第二負載端LD2。第六電晶體T6的主控端電性連接第一負載端LD1。第五電晶體T5與第六電晶體T6。共同形成一個電流鏡，一般來說，積體電路中不適合使用電阻作為負載，因此將第五電晶體T5的閘極與汲極連接，使其成為一個主動負載。於實務上，如圖5所示，可調放大器104更包含第一輸出模組OPM_1。於第一輸出模組OPM_1中，電晶體T9的主控端電性連接第二負載端LD2，第一端用以接收第一工作電壓VDD。電晶體T10與電晶體16 分別與電晶體13形成電流鏡。電晶體T15的主控端電性連接電晶體T9的第二端，電晶體T15的第一端以接收第一工作電壓VDD，第二端電性連接第一輸出端OUT_1。請參照圖6，圖6係依據本發明之另一實施例所繪示的可調放大器的內部電路架構圖，其對應圖4的可調放大器104。相較於圖5，不同之處是於圖6的電路架構中，具有兩個輸出端，也就是第一輸出端OUT_1與第二輸出端OUT_2。且包含電晶體17~19以及第二輸出模組OPM_2。電晶體17分別與電晶體T5與電晶體T6形成電流鏡，而第二輸出模組OPM_2包含電晶體T20~T23，其連接與作動方式和第一輸出模組OPM_1相似，故於此不再贅述，值得注意的是，於圖6的電路架構中，具有兩個輸出端(也就是第一輸出端OUT_1與第二輸出端OUT_2)，所屬領域具有通常知識者皆知悉圖6的電路架構需具有共模回授電路，因此於圖中未繪示出共模回授電路。
綜合以上所述，於本發明的感測裝置，係藉由微機電感測器直接地耦接具有高阻抗輸入的可調放大器，不必設置源極隨耦器來進行電路緩衝，藉由可調放大器的高阻抗輸入減少電流消耗，且可以提升電路板上空間的利用，並達到輸出高訊噪比的信號，以供後續電路利用。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
10‧‧‧感測裝置
102‧‧‧微機電感測器
104‧‧‧可調放大器
106‧‧‧電荷泵
108‧‧‧類比數位轉換器
110‧‧‧參考電路
112‧‧‧偏壓產生電路
1‧‧‧第一輸入端
2‧‧‧第二輸入端
3‧‧‧第三輸入端
4‧‧‧第四輸入端
Vcm1‧‧‧第一信號端
Vcm2‧‧‧第二信號端
Vcm3‧‧‧第三信號端
OUT_1‧‧‧第一輸出端
OUT_2‧‧‧第二輸出端
RD_1‧‧‧第一電阻器
RD_2‧‧‧第二電阻器
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
ALM‧‧‧主動負載模組
PSM‧‧‧電源模組
OPM_1‧‧‧第一輸出模組
OPM_2‧‧‧第二輸出模組
DP_1‧‧‧第一差動對
DP_2‧‧‧第二差動對
LD1‧‧‧第一負載端
LD2‧‧‧第二負載端
P1‧‧‧第一電源端
P2‧‧‧第二電源端
DO1‧‧‧第一差動輸出端
DO2‧‧‧第二差動輸出端
DI1‧‧‧第一差動輸入端
DI2‧‧‧第二差動輸入端
DO3‧‧‧第三差動輸出端
DO4‧‧‧第四差動輸出端
DI3‧‧‧第三差動輸入端
DI4‧‧‧第四差動輸入端
T1‧‧‧第一電晶體
T2‧‧‧第二電晶體
T3‧‧‧第三電晶體
T4‧‧‧第四電晶體
T5‧‧‧第五電晶體
T6‧‧‧第六電晶體
T7~T23‧‧‧電晶體
C1、C2‧‧‧電容
I1‧‧‧第一電流
I2‧‧‧第二電流
C_ext‧‧‧電流源
Ibias‧‧‧輸入電流
VDD‧‧‧第一工作電壓
VSS‧‧‧第一參考電壓
圖1係依據本發明之一實施例所繪示的感測裝置的功能方塊圖。 圖2係依據本發明之一實施例所繪示的感測裝置的電路示意圖。 圖3係依據本發明之另一實施例所繪示的感測裝置的電路示意圖。 圖4係依據本發明之另一實施例所繪示的感測裝置的電路示意圖。 圖5係依據本發明之一實施例所繪示的可調放大器的內部電路架構圖。 圖6係依據本發明之另一實施例所繪示的可調放大器的內部電路架構圖。
102‧‧‧微機電感測器
104‧‧‧可調放大器
1‧‧‧第一輸入端
2‧‧‧第二輸入端
3‧‧‧第三輸入端
4‧‧‧第四輸入端
Vcm1‧‧‧第一信號端
Vcm2‧‧‧第二信號端
Vcm3‧‧‧第三信號端
RD_1‧‧‧第一電阻器
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
OUT_1‧‧‧第一輸出端

Claims (8)

  1. 一種感測裝置，包含：一微機電感測器，用以依據環境變化產生一輸入信號；以及一可調放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第三輸入端、一第四輸入端與一第一輸出端，該第一輸入端電性連接該微機電感測器，以接收該輸入信號，該第二輸入端電性連接一第一信號端，以接收一第一共模信號，該第三輸入端電性連接該第一輸出端，該第四輸入端電性連接一第二信號端，該第二信號端與該第一信號端具相同電位；其中，該可調放大器於該第一輸出端的一第一輸出信號的電位係關聯於該輸入信號、該第一信號端與該第二信號端的電位。
  2. 如請求項1所述的感測裝置，更包含一第一電阻器，該第一電阻器包含：一第一電阻，該第一電阻的第一端電性連接一第三信號端，該第三信號端提供一第三共模信號，該第一電阻的第二端電性連接該第三輸入端；以及一第二電阻，該第二電阻的第一端電性連接該第三輸入端，該第二電阻的第二端電性連接該第一輸出端。
  3. 如請求項2所述的感測裝置，其中該可調放大器更具有一第二輸出端，且該感測裝置更包含一第二電阻器，該第二電阻器包含：一第三電阻，該第三電阻的第一端電性連接該第二信號端，該三電阻的第二端電性連接該第四輸入端；以及 一第四電阻，該第四電阻的第一端電性連接該第四輸入端，該第四電阻的第二端電性連接該第二輸出端。
  4. 如請求項1所述的感測裝置，其中該可調放大器包含：一主動負載模組，具有一第一負載端與一第二負載端；一第一差動對，具有一第一差動輸入端、一第二差動輸入端、一第一差動輸出端、一第二差動輸出端與一第一電源端，該第一差動輸入端接收來自該第一輸入端的該輸入信號，該第二差動輸入端接收來自該第二輸入端的該第一共模信號，該第一差動輸出端電性連接該第二負載端，該第二差動輸出端電性連接該第一負載端；一第二差動對，具有一第三差動輸入端、一第四差動輸入端、一第三差動輸出端、一第四差動輸出端與一第二電源端，該第三差動輸入端電性連接該第一輸出端，該第四差動輸入端接收來自該第四輸入端的一第二共模信號，該第三差動輸出端電性連接該第一負載端，該第四差動輸出端電性連接該第二負載端；以及一電源模組，電性連接該第一電源端與該第二電源端，該電源模組用以經由該第一電源端提供一第一電流給該第一差動對，該電源模組用以經由該第二電源端提供一第二電流給該第二差動對；其中，該電源模組用以調整該第一電流或該第二電流至少其中之一。
  5. 如請求項4所述的感測裝置，其中該第一差動對包含： 一第一電晶體，該第一電晶體的第一端電性連接該第二負載端，該第一電晶體的第二端電性連接該電源模組，該第一電晶體的主控端接收該輸入信號；以及一第二電晶體，該第二電晶體的第一端電性連接該第一負載端，該第二電晶體的第二端電性連接該電源模組，該第二電晶體的主控端接收該第一共模信號。
  6. 如請求項4所述的感測裝置，其中該第二差動對包含：一第三電晶體，該第三電晶體的第一端電性連接該第一負載端，該第三電晶體的第二端電性連接該電源模組，該第三電晶體的主控端接收該第一輸出信號；以及一第四電晶體，該第四電晶體的第一端電性連接該第二負載端，該第四電晶體的第二端電性連接該電源模組，該第四電晶體的主控端接收該第二共模信號。
  7. 如請求項4所述的感測裝置，其中該主動負載模組包含：一第五電晶體，該第五電晶體的第一端用以接收一第一工作電壓，該第五電晶體的第二端電性連接該第一負載端，該第五電晶體的主控端電性連接該第一負載端；以及一第六電晶體，該第六電晶體的第一端用以接收該第一工作電壓，該第六電晶體的第二端電性連接該第二負載端，該第六電晶體的主控端電性連接該第一負載端。
  8. 如請求項1所述的感測裝置，更包含： 一電荷泵，電性連接該微機電感測器，該電荷泵用以提供一參考電壓，使該微機電感測器依據環境變化與該參考電壓產生該輸入信號；以及一類比數位轉換器，電性連接該可調放大器的該第一輸出端，用以將該第一輸出信號由類比形式轉換為數位形式。
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