用于受控反饋電荷泵的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及電子電路，并且，在具體實(shí)施例中，涉及用于受控反饋電荷泵的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電荷泵是將電容器用作能量存儲元件以創(chuàng)建較高電壓或者較低電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。電荷泵的應(yīng)用在電源和其它應(yīng)用中廣為傳播。具體而言，電荷泵的具體應(yīng)用包括生成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)中的偏置電壓。
[0003]總體而言，電荷泵使用某種形式的開關(guān)器件以控制電壓到電容器的連接。例如，高電壓可以按照兩個(gè)步驟從低電壓得出。在第一步驟中，電容器跨電源連接并且充電到電源電壓。在第二步驟中，電路被重新配置，使得電容器與電源串聯(lián)到負(fù)載。忽略泄漏效應(yīng)，此示例方法高效率地將到負(fù)載的電源電壓加倍(原始電源和電容器的總和)?？梢酝ㄟ^將輸出電容器用作濾波器平滑化高電壓輸出的脈沖性質(zhì)。開關(guān)器件的控制通常由次級開關(guān)電路驅(qū)動。
[0004]在多個(gè)其它示例當(dāng)中，電荷泵經(jīng)常用于換能器。換能器將信號從一個(gè)域轉(zhuǎn)換到其它域并且經(jīng)常在傳感器中使用。日常生活中見到的具有換能器的普通傳感器是麥克風(fēng)，一種將聲波轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。使用微機(jī)械技術(shù)產(chǎn)生的特定的換能器系列稱為MEMS換能器，例如，諸如MEMS麥克風(fēng)。
[0005]很多MEMS換能器，并且具體而言，MEMS麥克風(fēng)，經(jīng)常使用電容性傳感技術(shù)以便測量感興趣的物理現(xiàn)象。在這種應(yīng)用中，使用接口電路將電容傳感器的電容改變轉(zhuǎn)換為可使用的電壓。在這種電容換能器系統(tǒng)中，換能器靈敏度可能與施加到換能器元件的偏置電壓相關(guān)。在這種應(yīng)用中，可以使用電荷泵將偏置電壓施加到換能器元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)各種實(shí)施例，一種電路包括電荷泵和反饋電路。電荷泵電路包括第一輸入、被配置為接收偏置信號的第二輸入、以及被配置為基于第一輸入和第二輸入提供電荷泵信號的輸出端子。反饋電路包括耦合到電荷泵的輸出的第一輸入、被配置為耦合到基準(zhǔn)信號的第二輸入、被配置為啟用和禁用反饋電路的使能輸入、以及耦合到電荷泵的第一輸入的反饋輸出。
【附圖說明】
[0007]為了更完整地理解本發(fā)明，以及其優(yōu)勢，參照了結(jié)合附圖的以下描述，其中:
[0008]圖1示出了實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)的框圖；
[0009]圖2示出了實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)更詳細(xì)的框圖；
[0010]圖3示出了具有電荷泵的實(shí)施例換能器系統(tǒng)的框圖；
[0011]圖4示出了另一實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)的框圖；
[0012]圖5a至圖5c示出了實(shí)施例電荷泵、實(shí)施例電荷泵級、以及實(shí)施例時(shí)鐘生成器的電路圖；
[0013]圖6示出了操作中的實(shí)施例電荷泵的波形圖；
[0014]圖7示出了實(shí)施例MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)的框圖；
[0015]圖8示出了備選實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)的更具體的框圖；
[0016]圖9示出了另一實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)的更具體的框圖；以及
[0017]圖10示出了實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)的操作方法。
[0018]不同附圖中的對應(yīng)的標(biāo)號和符號通常指代對應(yīng)的部分，除非另外指示。畫出附圖以便清楚地說明實(shí)施例的相關(guān)方面并且不必須按比例畫出。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下文將詳細(xì)討論各種實(shí)施例的制作和使用。然而，應(yīng)該領(lǐng)會的是，本文所描述的各種實(shí)施例可以在多種特定情境中應(yīng)用。所討論的特定實(shí)施例僅用于說明制作和使用各種實(shí)施例的特定方法，而不應(yīng)該解釋為受限的范圍。
[0020]關(guān)于特定情境下的各種實(shí)施例進(jìn)行描述電荷泵，更具體地，即用于將換能器和MEMS換能器偏壓的電荷泵。本文描述的一些實(shí)施例包括電荷泵；換能器系統(tǒng)和麥克風(fēng)系統(tǒng)中的電荷泵；以及用于換能器系統(tǒng)、MEMS換能器系統(tǒng)、以及MEMS麥克風(fēng)的接口電路。在其它實(shí)施例中，各方面還可以應(yīng)用于包含根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何樣式的任何類型的電荷泵和電子電路的其它應(yīng)用。
[0021]根據(jù)具體地涉及用于換能器元件的電荷泵系統(tǒng)的一些實(shí)施例，例如電荷泵對諸如MEMS麥克風(fēng)的換能器提供電壓偏壓。在這種實(shí)施例中，換能器的靈敏度與由電荷泵施加的電壓偏壓直接相關(guān)。為了控制換能器的靈敏度，可以使用反饋電路校準(zhǔn)電荷泵的輸出。此夕卜，偏置電壓可以從另一源施加于換能器。包括電壓源變化、大信號以及沖擊事件(shockevent)的各種電路狀況可能會破壞電壓偏壓以及施加于換能器的偏置電壓兩者并且更改靈敏度。因此，在一些實(shí)施例中，偏置電壓被耦合到電荷泵，以便改進(jìn)經(jīng)由電荷泵施加于換能器的電壓偏壓的穩(wěn)定性。在各種實(shí)施例中，在某些操作模式期間反饋回路可以被禁用。具體而言，一些換能器可以包括節(jié)能或者低功率應(yīng)用。在這種實(shí)施例中，在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間(即一旦電壓泵輸出接近穩(wěn)定狀態(tài)值)禁用反饋回路可以作用為減少能量消耗。
[0022]根據(jù)本文所述描述的實(shí)施例，電荷泵包括反饋電路并且由偏置電壓信號和反饋電路控制。反饋電路被配置為將電荷泵的輸出與基準(zhǔn)電壓信號比較并且在操作模式期間生成用于電荷泵的反饋信號。反饋電路可以在低功率模式期間由使能信號啟用或者禁用。在一些實(shí)施例中，電荷泵被耦合到諸如MEMS麥克風(fēng)之類的換能器，并且將偏置電壓信號應(yīng)用于電荷泵和換能器的換能元件兩者。
[0023]圖1示出了包括電荷泵102和反饋回路104的實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)100。根據(jù)各種實(shí)施例，電荷泵102接收偏置電壓信號Vtj以及來自反饋回路104的輸入。反饋回路104可以接收三個(gè)輸入信號:輸出電壓信號基準(zhǔn)電壓信號Vkef以及使能信號E N。在各種實(shí)施例中，電荷泵102基于偏置電壓信號V。和來自反饋回路104的輸入生成輸出電壓信號V CP。反饋回路104可以將輸出電壓信號Vcp與Vkef比較并且基于比較生成用于電荷泵102的反饋信號。根據(jù)一些實(shí)施例，使能信號E1^T以起到啟用和禁用反饋回路104的作用。例如，使能信號En可以由外部控制器生成，或者，在一些實(shí)施例中，使能信號E 1<可以在反饋回路104內(nèi)生成，諸如在計(jì)數(shù)器內(nèi)。
[0024]如將要在下文進(jìn)一步討論的那樣，在一些特定實(shí)施例中，偏置電壓信號Vtj和輸出信號Vcp的組合等于施加于MEMS麥克風(fēng)的偏壓電壓。在一些實(shí)施例中，MEMS麥克風(fēng)的靈敏度與所施加的此偏壓電壓直接相關(guān)。在各種實(shí)施例中，向電荷泵102和MEMS麥克風(fēng)兩者提供偏置電壓信號I將引起施加的偏壓電壓，并且從而引起靈敏度更少地受到偏置電壓信號Vtj的變化的影響。
[0025]圖2示出了實(shí)施例電荷泵系統(tǒng)200的更詳細(xì)的框圖，該電荷泵系統(tǒng)200包括具有電荷泵級202a-202N的電荷泵202以及具有除法器塊212、運(yùn)算放大器214、計(jì)數(shù)器216以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 218的反饋回路。在其它實(shí)施例中，反饋回路可以由其它部件實(shí)施，諸如具有比較器的比例-積分-微分(PID)控制電路的另一實(shí)施方式。根據(jù)各種實(shí)施例，電荷泵級202a接收偏置電壓V。而電荷泵級202a-202N接收DAC 218的輸出。電荷泵級202a_202N的組合輸出產(chǎn)生輸出電壓VCP。反饋元件通過使DAC218的輸出偏移來調(diào)整輸出電壓VCP。除法器塊212對輸出電壓Vcp進(jìn)行除法而運(yùn)算放大器214將輸出電壓V CP與基準(zhǔn)電壓V KEF進(jìn)行比較。計(jì)數(shù)器216響應(yīng)于運(yùn)算放大器214的輸出以分立步驟遞增或者遞減，并且DAC 218將數(shù)字計(jì)數(shù)器值轉(zhuǎn)換為用于電荷泵級202a-202N的模擬反饋信號。反饋保持輸出電壓Vcp大約等于l+ΝΦν—。電荷泵202可以是任何類型的電荷泵，但是被描繪為具有N個(gè)電荷泵級202a-202N的多級電荷泵。如圖所示，輸出電壓信號Vcp被饋入除法器塊212。輸出電壓信號Vct還可以稱為電荷泵信號V『在實(shí)施例中，除法器模塊212將輸出電壓信號Vct除以第一值。在特定示例中，第一值等于電荷泵202中級的數(shù)目N。
[0026]在用輸出電壓Vcp除以第一值之后，該結(jié)果可以通過運(yùn)算放大器與基準(zhǔn)電壓V KEF進(jìn)行比較，其中運(yùn)算放大器可以實(shí)施為比較器。比較的結(jié)果可以被饋入計(jì)數(shù)器216，計(jì)數(shù)器216可以基于接收的比較信號將該輸出遞增或者遞減。計(jì)數(shù)器216的輸出可以是數(shù)字值，該數(shù)字值可以被饋入至DAC 218并且被轉(zhuǎn)換為用于輸入至電荷泵級202a-202N的模擬值。
[0027]在所示的實(shí)施例中，每個(gè)電荷泵級202a_202N從反饋回路中的DAC 218接收輸入。電荷泵級202a-202N可以實(shí)施為任何類型的電荷泵級。如圖所示，電荷泵級202a_202N僅是加法的。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，或者一旦反饋回路穩(wěn)定時(shí)，DAC 218的輸出可以接近基準(zhǔn)電壓VKEF。在這種實(shí)施例中，電荷泵級的輸出，即輸出電壓VCP，可以由表達(dá)式Vcp= V o+N.Veef給出。在其它實(shí)施例中，電荷泵202和電荷泵級202a-202N可以被設(shè)計(jì)為輸出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種其它表達(dá)式的任何電壓信號。電荷泵級202a-202N的更具體的實(shí)施例將在下文中參照其它圖描述。
[0028]根據(jù)各種實(shí)施例，使能信號E1^用和禁用反饋回路。如所示，使能信號En可以啟用或者禁用運(yùn)算放大器214和計(jì)數(shù)器216。在一些實(shí)施例中，使能信號電源與運(yùn)算放大器214和計(jì)數(shù)器216連接或斷開連接。在其它實(shí)施例中，使能信號En禁用計(jì)數(shù)器216中諸如開關(guān)之類的操作。使能信號En可以耦合