專利名稱：用于電容信號(hào)源放大器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體電路和方法，更具體地涉及用于電容信號(hào)源的放大器。
背景技術(shù)：
音頻麥克風(fēng)通常用在諸如蜂窩電話、數(shù)字音頻錄音機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)和電話會(huì)議系統(tǒng)的各種消費(fèi)者應(yīng)用中。特別地，成 本較低的駐極體電容式麥克風(fēng)(ECM)用在批量生產(chǎn)成本敏感的應(yīng)用中。ECM麥克風(fēng)通常包括安裝在具有聲音端口和電氣輸出端子的小封裝中的駐極體材料的膜。駐極體材料粘附于隔膜或本身構(gòu)成隔膜。大部分ECM麥克風(fēng)還包括可以連接至在諸如蜂窩電話的目標(biāo)應(yīng)用內(nèi)的音頻前端放大器的前置放大器。前端放大器的輸出可以耦接至另一模擬電路或用于數(shù)字處理的A/D轉(zhuǎn)換器。因?yàn)镋CM麥克風(fēng)是由離散的部分構(gòu)成的，所以制造處理涉及復(fù)雜的制造處理內(nèi)的多個(gè)步驟。因此，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高水平聲音質(zhì)量的高產(chǎn)量低成本的ECM麥克風(fēng)。在微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)中，在集成電路上直接蝕刻壓敏隔膜。這樣，麥克風(fēng)被包含在單個(gè)集成電路上而不是由單獨(dú)的離散部分構(gòu)成。MEMS麥克風(fēng)的一體性產(chǎn)生了更高的產(chǎn)量、較低的成本的麥克風(fēng)。然而，由于麥克風(fēng)的非常高的輸出阻抗，所以MEMS麥克風(fēng)或傳感器與電氣系統(tǒng)的連接造成大量的困難。例如，通過前置放大器的加載可潛在地減弱麥克風(fēng)的輸出信號(hào)，并且MEMS麥克風(fēng)的高電阻性使得由于較低的電源抑制比(PSRR)易于受到EMI干擾和電源干擾。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)實(shí)施方式，一種用于放大由電容信號(hào)源提供的信號(hào)的系統(tǒng)包括第一級(jí)和第二級(jí)。第一級(jí)具有電壓跟隨器裝置，包括被配置為耦接至電容信號(hào)源的第一端子的輸入端子；以及第一電容器，具有耦接至電壓跟隨器裝置的輸出端子的第一端和被配置為耦接至電容信號(hào)源的第二端子的第二端。第二級(jí)包括電容耦接至電壓跟隨器裝置的輸出端子的差分放大器。在以下附圖和說明中闡述了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。從說明和附圖以及從權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。


為了更徹底的理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在將結(jié)合附圖來參考以下說明，其中圖I示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的放大器；圖2a至圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的放大器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方式的放大器；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一可選實(shí)施方式的放大器；圖5示出了實(shí)施方式的第一級(jí)放大器；圖6示出了實(shí)施方式的第二級(jí)放大器；
圖7a至圖7d示出了實(shí)施方式的MEMS麥克風(fēng)偏置電路的示意圖和時(shí)序圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以下將詳細(xì)討論當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方式的制造和使用。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明提供可以各種具體環(huán)境實(shí)施的許多可應(yīng)用的發(fā)明概念。所討論的具體實(shí)施方式
僅表示制造和使用本發(fā)明的具體方式，但不限制本發(fā)明的范圍。將關(guān)于在具體環(huán)境中的實(shí)施方式描述本發(fā)明，S卩，用于諸如MEMS或駐極體電容式麥克風(fēng)(ECM)的電容信號(hào)源的放大器。然而，本發(fā)明也可應(yīng)用于其他類型的電路和諸如音頻系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和連接至高阻抗信號(hào)源的其他系統(tǒng)的系統(tǒng)。在實(shí)施方式中,用于MEMS麥克風(fēng)的放大器具有第一級(jí),該第一級(jí)包括電容稱接的增益升壓(boosted)源跟隨器級(jí)。該第一級(jí)提供對(duì)于MEMS器件的高阻抗接口和在源跟隨器級(jí)的輸出端的低輸出阻抗。此外，放大器具有第二級(jí)，該第二級(jí)包括耦接至增益升壓源跟隨器級(jí)的輸出端的電容耦接差分放大器。通過使用非常高電阻的偏置網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)從幾mHZ擴(kuò)展到幾十KHz的帶寬的放大器，從而使實(shí)施方式適于低頻傳感器和音頻應(yīng)用。應(yīng)理解，雖然所述實(shí)施方式中的一些針對(duì)MEMS麥克風(fēng)系統(tǒng)，但是本發(fā)明的實(shí)施方式也可針對(duì)MEMS傳感器、電容傳感器以及其他電容和高阻抗信號(hào)源。圖I示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的與電容源104連接的電容傳感器放大器100?？梢允荕EMS麥克風(fēng)、ECM麥克風(fēng)或其他類型的電容信號(hào)源的電容源104由與電容器Cmic (通常具有約IpF到約IOpF之間的電容)串聯(lián)耦接的電壓源Vmic表示。放大器100的帶內(nèi)增益約Am=Cl/C2。放大器100的傳輸特性具有約I/ (2*pi*C2*R2)的下角頻率，以及Gm/(2*pi*cl*Am)的上角頻率。Cl的值通常比傳感器電容Cmic更小以最小化信號(hào)的衰減。放大器100的噪聲在低頻時(shí)由電阻器Rl和R2的噪聲控制，并且在高頻時(shí)由跨導(dǎo)放大器102的噪聲控制。在較高頻率時(shí)，放大器100的輸出噪聲是約Vnia* (Cl+C2+Cmic)/C2，其中Vnia是跨導(dǎo)放大器102的輸入基準(zhǔn)噪聲?？梢钥闯?，C2的大值產(chǎn)生更好的噪聲性能。然而，C2的值實(shí)際上是有限的，因?yàn)橄鄬?duì)于C2，C1需要足夠大以實(shí)現(xiàn)高電壓增益，但不能太大以避免由于Cmic和Cl之間的電容分割而引起的輸出信號(hào)101的衰減。圖2a示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的放大系統(tǒng)200。MEMS器件202耦接至第一級(jí)放大器204，第一級(jí)放大器204進(jìn)一步耦接至第二級(jí)206。第一級(jí)放大器204具有基于晶體管Ml和電容器Cll和C22的增益升壓源跟隨器電路，并且第二級(jí)放大器206具有在電容反饋配置中的全差分放大器224。MEMS器件202由電壓源Vmic、麥克風(fēng)電容Cmic和寄生電容Cp模擬。在實(shí)施方式中，MEMS器件202被與具有在GQ區(qū)域中的電阻的電阻RB串聯(lián)的電壓源VB偏置。電阻RB與電容C2構(gòu)成對(duì)來自電壓源VB的噪聲進(jìn)行濾波的低通濾波器?？蛇x地，較低的電阻值可以根據(jù)特定系統(tǒng)及其規(guī)格用于RB。在實(shí)施方式中，偏置器件VB、RB、第一級(jí)204和第二級(jí)206設(shè)置在同一集成電路(IC) 220上，MEMS麥克風(fēng)202經(jīng)由連接墊210和212連接到IC220。可選地，MEMS麥克風(fēng)202也可作為第一級(jí)204和第二級(jí)206設(shè)置在同一 IC220上，在該情況下，MEMS麥克風(fēng)202的端子可以內(nèi)部耦接至第一級(jí)204和偏置電阻器RB。在實(shí)施方式中，MEMS麥克風(fēng)202的一個(gè)端子耦接至晶體管Ml的柵極，另一端子耦接至電容器Cl和C2和電阻RB。晶體管Ml和電容Cll和C22的組合形成增益升壓源跟隨器電路。在實(shí)施方式中，Ml被配置為在晶體管Ml的柵極的信號(hào)在晶體管MI的源極緩沖的源跟隨器或電壓跟隨器裝置。因?yàn)樵诰w管Ml的柵極和晶體管Ml的源極之間存在最小相移，所以晶體管Ml具有對(duì)電壓Vmic的升壓效果。在實(shí)施方式中，相對(duì)于Vmic的第一級(jí)204的增益是約G1=1+C11/C22，忽視Cmic、寄生電容Cp、Ml的跨導(dǎo)和其他寄生組件的影響。在實(shí)施方式中，Gl被設(shè)置為在約OdB和約20dB之間。可選地，可以根據(jù)特定系統(tǒng)及其規(guī)格來使用Gl的其他值。在實(shí)施方式中，Ml經(jīng)由電流源IB在亞閾值區(qū)域中偏置，以減小熱和閃變?cè)肼?。此夕卜，裝置Ml具有較大面積，以進(jìn)一步減小閃變?cè)肼?。在?shí)施方式中，第二級(jí)206包含具有構(gòu)成電容反饋網(wǎng)絡(luò)的電容器C3P、C3N、C4P和C4N的差分放大器224。第二級(jí)206電壓增益約為C3/C4。在實(shí)施方式中，第二級(jí)206的增益被設(shè)置為約OdB到約20dB之間；然而，也可使用該范圍之外的增益。高電阻反饋電阻器RFB用于偏置放大器224的輸入。在一些實(shí)施方式中，電阻器RFB在GΩ范圍中?？蛇x地，可以根據(jù)特定的應(yīng)用及其規(guī)格使用較低的電阻。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用圖2b所示的串聯(lián)耦接的二極管連接MOS來實(shí)現(xiàn)電阻RFB。通過二極管連接晶體管，如果圖2a中放大器224的輸入偏置電壓開始漂移，則二極管連接晶體管將導(dǎo)通，從而使臨時(shí)DC反饋路徑以將放大·器224的輸入保持在適當(dāng)?shù)钠谩Ｔ趯?shí)施方式中，放大器224被實(shí)現(xiàn)為具有共模反饋的全差分運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(0ΤΑ)，然而，在可選實(shí)施方式中，可以使用包括但不限于對(duì)稱放大器、折疊共源共柵(cascoded)放大器、儀器放大器和Miller放大器的其他放大器架構(gòu)。在實(shí)施方式中，關(guān)于存在于放大器電路內(nèi)的電容器的電容器大小Cmic的影響顯著減小，因?yàn)橥ㄟ^與跨端子210和212的輸入信號(hào)同相地驅(qū)動(dòng)在第一級(jí)204的輸出的Cll的相反端來實(shí)現(xiàn)低電容負(fù)載。引入頻率特性的第二低頻角，這是由源跟隨器晶體管Ml的輸入電容Cin和模擬在Ml的柵極的偏置網(wǎng)絡(luò)的附加輸入電阻Ri所定義的。在實(shí)施方式中，Ri在約106Ω與1ΤΩ之間?？蛇x地，Ri也可以在該范圍之外。在一些實(shí)施方式中，圖2a中所示的實(shí)現(xiàn)方式可以通過較小的傳感器電容器值實(shí)現(xiàn)良好的噪聲性能。在一個(gè)實(shí)施方式中，Cmic的值約5. 5pF，第一級(jí)放大器204的增益約為I，第二級(jí)放大器206的增益約為5，3dB下角頻率約為20Hz，而3dB上角頻率約為20kHz。這里，輸出負(fù)載電容器CL限制放大器224的帶寬，并可以用作用于具有與第二級(jí)206的輸出連接的A/D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)的抗混疊(anti-aliasing)濾波器。在可選實(shí)施方式中，對(duì)于較高的帶寬系統(tǒng)，或?qū)τ诓恍枰獮V波的系統(tǒng)，上角頻率要高得多，例如200kHz。在實(shí)施方式中，可以通過增大C22和Cll來減少第二級(jí)206熱噪聲。因?yàn)橥ㄟ^第一級(jí)204緩沖第二級(jí)206，電容Cll和C22的增加并不直接加載MEMS麥克風(fēng)202的輸出。在一些實(shí)施方式中，該電路可被配置為使得第一級(jí)204實(shí)現(xiàn)最大增益，例如，6db，并且第二級(jí)206用于信號(hào)模式轉(zhuǎn)換，例如將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。第二級(jí)206也可用于靈敏度的適應(yīng)，由于第一級(jí)204不能夠單獨(dú)提供30dB。參考圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的放大系統(tǒng)300。MEMS麥克風(fēng)202耦接至與圖2a中的第一級(jí)204類似的第一級(jí)304。在這里，升壓源跟隨器晶體管Ml由PMOS晶體管320偏置，其反映了通過晶體管310的來自電流源322的電流。低通濾波器是由電阻器312和電容器314構(gòu)成，以在晶體管320的柵極對(duì)偏置電壓進(jìn)行濾波。在實(shí)施方式中，由低通濾波器構(gòu)成的角頻率可在約ImHz到約IHz的范圍中；然而，在可選實(shí)施方式中，可使用其他角頻率。在第二級(jí)306中，通過二極管連接PMOS器件330、331、332和333偏置放大器224的負(fù)輸入。通過二極管連接PMOS器件334、335、336和337偏置放大器224的正輸入。在可選實(shí)施方式中，根據(jù)在第二級(jí)306內(nèi)的節(jié)點(diǎn)電壓的標(biāo)稱期望信號(hào)擺幅，可以串聯(lián)耦接更多或更少的二極管連接器件。此外，除了 PMOS器件的其他器件類型，例如，三阱NMOS器件(其中大量節(jié)點(diǎn)默認(rèn)不耦接至基板)可用于反饋偏置電阻。在實(shí)施方式中，MEMS器件202由跟隨有低通濾波器302 (其標(biāo)稱具有ImHz和約IHz之間的角頻率)的電壓源VB偏置。偏置電壓VB可以在約3V和約60V之間，但是根據(jù)所使用的特定的MEMS麥克風(fēng)和/或電容傳感器，該范圍之外的電壓也是可以的。圖4示出了適于放大具有耦接至第一級(jí)402的一個(gè)端子的ECM麥克風(fēng)的輸出的實(shí)
施方式的放大系統(tǒng)400。此外，在使用ECM麥克風(fēng)的實(shí)施方式中，麥克風(fēng)偏置電壓是沒有必要的。應(yīng)理解，ECM麥克風(fēng)也可以用在其他實(shí)施方式中，諸如圖3所示的實(shí)施方式。由Vmic和內(nèi)部電容Cmic表示的麥克風(fēng)406耦接至第一級(jí)402。第一級(jí)402具有由電流源410偏置的源跟隨器PMOS器件Ml。PMOS器件Ml優(yōu)選在用于更好的噪聲性能的亞閾值區(qū)域中被偏置。在可選實(shí)施方式中，可以使用另一晶體管類型的源跟隨器晶體管。此外，在其他實(shí)施方式中，源跟隨器裝置Ml可在飽和區(qū)域中被偏置。在實(shí)施方式中，使用具有由PMOS晶體管420和422 (它們由電流源414偏置)構(gòu)成的輸出差分對(duì)的跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)第二級(jí)404。晶體管420和422的漏電流被分別經(jīng)由二極管連接NMOS器件424和426反映到NMOS器件430和428?？蛇x地，第二級(jí)404的器件類型可以反轉(zhuǎn)。例如，晶體管420和422可以通過NMOS器件實(shí)現(xiàn)和/或晶體管430、424、426和428可以通過PMOS器件或NMOS和其PMOS器件的不同組合來實(shí)現(xiàn)。向430和428提供電流的電流源412和416被共模反饋(CMFB)控制，該共模反饋將輸出節(jié)點(diǎn)Voutp和Voutn的共模電壓設(shè)置為預(yù)定義的電壓和/或電壓范圍。經(jīng)由定義晶體管420和422的輸入DC電壓電平的偏置電阻器R2來偏置晶體管420和422。在一些實(shí)施方式中，偏置電阻R2是使用諸如圖2b所示的二極管連接晶體管實(shí)現(xiàn)的可變電阻器。在實(shí)施方式中，第二級(jí)404的增益約C1/C2，并且輸出角頻率通過輸出負(fù)載電容CL和放大器404的跨導(dǎo)的值來設(shè)置。在實(shí)施方式中，第一級(jí)402具有約為I的電壓增益，并且第二級(jí)被設(shè)置為具有約5的電壓增益，并且ECM麥克風(fēng)406具有約5. 5pF的電容Cmic。在實(shí)施方式中，第一級(jí)402具有高通特性，第二級(jí)的404具有帶通特性。與第二級(jí)404級(jí)聯(lián)的第一級(jí)402的合成的3dB帶寬從約20Hz擴(kuò)展到約20kHz。應(yīng)理解，這些值僅是一個(gè)實(shí)施方式的實(shí)例，并且可選實(shí)施方式的增益、帶寬和電容可以不同。圖5不出了第一級(jí)放大器500的實(shí)施方式連同其相關(guān)的偏置電路。在實(shí)施方式中，第一級(jí)放大器500可用作圖2a、圖3和圖4所示的實(shí)施方式的第一級(jí)。PMOS源跟隨器裝置Ml經(jīng)由NMOS晶體管534和536偏置到接地電位。在實(shí)施方式中，晶體管534和536具有長(zhǎng)的晶體管長(zhǎng)度以增加輸出阻抗。這兩個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)了晶體管Ml的輸入偏置電阻。通過經(jīng)由晶體管532將器件530的柵極與其漏極耦接，晶體管534和536的VGS通過晶體管532減小。由于該結(jié)構(gòu)，534和536的VGS在mV區(qū)域中，晶體管處于非常弱的反轉(zhuǎn)，536和534的輸出阻抗在T Ω至IOOG Ω的區(qū)域中。應(yīng)理解，然而，晶體管536和534沒有完全截止。在一個(gè)實(shí)施方式中，電阻532在約300ΚΩ和約500ΚΩ之間，電流源510的電流在約400ηΑ和約5uA之間。在可選實(shí)施方式中，可以實(shí)現(xiàn)其他組件值、電流電平和角頻率。例如，如果輸入電壓VIN增加至高于VDD，則PMOS器件538提供ESD保護(hù)并將傳導(dǎo)電流?？蛇x地，根據(jù)特定應(yīng)用和其規(guī)格可使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他ESD保護(hù)方案。在實(shí)施方式中，電流源512的電流經(jīng)由PMOS器件520反映到PMOS器件M2。在器件520的柵極的電壓被由PMOS器件526的電阻和電容器528的電容構(gòu)成的RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)所低通濾波。在實(shí)施方式中，該RC低通網(wǎng)絡(luò)的角頻率為約lOOmHz。PMOS器件526通過PMOS器件522和電阻器524在線性區(qū)域中被偏置。在實(shí)施方式中，在啟動(dòng)期間閉合(close)可選開關(guān)502和504，以允許節(jié)點(diǎn)電壓在放大器的操作之前快速地固定至其靜態(tài)值。旁路這些電阻避免了由于長(zhǎng)時(shí)間常量的較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間。這些開關(guān)例如可以在操作的第一個(gè)IOOms或200ms期間關(guān)閉，然而在該范圍之外的持續(xù)時(shí)間也可行。在斷開(open)開關(guān)之后，偏置節(jié)點(diǎn)具有較高的時(shí)間常量。在啟動(dòng)時(shí)間不是問題的情況下和/或在具有較小時(shí)間常量的電路中，可以省略開關(guān)502和504。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的第二級(jí)放大器600的電路級(jí)示意圖。在實(shí)施方·式中，第二級(jí)放大器600可用作在圖2a、圖3和圖4中所示的實(shí)施方式的第二級(jí)。全差分共源共柵放大器具有由電流源682偏置的器件626和628構(gòu)成的PMOS差分對(duì)。來自這些器件的電流分別經(jīng)由二極管連接NMOS器件630和632反映到NMOS器件640和638。由分別具有NMOS器件642和644的可選的共源共柵晶體管642和644在輸出節(jié)點(diǎn)VOUTP和VOUTN實(shí)現(xiàn)高阻抗。晶體管642和644的柵極偏置電壓由電壓VCAS使表示，這可以通過使用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的共源共柵偏置技術(shù)來生成。在實(shí)施方式中，可以使用共源共柵電流源實(shí)現(xiàn)電流源672和670，然而，可根據(jù)特定應(yīng)用和可用的空間使用在本領(lǐng)域已知的其他電流源結(jié)構(gòu)。在實(shí)施方式中，使用共模反饋電路690將節(jié)點(diǎn)VOUTP和VOUTN的共模輸出電平設(shè)置為電壓VCM。例如，可以通過使用本領(lǐng)域已知的電壓生成技術(shù)，例如使用帶隙電壓基準(zhǔn)或在電源和地之間的電阻分壓器產(chǎn)生電壓VCM。共模反饋電路690具有分別耦接至VCM的NMOS器件652和654以及耦接至VOUTN和VOUTP的NMOS器件650和656。由電流源662、664、666和668提供的電流在經(jīng)由電阻器658和660以及經(jīng)由NMOS器件650、652、654和656在二極管連接NMOS器件646和648之間行進(jìn)。通過NMOS器件646的電流分別經(jīng)由NMOS器件634和636從PMOS器件626和628的漏極傳導(dǎo)，從而形成封閉的共模環(huán)路。應(yīng)理解，在本領(lǐng)域已知的其他共模偏置方案也可應(yīng)用與實(shí)施方式的第二級(jí)。在實(shí)施方式中，在輸出VOUTP和VOUTN與PMOS器件628和626的柵極之間設(shè)置反饋。例如，反饋網(wǎng)絡(luò)692具有電容C4P和以第一方向取向的二極管連接PMOS器件606和608以及以第二方向取向的PMOS器件610和612。根據(jù)所需的電路密度和信號(hào)線性使用例如高聚物-高聚物電容器、MIM電容器和柵極電容器來實(shí)現(xiàn)電容器C4P。在實(shí)施方式中，向PMOS器件626和628的柵極提供DC偏置的二極管連接晶體管606,608,610和612以兩個(gè)方向取向，以防止正和負(fù)瞬變值較長(zhǎng)時(shí)間干擾放大器的偏置點(diǎn)。在一些實(shí)施方式中，可串聯(lián)連接多于兩個(gè)二極管連接晶體管或少于兩個(gè)二極管連接晶體管。具有更多串聯(lián)耦接的晶體管的實(shí)施方式具有放大器操作的高線性區(qū)域和較低的總諧波失真(THD)，這以更慢且更難從瞬變干擾恢復(fù)為代價(jià)。在實(shí)施方式中，根據(jù)特定應(yīng)用及其規(guī)格選擇串聯(lián)偏置器件的數(shù)量。具有電容器C4N和PMOS器件618、620、622和624的反饋網(wǎng)絡(luò)694根據(jù)以上所述的反饋網(wǎng)絡(luò)692的原理來操作。在實(shí)施方式中，耦接反饋網(wǎng)絡(luò)692和694的輸入和輸出的可選開關(guān)676、674、678和680在啟動(dòng)期間閉合以更快速地偏置放大器。在實(shí)施方式中，第二級(jí)600的電壓增益約C3P/ (C4P)。此外，在一些實(shí)施方式中，使電容器C4P和C4N相互匹配，通過使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)使電容器C3P和C3N相互匹配，以提高電源抑制比(PSRR)和放大器的偏移。這些技術(shù)可以包括，例如，使用單元器件和共同質(zhì)心布局技術(shù)。使用已知 布局和尺寸改變技術(shù)可進(jìn)一步提高PSRR和偏移性能，以在電路600內(nèi)匹配剩余的有源和無源器件。圖7a至圖7d示出了可以用于實(shí)現(xiàn)圖2a和圖3中所示的電壓源VB的實(shí)施方式的偏置電路。圖7a示出了用于提供約3V和約60V之間的升壓電壓的MEMS偏置電路700的頂層示意圖?？蛇x地，取決于使用的特定的MEMS麥克風(fēng)和/或電容傳感器，在該范圍之外的電壓也是可以的。在實(shí)施方式中，Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)用于提供升壓輸出電壓VBIAS。電荷泵通過耦接至功能二極管塊704、706、708、710和712的電容器740、742、744、746和748構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用九個(gè)功能二極管塊?？蛇x地，可根據(jù)需要的升壓電壓使用任意數(shù)量的功能二極管塊。在實(shí)施方式中，由放大器702對(duì)基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行緩沖，該基準(zhǔn)電壓被饋入第一功能二極管704。時(shí)鐘發(fā)生器716提供驅(qū)動(dòng)電容器740、740、742、744、746和748以及功能二極管塊704、706、708、710和712的時(shí)鐘信號(hào)Q1、Q1N、Q2N、Q3、Q2和Q3B。最后的功能二極管塊712的輸出耦接至電容器750和低通濾波器750。圖7b示出了具有PMOS器件722、724和726以及輸出耦接電容器728和730的實(shí)施方式的功能二極管塊720。PMOS器件722是將功能二極管720的輸入IN與功能二極管720的輸出OUT耦接的通道晶體管。交叉耦接的晶體管724和726與輸入耦接電容器728和730在功能二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)期間提供截止晶體管722的升壓時(shí)鐘。通過使用電路720，可以避免由于晶體管722的閾值電壓所致的低效率。在可選實(shí)施方式中，可以使用PN結(jié)二極管、二極管連接晶體管或其他合適的器件來代替功能二極管720。圖7c示出了為電容器740、740、742、744、746和748以及功能二極管704,706,708、710和712提供定相時(shí)鐘的實(shí)施方式的時(shí)鐘發(fā)生器716的示意圖。圖7d示出時(shí)鐘發(fā)生器716的時(shí)序圖。在實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)電容器740、740、742、744、746和748的時(shí)鐘信號(hào)Ql和QlN具有最寬的脈沖寬度，驅(qū)動(dòng)一些功能二極管的時(shí)鐘信號(hào)Q2和Q2N具有較窄的脈沖寬度，驅(qū)動(dòng)剩余的功能二極管的時(shí)鐘信號(hào)Q3和Q3具有最窄的脈沖寬度。在實(shí)施方式中，相對(duì)于Ql的Q2的上升沿Q1、相對(duì)于Q2的Ql的下降沿、相對(duì)于Q2的Q3的上升沿和相對(duì)于Q3的Q2的下降沿被延遲Tnovl。通過使用實(shí)施方式的始終定相方案，諸如圖7d所示出的那樣，在驅(qū)動(dòng)電容器740、740、742、744、746和748的信號(hào)改變狀態(tài)之前，功能二極管704、706、708、710和712是穩(wěn)定的。在可選實(shí)施方式中，可以使用其他的時(shí)鐘相位關(guān)系。圖8示出了使用本發(fā)明的實(shí)施方式的系統(tǒng)900。根據(jù)本文所述的本發(fā)明的實(shí)施方式，電容傳感器902耦接至具有具有第一級(jí)906和第二級(jí)908的集成電路。在實(shí)施方式中，第二級(jí)908的差分輸出耦接至A/D轉(zhuǎn)換器910。在一些實(shí)施方式中，A/D轉(zhuǎn)換器被實(shí)現(xiàn)為音頻Σ-Λ轉(zhuǎn)換器。在其他實(shí)施方式中，A/D轉(zhuǎn)換器可以是例如適于傳感器應(yīng)用的低頻A/D。在實(shí)施方式中，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出耦接至處理器912以進(jìn)行有用的功能。通過系統(tǒng)900可實(shí)現(xiàn)的可能的應(yīng)用程序的實(shí)例包括但不限于電話系統(tǒng)、數(shù)字錄音機(jī)和遙感系統(tǒng)。在一些實(shí)施方式中，例如，電容式傳感器902可以是MEMS麥克風(fēng)或諸如電容式壓力傳感器、ECM或另一種類型的浮置電容信號(hào)源的其他電容傳感器。在可選的實(shí)施方式中，電容傳感器902可以包括在集成電路904上。此外，A/D轉(zhuǎn)換器910和/或處理器912可設(shè)置為獨(dú)立于集成電路904。在一些實(shí)施方式中，可以使用單個(gè)集成電路或使用多個(gè)集成電路實(shí)現(xiàn)集成電路904的功能。根據(jù)實(shí)施方式，一種用于放大由電容信號(hào)源提供的信號(hào)的系統(tǒng)包括第一級(jí)和第二級(jí)。第一級(jí)具有電壓跟隨器裝置器件，其包括被配置為耦接至電容信號(hào)源的第一端子的輸入端子；以及第一電容器，具有耦接至電壓跟隨器裝置器件的輸出端子的第一端和被配置為耦接至電容信號(hào)源的第二端子的第二端。第二級(jí)包括電容耦接至電壓跟隨器裝置的輸出端子的差分放大器。在一些實(shí)施方式中，第一級(jí)的電壓跟隨器裝置包括可以在亞閾值區(qū)域中被偏置的MOS源極跟隨器。第一級(jí)也可包括第二電容器，該第二電容器包括耦接至基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的第一端和被配置為耦接至電容信號(hào)源的第二端子的第二端。·在一些實(shí)施方式中，第二級(jí)還包括耦接在電壓跟隨器裝置的輸出端子和差分放大器的第一輸入端子之間的輸入電容器，以及耦接在基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)和差分放大器的第二輸入端子之間的基準(zhǔn)電容器。第二級(jí)還可包括耦接在差分放大器的第一輸出端子和差分放大器的第一輸入端子之間的第一反饋電容器，以及耦接在差分放大器的第二輸出端子和差分放大器的第二輸入端子之間的第二反饋電容器。 在一些實(shí)施方式中，該系統(tǒng)可配置為耦接至外部電容信號(hào)源，然而，在一些實(shí)施方式中，電容信號(hào)源也可以包括在系統(tǒng)中。在一些實(shí)施方式中，電容信號(hào)源存在于在第一和第二級(jí)的相同集成電路上。在一些實(shí)施方式中，電容信號(hào)源可以包括MEMS或ECM麥克風(fēng)，而在其他實(shí)施方式中，電容信號(hào)源可以包括電容傳感器或其他高阻抗信號(hào)源。根據(jù)另外的實(shí)施方式，一種用于放大由高阻抗信號(hào)提供的信號(hào)的方法器包括源跟隨器晶體管，具有被配置為耦接至高阻抗信號(hào)源的第一端子的柵極；以及第一電容器，具有耦接至源跟隨器晶體管的第一端子和被配置為耦接至高阻抗信號(hào)源的第二端子的第二端子。在一些實(shí)施方式中，源跟隨器晶體管可以在亞閾值區(qū)域中被偏置。第二電容器進(jìn)一步耦接在源跟隨器晶體管的源極和差分放大器的第一輸入之間，并且第三電容器耦接在差分放大器的第一輸出和差分放大器的第一輸入之間。差分放大器被配置為相對(duì)于第一輸入在第一輸出產(chǎn)生負(fù)相，差分放大器的低頻增益由第二電容器的電容和第三電容器的電容的比設(shè)置。在一些實(shí)施方式中，放大器還包括耦接在第一電容器的第二端子和電壓基準(zhǔn)之間的第四電容器。在一些實(shí)施方式中，高阻抗信號(hào)源是諸如MEMS或ECM麥克風(fēng)的電容信號(hào)源，并且放大器也可包括用于高阻抗信號(hào)源的偏置網(wǎng)絡(luò)。例如，可以為被配置為放大MEMS麥克風(fēng)的放大器提供MEMS偏置電路。在一些實(shí)施方式中，MEMS偏置電路稱接至第一電容器的第二端子。在實(shí)施方式中，從高阻抗信號(hào)源的第一和第二端子到源跟隨器晶體管的源極的電壓增益取決于第一電容器的電容和第四電容器的電容的比。在一些實(shí)施方式中，該電壓增益可以大于I。
在實(shí)施方式中，放大器還包括耦接在差分放大器的第二輸入和基準(zhǔn)電壓之間的第五電容器，以及I禹接在差分放大器的第二輸出和差分放大器的第二輸入之間的第六電容器。該差分放大器可以包括具有共模反饋的全差分放大器。在一些實(shí)施方式中，差分放大器包括運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA )。在實(shí)施方式中，偏置晶體管與第三電容器并聯(lián)耦接。偏置晶體管可以具有至少100MΩ的值，然而，在可選的實(shí)施方式中，也可根據(jù)應(yīng)用和其規(guī)格使用較小的值。在實(shí)施方式中，偏置電阻器由串接的二級(jí)管連接MOS器件構(gòu)成。根據(jù)另一實(shí)施方式，一種用于放大由浮置電容源提供的信號(hào)的集成電路包括第一級(jí)，被配置為將浮置電容源的第一較高阻抗轉(zhuǎn)換為在第一級(jí)的輸出的第二較低阻抗。第一級(jí)被進(jìn)一步配置為通過將正反饋經(jīng)由第一電容器從第一級(jí)的輸出提供到第一級(jí)的輸入來增加第一級(jí)的輸入阻抗。該放大器還包括第二級(jí)，用于將第一級(jí)的輸出轉(zhuǎn)換為在第二級(jí)
的輸出的差分信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，該集成電路還包括被配置為向浮置電容源提供偏置電壓的偏置網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)施方式中，第一級(jí)包括升壓源跟隨器電路，升壓源跟隨器電路包括大于I的電壓增益，第二級(jí)包括電容耦接至升壓源跟隨器電路的輸出的差分放大器。第一級(jí)還可包括耦接在第一級(jí)的輸入和基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的第二電容器，使得升壓源跟隨器電路的電壓增益基于第一電容器的電容和第二電容器的電容的比。根據(jù)另一實(shí)施方式，一種用于放大由浮置電容源所產(chǎn)生的信號(hào)的集成電路包括被配置為耦接至浮置電容源的升壓源跟隨器電路。在一些實(shí)施方式中，升壓源跟隨器電路具有大于I的電壓增益。該集成電路還包括電容耦接至源跟隨器電路的輸出的差分放大器，和被配置為耦接至浮置電容源的至少一個(gè)端子的偏置網(wǎng)絡(luò)。差分放大器可以是具有由電容反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的增益的全差分放大器。在實(shí)施方式中，升壓源跟隨器電路包括M0S晶體管，被配置為耦接至浮置電容源的第一端子；第一電容器，具有耦接至MOS晶體管的漏極的第一端子和被配置為耦接至浮置電容源的第二端子的第二端子；以及第二電容器，耦接在第一電容器的第二端子和基準(zhǔn)電壓之間。在一些實(shí)施方式中,基準(zhǔn)電壓為接地電壓。根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)施方式，一種放大由電容源信號(hào)提供的信號(hào)的方法包括在電壓跟隨器裝置的控制端子從電容信號(hào)源的第一端子接收第一信號(hào)，在耦接至電壓跟隨器裝置的輸出節(jié)點(diǎn)的第一電容器從電容信號(hào)源的第二端子接收第二信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，偏置電壓可以提供至電容信號(hào)源。該方法還包括通過基于耦接在電容信號(hào)源的第二端子和基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的第一電容器和第二電容器的比施加電壓增益來放大第一和第二信號(hào)。第三信號(hào)通過電容耦接的全差分放大器從電壓跟隨器裝置的輸出節(jié)點(diǎn)接收，并且第三信號(hào)被放大以產(chǎn)生差分輸出信號(hào)。在一些實(shí)施方式中，對(duì)差分輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)包括放大器的處理由于實(shí)施方式的第二級(jí)放大器的差分結(jié)構(gòu)而引起的較高信號(hào)擺幅的能力。該實(shí)施方式的差分結(jié)構(gòu)也抑制了偶階諧波。此外，通過使用實(shí)施方式的放大器中的兩個(gè)級(jí)，對(duì)于放大器增益變化的敏感性較小。在一些實(shí)施方式中，該增益變化可以是最大約O. 3dB。此外，可基于電容器的比設(shè)置系統(tǒng)的增益，從而降低系統(tǒng)的整體增益變化。此外，通過將MEMS器件的電容與第二級(jí)的輸入電容器斷開連接，由于較大的輸入電容器耦至虛擬地面，所以MEMS器件的輸出不衰減。由于MEMS電容與跟隨器晶體管的柵極串聯(lián)耦接，所以將MEMS器件加載電容的效果被進(jìn)一步減小，這將MEMS的高阻抗節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為用于第二級(jí)的低阻抗節(jié)點(diǎn)。在實(shí)施方式中，第一級(jí)如同具有低阻抗的電壓源和傳感器的響應(yīng)的電壓擺幅那樣操作。實(shí)施方式的進(jìn)一步有利的方面包括更好的噪聲性能。通過在第一級(jí)提供增益升壓，減少了第二級(jí)的噪聲貢獻(xiàn)。實(shí)施方式的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)包括抑制EMI干擾和由MEMS傳感器經(jīng)歷的光相關(guān)的干擾的能力，因?yàn)榈诙?jí)差分放大器的差 分結(jié)構(gòu)抑制了由集成電路所觀察到的EMI或電源干擾。相對(duì)于MEMS傳感器本身所觀察到的干擾，大部分EMI將作為共模信號(hào)影響傳感器。因?yàn)閭鞲衅鞯膬蓚€(gè)端子都耦接至放大器的第一級(jí)，所以這些干擾被抑制。因此，在MEMS傳感器的兩個(gè)端子觀察到的任何同相信號(hào)被拒絕或顯著衰減。雖然已參照示意性實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是該描述不旨在以限制的意義來解釋。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，參照說明，示意性實(shí)施方式的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實(shí)施方式將是顯而易見的。因此，所附權(quán)利要求旨在包括任何這樣的修改或?qū)嵤┓绞健?br> 權(quán)利要求
1.一種用于放大由電容信號(hào)源提供的信號(hào)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 第一級(jí)，包括 電壓跟隨器裝置，包括被配置為耦接至所述電容信號(hào)源的第一端子的輸入端子，以及第一電容器，包括耦接至所述電壓跟隨器裝置的輸出端子的第一端，以及被配置為耦接至所述電容信號(hào)源的第二端子的第二端；以及 第二級(jí)，電容耦接至所述電壓跟隨器裝置的輸出端子，所述第二級(jí)包括差分放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述第二級(jí)還包括 輸入電容器，耦接在所述電壓跟隨器裝置的輸出端子和所述差分放大器的第一輸入端子之間； 基準(zhǔn)電容器，耦接在基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)和所述差分放大器的第二輸入端子之間； 第一反饋電容器，耦接在所述差分放大器的第一輸出端子和所述差分放大器的第一輸入端子之間； 第二反饋電容器，耦接在所述差分放大器的第二輸出端子和所述差分放大器的所述第二輸入端子之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述電壓跟隨器裝置包括MOS源跟隨器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述源跟隨器裝置在亞閾值區(qū)域被偏置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述第一級(jí)還包括第二電容器，包括耦接至基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的第一端和被配置為耦接至所述電容信號(hào)源的第二端子的第二端。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括所述電容信號(hào)源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述電容信號(hào)源包括MEMS麥克風(fēng)。
8.一種用于放大由高阻抗信號(hào)源提供的信號(hào)的放大器，所述放大器包括 源跟隨器晶體管，具有被配置為耦接至所述高阻抗信號(hào)源的第一端子的柵極； 第一電容器，具有耦接至所述源跟隨器晶體管的第一端子和被配置為耦接至所述高阻抗信號(hào)源的第二端子的第二端子； 第二電容器，耦接在所述源跟隨器晶體管的源極和差分放大器的第一輸入之間；以及第三電容器，耦接在所述差分放大器的第一輸出和所述差分放大器的第一輸入之間，其中， 所述差分放大器被配置為相對(duì)于所述第一輸入在所述第一輸出產(chǎn)生負(fù)相； 所述差分放大器的低頻增益由所述第二電容器的電容和所述第三電容器的電容的比設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，還包括第四電容器，耦接在所述第一電容器的第二端子和電壓基準(zhǔn)之間，其中，從所述高阻抗信號(hào)源的第一和第二端子到所述源跟隨器晶體管的源極的電壓增益取決于所述第一電容器的阻抗和所述第四電容器的阻抗的比。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的放大器，其中，從所述高阻抗信號(hào)源的第一和第二端子到所述源跟隨器晶體管的源極的電壓增益大于I。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，還包括 第五電容器，耦接在所述差分放大器的第二輸入和基準(zhǔn)電壓之間；以及 第六電容器，耦接在所述差分放大器的第二輸出和所述差分放大器的第二輸入之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其中，所述差分放大器包括具有共模反饋的全差分放大器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其中，所述源跟隨器晶體管在亞閾值區(qū)域中被偏置。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，還包括與所述第三電容器并聯(lián)耦接的偏壓電阻器，所述偏壓電阻器包括至少IOOMΩ的值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的放大器，其中，所述偏壓電阻器包括串接的多個(gè)二級(jí)管連接的MOS器件。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其中，所述高阻抗信號(hào)源包括電容信號(hào)源。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的放大器，其中，所述電容信號(hào)源包括MEMS麥克風(fēng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的放大器，還包括耦接至所述第一電容器的第二端子的MEMS偏置電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其中，所述差分放大器包括運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(0ΤΑ)。
20.一種用于放大由浮置電容源提供的信號(hào)的集成電路，所述集成電路包括 第一級(jí)，被配置為將所述浮置電容源的第一阻抗轉(zhuǎn)換為在所述第一級(jí)的輸出的第二阻抗，所述第一阻抗大于所述第二阻抗，其中，所述第一級(jí)被配置為通過將正反饋經(jīng)由第一電容器從所述第一級(jí)的輸出提供至所述第一級(jí)的輸入來增加所述第一級(jí)的輸入阻抗；以及第二級(jí)，用于將所述第一級(jí)的輸出轉(zhuǎn)換為在所述第二級(jí)的輸出的差分信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的集成電路，還包括被配置為向所述浮置電容源提供偏置電壓的偏置網(wǎng)絡(luò)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的集成電路，其中，所述第一級(jí)包括升壓源跟隨器電路，所述升壓源跟隨器電路包括大于一的電壓增益。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的集成電路，其中 所述第一級(jí)，還包括耦接在所述第一級(jí)的輸入與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的第二電容器；以及 所述電壓增益基于所述第一電容器的電容和所述第二電容器的電容的比。
24.一種放大由電容信號(hào)源提供的信號(hào)的方法，所述方法包括 在電壓跟隨器裝置的控制端子，從所述電容信號(hào)源的第一端子接收第一信號(hào)； 在耦接至電壓跟隨器裝置的輸出節(jié)點(diǎn)的第一電容器，從所述電容信號(hào)源的第二端子接收第二信號(hào)； 放大所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)，放大包括基于耦接在所述電容信號(hào)源的第二端子與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的第一電容器和第二電容器的比施加電壓增益； 通過電容耦接的全差分放大器從所述電壓跟隨器裝置的輸出節(jié)點(diǎn)接收第三信號(hào)；以及 放大所述第三信號(hào)，放大包括產(chǎn)生差分輸出信號(hào)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括對(duì)所述差分輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括向所述電容信號(hào)源提供偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電容信號(hào)源放大器的系統(tǒng)和方法。根據(jù)實(shí)施方式，用于放大由電容信號(hào)源提供的信號(hào)的系統(tǒng)包括第一級(jí)和第二級(jí)。第一級(jí)具有電壓跟隨器裝置，包括被配置為耦接至電容信號(hào)源的第一端子的輸入端子；以及第一電容器，具有耦接至電壓跟隨器裝置的輸出端子的第一端和被配置為耦接至電容信號(hào)源的第二端子的第二端。第二級(jí)包括電容耦接至電壓跟隨器裝置的輸出端子的差分放大器。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102882481SQ201210245008
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者西格弗里德·阿爾貝爾, 喬斯·路易斯·塞巴洛, 邁克爾·克羅普菲奇 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司