具有濾波器的單級(jí)緩沖器的制造方法
【專利說明】具有濾波器的單級(jí)緩沖器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本專利依據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求2012年10月2日提交的名稱為“具有濾波器的單級(jí)緩沖器”的美國臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/708728的權(quán)益，其內(nèi)容通過引用全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本專利涉及聲學(xué)配件，更準(zhǔn)確地說，涉及這些裝置內(nèi)的緩沖電路。
【背景技術(shù)】
[0004]多年來，各種類型的麥克風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)用于各種應(yīng)用。這些系統(tǒng)中的麥克風(fēng)通常接收聲能并將聲能轉(zhuǎn)換成為電壓。該電壓可以進(jìn)一步由其它應(yīng)用處理或者針對(duì)其它目的進(jìn)行處理。例如，當(dāng)用于聽覺儀器(例如助聽器)時(shí)，麥克風(fēng)可以接收聲能，并將聲能轉(zhuǎn)換成電壓。電壓可以通過放大器或者通過其它信號(hào)處理電子電路進(jìn)行放大或者另外處理，然后通過接收器作為聲能呈現(xiàn)給助聽器的用戶或佩帶者。作為另一個(gè)具體示例，蜂窩電話中的麥克風(fēng)系統(tǒng)通常接收聲能，將該能量轉(zhuǎn)換成為電壓，然后該電壓可以進(jìn)一步被處理以由蜂窩電話中的其它應(yīng)用使用。麥克風(fēng)也用于其它應(yīng)用和其它裝置。
[0005]在許多聲學(xué)系統(tǒng)中，噪聲可能成為問題。例如，在聽覺儀器系統(tǒng)中，風(fēng)的噪聲可以干擾接收的語音信號(hào)，并且該噪聲可以使得難以辨別實(shí)際的語音信號(hào)。
[0006]先前嘗試?yán)枚嗉?jí)緩沖器來減少噪聲。更準(zhǔn)確地說，麥克風(fēng)所產(chǎn)生的電信號(hào)被過濾。即使這些緩沖器已經(jīng)一定程度上成功地減少了噪聲，它們有時(shí)還遭受各種缺點(diǎn)的困擾。例如，因?yàn)檫@些裝置具有多級(jí)，所以它們?cè)诔叽缟峡赡茏兇蟆４蟪叽缭谄谕〔考膽?yīng)用中(例如在助聽器中或者在微電子應(yīng)用中)可能是不利的。
【附圖說明】
[0007]為了更完全地理解本發(fā)明，應(yīng)該參照以下詳細(xì)說明和附圖，附圖中:
[0008]圖1包括聲學(xué)系統(tǒng)的方框圖，該聲學(xué)系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的單級(jí)緩沖器；
[0009]圖2包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的單級(jí)電壓跟隨電路的電路圖；
[0010]圖3包括當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式在低頻工作時(shí)圖2的等效電路的電路圖；
[0011]圖4包括當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式在高頻工作時(shí)圖2的等效電路的電路圖；
[0012]圖5包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的背柵偏置、單級(jí)、高通濾波器源跟隨器的電路圖；
[0013]圖6包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的具有三線布置的單級(jí)緩沖電路的電路圖；
[0014]圖7包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的具有雙線布置的單級(jí)緩沖電路的電路圖；
[0015]圖8包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的另一種單級(jí)緩沖電路的電路圖；
[0016]圖9包括根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的具有三線布置的單級(jí)緩沖電路的電路圖。
[0017]圖10包括一個(gè)圖表，該圖表顯示根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式在此呈現(xiàn)的由緩沖電路實(shí)現(xiàn)的尚通濾波功能。
[0018]熟練的技術(shù)人員將理解附圖中的元件是為了簡單并清楚地圖示。將進(jìn)一步理解的是，特定動(dòng)作和/或步驟可以按照特定的發(fā)生順序來描述或表明，而本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，實(shí)際上不需要這種順序的特定性。還應(yīng)該理解的是，除非在此另外闡明特定的含義，否則在此使用的術(shù)語和表達(dá)具有一般的含義，與它們各自相應(yīng)的領(lǐng)域的調(diào)查和研宄中的這些術(shù)語和表達(dá)相符。
【具體實(shí)施方式】
[0019]此處所述的方法提供了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置和麥克風(fēng)中的單級(jí)緩沖電路。通過“MEMS”麥克風(fēng)或裝置，并且如在此使用的，意指駐極體麥克風(fēng)或裝置，或者基于MEMS的麥克風(fēng)或裝置。
[0020]有利地，在此呈現(xiàn)的單級(jí)緩沖電路具有快速輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間和一體的高通和/或低通濾波器以提供噪聲濾波能力。相對(duì)于聲學(xué)實(shí)現(xiàn)，使用電子濾波的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于濾波功能，所述電子濾波比聲學(xué)實(shí)現(xiàn)通常實(shí)現(xiàn)了更少的噪聲。此處所述的單級(jí)緩沖電路在比先前的二級(jí)緩沖電路低得多的電流電平上工作，并且仍然具有與先前的二級(jí)(或其它多級(jí))緩沖電路相當(dāng)?shù)墓ぷ魈匦?。在其它方面，單?jí)緩沖電路占用的空間與先前的二級(jí)緩沖電路比起來顯著地減少了。
[0021]在許多這些實(shí)施方式中，單級(jí)緩沖電路包括第一晶體管，并且該第一晶體管作為用于從麥克風(fēng)(例如，從麥克風(fēng)的MEMS裝置)接收輸入信號(hào)的輸入晶體管。單級(jí)緩沖電路還包括第二晶體管，并且該第二晶體管作為級(jí)聯(lián)晶體管。高通濾波器連接到第一晶體管和第二晶體管。第二晶體管使第一晶體管與單級(jí)緩沖電路的輸出電斷開(decouple)。通過“斷開”，意指第一級(jí)的輸出能夠通過信號(hào)路徑來僅影響第二晶體管的輸出，所述信號(hào)路徑包括高通和低通濾波器以及第二晶體管的柵極這兩個(gè)輸出。換句話說，從第一晶體管的輸出到第二晶體管的輸出沒有通過第二晶體管的漏極的前向路徑。通過利用高通濾波網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)第二晶體管的柵極來生成高通濾波器能力，高通濾波網(wǎng)絡(luò)其本身是由第一晶體管驅(qū)動(dòng)的。在一些方面，第一晶體管和第二晶體管兩者的背柵經(jīng)由高通濾波電阻器直流偏置到接地，并經(jīng)由高通濾波器的電容器利用同相輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。
[0022]現(xiàn)在參照?qǐng)D1，描述了包括單級(jí)緩沖電路的聲學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)示例。輸入聲能102由麥克風(fēng)104接收。例如，聲能102可以從任何來源(例如人聲、音樂等)接收。麥克風(fēng)104是任何微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置，其包括隔膜和背板。麥克風(fēng)104的配置還可以是任何配置，例如上端口或下端口麥克風(fēng)。聲能102使得隔膜運(yùn)動(dòng)，這改變了隔膜和背板之間的電位。產(chǎn)生的電壓表示已經(jīng)由麥克風(fēng)104接收到的聲能102。
[0023]麥克風(fēng)104產(chǎn)生的電壓被發(fā)送到緩沖電路106。緩沖電路106從自麥克風(fēng)104接收的信號(hào)中去除噪聲。在這方面并且如此處更詳細(xì)地描述的，緩沖電路106是單級(jí)或一級(jí)緩沖電路，其中并入了高通濾波器。另選地，緩沖電路可以包括低通濾波器或帶通濾波器。
[0024]緩沖電路106連接到消費(fèi)電子設(shè)備108。消費(fèi)電子設(shè)備108是任何應(yīng)用、電路或者其它類型的裝置，其使用或者處理來自緩沖電路106的信號(hào)。例如，舉幾個(gè)示例，消費(fèi)電子設(shè)備108可以是助聽器應(yīng)用、蜂窩電話應(yīng)用或者個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用。消費(fèi)電子設(shè)備108可以執(zhí)行任何處理、顯示、通信或其它功能。麥克風(fēng)104和緩沖器106可以被設(shè)置在外殼107中(相對(duì)于聲能102從外界環(huán)境的入口具有適當(dāng)?shù)拈_口)。
[0025]如此處所使用的，單級(jí)或一級(jí)緩沖器是在單級(jí)緩沖器的輸入與單級(jí)緩沖器的輸出之間的信號(hào)路徑上執(zhí)行獨(dú)立工作或處理的裝置。在一方面，獨(dú)立工作或處理包括輸入與輸出之間執(zhí)行的濾波。利用二級(jí)裝置，另一組晶體管在輸入與輸出之間執(zhí)行(濾波以外的)另一功能。換句話說，一級(jí)裝置從其它級(jí)電斷開并且驅(qū)動(dòng)單級(jí)裝置內(nèi)(輸入與輸出之間)的全部其它級(jí)。
[0026]舉例來說并且如此處其它地方所詳細(xì)描述的，高通濾波器被并入一級(jí)麥克風(fēng)緩沖電路106，并且該裝置使用輸入晶體管和級(jí)聯(lián)晶體管。在一方面，級(jí)聯(lián)晶體管使輸入晶體管的源極與高通濾波緩沖器輸出斷開。這是有利的，因?yàn)樾盘?hào)由晶體管緩沖和處理，這些晶體管共享所有偏置電流，這實(shí)現(xiàn)了針對(duì)指定偏置電流和最低總偏置電流的最大噪聲性能。在另一個(gè)示例中，通過利用高通濾波網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)晶體管的柵極來生成高通濾波能力。
[0027]在其它方面，可以通過將并聯(lián)片狀電容器從緩沖器輸出連接至配件上的接地來實(shí)現(xiàn)低通濾波器。在其它方面，還可以將帶通濾波器并入緩沖器106。
[0028]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，描述了單級(jí)緩沖電路200的一個(gè)示例。電路200包括第一晶體管202 (M2)、第二晶體管204 (M3)、電容器206 (C3)和電阻器208。緩沖器200的一個(gè)目的是提供單位增益放大，另一個(gè)目的是減小噪聲。晶體管202和204包括柵極(G)、源極(S)、漏極(D)以及基極或背柵極(B)端子，并且在該示例中，晶體管202和204是PMOS器件。在一個(gè)示例中，電容器206 (C3)具有大約500pF的值，并且電阻器208(R2)具有大約4M歐姆的值。也可能是其它值。電阻器210是偏壓電阻器并且在一個(gè)示例中是大約41K歐姆。
[0029]在圖2的電路中，基極端子⑶連接到源極端子⑶。當(dāng)晶體管在這種配置中工作時(shí)，源極電壓(Vs)等于柵極電壓(Vg)加上閾值電壓和過驅(qū)動(dòng)電壓(Vs = Vg+(Vth+Vod))。換句話說，Vs(M2)等于Vg(M2)偏移固定電壓(假設(shè)偏置