專利名稱：用于微型機(jī)電聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路及相關(guān)偏置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路，特別是一種MEMS(微型機(jī)電系統(tǒng))型的容性擴(kuò)音器，接下來的說明將明確參考這種MEMS類型，這并不意味著喪失任何一般 性。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于偏置聲音轉(zhuǎn)換器的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，電容型的聲音轉(zhuǎn)換器，例如MEMS擴(kuò)音器，一般包括振動膜或隔膜形式 的可動電極，可動電極面對固定電極設(shè)置以便提供可變電容的感應(yīng)電容器的極板。該可動 電極一般通過其周邊部分固定到基底，同時(shí)其中心部分響應(yīng)于入射聲波施加的壓力而自由 移動或彎曲。該可動電極和該固定電極形成電容器，并且構(gòu)成可動電極的隔膜的彎曲引起 所述電容器電容值的變化。使用時(shí)，電容值根據(jù)待檢測的聲音信號發(fā)生變化，該電容值的變 化被轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號被作為聲音轉(zhuǎn)換器的輸出信號。更具體地，參考圖1，一種已知類型的MEMS容性擴(kuò)音器1，包括由例如硅的半導(dǎo)體 材料制成的基底2 ；在基底2上具有一空腔3 (通常稱為“后腔”)，空腔3例如從后部通過化 學(xué)蝕刻形成。隔膜，或振動膜4，耦合至基底2并且在頂部靠近后腔3。隔膜4是撓性的，且 在使用時(shí)，根據(jù)來自后腔3的入射聲波的壓力產(chǎn)生變形。剛性板5 (通常稱為“背板”)通過 插入間隔物6(例如由比如二氧化硅的絕緣材料制成)面向并設(shè)置在隔膜4上。背板5構(gòu) 成具有可變電容的電容器的固定電極，其中可動電極由隔膜4形成；背板5具有多個(gè)比如為 圓形截面的孔7，將孔7設(shè)計(jì)成使得空氣可在隔膜4的方向上自由循環(huán)流通。容性擴(kuò)音器，特別是MEMS擴(kuò)音器，要求合適的電偏置，以便用作將聲音信號轉(zhuǎn)換 成電信號的轉(zhuǎn)換器。具體地，為了確保在通常應(yīng)用下充足的性能水平，它要求擴(kuò)音器偏置為 高電壓(例如15V-20V)，一般比施加給相應(yīng)的讀取電路的電壓(比如，邏輯電壓1.6V-3V) 要高的多。為此，通常需要使用電荷泵升壓電路(一般稱為“電荷泵”)，其使用集成技術(shù)制 成，其能夠從較低值的參考電壓生成高電壓。一般的電路結(jié)構(gòu)(圖2中所示)包括一個(gè)電荷泵級，示例中整體地用標(biāo)記8概略 地示出，其直接連接到MEMS擴(kuò)音器1(由可變電容值電容器的等效電路概略地表示)的第 一端子m (比如，由背板5組成)，以便提供高值的偏置電壓。MEMS擴(kuò)音器1的第二端子 N2(例如，由隔膜4組成)卻連接到讀取電路(還可稱為“前端電路”)的高阻抗輸入，圖中 讀取電路概略地表示為放大器級9(繼而，其高阻抗通過連接在第二端子N2和參考電壓節(jié) 點(diǎn)之間的一般具有IOOGQ到100ΤΩ之間的電阻值的輸入電阻器10來概略地表示，該參考 電壓節(jié)點(diǎn)在示例中與偏置電路的接地點(diǎn)相同)。然而，這種電路設(shè)置嚴(yán)重地受限于降低的信噪比，這是由于在正常操作中電荷泵 級8的輸出端處可能的“紋波”以及相同電荷泵產(chǎn)生的噪音未經(jīng)任何衰減加入到MEMS擴(kuò)音 器1根據(jù)檢測到的聲音信號而產(chǎn)生的電信號。為了克服上述缺陷，提出了一種替代性的電路設(shè)置(圖3所示)，其中在電荷泵級 8的輸出端和MEMS擴(kuò)音器1的第一端子m之間設(shè)置一個(gè)RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器12，以便適當(dāng)?shù)厮p在電荷泵級的輸出端的噪音和紋波。具體地，該低通濾波器12由連接在電荷泵級 8的輸出端和MEMS擴(kuò)音器1的第一端子m之間的濾波電阻器13和連接在相同第一端子 Nl和該偏置電路的接地端子之間的濾波電容器14組成。然而，已經(jīng)示出，為了使低通濾波器有效地工作并且能夠獲得MEMS擴(kuò)音器1的適當(dāng)偏置，該低通濾波器12必須有一個(gè)等于或優(yōu)選地低于IHz的頻率下的極(pole)。為此， 濾波電阻器13必須具有一個(gè)極高的電阻值，例如在IOOGQ到100T Ω之間。考慮到眾所周知在集成電路技術(shù)中獲取如此高電阻值的電阻器是不可能的，因而 已經(jīng)提出了利用能夠提供所需的高電阻值的非線性裝置。例如，為此已經(jīng)提出了利用反并 聯(lián)結(jié)構(gòu)的一對二極管，當(dāng)在它們兩端施加所需值的電壓降時(shí)(該值取決于技術(shù)，比如小于 IOOmV)產(chǎn)生相當(dāng)高的電阻值。如圖4中所示，濾波電阻器13和輸入電阻器10從而分別由各自的一對反并聯(lián)結(jié) 構(gòu)的二極管提供。具體地，濾波電阻器13具有第一二極管13a和第二二極管13b，第一二極管13a的 陽極連接到電荷泵級8的輸出端且其陰極連接到第一端子Ni，第二二極管13b的陽極連接 到第一端子附且其陰極連接到電荷泵級8的輸出端。輸入電阻器10具有單獨(dú)的第一二極 管IOa和單獨(dú)的第二二極管10b，第一二極管IOa的陰極連接到第二端子N2且其陽極連接 到由Vref表示的參考電壓，第二二極管IOb的陰極連接到參考電壓Vref且其陽極連接到 第二端子N2。這種電路結(jié)構(gòu)的主要問題通常表現(xiàn)為一般而言是偏置電路具體是低通濾波器12 的長的啟動時(shí)間，這主要是由于存在反并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接的二極管對以及由此產(chǎn)生的高電阻 值。這種結(jié)構(gòu)的建立(settling)時(shí)間可以容易地持續(xù)幾分鐘或者甚至幾小時(shí)。在這個(gè)建 立時(shí)間結(jié)束之前，即在該電路的整個(gè)啟動時(shí)間里，并不能確保低通濾波器12的正確操作， 類似地也不能確保MEMS擴(kuò)音器1的端子Ni，N2的正確偏置。因此，在啟動時(shí)間期間，由讀 取電路檢測到的與MEMS擴(kuò)音器1相關(guān)的敏感度產(chǎn)生不可避免的、甚至是相當(dāng)大的變化。具體地，如圖5中所示，第一端子m (由Vl表示)的電壓朝著期望的偏置電壓值 慢慢移動，該偏置電壓值等于電荷泵級8提供的泵電壓(由Vcp表示)，同時(shí)第二端子N2的 電壓(由V2表示)朝著參考電壓Vref (圖5中反并聯(lián)結(jié)構(gòu)的二極管對10a，IOb兩端的電 壓降由Vd表示)的值慢慢地移動。只有在漫長的啟動時(shí)間結(jié)束后，第一和第二端子m，N2 的電壓才穩(wěn)定在期望的偏置電壓(穩(wěn)定態(tài)狀況)?？梢姡谕ǔＪ褂肕EMS擴(kuò)音器1的狀態(tài)下，如此長的延遲時(shí)間是不能接受的，相 反，必須確保正常的性能(以及，特別是基本不變的敏感度)，以及在打開集成有該MEMS擴(kuò) 音器的電子裝置以及從所謂的“斷電”狀態(tài)(在此期間該裝置的一部分被關(guān)閉以確保節(jié)能 狀態(tài))恢復(fù)時(shí)具有極短的延時(shí)。對這個(gè)進(jìn)一步問題的可能的解決方法(如圖6中所示)是，提出另外使用一個(gè)高 通濾波器級15，其串聯(lián)連接到放大器級9(其構(gòu)成了與MEMS擴(kuò)音器1相關(guān)的讀取電路的第 一信號處理級)的輸出端，以便“掩藏(mask)”該偏置電路的長的建立時(shí)間。然而，這個(gè)方 法仍不能避免缺點(diǎn)，特別是由于占用面積較大，所形成的讀取接口的電路復(fù)雜，以及由另外 的濾波級引起的可能的失真等問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本方面的目的是提供一種將能夠克服上述缺陷的用于聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路。根據(jù)本發(fā)明，一種用于聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路包括偏置端子，被設(shè)計(jì)成用于接收來自升壓級的升壓電壓，該升壓電壓用于偏置所述 聲音轉(zhuǎn)換器的第一端子；以及濾波裝置，配置成設(shè)置在所述偏置端子和所述聲音轉(zhuǎn)換器之間，且配置成執(zhí)行對 所述升壓電壓上的干擾的濾波，特征在于包括開關(guān)(switch)裝置，其可操作為在所述偏置電路的啟動階段期間 將所述第一端子直接地連接到所述偏置端子，并且一旦所述啟動階段結(jié)束就通過所述濾波 裝置將所述第一端子連接到所述偏置端子。


為了更好地理解本方面，這里利用僅為非限制性的實(shí)例并參考

書來描述 優(yōu)選的實(shí)施例，其中-圖1是一種已知類型的容性聲音轉(zhuǎn)換器的概略橫截面圖；-圖2是一種已知類型的MEMS擴(kuò)音器的偏置電路的方框圖；-圖3示出了另一種已知類型的偏置電路的方框圖；-圖4示出了在集成技術(shù)中圖3所示偏置電路的可能的實(shí)施方式；-圖5示出了圖4中偏置電路的某些電氣量的曲線圖；-圖6示出了圖4中偏置電路的變化的實(shí)施例，其仍是已知的類型；-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的容性聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路的示意性方框 圖；-圖8示出了圖7中電路的某些電氣量的曲線圖；-圖9是呈現(xiàn)在圖7中的電路的邏輯定時(shí)電路的一種可能的電路實(shí)施例的概略性 的實(shí)施例；-圖10示出了圖7中偏置電路的可能實(shí)施例；-圖11示出了圖10中偏置電路的驅(qū)動級的電路實(shí)施例；-圖12示出了配置有容性聲音轉(zhuǎn)換器和圖7中的偏置電路的電子裝置的簡略方框 圖；以及-圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的容性聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路的概略 性的方框圖。
具體實(shí)施例方式如下文中清楚地描述的那樣，本發(fā)明的一個(gè)方面設(shè)想針對聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電 路，特別是對電容型的MEMS擴(kuò)音器，引入一個(gè)在啟動階段期間的操作狀態(tài)(一旦啟動或從 斷電狀態(tài)恢復(fù))，其中MEMS擴(kuò)音器的一個(gè)或兩個(gè)端子直接達(dá)到(brought to)期望的偏置電 壓，以便實(shí)現(xiàn)相同端子的電壓快速建立(以及耦合至聲音轉(zhuǎn)換器的濾波級的初始化)。在啟 動階段結(jié)束時(shí)(因此，其比傳統(tǒng)的解決方法快速得多)，MEMS擴(kuò)音器的一個(gè)或兩個(gè)端子連接至高阻抗，它或者與濾波電阻器相連，或者與相應(yīng)的讀取放大器級的輸入相連。具體地，如圖7中所示(其中與已經(jīng)描述過的元件類似的元件用相同的參考標(biāo) 記)，根據(jù)本發(fā)明的偏置電路的一個(gè)實(shí)施例，整體上用20表示，再次使用了低通濾波器12， 將其布置在此處由8a表示的電荷泵級8的輸出端子和MEMS擴(kuò)音器1的第一端子m之間， MEMS擴(kuò)音器1的第二端子N2再次連到了放大器級9的輸入電阻器10上。不同于已知類型(例如，圖3中所示類型)的偏置電路，該實(shí)施例中設(shè)想使用第 一開關(guān)21，其與濾波電阻器13并聯(lián)連接并且因此能夠選擇性地激勵以在該MEMS擴(kuò)音器1 的第一端子附和電荷泵級8 (設(shè)定在泵電壓Vcp處)的輸出端子8a之間提供一個(gè)直接的 低阻抗連接；以及第二開關(guān)22，其與輸入電阻器10并聯(lián)連接并且因此能夠選擇性地激勵以 在該MEMS擴(kuò)音器1的第二端子N2和參考電壓Vref之間提供一個(gè)直接的低阻抗連接。具體地，第一和第二開關(guān)21、22從控制邏輯23 (其被概略地示出，并且例如包括適 當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器)接收適當(dāng)?shù)目刂菩盘?圖7中由S1和S2表示)，以這種方法使得在 偏置電路20的啟動階段保持閉合，從而確保該MEMS擴(kuò)音器1的端子m和N2的電壓快速 穩(wěn)定在期望的偏置值；以及以這種方式使得該偏置電路20在隨后的正常操作的階段期間 保持打開，從而確保端子m、N2的適當(dāng)偏置以及由低通濾波器12對電荷泵級8的輸出進(jìn)行 的濾波操作。只有在MEMS擴(kuò)音器1的端子m和N2分別達(dá)到了期望的偏置電壓，即泵電壓 Vcp和參考電壓Vref之后，啟動階段才終止。在這種方式中，進(jìn)一步還可“重置(reset)” 濾波器，也即，確保低通濾波器12在啟動時(shí)或從斷電條件到恢復(fù)時(shí)用最少的時(shí)間延遲來達(dá) 到正確的操作區(qū)域。更具體地，控制信號S1和S2的定時(shí)(其可是同相的或略微異相，以保證一個(gè)相對 系統(tǒng)參量的變化的更大的電阻)由控制邏輯23以這樣的方式產(chǎn)生，使得確保只有在泵電壓 Vcp已經(jīng)有效地達(dá)到它最終的穩(wěn)態(tài)值時(shí)，它們才從高電平切換到低電平。例如，圖8示出了控制信號S1在該條件下的可能的定時(shí)(在這種情況下控制信號 S2與控制信號S1是相同的)。具體地，在這種情況下，在從斷電狀態(tài)退出時(shí)(當(dāng)斷電信號 PD從高電平切換到低電平時(shí)，指示該情況)，控制信號S1保持高電平足夠的時(shí)間，以保證電 荷泵級8已經(jīng)達(dá)到正確的工作點(diǎn)(并且從而該泵電壓Vcp已經(jīng)達(dá)到最終的穩(wěn)態(tài)值)。只有 在這種延遲間隔已經(jīng)過去，控制信號S1才切換到低電平，從而打開相應(yīng)的開關(guān)。這種定時(shí)條件可以通過比如，在控制邏輯23中使用數(shù)字計(jì)數(shù)器來保證，該數(shù)字計(jì) 數(shù)器由斷電信號PD和時(shí)鐘信號CK啟動，將產(chǎn)生控制信號S 1，在切換斷電信號PD后延遲足 夠的時(shí)間后才切換。可替換的，可以使用來自斷電信號PD的信號差來啟動該數(shù)字計(jì)數(shù)器。一種可能的替換方案例如是如圖9中所示的。在這個(gè)方案中，控制邏輯23包括 數(shù)字計(jì)數(shù)器23a，其接收時(shí)鐘信號CK并且在輸出端提供控制信號Sl，S2。用于數(shù)字計(jì)數(shù)器 23a的啟動信號由閾值比較器23b產(chǎn)生，該比較器比較部分電壓Vpart和具有期望參考值的 比較電壓Vr，其中該部分電壓Vpart利用電阻分壓器23c從電荷泵級8的輸出端的泵電壓 Vcp獲得。使用時(shí)，只有在泵電壓Vcp已經(jīng)超過某一電平(其一般都被設(shè)定得靠近穩(wěn)定態(tài)電 平)后，數(shù)字計(jì)數(shù)器23a才開始計(jì)數(shù)，以便確?？偸窃陔姾杀眉?已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件并進(jìn)行 適當(dāng)?shù)难舆t后，控制信號SI、S2才從高電平切換到低電平。本發(fā)明的另一個(gè)方面包括提供開關(guān)21、22的電路實(shí)施方式，以便防止引入在
8正常操作條件下可能損害低通濾波器12性能的寄生元件。該電路實(shí)施方式還可設(shè)計(jì) (envisage)成使用具有反并聯(lián)結(jié)構(gòu)的二極管對來提供濾波電阻器13和輸入電阻器10，以 及適當(dāng)?shù)厥褂?N溝道或P溝道)M0S晶體管來實(shí)現(xiàn)反并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的二極管和開關(guān)21、22。更具體地，并且參考圖10，該偏置電路20包括二極管結(jié)構(gòu)中的第一 nMOS晶體管 25，其連接在電荷泵級8的輸出端子8a和該MEMS擴(kuò)音器1的第一端子附之間，并且其柵 極端子連接到漏極端子；PM0S晶體管26，其與該第一 nMOS晶體管25并聯(lián)連接在電荷泵級 8的輸出端子8a和第一端子m之間，并且它的柵極接收輸出控制信號Controlout (該信 號的產(chǎn)生將在下面具體描述)。第一 nMOS晶體管25總是處于關(guān)斷狀態(tài)，以便提供(provide)(如圖10所示)用 于構(gòu)成濾波電阻13的反并聯(lián)配置的二極管中的第一二極管13a。依據(jù)輸出控制信號Controlout的電平，pMOS晶體管26可以或者處于關(guān)斷(OFF) 狀態(tài)或者處于導(dǎo)通(0N)狀態(tài)，其中在關(guān)斷狀態(tài)以便提供(通過單獨(dú)的固有的本體二極管) 第二二極管13b，其與第一二極管13a以反并聯(lián)配置方式連接，并與其構(gòu)成濾波電阻13 ；在 導(dǎo)通狀態(tài)以便使得第一端子m能夠直接偏置(具有低導(dǎo)通電阻Ron)在泵電壓Vcp，并在啟 動階段期間使得該同一端子的電壓能夠快速穩(wěn)定。因此該P(yáng)M0S晶體管26執(zhí)行雙重功能， 即在偏置電路20中作為濾波電阻器13的第二二極管13b以及第一開關(guān)21，該第一開關(guān)21 與該同一濾波電阻器13并聯(lián)連接且設(shè)計(jì)用于短路該電阻器。該偏置電路20進(jìn)一步包括一個(gè)高壓驅(qū)動級28，具有用于接收泵電壓Vcp的第一 輸入端子和用于接收輸入控制信號Controljn的第二輸入端子，輸入控制信號Control in具有邏輯電壓值(低邏輯值，例如等于0V，以及高邏輯值，等于邏輯電源電壓VDD，比如 1. 6V-3V)。該輸入控制信號Controljn，例如由控制邏輯23產(chǎn)生(比如，對應(yīng)于第一控制 信號S1或第二控制信號S2)。高壓驅(qū)動級28被配置成用來(如下面所詳細(xì)描述的)從輸入控制信號Control in以及泵電壓Vcp產(chǎn)生輸出控制信號Controlout，從而具有適于驅(qū)動低通濾波器12 的PM0S晶體管26的兩個(gè)電壓電平。例如，輸出控制信號Controlout與輸入控制信號 Contro l_in同步地在高電壓電平或低電壓電平之間切換。該偏置電路20進(jìn)一步包括二極管元件29，其可由二極管配置的BJT晶體管充當(dāng) (其提供反并聯(lián)配置的二極管對中的第一二極管10a，用作輸入電阻10)，該二極管元件29 連接在MEMS擴(kuò)音器1的第二端子N2和參考電壓Vref節(jié)點(diǎn)之間；以及第三nMOS晶體管30， 其與該二極管元件29并聯(lián)連接在MEMS擴(kuò)音器1的第二端子N2和參考電壓Vref節(jié)點(diǎn)之間， 并且該第三nMOS晶體管30的柵極端子接收輸入控制信號Controljn，即與提供給高壓驅(qū) 動級28的輸入端的相同的控制信號。根據(jù)輸入控制信號Controljn的狀態(tài)，該第三nMOS晶體管30或者處于關(guān)斷狀 態(tài)或者處于導(dǎo)通狀態(tài)，其中在關(guān)斷狀態(tài)以便提供(依賴單獨(dú)的固有本體二極管)第二二極 管10b，其與第一二極管10a以反并聯(lián)配置方式連接，并與第一二極管10a構(gòu)成輸入電阻 10 ；在導(dǎo)通狀態(tài)以便使得第二端子N2能夠直接偏置(具有低的導(dǎo)通電阻Ron)在參考電壓 Vref,并在啟動階段期間使得該同一端子的電壓能夠快速穩(wěn)定下來。并且，因此該第三nMOS 晶體管30執(zhí)行雙重功能，即在偏置電路20中作為輸入電阻器10的第二二極管10b以及第 二開關(guān)22，該第二開關(guān)與該同一輸入電阻器10并聯(lián)且設(shè)計(jì)用于短路該電阻器。
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使用時(shí)，由于開關(guān)21、22的存在，所描述的電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在啟動階段期間獲 得的MEMS擴(kuò)音器1的端子m和N2的非?？焖俚慕r(shí)間；以及在啟動階段結(jié)束時(shí)，具有 非常小的值(mHz級)的較低截止頻率的恰當(dāng)?shù)牡屯V波，且同時(shí)不引入寄生元件到MEMS 擴(kuò)音器1中。本發(fā)明的又一方面包括提供高壓驅(qū)動級28的具體電路實(shí)施方式，其吸收極低的 電流吸收，因而不會危害電荷泵級8的運(yùn)行。更具體地，參考圖11，高壓驅(qū)動級28具有兩側(cè)基本對稱的電路結(jié)構(gòu)第一側(cè)(定 義輸出支路)連接到高壓驅(qū)動級28的輸出端(此處與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A重合)和第一 nMOS晶體 管26的柵極端，并為其提供輸出控制信號Controlout。以下詳細(xì)地描述標(biāo)識為28a的第一側(cè)，對于第二側(cè)28b (與第一支路28鏡像對稱) 的描述類似，不再重復(fù)，其中元件使用相同的參考標(biāo)號跟上撇號來標(biāo)識。第一側(cè)28a包括連接到用于提供參考電流的電流發(fā)生器34的共源共柵電流鏡32， 其通過適當(dāng)?shù)目s放因子使得在輸出支路上獲得期望值的偏置電流I。詳細(xì)地，共源共柵電流鏡32包括第一低壓nMOS晶體管32a，其連接在接地節(jié)點(diǎn) 和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)B之間并且使其柵極端連接到漏極端；第二低壓nMOS晶體管32b，其連接在接 地節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)C之間并且使其柵極端連接到第一低壓nMOS晶體管32a的柵極端；第一 高壓nMOS晶體管33a，連接在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)B和電流源34之間并且使其柵極端連接到漏極端； 以及第二高壓nMOS晶體管33b，連接在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)C和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A之間并且使其柵極端連接 到該第一高壓nMOS晶體管33a的柵極端。第一側(cè)28a進(jìn)一步包括一個(gè)輸出pMOS晶體管35以及與該輸出pMOS晶體管35并 聯(lián)的一個(gè)輸出支路36。該輸出pMOS晶體管35連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A和接收泵電壓Vcp的高壓驅(qū)動級28的第 一輸入端之間，并且其柵極端連接到第二側(cè)28b (第一側(cè)28a和第二側(cè)28b各自的輸出pMOS 晶體管35、35'因此如圖11中所示按“交叉”結(jié)構(gòu)布置)的相應(yīng)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A'。輸出支路36由輸出電阻器37和輸出二極管38串聯(lián)連接形成，輸出二極管38的 陽極連接到輸出電阻器37且其陰極連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A。第一側(cè)28a通過插入(interposition)邏輯反向器39 (在第二側(cè)28b中沒有邏輯 反向器39)連接到高壓驅(qū)動級28的第二輸入端(其接收輸入控制信號Controljn)，并且 進(jìn)一步包括第一關(guān)斷nMOS晶體管40和第二關(guān)斷nMOS晶體管41。第一關(guān)斷nMOS晶體管40的漏極端連接到高壓nMOS晶體管33a、33b的共同的柵 極端，其源極端接地，并且其柵極端連接到該邏輯反向器39的輸出。第二關(guān)斷nMOS晶體管 41的漏極端連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)C，其源極端接地，且其柵極端也連接到該邏輯反向器39的輸
出o使用時(shí)，當(dāng)輸入控制信號Controljn為邏輯低值時(shí)，邏輯反向器39的輸出為邏輯 高值，觸發(fā)第一和第二關(guān)斷nMOS晶體管40、41 ；并且因此禁用第一側(cè)28a的共源共柵電流 鏡32和輸出支路上偏置電流I的產(chǎn)生。相反，第二側(cè)28b的共源共柵電流鏡32 ‘被觸發(fā)，產(chǎn) 生流向內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A'的偏置電流I'，且使得第一側(cè)28a的輸出pMOS晶體管35導(dǎo)通。第一 側(cè)28a的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A的電壓基本上上升為泵電壓Vcp的值，從而使輸出控制信號Control out為高值(基本與泵電壓Vcp —致)。
在這種情況下(其對應(yīng)于偏置電路20的正常操作步驟)，第一開關(guān)21和第二開關(guān) 22都打開(此時(shí)第三nMOS晶體管30由輸入控制信號Controljn的低值關(guān)斷且pMOS晶體 管26由輸出控制信號Controlout的高值關(guān)斷)，從而使低通濾波器12工作并使MEMS擴(kuò) 音器1的端子N1，N2正常偏置。相反，當(dāng)輸入控制信號Controljn為邏輯高值時(shí)，第一側(cè)28a的共源共柵電流鏡 32被激活(并且同時(shí)第二側(cè)28b中的鏡像電流被禁用)，從而第一側(cè)28a的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A上產(chǎn) 生偏置電流I。在這種情況下，第一側(cè)28a的輸出pMOS晶體管35關(guān)斷，且輸出支路36 (由 輸出電阻器37和輸出二極管38串聯(lián)組成)中的偏置電流I流通，產(chǎn)生電壓降，其值比如等 于1V-2V，這取決于偏置電流I的值和同一輸出電阻器37和輸出二極管38的大小。因此， 第一側(cè)28a的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)A的電壓到達(dá)泵電壓Vcp減去該電壓降的值，從而將輸出控制信號 Control_out降至相對于泵電壓Vcp的合適的邏輯低值。在這種情況下(對應(yīng)于偏置電路20的啟動階段)，第一開關(guān)21和第二開關(guān)22都 閉合(從而此時(shí)第三nMOS晶體管30由輸入控制信號Controljn的高值導(dǎo)通且pMOS晶體 管26由輸出控制信號Controlout的低值導(dǎo)通)，從而使MEMS擴(kuò)音器1的端子Nl，N2直 接連接至各自的偏置電壓。特別地，可以設(shè)定由共源共柵電流鏡32產(chǎn)生的偏置電流I，使得高壓驅(qū)動級28從 電荷泵級8吸收的電流可以忽略；例如偏置電流I的值低于lOnA。根據(jù)本發(fā)明的電路和偏置方法的優(yōu)點(diǎn)從前面的描述中清楚地顯現(xiàn)。特別地，需要再次強(qiáng)調(diào)，其利用設(shè)置在電荷泵級和MEMS擴(kuò)音器之間的低通濾波器 的特性，有可能減少輸出端的來自電荷泵級的噪音；并且由于所描述的開關(guān)的使用，該開關(guān) 可使MEMS擴(kuò)音器的端子快速達(dá)到所需的偏置電壓(在啟動階段期間)，因而沒有犧牲導(dǎo)通 和建立速度，從而保證了恒定的電荷偏置。換句話說，獲得了極短的導(dǎo)通時(shí)間，并且保證了 MEMS擴(kuò)音器基本恒定的敏感度， 特別是在啟動階段期間防止了敏感度的任何偏移。上述方案還能夠避免在與MEMS擴(kuò)音器相關(guān)聯(lián)的讀取接口的放大級的輸出端使用 高通濾波器，同時(shí)避免了與使用該元件相關(guān)的已知的問題。而且，所描述的偏置電路可以使用高壓器件并利用通常的模擬電子技術(shù)進(jìn)行集 成，這是由于它的操作不需要特殊的器件。上面概述的特性使得在圖12中所示出的(電子裝置50甚至還可以包括另一個(gè) MEMS擴(kuò)音器1，這里未示出)電子裝置50中利用偏置電路20和相應(yīng)的MEMS擴(kuò)音器1特別 有優(yōu)勢。該電子裝置50優(yōu)選地可以是移動通信裝置(比如移動電話)、PDA、筆記本計(jì)算機(jī)， 或者還可以是錄音機(jī)，具有錄音功能的復(fù)讀機(jī)等。可選地，該電子裝置50可以是可在水下 工作的水中聽音器，或者是助聽設(shè)備電子裝置50包括微處理器51，連接到微處理器51的存儲單元52，以及輸入/輸 出接口 53，該接口配置有比如鍵盤和顯示器，并且也連接到微處理器51。該MEMS擴(kuò)音器1 通過信號處理單元54與微處理器51通信，信號處理單元54包括讀取接口以及特別的前面 描述過的放大器9。而且，揚(yáng)聲器56設(shè)置在該電子裝置50的聲音輸出端(未示出)以用于
發(fā)出聲音。最后，很顯然，在不脫離如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，這里所描述和解釋的實(shí)施例可以進(jìn)行改變和變形。具體地，如圖13所示，這里提供了一個(gè)用20'標(biāo)記的偏置電路的替代實(shí)施例，其 中MEMS擴(kuò)音器1的第一端子m同樣電耦合至電荷泵級8的輸出端8a (其中插入濾波電阻 器13)，同時(shí)該MEMS擴(kuò)音器1的第二端子N2連接到參考電壓(具體為接地)。因此低通濾波器12由同樣與第一開關(guān)21并聯(lián)連接的濾波電阻器13和該MEMS擴(kuò) 音器1的電容組成，從而其具有產(chǎn)生檢測信號以及對噪聲進(jìn)行濾波的雙重功能。在該情形 下，去耦合電容器60連接在第一端子m和放大器級9的輸入端之間(并連接到同樣與第 二開關(guān)22并聯(lián)連接的輸入電阻器10)。去耦合電容器60使得放大器級9與電荷泵級8之 間去耦合，并且特別地，隔離由于任何干擾或不期望的耦合帶來的直流電壓。在某一操作條件下，這種變形具有確保更高魯棒性和更便于組裝的優(yōu)勢，以致于 它能夠僅利用一個(gè)焊墊將MEMS擴(kuò)音器1和相應(yīng)的集成電路電連接。而且，根據(jù)本發(fā)明的偏置電路可有利地與不同類型的容性聲音轉(zhuǎn)換器一起使用， 所述容性聲音轉(zhuǎn)換器包括傳統(tǒng)類型和MEMS型。針對高壓驅(qū)動級，可以設(shè)計(jì)不同的電路結(jié)構(gòu)。另外，與MEMS擴(kuò)音器相關(guān)聯(lián)的放大器級的輸入端的電阻器可以不是用一對反并 聯(lián)二極管構(gòu)成，而是簡單地對應(yīng)于同一放大器級的高輸入阻抗，如前面所描述的那樣，其在 啟動階段期間被適當(dāng)?shù)囟搪贰Ｗ詈?，該偏置電路可以設(shè)計(jì)成只有一個(gè)耦合到連接到低通濾波器的MEMS擴(kuò)音器 的第一端子的開關(guān)元件。
權(quán)利要求
一種用于聲音轉(zhuǎn)換器(1)的偏置電路(20；20′)，包括偏置端子(8a)，配置成接收來自升壓級(8)的升壓電壓(Vcp)，以用于偏置所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的第一端子(N1)；以及濾波裝置(13)，配置成設(shè)置在所述偏置端子(8a)和所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)之間，并且配置用于執(zhí)行對所述升壓電壓(Vcp)上的干擾進(jìn)行濾波；其特征在于，包括開關(guān)裝置(21、22)，其可操作用于在所述偏置電路(20)的啟動階段期間將所述第一端子(N1)直接連接到所述偏置端子(8a)，并且一旦所述啟動階段結(jié)束則通過所述濾波裝置(13)將所述第一端子(N1)連接到所述偏置端子(8a)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，進(jìn)一步包括控制級(23)，其配置成一旦所述聲音轉(zhuǎn)換 器(1)的第一端子(Ni)達(dá)到期望的偏置電壓時(shí)，確定所述啟動階段的結(jié)束，并隨后控制所 述開關(guān)裝置(21、22)的打開。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述控制級(23)包括計(jì)數(shù)器裝置(23a)，其配置 成確定時(shí)間間隔，以便所述偏置電壓基本上與由所述升壓級(8)產(chǎn)生的升壓電壓(Vcp)的 穩(wěn)態(tài)值相對應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述濾波裝置包括設(shè)置在所述偏置端子(8a)和所 述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的第一端子(Ni)之間的第一高阻抗電阻器元件(13)；以及所述開關(guān)裝 置(21、22)包括第一開關(guān)元件(21)，其與所述第一高阻抗電阻器元件(13)并聯(lián)連接，且可 操作為在所述啟動階段期間短路所述第一高阻抗電阻器元件(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中所述第一高阻抗電阻器元件(13)包括第一二極管 元件(13a)，且所述第一開關(guān)元件(21)包括第一晶體管(26)，其可操作為在第一操作條件 下，其構(gòu)成第二二極管元件(13b)，以反并聯(lián)結(jié)構(gòu)與所述第一二極管元件(13a)連接，從而 定義所述第一高阻抗電阻器元件(13)；以及在第二操作條件下，其在所述第一端子(Ni)和 所述偏置端子(8a)之間構(gòu)成低阻抗連接，短路所述第一高阻抗電阻器元件(13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，進(jìn)一步包括驅(qū)動級(28)，配置成接收所述升壓電壓 (Vcp)和定時(shí)信號(Controljn)，并且在輸出端提供控制信號(Controlout)給所述第一 晶體管(26)的控制端子；所述控制信號(Controlout)具有高電平和低電平，所述高電平 基本上與所述升壓電壓(Vcp) —致，所述低電平比所述升壓電壓低一個(gè)給定電壓降。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中所述驅(qū)動級(28)包括具有兩側(cè)(28a，28b)基本 上對稱的電路結(jié)構(gòu)，其第一側(cè)(28a)連接到所述驅(qū)動級(28)的輸出端(A)，包括一個(gè)連接 到所述輸出端(A)并設(shè)計(jì)成產(chǎn)生偏置電流(I)的電流鏡像級(32)以及一個(gè)輸出支路，所 述輸出支路包括輸出晶體管(35)和電阻網(wǎng)絡(luò)(37，38)的并聯(lián)并且配置成接收所述升壓電 壓(Vcp)；所述定時(shí)信號(Control」!!)被設(shè)計(jì)成交替地啟動和禁用所述電流鏡像級(32)， 在啟動所述電流鏡像級(32)時(shí)使得所述偏置電流(I)流過所述電阻網(wǎng)絡(luò)(37，38)以產(chǎn)生 相對于所述升壓電壓(Vcp)的電壓降和所述控制信號(Controlout)的低電平，以及在禁 用所述電流鏡像級(32)時(shí)以便所述輸出晶體管(35)使所述輸出端(A)具有所述升壓電壓 (Vcp)，從而產(chǎn)生所述控制信號(Controlout)的高電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路，其中所述驅(qū)動級(28)包括至少一個(gè)關(guān)斷晶體管元件 (40，41)，其由所述定時(shí)信號(Control」!!)控制并且配置成禁用所述電流鏡像級(32)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中所述驅(qū)動級(28)配置成使得從所述升壓級(8)吸收的電流不高于ΙΟηΑ。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，進(jìn)一步包括連接到放大器裝置(9)的輸入端的第二高 阻抗電阻器元件(10)，其配置成處理所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的電氣輸出量；并且所述開關(guān)裝 置(21、22)包括第二開關(guān)元件(22)，其與所述第二高阻抗電阻器元件(10)并聯(lián)連接并且可 操作為在所述啟動階段期間將所述第二高阻抗電阻器元件(10)短路，以及將所述放大器 裝置的輸入端連接到期望值的參考電壓線(Vref)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電路，其中所述第二高阻抗電阻器元件(10)包括相應(yīng)的第 一二極管元件(IOa)；并且所述第二開關(guān)元件(22)包括相應(yīng)的的晶體管(30)，所述晶體管 (30)可操作為在第一操作條件下，構(gòu)成相應(yīng)的第二二極管元件(10b)，以反并聯(lián)結(jié)構(gòu)與所 述相應(yīng)的第一二極管元件(IOa)連接，以便定義所述第二高阻抗電阻器元件(10)，并且在 第二操作條件下，其在所述 輸入端和所述參考電壓線(Vref)之間構(gòu)成低阻抗連接，短路所 述第二高阻抗電阻器元件(10)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)具有連接到參考電壓的第二 端子(N2)，所述電路進(jìn)一步包括連接在所述第一端子(Ni)和放大器裝置(9)的輸入端之間 的去耦合電容器裝置(60)，其配置成處理所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的電氣輸出量。
13.一種電子裝置(50)，包括聲音轉(zhuǎn)換器(1)和根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述聲音轉(zhuǎn)換 器⑴的偏置電路(20;20')。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)是容性MEMS擴(kuò)音器；所述 電子裝置(50)可在包括下述的組中選擇移動電話、PDA、筆記本計(jì)算機(jī)、錄音機(jī)、具有錄音 功能的復(fù)讀機(jī)、視頻游戲控制臺、水中聽音器以及助聽設(shè)備。
15.一種用于聲音轉(zhuǎn)換器(1)的偏置方法，包括下述步驟在偏置端子(8a)上形成用于偏置所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的第一端子(Ni)的升壓電壓 (Vcp)；以及通過濾波裝置(13)對所述升壓電壓(Vcp)上的干擾進(jìn)行濾波，其特征在于，包括以下步驟在所述偏置的啟動階段期間將所述第一端子(Ni)直接連接到所述偏置端子(8a)，以 及在所述啟動階段結(jié)束時(shí)通過所述濾波裝置(13)將所述第一端子(Ni)連接到所述偏置端 子(8a)，其中所述偏置端子(8a)設(shè)定在所述升壓電壓(Vcp)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括以下步驟在所述啟動階段期間利用低阻抗連接將所述第一端子(Ni)連接到所述偏置端子 (8a)，以及在所述啟動階段結(jié)束時(shí)將所述第一端子(Ni)連接到所述濾波裝置的第一高阻 抗電阻器元件(13)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟一旦所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的第一端子(Ni)達(dá)到期望的偏置電壓，則確定所述啟動階段結(jié)束。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述確定步驟包括確定使得所述偏置電壓基本對應(yīng)于所述升壓電壓(Vcp)的穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間間隔。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在所述啟動階段期間，利用低阻抗連接將放大器裝置(9)的輸入端連接到參考電壓線(Vref)，所述放大器裝置配置成處理所述聲音轉(zhuǎn)換器(1)的電氣 輸出量；以及在所述啟動 階段結(jié)束時(shí)，將放大器裝置(9)的輸入端連接到第二高阻抗電阻器元件(10)。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于微型機(jī)電聲音轉(zhuǎn)換器的偏置電路及相關(guān)偏置方法。具體描述了一種用于聲音轉(zhuǎn)換器(1)的偏置電路(20；20′)，包括升壓級(8)，其在偏置端子(8a)上提供一個(gè)用于偏置該聲音轉(zhuǎn)換器(1)的第一端子(N1)的升壓電壓(Vcp)；以及設(shè)置在該偏置端子(8a)和該聲音轉(zhuǎn)換器(1)之間的用于對升壓電壓(Vcp)上的干擾進(jìn)行濾波的濾波元件(13)。該偏置電路(20；20′)還具有開關(guān)(21、22)，其可在該偏置電路(20)的啟動階段期間被激勵以將該第一端子(N1)直接連接到該升壓級(8)的偏置端子(8a)上，并且在該啟動階段結(jié)束時(shí)，通過該濾波元件(13)將該第一端子(N1)連接到該升壓級(8)的偏置端子(8a)上。
文檔編號H04R3/00GK101854575SQ201010187328
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者A·加斯帕里尼, F·大衛(wèi) 申請人:意法半導(dǎo)體股份有限公司