用于mems電容式換能器的信號(hào)處理的制作方法
【專利說明】用于MEMS電容式換能器的信號(hào)處理
[0001]本申請(qǐng)涉及用于處理換能器(尤其MEMS電容式換能器)檢測(cè)到的信號(hào)的信號(hào)處理電路，并且尤其涉及用于這樣的換能器(尤其用于MEMS傳聲器)的讀出電路。
[0002]MEMS電容式換能器(諸如，MEMS傳聲器)通常由兩個(gè)平面電極組成，其中一個(gè)電極是柔性的且相對(duì)于另一個(gè)電極可移動(dòng)。柔性電極響應(yīng)于入射激勵(lì)(例如，聲壓)而移動(dòng)，因此將極板之間的距離從靜態(tài)值d更改到值(d+x)。對(duì)于許多MEMS傳聲器，在傳聲器的正常運(yùn)行范圍內(nèi)，位移x(大致)線性地依賴于入射聲壓。
[0003]如圖1a中例示的，為了從MEMS傳聲器101中提供電感測(cè)信號(hào)，偏置電壓(例如，12V)被施加在兩個(gè)極板之間。通常一個(gè)極板被直接耦合到固定的高壓VB，另一個(gè)極板經(jīng)由高偏置阻抗Re(通常具有大約千兆歐姆的量級(jí))被耦合到處于地電位的偏置電壓Vc或接近地電位的偏置電壓VC。傳聲器換能器電容Cm通常僅是大約Ipf，并且在連接到第二極板的節(jié)點(diǎn)處接收的感測(cè)信號(hào)需要本地緩沖。因此提供一種信號(hào)處理或讀出電路以從感測(cè)信號(hào)中產(chǎn)生輸出信號(hào)。在圖1a中示出的實(shí)施例中，布置具有增益Av的電壓放大器102來生成經(jīng)緩沖的電壓輸出信號(hào)Vciut，以傳送到下游電路系統(tǒng)。放大器可以包括ADC 103，使得該放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)S0Ut。
[0004]在此實(shí)施例中，放大器呈現(xiàn)高輸入阻抗，因此MEMS電容上的電荷Qm保持恒定。電壓由Qm/Cm給出并且因此與電容成反比，電容本身與極板間隔成反比，因此總的來說檢測(cè)到的電壓線性地依賴于位移。
[0005]對(duì)于94dBSPL的典型聲級(jí)，線性位移X通常約為極板間隔d的0.1 %r.m.S。如果極板之間的偏置電壓是例如12V，則感測(cè)的電壓將大約是12mV r.m.S。經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)，放大器的聲頻頻帶輸入噪聲和偏置布置可以具有6uVrms或更小的量級(jí)，以給出66dB或更好的信噪比。這對(duì)于一定范圍的應(yīng)用是可接受的。
[0006]然而，對(duì)于處理更大振幅(例如，HOdBSPL或更大的量級(jí))的信號(hào)的需求在增長。這樣的輸入聲級(jí)將導(dǎo)致信號(hào)是上文段落中討論的這些信號(hào)的大約200倍，例如，大約2.4Vr.m.S0
[0007]確保放大器的輸入級(jí)能夠很好地應(yīng)對(duì)這樣的輸入電壓范圍是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，如上文提及的，偏置阻抗Rg通常具有數(shù)十千兆歐姆的量級(jí)。使用正常集成電路材料來實(shí)施此大小的電阻器是不切實(shí)際的。因此，通常地，通過二極管(尤其是多晶硅二極管)來實(shí)施偏置阻抗Re。這些二極管為數(shù)十或甚至數(shù)百mV的信號(hào)擺動(dòng)提供合理線性的且高的電阻，但是它們的阻抗隨著偏置以指數(shù)形式減小，因此將對(duì)較高振幅的音頻頻率信號(hào)進(jìn)行箝位或限幅。
[0008]對(duì)這些問題的一個(gè)解決方案是使用電荷放大器104來緩沖換能器信號(hào)，如圖1b中例示的。此布置在放大器的虛擬地處箝位放大器輸入電壓。換能器101兩端的電壓因此維持恒定，但是由入射壓力激勵(lì)引起的電容Cm的變化導(dǎo)致底部極板上的電荷發(fā)生變化。這由運(yùn)算放大器補(bǔ)償，該運(yùn)算放大器迫使反饋電容器Cf上的對(duì)應(yīng)量的電荷維持虛擬地電壓。因此在偏置阻抗Rg兩端存在的電壓很小，避免了上文關(guān)于基于二極管的Rg實(shí)施方式討論的箝位或過度泄漏問題。另外，放大器的輸入電壓擺動(dòng)也非常小，因此輸入級(jí)凈空(headroom)不再是一個(gè)問題。
[0009]然而，應(yīng)注意，在此布置中，在運(yùn)算放大器的兩端沒有直流反饋。因此，任何直流偏移(例如，運(yùn)算放大器的輸入偏移電壓)將被運(yùn)算放大器開環(huán)直流增益所放大并且因此可能給出飽和輸出。為了避免此問題，需要一些附加直流偏置穩(wěn)定電路系統(tǒng)或直流伺服系統(tǒng)(為了簡化沒有示出)，通常涉及以下中的至少一個(gè):電流注入到虛擬地中、調(diào)諧施加到非反相輸入的偏置電壓或基于來自運(yùn)算放大器或等價(jià)物的低頻反饋將一個(gè)信號(hào)應(yīng)用到次級(jí)運(yùn)算放大器輸入端子。
[0010]為了避免此附加電路系統(tǒng)帶來的復(fù)雜性，可以使用如圖1c中例示的一個(gè)替代布置。在此布置中，具有的電容是Cm值的例如十倍的電容器Catt被放置以在檢測(cè)到大的信號(hào)擺動(dòng)時(shí)衰減放大器的信號(hào)輸入。將Catt當(dāng)作放大器接口電路系統(tǒng)的一部分，其傳遞函數(shù)現(xiàn)在依賴于輸入上的電壓Vm和已經(jīng)經(jīng)過Cm和Catt之間的輸入邊界的電荷Qm。當(dāng)連接衰減電容器Catt時(shí)，偏置電路系統(tǒng)Re兩端的電壓擺動(dòng)被減小到1/10或1/10左右。當(dāng)僅存在小輸入信號(hào)時(shí)，可以基于由下游的一個(gè)點(diǎn)處的信號(hào)電平檢測(cè)生成的某個(gè)控制信號(hào)Matt而斷開CATT。圖1c中還例示的是在放大器電路系統(tǒng)的內(nèi)部和外部的寄生電容CPjPCP2,所述寄生電容也以類似于Catt但是成比例地小于Catt的方式影響傳遞函數(shù)。
[0011]圖1b和圖1 c中示出的布置因此解決大的輸入電壓擺動(dòng)的問題。然而，對(duì)于圖1 b中示出的電荷放大器布置，因?yàn)閾Q能器電壓現(xiàn)在是恒定的并且測(cè)得電荷Qm = Cm.VM，所以輸出信號(hào)與換能器電容成比例。電容與極板之間的間隔成反比。因此，測(cè)量信號(hào)不再與位移成比例，因此也不與入射壓力成比例。
[0012]類似地，關(guān)于圖1c中示出的電路，當(dāng)Catt是Cm的例如10倍時(shí)，傳遞函數(shù)非常類似于電荷放大器，并且對(duì)于這些高振幅信號(hào)可以看到類似的失真級(jí)。
[0013]因此，本發(fā)明的實(shí)施方案的目的是減輕上文提及的問題中的至少一些。
[0014]因此，根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于MEMS電容式換能器的信號(hào)處理電路，在使用中，所述換能器響應(yīng)于一個(gè)輸入激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述信號(hào)處理電路包括:
[0015]—個(gè)信號(hào)路徑，其在一個(gè)用于接收所述感測(cè)信號(hào)的輸入和一個(gè)用于基于所述感測(cè)信號(hào)輸出一個(gè)輸出信號(hào)的輸出之間；以及
[0016]補(bǔ)償電路系統(tǒng)，其被配置以:
[0017]在沿著所述信號(hào)路徑的第一點(diǎn)處監(jiān)測(cè)信號(hào)并且生成一個(gè)校正信號(hào)；以及
[0018]基于所述校正信號(hào)在沿著所述信號(hào)路徑的至少第二點(diǎn)處修改信號(hào)；
[0019]其中作為沿著所述信號(hào)路徑的所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的值的函數(shù)生成所述校正信號(hào)，以將補(bǔ)償分量引入到所述輸出信號(hào)中，所述補(bǔ)償分量補(bǔ)償所述感測(cè)信號(hào)中的失真分量。
[0020]所述信號(hào)路徑中的所述第一點(diǎn)可以在所述信號(hào)路徑中的所述第二點(diǎn)之后。
[0021]在一些實(shí)施方案中，可以具有一個(gè)位于所述信號(hào)路徑中的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在這樣的情況下，所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可以在所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)或在所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入處修改信號(hào)。
[0022]所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)被配置以通過在所述第二點(diǎn)處將所述校正信號(hào)加至信號(hào)來修改所述信號(hào)。在使用加法校正信號(hào)的情況下，所述校正信號(hào)被生成以包括由在所述第一點(diǎn)處的任何基本信號(hào)分量生成的至少一個(gè)諧波分量。所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)因此可以包括一個(gè)諧波生成電路，以基于在所述第一點(diǎn)處的信號(hào)生成所述校正信號(hào)?？梢宰鳛樗龅谝稽c(diǎn)處的信號(hào)的值的平方的函數(shù)生成所述校正信號(hào)，并且所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)包括平方電路系統(tǒng)以用于產(chǎn)生所述校正信號(hào)。替代地，可以作為所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的絕對(duì)值的函數(shù)生成所述校正信號(hào)，并且所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可包括整流電路系統(tǒng)以用于產(chǎn)生所述校正信號(hào)。在一些實(shí)施方案中，可以作為監(jiān)測(cè)到的信號(hào)相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)閾值的值的函數(shù)生成所述校正信號(hào)，并且所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可包括至少一個(gè)比較器，所述至少一個(gè)比較器被配置以將以所述第一點(diǎn)處的信號(hào)為基礎(chǔ)的信號(hào)與所述一個(gè)或多個(gè)閾值進(jìn)行比較并且基于所述比較生成所述校正信號(hào)，所述校正信號(hào)具有多個(gè)預(yù)定值中的選定的一個(gè)值。因此可以存在具有預(yù)定校正值作為輸入的至少一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器(multiplexer)，其中所述多路轉(zhuǎn)換器被配置以由所述至少一個(gè)比較器的輸出所控制。
[0023]所述校正信號(hào)可以被加至所述信號(hào)路徑的模擬部分。
[0024]在一些實(shí)施方案中，可以存在位于所述信號(hào)路徑的所述模擬部分中的至少第一模擬放大器級(jí)，其中所述第二點(diǎn)是所述第一模擬放大器級(jí)的輸入。所述第一模擬放大器級(jí)可以是一個(gè)用于接收來自所述MEMS換能器的感測(cè)信號(hào)的輸入放大器級(jí)。替代地，所述第一模擬放大器級(jí)可以是繼一個(gè)輸入放大器級(jí)之后的一個(gè)放大器級(jí)。
[0025]在所述信號(hào)處理電路包括一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的情況下，所述信號(hào)路徑中的所述第二點(diǎn)可以是所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入。然而，在一些實(shí)施方案中，所述信號(hào)路徑中的所述第二點(diǎn)在所述信號(hào)路徑的數(shù)字部分中在所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的下游。
[0026]在一些實(shí)施方案中，所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)通過基于所述校正信號(hào)調(diào)諧(modulate)所述信號(hào)路徑中的至少一個(gè)部件的增益來修改信號(hào)，例如，縮放所述第二點(diǎn)處的信號(hào)的值?？梢陨伤鲂Ｕ盘?hào)以根據(jù)一個(gè)與(l+α.Vs)成比例的值來縮放所述增益，其中α是一個(gè)預(yù)定值且Vs是所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的值?？梢宰鳛楸O(jiān)測(cè)到的信號(hào)相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)閾值的值的函數(shù)生成所述校正信號(hào)。
[0027]所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可以調(diào)諧所述第一模擬放大器級(jí)的增益，所述第一模擬放大器級(jí)可以是一個(gè)用于接收來自所述MEMS換能器的感測(cè)信號(hào)的輸入放大器級(jí)或一個(gè)隨后的放大器級(jí)。
[0028]所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可以調(diào)諧一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和/或一個(gè)數(shù)字增益元件的增益，其中所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)調(diào)諧所述數(shù)字增益元件的增益。
[0029]在一些實(shí)施方案中，所述信號(hào)路徑中的所述第一點(diǎn)可以在所述信號(hào)路徑中的所述第二點(diǎn)之前。
[0030]所述信號(hào)路徑可以包括一個(gè)電荷放大器，所述電荷放大器被布置為一個(gè)輸入放大器級(jí)以接收所述感測(cè)信號(hào)。
[0031]所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可以包括一個(gè)低通濾波器以用于產(chǎn)生在所述信號(hào)路徑中的所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的經(jīng)濾波的型式(vers1n)。在所述信號(hào)路徑中的所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的經(jīng)濾波的型式可以被提供作為除了所述校正信號(hào)以外所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)的單獨(dú)輸出。
[0032]所述信號(hào)路徑可以包括一個(gè)放大器，并且所述電路還可以包括衰減電路系統(tǒng)以用于將選擇性可變衰減施加到待被放大的感測(cè)信號(hào)。所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)然后可以被進(jìn)一步配置以在所述信號(hào)路徑中的在所述放大器的輸入的下游的一點(diǎn)處修改信號(hào)，從而補(bǔ)償由所述衰減電路系統(tǒng)施加的衰減。所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可以被配置以調(diào)諧所述信號(hào)路徑中的在所述放大器的輸入的下游的至少一個(gè)元件的增益。
[0033]本發(fā)明的實(shí)施方案的信號(hào)處理電路可以包括一個(gè)用于所述MEMS電容式換能器的讀出電路。
[0034]所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)可以響應(yīng)于至少一個(gè)存儲(chǔ)的設(shè)定值來限定用于生成所述校正信號(hào)的所述函數(shù)，并且所述電路可以包括一個(gè)可編程元件以用于存儲(chǔ)至少一個(gè)所述存儲(chǔ)的設(shè)定值。所述可編程元件可以被配置以存儲(chǔ)在包含所述信號(hào)處理電路的主機(jī)設(shè)備的組裝期間被編程的一個(gè)設(shè)定值。所述可編程元件可以是可重新配置的。所述可編程元件可以被配置以存儲(chǔ)在包含所述信號(hào)處理電路的主機(jī)設(shè)備的校準(zhǔn)步驟期間確定的一個(gè)設(shè)定。
[0035]所述信號(hào)處理電路可以被實(shí)施為一個(gè)集成電路。所述集成電路可以被連接到所述MEMS電容式換能器，例如，經(jīng)由合適的鍵合線等連接到所述MEMS電容式換能器，或者所述MEMS電容式換能器可以是所述集成電路的一部分。所述MEMS電容式換能器是MEMS傳聲器。
[0036]本發(fā)明的一些方面還應(yīng)用于包括如上文所描述的信號(hào)處理電路的電子設(shè)備。所述電子設(shè)備是以下中的至少一個(gè):便攜式設(shè)備、電池供電的設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、通信設(shè)備;游戲設(shè)備;移動(dòng)電話;膝上型電腦；以及平板電腦。
[0037]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種補(bǔ)償由MEMS電容式換能器產(chǎn)生的感測(cè)信號(hào)中的失真的方法，所述方法包括:
[0038]在沿著一個(gè)信號(hào)路徑的第一點(diǎn)處監(jiān)測(cè)信號(hào)，所述信號(hào)路徑在一個(gè)用于接收所述感測(cè)信號(hào)的輸入和一個(gè)用于基于所述感測(cè)信號(hào)輸出一個(gè)輸出信號(hào)的輸出之間；
[0039]生成一個(gè)校正信號(hào)；以及
[0040]基于所述校正信號(hào)在沿著所述信號(hào)路徑的至少第二點(diǎn)處修改所述信號(hào)；
[0041]其中作為沿著所述信號(hào)路徑的所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的值的函數(shù)生成所述校正信號(hào)，以將補(bǔ)償分量引入到所述輸出信號(hào)中，所述補(bǔ)償分量補(bǔ)償所述感測(cè)信號(hào)中的失真分量。
[0042]可以以上文關(guān)于本發(fā)明的第一方面描述的方式中的任一種來執(zhí)行該方法。
[0043]在另一方面，提供一種用于換能器的信號(hào)處理電路，在使用中，所述換能器響應(yīng)于一個(gè)輸入激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述信號(hào)處理電路包括:
[0044]一個(gè)信號(hào)路徑，其在一個(gè)用于接收所述感測(cè)信號(hào)的輸入和一個(gè)用于基于所述感測(cè)信號(hào)輸出一個(gè)輸出信號(hào)的輸出之間；以及
[0045]補(bǔ)償電路系統(tǒng)，用于在沿著所述信號(hào)路徑的第一點(diǎn)處監(jiān)測(cè)信號(hào)并且在沿著所述信號(hào)路徑的至少第二點(diǎn)處修改信號(hào)；
[0046]其中所述補(bǔ)償電路系統(tǒng)被配置以作為所述第一點(diǎn)處的信號(hào)的值的函數(shù)修改所述第二點(diǎn)處的信號(hào)，以將補(bǔ)償分量引入到所述輸出信號(hào)中，所述補(bǔ)償分量補(bǔ)償所述感測(cè)信號(hào)中的失真分量。
[0047]在又一方面，提供一種用于減少由換能器產(chǎn)生的電感測(cè)信號(hào)中的失真的信號(hào)處理電路，所述信號(hào)處理電路包括:
[0048]一個(gè)信號(hào)路徑，其在一個(gè)用于接收所述感測(cè)信號(hào)的輸入和一個(gè)用于基于所述感測(cè)信號(hào)輸出一個(gè)輸出信號(hào)的輸出之間；以及
[0049]補(bǔ)償電路系統(tǒng)，用于作為存在于沿著所述信號(hào)路徑的第一點(diǎn)處的信號(hào)的瞬時(shí)值的函數(shù)生成一個(gè)校正信號(hào)，并且用于將所述校正信號(hào)與存在于沿著所述信號(hào)路徑的第二點(diǎn)處的信號(hào)結(jié)合。
[0050]在本發(fā)明的又一方面，提供一種用于減小由換能器產(chǎn)生的電感測(cè)信號(hào)中的失真的信號(hào)處理電路，所述信號(hào)處理電路包括:
[0051]—個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于接收所述電感測(cè)信號(hào)；
[0052]補(bǔ)償電路系統(tǒng)，用于在所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入處將一個(gè)校正信號(hào)加至所述電感測(cè)信號(hào)并且根據(jù)被定義以消除所述電感測(cè)信號(hào)的預(yù)期失真分量的非線性傳遞函數(shù)從所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出生成所述校正信號(hào)。
[0053]在本發(fā)明的另一方面，提供一種用于換能器的信號(hào)處理電路，在使用中，所述換能器響應(yīng)于一個(gè)輸入激勵(lì)產(chǎn)生一個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述信號(hào)處理電路包括:
[0054]補(bǔ)償電路系統(tǒng)，用于將一個(gè)校正施加至所述感測(cè)信號(hào)，其中所述校正基于所述輸入激勵(lì)和所述感測(cè)信號(hào)之間的傳遞特性中的失真分量的倒數(shù)。
[0055]在本發(fā)明的又一方面，提供一種用于換能器的信號(hào)處理電路，在使用中，所述換能器產(chǎn)生一個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述信號(hào)處理電路包括:
[0056]一個(gè)信號(hào)路徑，其在一個(gè)用于接收所述感測(cè)信號(hào)的輸入和一個(gè)用于基于所述感測(cè)信號(hào)輸出一個(gè)輸出信號(hào)的輸出之間；
[0057]一個(gè)放大器，其位于所述信號(hào)路徑中以用于放大所述感測(cè)信號(hào)；
[0058]—個(gè)選擇性衰減器，其被耦合在所述輸入和所述放大器之間用于響應(yīng)于第一控制信號(hào)衰減待被放大的感測(cè)信號(hào)；
[0059]控制電路系統(tǒng)，其被配置以在沿著所述信號(hào)路徑的第一點(diǎn)處監(jiān)測(cè)信號(hào)并且基于所述第一點(diǎn)處的信號(hào)電平生成所述第一控制信號(hào)；
[0060]其中所述控制