专利名称：用于微型机电声音转换器的偏置电路及相关偏置方法
技术领域：
本发明涉及一种用于声音转换器的偏置电路，特别是一种MEMS(微型机电系统)型的容性扩音器，接下来的说明将明确参考这种MEMS类型，这并不意味着丧失任何一般 性。本发明进一步涉及一种用于偏置声音转换器的方法。
背景技术：
众所周知，电容型的声音转换器，例如MEMS扩音器，一般包括振动膜或隔膜形式 的可动电极，可动电极面对固定电极设置以便提供可变电容的感应电容器的极板。该可动 电极一般通过其周边部分固定到基底，同时其中心部分响应于入射声波施加的压力而自由 移动或弯曲。该可动电极和该固定电极形成电容器，并且构成可动电极的隔膜的弯曲引起 所述电容器电容值的变化。使用时，电容值根据待检测的声音信号发生变化，该电容值的变 化被转换成电信号，该电信号被作为声音转换器的输出信号。更具体地，参考图1，一种已知类型的MEMS容性扩音器1，包括由例如硅的半导体 材料制成的基底2 ；在基底2上具有一空腔3 (通常称为“后腔”)，空腔3例如从后部通过化 学蚀刻形成。隔膜，或振动膜4，耦合至基底2并且在顶部靠近后腔3。隔膜4是挠性的，且 在使用时，根据来自后腔3的入射声波的压力产生变形。刚性板5 (通常称为“背板”)通过 插入间隔物6(例如由比如二氧化硅的绝缘材料制成)面向并设置在隔膜4上。背板5构 成具有可变电容的电容器的固定电极，其中可动电极由隔膜4形成；背板5具有多个比如为 圆形截面的孔7，将孔7设计成使得空气可在隔膜4的方向上自由循环流通。容性扩音器，特别是MEMS扩音器，要求合适的电偏置，以便用作将声音信号转换 成电信号的转换器。具体地，为了确保在通常应用下充足的性能水平，它要求扩音器偏置为 高电压(例如15V-20V)，一般比施加给相应的读取电路的电压(比如，逻辑电压1.6V-3V) 要高的多。为此，通常需要使用电荷泵升压电路(一般称为“电荷泵”)，其使用集成技术制 成，其能够从较低值的参考电压生成高电压。一般的电路结构(图2中所示)包括一个电荷泵级，示例中整体地用标记8概略 地示出，其直接连接到MEMS扩音器1(由可变电容值电容器的等效电路概略地表示)的第 一端子m (比如，由背板5组成)，以便提供高值的偏置电压。MEMS扩音器1的第二端子 N2(例如，由隔膜4组成)却连接到读取电路(还可称为“前端电路”)的高阻抗输入，图中 读取电路概略地表示为放大器级9(继而，其高阻抗通过连接在第二端子N2和参考电压节 点之间的一般具有IOOGQ到100ΤΩ之间的电阻值的输入电阻器10来概略地表示，该参考 电压节点在示例中与偏置电路的接地点相同)。然而，这种电路设置严重地受限于降低的信噪比，这是由于在正常操作中电荷泵 级8的输出端处可能的“纹波”以及相同电荷泵产生的噪音未经任何衰减加入到MEMS扩音 器1根据检测到的声音信号而产生的电信号。为了克服上述缺陷，提出了一种替代性的电路设置(图3所示)，其中在电荷泵级 8的输出端和MEMS扩音器1的第一端子m之间设置一个RC结构的低通滤波器12，以便适当地衰减在电荷泵级的输出端的噪音和纹波。具体地，该低通滤波器12由连接在电荷泵级 8的输出端和MEMS扩音器1的第一端子m之间的滤波电阻器13和连接在相同第一端子 Nl和该偏置电路的接地端子之间的滤波电容器14组成。然而，已经示出，为了使低通滤波器有效地工作并且能够获得MEMS扩音器1的适当偏置，该低通滤波器12必须有一个等于或优选地低于IHz的频率下的极(pole)。为此， 滤波电阻器13必须具有一个极高的电阻值，例如在IOOGQ到100T Ω之间。考虑到众所周知在集成电路技术中获取如此高电阻值的电阻器是不可能的，因而 已经提出了利用能够提供所需的高电阻值的非线性装置。例如，为此已经提出了利用反并 联结构的一对二极管，当在它们两端施加所需值的电压降时(该值取决于技术，比如小于 IOOmV)产生相当高的电阻值。如图4中所示，滤波电阻器13和输入电阻器10从而分别由各自的一对反并联结 构的二极管提供。具体地，滤波电阻器13具有第一二极管13a和第二二极管13b，第一二极管13a的 阳极连接到电荷泵级8的输出端且其阴极连接到第一端子Ni，第二二极管13b的阳极连接 到第一端子附且其阴极连接到电荷泵级8的输出端。输入电阻器10具有单独的第一二极 管IOa和单独的第二二极管10b，第一二极管IOa的阴极连接到第二端子N2且其阳极连接 到由Vref表示的参考电压，第二二极管IOb的阴极连接到参考电压Vref且其阳极连接到 第二端子N2。这种电路结构的主要问题通常表现为一般而言是偏置电路具体是低通滤波器12 的长的启动时间，这主要是由于存在反并联结构连接的二极管对以及由此产生的高电阻 值。这种结构的建立(settling)时间可以容易地持续几分钟或者甚至几小时。在这个建 立时间结束之前，即在该电路的整个启动时间里，并不能确保低通滤波器12的正确操作， 类似地也不能确保MEMS扩音器1的端子Ni，N2的正确偏置。因此，在启动时间期间，由读 取电路检测到的与MEMS扩音器1相关的敏感度产生不可避免的、甚至是相当大的变化。具体地，如图5中所示，第一端子m (由Vl表示)的电压朝着期望的偏置电压值 慢慢移动，该偏置电压值等于电荷泵级8提供的泵电压(由Vcp表示)，同时第二端子N2的 电压(由V2表示)朝着参考电压Vref (图5中反并联结构的二极管对10a，IOb两端的电 压降由Vd表示)的值慢慢地移动。只有在漫长的启动时间结束后，第一和第二端子m，N2 的电压才稳定在期望的偏置电压(稳定态状况)。可见，在通常使用MEMS扩音器1的状态下，如此长的延迟时间是不能接受的，相 反，必须确保正常的性能(以及，特别是基本不变的敏感度)，以及在打开集成有该MEMS扩 音器的电子装置以及从所谓的“断电”状态(在此期间该装置的一部分被关闭以确保节能 状态)恢复时具有极短的延时。对这个进一步问题的可能的解决方法(如图6中所示)是，提出另外使用一个高 通滤波器级15，其串联连接到放大器级9(其构成了与MEMS扩音器1相关的读取电路的第 一信号处理级)的输出端，以便“掩藏(mask)”该偏置电路的长的建立时间。然而，这个方 法仍不能避免缺点，特别是由于占用面积较大，所形成的读取接口的电路复杂，以及由另外 的滤波级引起的可能的失真等问题。
发明内容
因此，本方面的目的是提供一种将能够克服上述缺陷的用于声音转换器的偏置电路。根据本发明，一种用于声音转换器的偏置电路包括偏置端子，被设计成用于接收来自升压级的升压电压，该升压电压用于偏置所述 声音转换器的第一端子；以及滤波装置，配置成设置在所述偏置端子和所述声音转换器之间，且配置成执行对 所述升压电压上的干扰的滤波，特征在于包括开关(switch)装置，其可操作为在所述偏置电路的启动阶段期间 将所述第一端子直接地连接到所述偏置端子，并且一旦所述启动阶段结束就通过所述滤波 装置将所述第一端子连接到所述偏置端子。
为了更好地理解本方面，这里利用仅为非限制性的实例并参考
书来描述 优选的实施例，其中-图1是一种已知类型的容性声音转换器的概略横截面图；-图2是一种已知类型的MEMS扩音器的偏置电路的方框图；-图3示出了另一种已知类型的偏置电路的方框图；-图4示出了在集成技术中图3所示偏置电路的可能的实施方式；-图5示出了图4中偏置电路的某些电气量的曲线图；-图6示出了图4中偏置电路的变化的实施例，其仍是已知的类型；-图7示出了根据本发明一个方面的容性声音转换器的偏置电路的示意性方框 图；-图8示出了图7中电路的某些电气量的曲线图；-图9是呈现在图7中的电路的逻辑定时电路的一种可能的电路实施例的概略性 的实施例；-图10示出了图7中偏置电路的可能实施例；-图11示出了图10中偏置电路的驱动级的电路实施例；-图12示出了配置有容性声音转换器和图7中的偏置电路的电子装置的简略方框 图；以及-图13示出了根据本发明的另一个实施例的容性声音转换器的偏置电路的概略 性的方框图。
具体实施例方式如下文中清楚地描述的那样，本发明的一个方面设想针对声音转换器的偏置电 路，特别是对电容型的MEMS扩音器，引入一个在启动阶段期间的操作状态(一旦启动或从 断电状态恢复)，其中MEMS扩音器的一个或两个端子直接达到(brought to)期望的偏置电 压，以便实现相同端子的电压快速建立(以及耦合至声音转换器的滤波级的初始化)。在启 动阶段结束时(因此，其比传统的解决方法快速得多)，MEMS扩音器的一个或两个端子连接至高阻抗，它或者与滤波电阻器相连，或者与相应的读取放大器级的输入相连。具体地，如图7中所示(其中与已经描述过的元件类似的元件用相同的参考标 记)，根据本发明的偏置电路的一个实施例，整体上用20表示，再次使用了低通滤波器12， 将其布置在此处由8a表示的电荷泵级8的输出端子和MEMS扩音器1的第一端子m之间， MEMS扩音器1的第二端子N2再次连到了放大器级9的输入电阻器10上。不同于已知类型(例如，图3中所示类型)的偏置电路，该实施例中设想使用第 一开关21，其与滤波电阻器13并联连接并且因此能够选择性地激励以在该MEMS扩音器1 的第一端子附和电荷泵级8 (设定在泵电压Vcp处)的输出端子8a之间提供一个直接的 低阻抗连接；以及第二开关22，其与输入电阻器10并联连接并且因此能够选择性地激励以 在该MEMS扩音器1的第二端子N2和参考电压Vref之间提供一个直接的低阻抗连接。具体地，第一和第二开关21、22从控制逻辑23 (其被概略地示出，并且例如包括适 当的计数器和计时器)接收适当的控制信号(图7中由S1和S2表示)，以这种方法使得在 偏置电路20的启动阶段保持闭合，从而确保该MEMS扩音器1的端子m和N2的电压快速 稳定在期望的偏置值；以及以这种方式使得该偏置电路20在随后的正常操作的阶段期间 保持打开，从而确保端子m、N2的适当偏置以及由低通滤波器12对电荷泵级8的输出进行 的滤波操作。只有在MEMS扩音器1的端子m和N2分别达到了期望的偏置电压，即泵电压 Vcp和参考电压Vref之后，启动阶段才终止。在这种方式中，进一步还可“重置(reset)” 滤波器，也即，确保低通滤波器12在启动时或从断电条件到恢复时用最少的时间延迟来达 到正确的操作区域。更具体地，控制信号S1和S2的定时(其可是同相的或略微异相，以保证一个相对 系统参量的变化的更大的电阻)由控制逻辑23以这样的方式产生，使得确保只有在泵电压 Vcp已经有效地达到它最终的稳态值时，它们才从高电平切换到低电平。例如，图8示出了控制信号S1在该条件下的可能的定时(在这种情况下控制信号 S2与控制信号S1是相同的)。具体地，在这种情况下，在从断电状态退出时(当断电信号 PD从高电平切换到低电平时，指示该情况)，控制信号S1保持高电平足够的时间，以保证电 荷泵级8已经达到正确的工作点(并且从而该泵电压Vcp已经达到最终的稳态值)。只有 在这种延迟间隔已经过去，控制信号S1才切换到低电平，从而打开相应的开关。这种定时条件可以通过比如，在控制逻辑23中使用数字计数器来保证，该数字计 数器由断电信号PD和时钟信号CK启动，将产生控制信号S 1，在切换断电信号PD后延迟足 够的时间后才切换。可替换的，可以使用来自断电信号PD的信号差来启动该数字计数器。一种可能的替换方案例如是如图9中所示的。在这个方案中，控制逻辑23包括 数字计数器23a，其接收时钟信号CK并且在输出端提供控制信号Sl，S2。用于数字计数器 23a的启动信号由阈值比较器23b产生，该比较器比较部分电压Vpart和具有期望参考值的 比较电压Vr，其中该部分电压Vpart利用电阻分压器23c从电荷泵级8的输出端的泵电压 Vcp获得。使用时，只有在泵电压Vcp已经超过某一电平(其一般都被设定得靠近稳定态电 平)后，数字计数器23a才开始计数，以便确保总是在电荷泵级8已经达到稳态条件并进行 适当的延迟后，控制信号SI、S2才从高电平切换到低电平。本发明的另一个方面包括提供开关21、22的电路实施方式，以便防止引入在
8正常操作条件下可能损害低通滤波器12性能的寄生元件。该电路实施方式还可设计 (envisage)成使用具有反并联结构的二极管对来提供滤波电阻器13和输入电阻器10，以 及适当地使用(N沟道或P沟道)M0S晶体管来实现反并联结构中的二极管和开关21、22。更具体地，并且参考图10，该偏置电路20包括二极管结构中的第一 nMOS晶体管 25，其连接在电荷泵级8的输出端子8a和该MEMS扩音器1的第一端子附之间，并且其栅 极端子连接到漏极端子；PM0S晶体管26，其与该第一 nMOS晶体管25并联连接在电荷泵级 8的输出端子8a和第一端子m之间，并且它的栅极接收输出控制信号Controlout (该信 号的产生将在下面具体描述)。第一 nMOS晶体管25总是处于关断状态，以便提供(provide)(如图10所示)用 于构成滤波电阻13的反并联配置的二极管中的第一二极管13a。依据输出控制信号Controlout的电平，pMOS晶体管26可以或者处于关断(OFF) 状态或者处于导通(0N)状态，其中在关断状态以便提供(通过单独的固有的本体二极管) 第二二极管13b，其与第一二极管13a以反并联配置方式连接，并与其构成滤波电阻13 ；在 导通状态以便使得第一端子m能够直接偏置(具有低导通电阻Ron)在泵电压Vcp，并在启 动阶段期间使得该同一端子的电压能够快速稳定。因此该PM0S晶体管26执行双重功能， 即在偏置电路20中作为滤波电阻器13的第二二极管13b以及第一开关21，该第一开关21 与该同一滤波电阻器13并联连接且设计用于短路该电阻器。该偏置电路20进一步包括一个高压驱动级28，具有用于接收泵电压Vcp的第一 输入端子和用于接收输入控制信号Controljn的第二输入端子，输入控制信号Control in具有逻辑电压值(低逻辑值，例如等于0V，以及高逻辑值，等于逻辑电源电压VDD，比如 1. 6V-3V)。该输入控制信号Controljn，例如由控制逻辑23产生(比如，对应于第一控制 信号S1或第二控制信号S2)。高压驱动级28被配置成用来(如下面所详细描述的)从输入控制信号Control in以及泵电压Vcp产生输出控制信号Controlout，从而具有适于驱动低通滤波器12 的PM0S晶体管26的两个电压电平。例如，输出控制信号Controlout与输入控制信号 Contro l_in同步地在高电压电平或低电压电平之间切换。该偏置电路20进一步包括二极管元件29，其可由二极管配置的BJT晶体管充当 (其提供反并联配置的二极管对中的第一二极管10a，用作输入电阻10)，该二极管元件29 连接在MEMS扩音器1的第二端子N2和参考电压Vref节点之间；以及第三nMOS晶体管30， 其与该二极管元件29并联连接在MEMS扩音器1的第二端子N2和参考电压Vref节点之间， 并且该第三nMOS晶体管30的栅极端子接收输入控制信号Controljn，即与提供给高压驱 动级28的输入端的相同的控制信号。根据输入控制信号Controljn的状态，该第三nMOS晶体管30或者处于关断状 态或者处于导通状态，其中在关断状态以便提供(依赖单独的固有本体二极管)第二二极 管10b，其与第一二极管10a以反并联配置方式连接，并与第一二极管10a构成输入电阻 10 ；在导通状态以便使得第二端子N2能够直接偏置(具有低的导通电阻Ron)在参考电压 Vref,并在启动阶段期间使得该同一端子的电压能够快速稳定下来。并且，因此该第三nMOS 晶体管30执行双重功能，即在偏置电路20中作为输入电阻器10的第二二极管10b以及第 二开关22，该第二开关与该同一输入电阻器10并联且设计用于短路该电阻器。
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使用时，由于开关21、22的存在，所描述的电路结构可以实现在启动阶段期间获 得的MEMS扩音器1的端子m和N2的非常快速的建立时间；以及在启动阶段结束时，具有 非常小的值(mHz级)的较低截止频率的恰当的低通滤波，且同时不引入寄生元件到MEMS 扩音器1中。本发明的又一方面包括提供高压驱动级28的具体电路实施方式，其吸收极低的 电流吸收，因而不会危害电荷泵级8的运行。更具体地，参考图11，高压驱动级28具有两侧基本对称的电路结构第一侧(定 义输出支路)连接到高压驱动级28的输出端(此处与内部节点A重合)和第一 nMOS晶体 管26的栅极端，并为其提供输出控制信号Controlout。以下详细地描述标识为28a的第一侧，对于第二侧28b (与第一支路28镜像对称) 的描述类似，不再重复，其中元件使用相同的参考标号跟上撇号来标识。第一侧28a包括连接到用于提供参考电流的电流发生器34的共源共栅电流镜32， 其通过适当的缩放因子使得在输出支路上获得期望值的偏置电流I。详细地，共源共栅电流镜32包括第一低压nMOS晶体管32a，其连接在接地节点 和内部节点B之间并且使其栅极端连接到漏极端；第二低压nMOS晶体管32b，其连接在接 地节点和内部节点C之间并且使其栅极端连接到第一低压nMOS晶体管32a的栅极端；第一 高压nMOS晶体管33a，连接在内部节点B和电流源34之间并且使其栅极端连接到漏极端； 以及第二高压nMOS晶体管33b，连接在内部节点C和内部节点A之间并且使其栅极端连接 到该第一高压nMOS晶体管33a的栅极端。第一侧28a进一步包括一个输出pMOS晶体管35以及与该输出pMOS晶体管35并 联的一个输出支路36。该输出pMOS晶体管35连接到内部节点A和接收泵电压Vcp的高压驱动级28的第 一输入端之间，并且其栅极端连接到第二侧28b (第一侧28a和第二侧28b各自的输出pMOS 晶体管35、35'因此如图11中所示按“交叉”结构布置)的相应的内部节点A'。输出支路36由输出电阻器37和输出二极管38串联连接形成，输出二极管38的 阳极连接到输出电阻器37且其阴极连接到内部节点A。第一侧28a通过插入(interposition)逻辑反向器39 (在第二侧28b中没有逻辑 反向器39)连接到高压驱动级28的第二输入端(其接收输入控制信号Controljn)，并且 进一步包括第一关断nMOS晶体管40和第二关断nMOS晶体管41。第一关断nMOS晶体管40的漏极端连接到高压nMOS晶体管33a、33b的共同的栅 极端，其源极端接地，并且其栅极端连接到该逻辑反向器39的输出。第二关断nMOS晶体管 41的漏极端连接到内部节点C，其源极端接地，且其栅极端也连接到该逻辑反向器39的输
出o使用时，当输入控制信号Controljn为逻辑低值时，逻辑反向器39的输出为逻辑 高值，触发第一和第二关断nMOS晶体管40、41 ；并且因此禁用第一侧28a的共源共栅电流 镜32和输出支路上偏置电流I的产生。相反，第二侧28b的共源共栅电流镜32 ‘被触发，产 生流向内部节点A'的偏置电流I'，且使得第一侧28a的输出pMOS晶体管35导通。第一 侧28a的内部节点A的电压基本上上升为泵电压Vcp的值，从而使输出控制信号Control out为高值(基本与泵电压Vcp —致)。
在这种情况下(其对应于偏置电路20的正常操作步骤)，第一开关21和第二开关 22都打开(此时第三nMOS晶体管30由输入控制信号Controljn的低值关断且pMOS晶体 管26由输出控制信号Controlout的高值关断)，从而使低通滤波器12工作并使MEMS扩 音器1的端子N1，N2正常偏置。相反，当输入控制信号Controljn为逻辑高值时，第一侧28a的共源共栅电流镜 32被激活(并且同时第二侧28b中的镜像电流被禁用)，从而第一侧28a的内部节点A上产 生偏置电流I。在这种情况下，第一侧28a的输出pMOS晶体管35关断，且输出支路36 (由 输出电阻器37和输出二极管38串联组成)中的偏置电流I流通，产生电压降，其值比如等 于1V-2V，这取决于偏置电流I的值和同一输出电阻器37和输出二极管38的大小。因此， 第一侧28a的内部节点A的电压到达泵电压Vcp减去该电压降的值，从而将输出控制信号 Control_out降至相对于泵电压Vcp的合适的逻辑低值。在这种情况下(对应于偏置电路20的启动阶段)，第一开关21和第二开关22都 闭合(从而此时第三nMOS晶体管30由输入控制信号Controljn的高值导通且pMOS晶体 管26由输出控制信号Controlout的低值导通)，从而使MEMS扩音器1的端子Nl，N2直 接连接至各自的偏置电压。特别地，可以设定由共源共栅电流镜32产生的偏置电流I，使得高压驱动级28从 电荷泵级8吸收的电流可以忽略；例如偏置电流I的值低于lOnA。根据本发明的电路和偏置方法的优点从前面的描述中清楚地显现。特别地，需要再次强调，其利用设置在电荷泵级和MEMS扩音器之间的低通滤波器 的特性，有可能减少输出端的来自电荷泵级的噪音；并且由于所描述的开关的使用，该开关 可使MEMS扩音器的端子快速达到所需的偏置电压(在启动阶段期间)，因而没有牺牲导通 和建立速度，从而保证了恒定的电荷偏置。换句话说，获得了极短的导通时间，并且保证了 MEMS扩音器基本恒定的敏感度， 特别是在启动阶段期间防止了敏感度的任何偏移。上述方案还能够避免在与MEMS扩音器相关联的读取接口的放大级的输出端使用 高通滤波器，同时避免了与使用该元件相关的已知的问题。而且，所描述的偏置电路可以使用高压器件并利用通常的模拟电子技术进行集 成，这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图12中所示出的(电子装置50甚至还可以包括另一个 MEMS扩音器1，这里未示出)电子装置50中利用偏置电路20和相应的MEMS扩音器1特别 有优势。该电子装置50优选地可以是移动通信装置(比如移动电话)、PDA、笔记本计算机， 或者还可以是录音机，具有录音功能的复读机等。可选地，该电子装置50可以是可在水下 工作的水中听音器，或者是助听设备电子装置50包括微处理器51，连接到微处理器51的存储单元52，以及输入/输 出接口 53，该接口配置有比如键盘和显示器，并且也连接到微处理器51。该MEMS扩音器1 通过信号处理单元54与微处理器51通信，信号处理单元54包括读取接口以及特别的前面 描述过的放大器9。而且，扬声器56设置在该电子装置50的声音输出端(未示出)以用于
发出声音。最后，很显然，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的保护范围的情况下，这里所描述和解释的实施例可以进行改变和变形。具体地，如图13所示，这里提供了一个用20'标记的偏置电路的替代实施例，其 中MEMS扩音器1的第一端子m同样电耦合至电荷泵级8的输出端8a (其中插入滤波电阻 器13)，同时该MEMS扩音器1的第二端子N2连接到参考电压(具体为接地)。因此低通滤波器12由同样与第一开关21并联连接的滤波电阻器13和该MEMS扩 音器1的电容组成，从而其具有产生检测信号以及对噪声进行滤波的双重功能。在该情形 下，去耦合电容器60连接在第一端子m和放大器级9的输入端之间(并连接到同样与第 二开关22并联连接的输入电阻器10)。去耦合电容器60使得放大器级9与电荷泵级8之 间去耦合，并且特别地，隔离由于任何干扰或不期望的耦合带来的直流电压。在某一操作条件下，这种变形具有确保更高鲁棒性和更便于组装的优势，以致于 它能够仅利用一个焊垫将MEMS扩音器1和相应的集成电路电连接。而且，根据本发明的偏置电路可有利地与不同类型的容性声音转换器一起使用， 所述容性声音转换器包括传统类型和MEMS型。针对高压驱动级，可以设计不同的电路结构。另外，与MEMS扩音器相关联的放大器级的输入端的电阻器可以不是用一对反并 联二极管构成，而是简单地对应于同一放大器级的高输入阻抗，如前面所描述的那样，其在 启动阶段期间被适当地短路。最后，该偏置电路可以设计成只有一个耦合到连接到低通滤波器的MEMS扩音器 的第一端子的开关元件。
权利要求
一种用于声音转换器(1)的偏置电路(20；20′)，包括偏置端子(8a)，配置成接收来自升压级(8)的升压电压(Vcp)，以用于偏置所述声音转换器(1)的第一端子(N1)；以及滤波装置(13)，配置成设置在所述偏置端子(8a)和所述声音转换器(1)之间，并且配置用于执行对所述升压电压(Vcp)上的干扰进行滤波；其特征在于，包括开关装置(21、22)，其可操作用于在所述偏置电路(20)的启动阶段期间将所述第一端子(N1)直接连接到所述偏置端子(8a)，并且一旦所述启动阶段结束则通过所述滤波装置(13)将所述第一端子(N1)连接到所述偏置端子(8a)。
2.根据权利要求1所述的电路，进一步包括控制级(23)，其配置成一旦所述声音转换 器(1)的第一端子(Ni)达到期望的偏置电压时，确定所述启动阶段的结束，并随后控制所 述开关装置(21、22)的打开。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制级(23)包括计数器装置(23a)，其配置 成确定时间间隔，以便所述偏置电压基本上与由所述升压级(8)产生的升压电压(Vcp)的 稳态值相对应。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述滤波装置包括设置在所述偏置端子(8a)和所 述声音转换器(1)的第一端子(Ni)之间的第一高阻抗电阻器元件(13)；以及所述开关装 置(21、22)包括第一开关元件(21)，其与所述第一高阻抗电阻器元件(13)并联连接，且可 操作为在所述启动阶段期间短路所述第一高阻抗电阻器元件(13)。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述第一高阻抗电阻器元件(13)包括第一二极管 元件(13a)，且所述第一开关元件(21)包括第一晶体管(26)，其可操作为在第一操作条件 下，其构成第二二极管元件(13b)，以反并联结构与所述第一二极管元件(13a)连接，从而 定义所述第一高阻抗电阻器元件(13)；以及在第二操作条件下，其在所述第一端子(Ni)和 所述偏置端子(8a)之间构成低阻抗连接，短路所述第一高阻抗电阻器元件(13)。
6.根据权利要求5所述的电路，进一步包括驱动级(28)，配置成接收所述升压电压 (Vcp)和定时信号(Controljn)，并且在输出端提供控制信号(Controlout)给所述第一 晶体管(26)的控制端子；所述控制信号(Controlout)具有高电平和低电平，所述高电平 基本上与所述升压电压(Vcp) —致，所述低电平比所述升压电压低一个给定电压降。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述驱动级(28)包括具有两侧(28a，28b)基本 上对称的电路结构，其第一侧(28a)连接到所述驱动级(28)的输出端(A)，包括一个连接 到所述输出端(A)并设计成产生偏置电流(I)的电流镜像级(32)以及一个输出支路，所 述输出支路包括输出晶体管(35)和电阻网络(37，38)的并联并且配置成接收所述升压电 压(Vcp)；所述定时信号(Control」!!)被设计成交替地启动和禁用所述电流镜像级(32)， 在启动所述电流镜像级(32)时使得所述偏置电流(I)流过所述电阻网络(37，38)以产生 相对于所述升压电压(Vcp)的电压降和所述控制信号(Controlout)的低电平，以及在禁 用所述电流镜像级(32)时以便所述输出晶体管(35)使所述输出端(A)具有所述升压电压 (Vcp)，从而产生所述控制信号(Controlout)的高电平。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述驱动级(28)包括至少一个关断晶体管元件 (40，41)，其由所述定时信号(Control」!!)控制并且配置成禁用所述电流镜像级(32)。
9.根据权利要求6所述的电路，其中所述驱动级(28)配置成使得从所述升压级(8)吸收的电流不高于ΙΟηΑ。
10.根据权利要求4所述的电路，进一步包括连接到放大器装置(9)的输入端的第二高 阻抗电阻器元件(10)，其配置成处理所述声音转换器(1)的电气输出量；并且所述开关装 置(21、22)包括第二开关元件(22)，其与所述第二高阻抗电阻器元件(10)并联连接并且可 操作为在所述启动阶段期间将所述第二高阻抗电阻器元件(10)短路，以及将所述放大器 装置的输入端连接到期望值的参考电压线(Vref)上。
11.根据权利要求10所述的电路，其中所述第二高阻抗电阻器元件(10)包括相应的第 一二极管元件(IOa)；并且所述第二开关元件(22)包括相应的的晶体管(30)，所述晶体管 (30)可操作为在第一操作条件下，构成相应的第二二极管元件(10b)，以反并联结构与所 述相应的第一二极管元件(IOa)连接，以便定义所述第二高阻抗电阻器元件(10)，并且在 第二操作条件下，其在所述 输入端和所述参考电压线(Vref)之间构成低阻抗连接，短路所 述第二高阻抗电阻器元件(10)。
12.根据权利要求1所述的电路，其中所述声音转换器(1)具有连接到参考电压的第二 端子(N2)，所述电路进一步包括连接在所述第一端子(Ni)和放大器装置(9)的输入端之间 的去耦合电容器装置(60)，其配置成处理所述声音转换器(1)的电气输出量。
13.一种电子装置(50)，包括声音转换器(1)和根据权利要求1所述的所述声音转换 器⑴的偏置电路(20;20')。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述声音转换器(1)是容性MEMS扩音器；所述 电子装置(50)可在包括下述的组中选择移动电话、PDA、笔记本计算机、录音机、具有录音 功能的复读机、视频游戏控制台、水中听音器以及助听设备。
15.一种用于声音转换器(1)的偏置方法，包括下述步骤在偏置端子(8a)上形成用于偏置所述声音转换器(1)的第一端子(Ni)的升压电压 (Vcp)；以及通过滤波装置(13)对所述升压电压(Vcp)上的干扰进行滤波，其特征在于，包括以下步骤在所述偏置的启动阶段期间将所述第一端子(Ni)直接连接到所述偏置端子(8a)，以 及在所述启动阶段结束时通过所述滤波装置(13)将所述第一端子(Ni)连接到所述偏置端 子(8a)，其中所述偏置端子(8a)设定在所述升压电压(Vcp)。
16.根据权利要求15所述的方法，包括以下步骤在所述启动阶段期间利用低阻抗连接将所述第一端子(Ni)连接到所述偏置端子 (8a)，以及在所述启动阶段结束时将所述第一端子(Ni)连接到所述滤波装置的第一高阻 抗电阻器元件(13)。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤一旦所述声音转换器(1)的第一端子(Ni)达到期望的偏置电压，则确定所述启动阶段结束。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述确定步骤包括确定使得所述偏置电压基本对应于所述升压电压(Vcp)的稳态值的时间间隔。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括在所述启动阶段期间，利用低阻抗连接将放大器装置(9)的输入端连接到参考电压线(Vref)，所述放大器装置配置成处理所述声音转换器(1)的电气 输出量；以及在所述启动 阶段结束时，将放大器装置(9)的输入端连接到第二高阻抗电阻器元件(10)。
全文摘要
本发明提供了用于微型机电声音转换器的偏置电路及相关偏置方法。具体描述了一种用于声音转换器(1)的偏置电路(20；20′)，包括升压级(8)，其在偏置端子(8a)上提供一个用于偏置该声音转换器(1)的第一端子(N1)的升压电压(Vcp)；以及设置在该偏置端子(8a)和该声音转换器(1)之间的用于对升压电压(Vcp)上的干扰进行滤波的滤波元件(13)。该偏置电路(20；20′)还具有开关(21、22)，其可在该偏置电路(20)的启动阶段期间被激励以将该第一端子(N1)直接连接到该升压级(8)的偏置端子(8a)上，并且在该启动阶段结束时，通过该滤波元件(13)将该第一端子(N1)连接到该升压级(8)的偏置端子(8a)上。
文档编号H04R3/00GK101854575SQ201010187328
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者A·加斯帕里尼, F·大卫 申请人:意法半导体股份有限公司