麦克风系统和放大电路的制作方法

本发明涉及麦克风领域，具体而言，涉及麦克风系统和放大电路。

背景技术：

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是一种在半导体制造技术的基础上发展起来的、融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术而实现的高科技电子机械系统。MEMS系统一般包括一个用于将其他物理信号转换为电信号的微机械敏感结构及其相关电路。为满足人民群众日益增长的物质文化需求，MEMS系统的体积、成本、灵敏度、线性度等指标也在不断地优化提高。

MEMS麦克风因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛地应用于各种电子装置，例如：手机、MP3、录音笔和监听器材等。当前的MEMS麦克风系统中包含的敏感结构通常为电容式MEMS麦克风传感器，该敏感结构主要包括一个薄且有弹性的声学振膜和一个刚性的背极板，从而背极板、声学振膜以及二者之间的空气隙共同组成了电容器，用于将声波信号转换为电信号。在MEMS麦克风系统中，由于微机电麦克风根据感应到的声波信号而直接输出的电信号十分微弱，因此在微机电麦克风系统中通常需要放大电路对微机电麦克风输出的电信号进行放大。

MEMS麦克风系统的信噪比等于麦克风的灵敏度与系统总噪声的比值。MEMS麦克风系统中的噪声的主要来源是：敏感结构的噪声来源以及电路部分的噪声来源。

随着智能手机和智能家居的普及，一方面，人们对微机电麦克风系统的信噪比的要求越来越高，另一方面，一般的应用场合都需要在麦克风工作带宽内的频率响应较为平坦，否则麦克风采集到声波信号的音色在相应的不平坦的频段也会有所变形，导致声波信号在转换为电信号过程中的保真度受到影响。现有技术中，通常通过改变敏感结构或者封装的物理参数的方法以降低敏感结构的噪声以及提高系统灵敏度在频带内的平坦度，例如修订封装后腔形状与尺寸、改变敏感结构参数等。然而，由于受封装尺寸和敏感结构加工工艺限制，现有技术在实施时具有一定的难度。例如，随着封装尺寸越来越小，敏感结构的后腔体积可以增大的范围越来越有限；通过减小敏感结构振膜厚度以改变敏感结构参数的方法也会给MEMS加工厂带来很大的加工难度。

因此，期待在避免增大加工难度的同时进一步提升麦克风系统的信噪比，并增大系统灵敏度在频带内的平坦度。

技术实现要素：

本发明提供一种麦克风系统和放大电路，用于在避免增大加工难度的同时进一步提升麦克风系统的信噪比，并增大系统灵敏度在频带内的平坦度。

为达到上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种放大电路，包括：缓冲电路，用于对第一电压信号缓冲得到第二电压信号；以及调理电路，用于接收所述第二电压信号，其中，所述放大电路中的部分元件形成了无源低通滤波结构，所述无源低通滤波结构的频率特性对第一电压信号在目标频带内的频率特性提供补正，使得所述麦克风系统在目标频带内实现噪声优化和频率响应平坦化。

优选地，所述调理电路包括第一电容，所述第一电容的第一端接地、第二端输出所述第二电压信号，所述无源低通滤波结构包括第一阻抗和所述第一电容。

优选地，所述第一阻抗为所述缓冲电路的输出阻抗，所述第一电容的第二端与所述缓冲电路的输出端相连。

优选地，所述第一阻抗为独立的电阻元件，所述第一阻抗的一端与所述缓冲电路的输出端相连、另一端与所述第一电容的第二端相连。

优选地，所述无源低通滤波结构为多阶低通滤波结构。

优选地，所述放大电路还包括驱动电路，用于对所述第二电压信号进行驱动而得到输出电压信号。

根据本发明的第二方面，提供了一种麦克风系统，包括：具有声孔的封装壳及其形成的腔体；位于所述腔体内的敏感结构，用于将声波信号转换为所述第一电压信号；位于所述腔体内的电压控制电路，用于提供偏置电压至所述敏感结构；以及位于所述腔体内的如上述的任一种放大电路，用于根据所述第一电压信号产生所述输出电压信号。

优选地，所述腔体内包括片上区域和片外区域，所述放大电路的调理电路中包含的所有电容为位于片外区域的片外电容，所述放大电路中除了所述调理电路中包含的电容之外的部分和所述电压控制电路位于所述片上区域并由集成电路实现。

优选地，所述集成电路包括专用集成电路。

相比于现有的麦克风系统及其放大电路，本发明提供的麦克风系统和放大器电路通过添加调理电路实现了对高频信号的抑制，从而在滤除一部分高频噪声、提升了信噪比的同时，由于调理电路的频率特性对敏感结构的频率特性进行了补正，从而使得麦克风系统的频率特性能够在目标频带内基本实现平坦，即在目标频带内麦克风系统对接收到的不同频率的声波信号的灵敏度相近，使得麦克风系统能够在将声波信号更转换为电信号时避免输出电压信号随声波频率的变化出现较大的幅度波动。并且，相比于现有技术，本发明提供的麦克风系统和放大电路具有简便与低成本的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出一种现有的麦克风系统的示意性框图。

图2示出现有的麦克风系统的频率响应曲线的示意图。

图3示出现有的麦克风系统的A加权噪声谱示意图。

图4示出本发明第一实施例的麦克风系统的示意性框图。

图5示出本发明第一实施例的调理电路的结构示意图。

图6a示出本发明第一实施例的第二电压信号幅度值与声波信号频率之间的关系示意图。

图6b示出本发明第一实施例中第三电压信号幅度值与声波信号频率之间的关系示意图。

图6c示出本发明第一实施例的输出电压信号幅度值与声波信号频率值之间的关系示意图。

图7示出本发明第一实施例的调理电路的一种替代实施例的结构示意图。

图8示出本发明第二实施例的麦克风系统的示意性框图。

图9示出本发明第二实施例的调理电路的结构示意图。

图10示出本发明实施例的MEMS麦克风系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出了一种现有的麦克风系统的示意性框图。

如图1所示，该现有的麦克风系统1000包括敏感结构1100、电压控制电路1200以及放大电路1300。

电压控制电路1200对敏感结构1100提供偏置电压Vbias。敏感结构1100为MEMS麦克风传感器，其主要结构是一个由振膜、背极板以及二者之间的空气隙构成的电容器，所述电容器能够在偏置电压Vbias的作用下将声波信号转换为第一电压信号Vin。放大电路1300对第一电压信号Vin进行缓冲与驱动，得到输出电压信号Vout。

麦克风的频率特性是指麦克风的输出相对幅度随着声波信号频率的分布，可以用频率响应曲线来表示，用来表示灵敏度与音频频率之间的关系。其中，麦克风的灵敏度代表麦克风将声音能量转换成电压后所产生的输出电压的幅度值，是在麦克风单位声压激励下输出电压与输入声压的比值。麦克风的带宽是指麦克风感应声波频率的范围。

A加权(A-Weighted)是一种用于音频测量的标准权重曲线，用于反映人耳的响应特性，其标准由美国标准协会在20世纪40年代制定，用于描述人耳对于不同频段声音变化敏感程度。

图2示出了现有的麦克风系统的频率响应曲线的示意图。图3示出了现有的麦克风系统的A加权噪声谱示意图。

如图2所示，现有的麦克风系统的频率响应曲线表达了该系统在接收不同频率的声波信号时的灵敏度S。可以看到当输入的声波频率在20Hz至8kHz的范围内时，频率响应曲线接近平坦，即该麦克风系统能够根据该频段内不同频率的声波信号生成幅度值近似的输出电压信号，实现稳定输出；但是，当输入的声波频率大于8kHz时，由于受到敏感结构1100的参数以及封装的影响，频率响应曲线出现了明显的波动，即该麦克风系统根据该频段内不同频率的声波信号所得到的输出电压的幅度值之间有明显的差别，这不仅仅会影响到后续电路对输出电压信号的处理，而且会增大高频噪声使得信噪比降低。例如图3所示的A加权(A-weighted)噪声谱中，由于麦克风系统对该频率信号的灵敏度更高，因此高频段的噪声N同样被明显放大，导致高频噪声十分明显。因此，一般希望麦克风系统的灵敏度在人耳可识别的声波信号的频率范围内(20Hz至20kHz)是平坦的。

为增强MEMS麦克风系统的灵敏度在目标频率范围内的平坦度、提升信噪比，现有的手段包括修订封装后腔形状尺寸以及敏感结构的参数。然而由于封装尺寸和敏感结构加工工艺的限制，上述手段的实施具有一定的难度。例如，随着封装尺寸的减小，封装后腔形状的增大范围会受到限制；同时，改变振膜厚度等敏感结构参数也会给MEMS加工厂带来很大的加工难度。

图4示出本发明第一实施例的麦克风系统的示意性框图。

如图4所示，本发明第一实施例的麦克风系统包括敏感结构2100、电压控制电路2200和放大电路2300。

电压控制电路2200对敏感结构2100提供偏置电压Vbias。敏感结构2100为MEMS麦克风传感器，其结构主要包括由振膜、背极板以及二者之间的空气隙构成的电容器，所述电容器能够在偏置电压Vbias的作用下将声波信号转换为第一电压信号Vin。放大电路2300对第一电压信号Vin进行缓冲与驱动，得到输出电压信号Vout。

电压控制电路2200例如包括基准电压源(Reference Voltage Source)、电荷泵(Charge Pump)，用于产生稳定的偏置电压Vbias。同时，电压控制电路2200也可以为放大电路230提供供电电压(未画出)。

与现有技术不同的是，放大电路2300不仅包括缓冲电路2310和驱动电路2320，还包括调理电路2330。

缓冲电路2310例如为电压跟随器，其具有高输入阻抗和低输出阻抗，从而能够将与缓冲电路连接的前级电路与后级电路隔离，避免信号之间的串扰；同时，可以利用缓冲电路2310输出阻抗低的特性实现其与后级电路的阻抗匹配，从而降低后续处理可能带来的噪声、提升后级电路的性能。

调理电路2330通过对第二电压信号Vin_N的频域进行处理得到目标频带内输出电压幅度值平坦的第三电压信号Vin_L。

驱动电路2320对第三电压信号Vin_L进一步放大为输出电压信号Vout以得到合适的灵敏度。由于调理电路2330输出的第三电压信号Vin_L在目标频带内的电压幅度值趋于平坦，因此，通过对驱动电路2320的合理设计，输出电压信号Vout能够在目标频带内实现电压幅度值的平坦，从而使信噪比得到提升。必要时，驱动电路2320可以输出差分信号。

图5示出本发明第一实施例的调理电路的结构示意图。

如图5所示，调理电路为一个由电阻R1和电容C1组成的无源低通滤波器。

电阻R1可以是一个具体的电阻。此时，第二电压信号Vin_N由电阻R1的一端输入，电阻R1的另一端与电容C1的一端相连并输出第三电压信号Vin_L，电容C1的另一端接地。

作为一种替代的实施例，电阻R1也可以是缓冲电路2310的输出阻抗。此时，第二电压信号Vin_N由电容C1的一端输入，电容C1的另一端接地，缓冲电路2310与电容C1之间输出第三电压信号Vin_L。

调节电路2330主要实现了对输入至驱动电路的电压信号的频域进行平坦化补正。敏感结构在力学上表现为质量m、刚度K、阻尼系数为b的质量-弹簧-阻尼系统，其传递函数T(s)为：T(s)＝1/(ms²+bs+K)；缓冲电路2310的传递系数为1；而由拉普拉斯变换法可知调理电路的传递函数G(s)为：G(s)＝(1/sC1)/(1/sC1+R1)，其中s＝j·ω。通过对传递函数的计算或者直接对敏感结构2100的频率响应曲线进行分析，可以得到能够使麦克风系统2000的灵敏度在目标频带内平坦的调理电路的截止频率范围，从而计算出电阻R1与电容C1的值。

图6a示出本发明第一实施例的第二电压信号幅度值A1与声波信号频率之间的关系示意图，图6b示出本发明第一实施例中第三电压信号幅度值A2与声波信号频率之间的关系示意图，图6c示出本发明第一实施例的输出电压信号幅度值A3与声波信号频率值之间的关系示意图。

通过对如图2所示的现有的麦克风系统中的频率响应曲线以及传递函数进行分析可以得知，当本发明实施例在现有的麦克风系统的基础上加入的调理电路的截止频率约为8kHz时，如图6b所示，调理电路2330能够在频域上对第二电压信号Vin_N的高频噪声进行压制，使得第三电压信号Vin_L在20Hz至20kHz的频率范围内大致实现平坦。由于调理电路2330为一阶RC电路，因此其截止频率为fp＝1/(2πR1·C1)＝8kHz。由于R1阻值太大会带来较大的噪声，阻值太小又会要求电容C1的电容值增大，因此一般地，R1的阻值约为1kΩ至10kΩ，例如为2kΩ。此时电容C1的容值可选为约为10nF，从而使得调理电路2330的截止频率约为8kHz。

上述实施例中，电压控制电路2200以及放大电路2300可以由同一芯片实现，其中，放大电路2300中的调理电路2330中的电阻R1位于该同一芯片内、电容C1可以为片外电容。

上述实施例的调理电路2330采用了一阶无源低通滤波器对高频信号进行了抑制，从而在滤除一部分高频噪声、提升了信噪比的同时，由于调理电路2330的频率特性能够对敏感结构2100的频率特性进行补正，从而本发明实施例麦克风系统的频率响应曲线在目标频率范围内能够实现平坦，即在目标频率范围内麦克风系统2000对应接收到的频率不同的声波信号的灵敏度相近，使得麦克风系统能够将声波信号更真实地转换为电信号而避免出现输出电压信号随声波频率的变化出现较大的幅度波动。

图7示出本发明第一实施例的调理电路的一种替代实施例的结构示意图。

如图7所示，作为一种替代的实施例，调理电路2330为一个由电阻R2、电阻R3、电容C2和电容C3组成的二阶无源低通滤波器，虽然相比于上述调理电路的一阶无源低通滤波器结构在结构上略复杂，但是其具有更好的滤波效果，能够更好地抑制高频信号，从而实现更高的信噪比并使得目标频带内麦克风系统的频率响应曲线更平坦。

其中，电阻R2可以是一个具体的电阻。此时，第二电压信号Vin_N由电阻R2的一端输入，电阻R2的另一端与电容C2的一端、电阻R3的一端相连，电容C2的另一端接地，电阻R3的另一端与电容C3的一端相连并输出第三电压信号Vin_L，电容C3的另一端接地。

电阻R2也可以是缓冲电路2310的输出阻抗。此时，第二电压信号Vin_N由电容C2与电阻R3的公共端输入，电容C2的另一端接地，电阻R3的另一端与电容C3的另一端相连并输出第三电压信号Vin_L，电容C3的另一端接地。

上述实施例中，电压控制电路2200以及放大电路2300可以由同一芯片实现，其中，放大电路2300中的调理电路2330中的电阻R2与R3位于该同一芯片内、电容C1与C2可以为片外电容。

因此，本发明第一实施例在避免了封装和敏感结构加工工艺的限制，通过无源低通滤波结构的调理电路实现频域调节，使得麦克风系统在目标频带内的频率响应曲线更平坦，同时降低了麦克风系统的输出电压信号的高频噪声、提高了麦克风系统的信噪比，并且相比于现有技术具有简便与低成本的优点。

图8示出了本发明第二实施例的麦克风系统的示意性框图。

如图8所示，本发明第二实施例的麦克风系统3000包括敏感结构3100、电压控制电路3200以及放大电路3300。与本发明第一实施例不同的是，放大电路3300中仅包括缓冲电路3310和调节电路3330。

电压控制电路3200对敏感结构3100提供偏置电压Vbias。敏感结构3100为MEMS麦克风传感器，其结构主要包括由振膜、背极板以及二者之间的空气隙构成的电容器，所述电容器能够在偏置电压Vbias的作用下将声波信号转换为第一电压信号Vin。放大电路3300对第一电压信号Vin进行缓冲，直接得到输出电压信号Vout。

其中，放大电路3300的调节电路3330可以为如图9所示的由电阻R1与电容C1组成的一阶RC滤波器结构或者多阶低通滤波器结构，其原理与本发明第一实施例相同，在此不再赘述。

由于本实施例与上述本发明第一实施例相比省略了放大电路中的驱动电路，因此当麦克风系统的后续电路对麦克风系统的输出阻抗的要求不严格时，可以应用本实施例使放大电路的结构更简洁、响应速度更快。

图10示出了本发明实施例的MEMS麦克风系统的结构示意图。

如图10所示，MEMS麦克风系统2000/3000中包括封装壳400及其形成的腔体700以及位于腔体600内的敏感结构2100/3100、集成电路500和片外电容600。其中，封装壳上与敏感结构对应的位置存在声孔410，用于对敏感结构提供声音信号的通道。所述腔体内包括片上区域和片外区域，所述放大电路的调理电路中包含的所有电容为位于片外区域的片外电容600，所述放大电路中除了所述调理电路中包含的电容之外的部分以及所述电压控制电路位于所述片上区域并由集成电路500实现。集成电路500例如为专用集成电路(ASIC)。

综上，本发明的有益效果在于：采用了无源低通滤波器对高频信号进行了抑制，从而在滤除一部分高频噪声、提升信噪比的同时，使得麦克风系统的频率响应曲线在目标频率范围内能够实现平坦，即在目标频率范围内麦克风系统对接收到的不同频率的声波信号的灵敏度相近，从而麦克风系统能够在将声波信号转换为电信号时避免输出电压信号随声波频率的变化出现较大的幅度波动，同时，相比于现有技术，本发明具有简便与低成本的优点。

需要说明的是，根据麦克风系统的用途，本说明书中所述的目标频带例如为人耳可接受的声波信号的频率范围，约为20Hz至20kHz，该频带内的高频信号的频率范围可以为8kHz至20kHz。当然，也可以按照需求将目标频带和高频信号的频率设置为其他的频率范围。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。