用于mems电容式换能器的信号处理的制作方法
【专利说明】用于MEMS电容式换能器的信号处理
[0001]本申请涉及用于处理换能器(尤其MEMS电容式换能器)检测到的信号的信号处理电路，并且尤其涉及用于这样的换能器(尤其用于MEMS传声器)的读出电路。
[0002]MEMS电容式换能器(诸如，MEMS传声器)通常由两个平面电极组成，其中一个电极是柔性的且相对于另一个电极可移动。柔性电极响应于入射激励(例如，声压)而移动，因此将极板之间的距离从静态值d更改到值(d+x)。对于许多MEMS传声器，在传声器的正常运行范围内，位移x(大致)线性地依赖于入射声压。
[0003]如图1a中例示的，为了从MEMS传声器101中提供电感测信号，偏置电压(例如，12V)被施加在两个极板之间。通常一个极板被直接耦合到固定的高压VB，另一个极板经由高偏置阻抗Re(通常具有大约千兆欧姆的量级)被耦合到处于地电位的偏置电压Vc或接近地电位的偏置电压VC。传声器换能器电容Cm通常仅是大约Ipf，并且在连接到第二极板的节点处接收的感测信号需要本地缓冲。因此提供一种信号处理或读出电路以从感测信号中产生输出信号。在图1a中示出的实施例中，布置具有增益Av的电压放大器102来生成经缓冲的电压输出信号Vciut，以传送到下游电路系统。放大器可以包括ADC 103，使得该放大器产生数字输出信号S0Ut。
[0004]在此实施例中，放大器呈现高输入阻抗，因此MEMS电容上的电荷Qm保持恒定。电压由Qm/Cm给出并且因此与电容成反比，电容本身与极板间隔成反比，因此总的来说检测到的电压线性地依赖于位移。
[0005]对于94dBSPL的典型声级，线性位移X通常约为极板间隔d的0.1 %r.m.S。如果极板之间的偏置电压是例如12V，则感测的电压将大约是12mV r.m.S。经仔细设计，放大器的声频频带输入噪声和偏置布置可以具有6uVrms或更小的量级，以给出66dB或更好的信噪比。这对于一定范围的应用是可接受的。
[0006]然而，对于处理更大振幅(例如，HOdBSPL或更大的量级)的信号的需求在增长。这样的输入声级将导致信号是上文段落中讨论的这些信号的大约200倍，例如，大约2.4Vr.m.S0
[0007]确保放大器的输入级能够很好地应对这样的输入电压范围是一个挑战。另外，如上文提及的，偏置阻抗Rg通常具有数十千兆欧姆的量级。使用正常集成电路材料来实施此大小的电阻器是不切实际的。因此，通常地，通过二极管(尤其是多晶硅二极管)来实施偏置阻抗Re。这些二极管为数十或甚至数百mV的信号摆动提供合理线性的且高的电阻，但是它们的阻抗随着偏置以指数形式减小，因此将对较高振幅的音频频率信号进行箝位或限幅。
[0008]对这些问题的一个解决方案是使用电荷放大器104来缓冲换能器信号，如图1b中例示的。此布置在放大器的虚拟地处箝位放大器输入电压。换能器101两端的电压因此维持恒定，但是由入射压力激励引起的电容Cm的变化导致底部极板上的电荷发生变化。这由运算放大器补偿，该运算放大器迫使反馈电容器Cf上的对应量的电荷维持虚拟地电压。因此在偏置阻抗Rg两端存在的电压很小，避免了上文关于基于二极管的Rg实施方式讨论的箝位或过度泄漏问题。另外，放大器的输入电压摆动也非常小，因此输入级净空(headroom)不再是一个问题。
[0009]然而，应注意，在此布置中，在运算放大器的两端没有直流反馈。因此，任何直流偏移(例如，运算放大器的输入偏移电压)将被运算放大器开环直流增益所放大并且因此可能给出饱和输出。为了避免此问题，需要一些附加直流偏置稳定电路系统或直流伺服系统(为了简化没有示出)，通常涉及以下中的至少一个:电流注入到虚拟地中、调谐施加到非反相输入的偏置电压或基于来自运算放大器或等价物的低频反馈将一个信号应用到次级运算放大器输入端子。
[0010]为了避免此附加电路系统带来的复杂性，可以使用如图1c中例示的一个替代布置。在此布置中，具有的电容是Cm值的例如十倍的电容器Catt被放置以在检测到大的信号摆动时衰减放大器的信号输入。将Catt当作放大器接口电路系统的一部分，其传递函数现在依赖于输入上的电压Vm和已经经过Cm和Catt之间的输入边界的电荷Qm。当连接衰减电容器Catt时，偏置电路系统Re两端的电压摆动被减小到1/10或1/10左右。当仅存在小输入信号时，可以基于由下游的一个点处的信号电平检测生成的某个控制信号Matt而断开CATT。图1c中还例示的是在放大器电路系统的内部和外部的寄生电容CPjPCP2,所述寄生电容也以类似于Catt但是成比例地小于Catt的方式影响传递函数。
[0011]图1b和图1 c中示出的布置因此解决大的输入电压摆动的问题。然而，对于图1 b中示出的电荷放大器布置，因为换能器电压现在是恒定的并且测得电荷Qm = Cm.VM，所以输出信号与换能器电容成比例。电容与极板之间的间隔成反比。因此，测量信号不再与位移成比例，因此也不与入射压力成比例。
[0012]类似地，关于图1c中示出的电路，当Catt是Cm的例如10倍时，传递函数非常类似于电荷放大器，并且对于这些高振幅信号可以看到类似的失真级。
[0013]因此，本发明的实施方案的目的是减轻上文提及的问题中的至少一些。
[0014]因此，根据本发明，提供一种用于MEMS电容式换能器的信号处理电路，在使用中，所述换能器响应于一个输入激励产生一个感测信号，所述信号处理电路包括:
[0015]—个信号路径，其在一个用于接收所述感测信号的输入和一个用于基于所述感测信号输出一个输出信号的输出之间；以及
[0016]补偿电路系统，其被配置以:
[0017]在沿着所述信号路径的第一点处监测信号并且生成一个校正信号；以及
[0018]基于所述校正信号在沿着所述信号路径的至少第二点处修改信号；
[0019]其中作为沿着所述信号路径的所述第一点处的信号的值的函数生成所述校正信号，以将补偿分量引入到所述输出信号中，所述补偿分量补偿所述感测信号中的失真分量。
[0020]所述信号路径中的所述第一点可以在所述信号路径中的所述第二点之后。
[0021]在一些实施方案中，可以具有一个位于所述信号路径中的模拟-数字转换器。在这样的情况下，所述补偿电路系统可以在所述模拟-数字转换器内或在所述模拟-数字转换器的输入处修改信号。
[0022]所述补偿电路系统被配置以通过在所述第二点处将所述校正信号加至信号来修改所述信号。在使用加法校正信号的情况下，所述校正信号被生成以包括由在所述第一点处的任何基本信号分量生成的至少一个谐波分量。所述补偿电路系统因此可以包括一个谐波生成电路，以基于在所述第一点处的信号生成所述校正信号。可以作为所述第一点处的信号的值的平方的函数生成所述校正信号，并且所述补偿电路系统包括平方电路系统以用于产生所述校正信号。替代地，可以作为所述第一点处的信号的绝对值的函数生成所述校正信号，并且所述补偿电路系统可包括整流电路系统以用于产生所述校正信号。在一些实施方案中，可以作为监测到的信号相对于一个或多个阈值的值的函数生成所述校正信号，并且所述补偿电路系统可包括至少一个比较器，所述至少一个比较器被配置以将以所述第一点处的信号为基础的信号与所述一个或多个阈值进行比较并且基于所述比较生成所述校正信号，所述校正信号具有多个预定值中的选定的一个值。因此可以存在具有预定校正值作为输入的至少一个多路转换器(multiplexer)，其中所述多路转换器被配置以由所述至少一个比较器的输出所控制。
[0023]所述校正信号可以被加至所述信号路径的模拟部分。
[0024]在一些实施方案中，可以存在位于所述信号路径的所述模拟部分中的至少第一模拟放大器级，其中所述第二点是所述第一模拟放大器级的输入。所述第一模拟放大器级可以是一个用于接收来自所述MEMS换能器的感测信号的输入放大器级。替代地，所述第一模拟放大器级可以是继一个输入放大器级之后的一个放大器级。
[0025]在所述信号处理电路包括一个模拟-数字转换器的情况下，所述信号路径中的所述第二点可以是所述模拟-数字转换器的输入。然而，在一些实施方案中，所述信号路径中的所述第二点在所述信号路径的数字部分中在所述模拟-数字转换器的下游。
[0026]在一些实施方案中，所述补偿电路系统通过基于所述校正信号调谐(modulate)所述信号路径中的至少一个部件的增益来修改信号，例如，缩放所述第二点处的信号的值。可以生成所述校正信号以根据一个与(l+α.Vs)成比例的值来缩放所述增益，其中α是一个预定值且Vs是所述第一点处的信号的值。可以作为监测到的信号相对于一个或多个阈值的值的函数生成所述校正信号。
[0027]所述补偿电路系统可以调谐所述第一模拟放大器级的增益，所述第一模拟放大器级可以是一个用于接收来自所述MEMS换能器的感测信号的输入放大器级或一个随后的放大器级。
[0028]所述补偿电路系统可以调谐一个模拟-数字转换器和/或一个数字增益元件的增益，其中所述补偿电路系统调谐所述数字增益元件的增益。
[0029]在一些实施方案中，所述信号路径中的所述第一点可以在所述信号路径中的所述第二点之前。
[0030]所述信号路径可以包括一个电荷放大器，所述电荷放大器被布置为一个输入放大器级以接收所述感测信号。
[0031]所述补偿电路系统可以包括一个低通滤波器以用于产生在所述信号路径中的所述第一点处的信号的经滤波的型式(vers1n)。在所述信号路径中的所述第一点处的信号的经滤波的型式可以被提供作为除了所述校正信号以外所述补偿电路系统的单独输出。
[0032]所述信号路径可以包括一个放大器，并且所述电路还可以包括衰减电路系统以用于将选择性可变衰减施加到待被放大的感测信号。所述补偿电路系统然后可以被进一步配置以在所述信号路径中的在所述放大器的输入的下游的一点处修改信号，从而补偿由所述衰减电路系统施加的衰减。所述补偿电路系统可以被配置以调谐所述信号路径中的在所述放大器的输入的下游的至少一个元件的增益。
[0033]本发明的实施方案的信号处理电路可以包括一个用于所述MEMS电容式换能器的读出电路。
[0034]所述补偿电路系统可以响应于至少一个存储的设定值来限定用于生成所述校正信号的所述函数，并且所述电路可以包括一个可编程元件以用于存储至少一个所述存储的设定值。所述可编程元件可以被配置以存储在包含所述信号处理电路的主机设备的组装期间被编程的一个设定值。所述可编程元件可以是可重新配置的。所述可编程元件可以被配置以存储在包含所述信号处理电路的主机设备的校准步骤期间确定的一个设定。
[0035]所述信号处理电路可以被实施为一个集成电路。所述集成电路可以被连接到所述MEMS电容式换能器，例如，经由合适的键合线等连接到所述MEMS电容式换能器，或者所述MEMS电容式换能器可以是所述集成电路的一部分。所述MEMS电容式换能器是MEMS传声器。
[0036]本发明的一些方面还应用于包括如上文所描述的信号处理电路的电子设备。所述电子设备是以下中的至少一个:便携式设备、电池供电的设备、计算设备、通信设备;游戏设备;移动电话;膝上型电脑；以及平板电脑。
[0037]本发明的另一个方面提供一种补偿由MEMS电容式换能器产生的感测信号中的失真的方法，所述方法包括:
[0038]在沿着一个信号路径的第一点处监测信号，所述信号路径在一个用于接收所述感测信号的输入和一个用于基于所述感测信号输出一个输出信号的输出之间；
[0039]生成一个校正信号；以及
[0040]基于所述校正信号在沿着所述信号路径的至少第二点处修改所述信号；
[0041]其中作为沿着所述信号路径的所述第一点处的信号的值的函数生成所述校正信号，以将补偿分量引入到所述输出信号中，所述补偿分量补偿所述感测信号中的失真分量。
[0042]可以以上文关于本发明的第一方面描述的方式中的任一种来执行该方法。
[0043]在另一方面，提供一种用于换能器的信号处理电路，在使用中，所述换能器响应于一个输入激励产生一个感测信号，所述信号处理电路包括:
[0044]一个信号路径，其在一个用于接收所述感测信号的输入和一个用于基于所述感测信号输出一个输出信号的输出之间；以及
[0045]补偿电路系统，用于在沿着所述信号路径的第一点处监测信号并且在沿着所述信号路径的至少第二点处修改信号；
[0046]其中所述补偿电路系统被配置以作为所述第一点处的信号的值的函数修改所述第二点处的信号，以将补偿分量引入到所述输出信号中，所述补偿分量补偿所述感测信号中的失真分量。
[0047]在又一方面，提供一种用于减少由换能器产生的电感测信号中的失真的信号处理电路，所述信号处理电路包括:
[0048]一个信号路径，其在一个用于接收所述感测信号的输入和一个用于基于所述感测信号输出一个输出信号的输出之间；以及
[0049]补偿电路系统，用于作为存在于沿着所述信号路径的第一点处的信号的瞬时值的函数生成一个校正信号，并且用于将所述校正信号与存在于沿着所述信号路径的第二点处的信号结合。
[0050]在本发明的又一方面，提供一种用于减小由换能器产生的电感测信号中的失真的信号处理电路，所述信号处理电路包括:
[0051]—个模拟-数字转换器，用于接收所述电感测信号；
[0052]补偿电路系统，用于在所述模拟-数字转换器的输入处将一个校正信号加至所述电感测信号并且根据被定义以消除所述电感测信号的预期失真分量的非线性传递函数从所述模拟-数字转换器的数字输出生成所述校正信号。
[0053]在本发明的另一方面，提供一种用于换能器的信号处理电路，在使用中，所述换能器响应于一个输入激励产生一个感测信号，所述信号处理电路包括:
[0054]补偿电路系统，用于将一个校正施加至所述感测信号，其中所述校正基于所述输入激励和所述感测信号之间的传递特性中的失真分量的倒数。
[0055]在本发明的又一方面，提供一种用于换能器的信号处理电路，在使用中，所述换能器产生一个感测信号，所述信号处理电路包括:
[0056]一个信号路径，其在一个用于接收所述感测信号的输入和一个用于基于所述感测信号输出一个输出信号的输出之间；
[0057]一个放大器，其位于所述信号路径中以用于放大所述感测信号；
[0058]—个选择性衰减器，其被耦合在所述输入和所述放大器之间用于响应于第一控制信号衰减待被放大的感测信号；
[0059]控制电路系统，其被配置以在沿着所述信号路径的第一点处监测信号并且基于所述第一点处的信号电平生成所述第一控制信号；
[0060]其中所述控制