放大器電路、電容聲換能器及電子設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及用于電容聲換能器的差分放大器電路、其對(duì)應(yīng)的電容聲換能器以及電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，電容類(lèi)型的聲換能器通常包括感應(yīng)結(jié)構(gòu)以及電子讀取接口，該感應(yīng)結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為將聲壓力波轉(zhuǎn)換為電量(特別是電容變化)，該電子讀取接口被設(shè)計(jì)為在所述電量上實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚聿僮?其中放大操作)以用于供應(yīng)電輸出信號(hào)(例如，電壓)。
[0003]通常，感應(yīng)結(jié)構(gòu)包括膜片或薄膜形式的移動(dòng)電極，其被布置為以短距離(所謂的“空氣間隙”)面向固定電極以形成感應(yīng)電容器的板，其中電容根據(jù)待被檢測(cè)的聲壓力波而變化。移動(dòng)電極通常響應(yīng)于由入射聲波施加的壓力是自由移動(dòng)或經(jīng)受形變的，以該方式致使感應(yīng)電容器的電容變化。
[0004]例如，MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))電容聲換能器是已知的，其中感應(yīng)結(jié)構(gòu)是微機(jī)械類(lèi)型的，并且使用半導(dǎo)體工業(yè)典型的集成微加工技術(shù)而制作。
[0005]通過(guò)示例，圖1示出了已知類(lèi)型的MEMS聲換能器的微機(jī)械結(jié)構(gòu)I，其包括例如為硅的半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)層或襯底2，在其中腔例如從背面經(jīng)由化學(xué)蝕刻被做出。薄膜或膜片4被耦合至結(jié)構(gòu)層2并且在頂部封閉腔3。薄膜4是柔性的，并且在使用中根據(jù)入射聲波的壓力經(jīng)受形變。
[0006]剛性板5(通常稱(chēng)為“背板”)經(jīng)由間隔件6(例如，諸如氧化硅之類(lèi)的絕緣材料的間隔件)的插入而被布置為朝向薄膜4(在該情況下是在其之上)。剛性板5包括具有可變電容的感應(yīng)電容器的固定電極，其移動(dòng)電極由薄膜4構(gòu)成，并且該剛性板5具有多個(gè)孔7，被設(shè)計(jì)用來(lái)使得空氣能夠向著薄膜4自由流通(將剛性板5效果上呈現(xiàn)為聲透明)。
[0007]微機(jī)械結(jié)構(gòu)I進(jìn)一步包括(以未示出的方式)電薄膜和剛性板觸點(diǎn)，用于偏置薄膜4和剛性板5并且獲得由于由入射聲壓力波導(dǎo)致的薄膜4的形變?cè)斐傻闹甘倦娙葑兓母袘?yīng)信號(hào)。通常，這些電觸點(diǎn)被布置在裸片的提供微機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面部分。
[0008]—般地，電容聲換能器的感應(yīng)結(jié)構(gòu)通常經(jīng)由固定的電荷被電荷偏置。特別地，DC偏置電壓通常從電荷栗級(jí)被應(yīng)用(該電壓越高，麥克風(fēng)的靈敏度越大)，并且高阻抗元件(具有在垓歐級(jí)，例如在10G Ω與1T Ω之間的阻抗)被插入在電荷栗級(jí)與感應(yīng)結(jié)構(gòu)之間。
[0009]例如，高阻抗元件可以由以背靠背配置布置(S卩，并聯(lián)連接在一起)的一對(duì)二極管提供，使得兩個(gè)二極管中的一個(gè)二極管的陰極端子被連接到另一個(gè)的陽(yáng)極端子，且反之亦然，或者由處于背靠背配置的串聯(lián)的二極管對(duì)提供。針對(duì)高于幾赫茲的頻率，該高阻抗的存在將在感應(yīng)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的DC電荷與電荷栗級(jí)“絕緣”。
[0010]由于電荷的量被固定，沖擊感應(yīng)結(jié)構(gòu)的移動(dòng)電極的聲信號(hào)(聲壓)調(diào)制相對(duì)于剛性電極的間隙，產(chǎn)生電容變化以及因此產(chǎn)生電壓變化。
[0011]該電壓在電子接口中被電子放大器電路所處理，該電子放大器電路需要具有高輸入阻抗(以防止在微機(jī)械結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的電荷的擾動(dòng))，隨后被轉(zhuǎn)換至低阻抗信號(hào)(被設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載)。
[0012]圖2a示出了放大器電路的可能實(shí)施例，其由10指示，在該情況下具有所謂的“單端”類(lèi)型的單輸出。
[0013]作為整體由11指示的電容聲換能器的感應(yīng)結(jié)構(gòu)通過(guò)具有電容Cmic的感應(yīng)電容器12a示意性地表示，該電容根據(jù)檢測(cè)到的聲信號(hào)而變化，感應(yīng)電容器12a串聯(lián)連接到電壓發(fā)生器12b，其供應(yīng)感應(yīng)電壓Vsic(在圖2中所示的示例中，通常具有正弦波形)。
[0014]通常，考慮到移動(dòng)電極具有對(duì)襯底的高寄生電容(與感應(yīng)結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電容器的電容可比較)，而剛性電極具有較低的寄生電容，移動(dòng)電極通常被電連接到第一低阻抗輸入端子NI，例如連接到電路的參考接地電壓，而剛性電極被電連接到第二輸入端子N2，在其上獲得指示感應(yīng)電容器12a的電容變化的感應(yīng)電壓Vsic。
[0015]第二輸入端子N2進(jìn)一步通過(guò)第一高阻抗絕緣元件13的插入而被電連接到例如電荷栗偏置級(jí)(未在此示出)的偏置級(jí)以用于接收偏置電壓VCP，該第一高阻抗絕緣元件13由以背靠背配置布置的一對(duì)二極管構(gòu)成。
[0016]放大器電路10進(jìn)一步包括去耦電容器14和處于緩沖或電壓跟隨器單端配置的放大器15( S卩，使得其反相輸入連接到單輸出)。例如，放大器15是A類(lèi)的，或者是AB類(lèi)的運(yùn)算放大器。
[0017]去耦電容器14(其操作以去耦DC分量并且耦合檢測(cè)到的信號(hào))在第二輸入端子N2與放大器15的非反相輸入之間被連接，該非反相輸入進(jìn)一步經(jīng)由第二高阻抗絕緣元件16的插入而從適當(dāng)?shù)膮⒖及l(fā)生器級(jí)(未在此示出)接收操作電壓VCM，該第二高阻抗絕緣元件16由以背靠背配置布置的二極管的相應(yīng)對(duì)構(gòu)成。
[0018]操作電壓V?是DC偏置電壓，其被適當(dāng)?shù)剡x擇以用于設(shè)置放大器15的操作點(diǎn)。該操作電壓Vcm例如被選擇為處于放大器15的供應(yīng)電壓(未示出)與參考接地電壓之間的范圍中。
[0019]在電容聲換能器的操作期間，(AC)感應(yīng)電壓￥51(；因而被疊加在該DC操作電壓V?上。
[0020]放大器15根據(jù)由電容聲換能器的感應(yīng)結(jié)構(gòu)11所檢測(cè)到的感應(yīng)電壓Vsic在該單輸出OUT上供應(yīng)輸出電壓VQUT。在該示例中，輸出電壓Vqut具有正弦波性，其在幅度上對(duì)應(yīng)于感應(yīng)電壓Vsig(如在圖2a中不意性地表不的)。
[0021]圖2b示出了益智類(lèi)型的放大器電路10的另一實(shí)施例，在該情況下其也具有單端輸出。
[0022]放大器電路10在此包括處于源跟隨器配置的MOS晶體管17(以PMOS型作為示例)，其使得其柵端子經(jīng)由去耦電容器14連接到第二輸入端子N2，其源端子在單輸出OUT上供應(yīng)輸出電壓Vout，并且其漏端子連接到參考接地電壓。
[0023]MOS晶體管17的源端子進(jìn)一步從電流發(fā)生器18接收偏置電流Ib，該電流發(fā)生器18被連接到處于供應(yīng)電壓Vm的線(xiàn)組。在該情況下，第二絕緣元件16將MOS晶體管17的柵端子耦合到參考接地。
[0024]—般地，單端電路配置呈現(xiàn)了一些缺點(diǎn)，其中對(duì)于干擾的任何共模分量的較弱抑制，該干擾例如與時(shí)變信號(hào)從電源噪聲或附近設(shè)備的串?dāng)_導(dǎo)出。
[0025]為了克服這些缺點(diǎn)，已經(jīng)提出的是利用定義為“假平衡”或“假差分”的配置來(lái)取代單端方案，其由圖3a和圖3b示出。
[0026]該方案設(shè)想放大器電路10包括虛擬電容器19，其由例如為金屬-氧化物-金屬(MOM)或金屬-絕緣體-金屬(ΜΠΟ的經(jīng)典類(lèi)型的電容器構(gòu)成，其具有電容Cdum，其標(biāo)稱(chēng)值基本上等于在待工中(即，沒(méi)有外部應(yīng)力)的感應(yīng)電容器12a的電容Cmic。
[0027]在該情況下，放大器電路10具有前面參照?qǐng)D2a和圖2b進(jìn)行描述的電路元件的準(zhǔn)確復(fù)制(復(fù)制的元件在圖3a和圖3b中以上撇號(hào)得以區(qū)分并且不再次進(jìn)行描述)，以用于在另一輸出OUT’上生成DC輸出電壓Vcmt—DUM，其被設(shè)計(jì)用來(lái)平衡輸出電壓Vcmt，因而使能排除共模干擾?；旧?，一起創(chuàng)建了兩個(gè)等效的電路路徑。
[0028]然而，該方案也并非沒(méi)有缺點(diǎn)。
[0029]特別地，考慮到感應(yīng)信號(hào)的貢獻(xiàn)僅在兩個(gè)電流路徑中的一個(gè)路徑上呈現(xiàn)，該一個(gè)路徑即從感應(yīng)電容器12a到輸出OUT的那個(gè)路徑(從而，放大器電路10的“假”差分性質(zhì))，在相同的輸出OUT上需要更大的電壓擺幅，忒恩施具有兩倍于全差分方案的值(其中擺幅的一半可能在輸出OUT上呈現(xiàn)并且處于相反相位的擺幅的另一半在另一輸出OUT’上)。
[0030]因而需要供應(yīng)電壓Vcc的更高的值，相繼增大功率消耗。
[0031]為了克服以上關(guān)于在放大器的輸出上的擺幅的問(wèn)題