專利名稱：用于低失真電容式信號源放大器的系統和方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體電路和方法，并且更加具體地涉及一種用于低失真電容式信號源的放大器。
背景技術：
通常在各種消費者應用諸如蜂窩電話、數字錄音機、個人計算機和電信會議系統中使用音頻麥克風。特別地，在大規模生產的成本敏感的應用中使用較低成本的駐極體電容麥克風(ECM)。ECM麥克風通常包括被安裝在具有聲音端口和電輸出端子的小型封裝中的駐極體材料薄膜。駐極體材料附著到膜片或者構成膜片自身。大多數ECM麥克風還包括能夠與在目標應用諸如蜂窩電話內的音頻前端放大器對接的前置放大器。另一種類型的麥克風是能夠作為壓力敏感膜片實現的微機電系統(MEMS)麥克風，其被直接地蝕刻到集成電路上。·環境聲壓水平跨越非常大的動態范圍。例如,人類聽力的閾值是大約OdBSPLJfS語言處于大約60dBSPL，而50m遠處的噴氣式飛機的聲音是大約140dBSPL。雖然麥克風諸如MEMS麥克風的膜片可以能夠承受高強度的聲信號并且忠實地將這些高強度聲信號轉換成電子信號，但是應對這種高電平信號引起某些困難。例如，用于聲學麥克風的很多放大器和前置放大器針對特定的動態范圍而被優化。這樣，這些系統可能不能夠在不添加顯著失真的情況下應對整個音頻范圍。

發明內容
根據一個實施例，一種方法包括放大由電容式信號源提供的信號以形成放大信號，檢測放大信號的峰值電壓，并且響應于檢測到峰值電壓而調節被耦合到電容式信號源的輸出的可控阻抗。可控阻抗被調節為與檢測的峰值電壓成反比的值。下面在附圖和說明中闡述了本發明的一個或者多個實施例的細節。根據說明和附圖并且根據權利要求，本發明的其它特征、目的和優點將是清楚的。


為了更加完整地理解本發明及其優點，現在對與附圖結合進行的以下說明進行參考，其中
圖la-b示意根據本發明的實施例的放大器集成電路(IC)；
圖2a_b示意使用可開關電容器衰減器的根據本發明的一個實施例的放大器概 圖3a_d示意使用可變電阻衰減器的根據本發明的一個實施例的放大器概圖和頻率響應線 圖4示意根據本發明的一個實施例的系統；
圖5a_c示意實施例過零點檢測器、峰值檢測器和兩相時鐘時序圖6a_b示意使用可變麥克風偏壓的根據本發明的一個實施例的放大器概圖；并且圖7a-d示意實施例麥克風偏壓電路的概圖和時序圖。
具體實施例方式下面詳細地討論了目前優選的實施例的實現和使用。然而，應該理解，本發明提供能夠在多種具體背景中體現的、很多可應用的創造性概念。所討論的具體實施例僅僅示意用于實現和使用本發明的具體方式，而非限制本發明的范圍。將關于在具體背景即用于電容式信號源諸如MEMS或者駐極體電容麥克風(ECM)的放大器中的實施例描述本發明。然而，本發明還可以被應用于其它類型的電路和系統，諸如音頻系統、通信系統、傳感器系統和與高阻抗信號源對接的其它系統。在一個實施例中,放大器通過自動地調節在放大器的輸入處的信號電平而維持電 容式信號源諸如麥克風的大動態范圍。在某些實施例中，通過調節被耦合到放大器的輸入的阻抗，控制輸入信號電平。例如，在一個實施例中，通過控制被耦合到放大器的輸入的電容來調節輸入電平。在另一實施例中，通過控制被耦合到放大器的輸入的電阻來調節輸入電平，這產生了一種可調節的高通網絡。可替代地，可以在放大器的輸入處使用其它阻抗類型。在進一步的實施例中，通過調節電容式傳感器的偏壓源來控制輸入電平，這調節電容式傳感器自身的聲電信號增益。在某些實施例中，使用峰值檢測器在放大器級的輸出處感測麥克風或者電容式傳感器信號電平。輸入信號的振幅然后得到調節，直至放大器級的輸出小于由峰值檢測器確定的峰值。在某些實施例中，當過零點檢測器檢測到輸入信號或者放大輸入信號的過零點時，輸入信號的振幅得到調節。圖Ia示意被配置為被耦合到MEMS麥克風102的實施例放大器集成電路(IC)IOO，MEMS麥克風102被以虛線示出以指示不必在IC 100上包括麥克風102。然而，在某些實施例中，還可以在IC 100上包括麥克風102。在可替代實施例中，可以替代MEMS麥克風102地使用其它麥克風類型諸如ECM麥克風或者其它類型的電容式傳感器電路。IC 100具有衰減器106、放大器108、峰值檢測器110、控制器112和偏壓發生器104。放大器108具有放大經由輸入焊盤114而被耦合到IC 100的MEMS麥克風102的輸出的一個或者多個級。在某些實施例中，可以例如如在2011年7月14日提交的、題目為 “System and Method for Capacitive Signal Source Amplifier” 的共同未決申請號13/183，193中描述地實現放大器108，該申請已經在這里通過引用而被以其整體并入。可替代地，可以根據在本領域中已知的技術實現放大器108。在一個實施例中，放大器108向輸出焊盤118輸出放大器麥克風信號。可替代地,放大器輸出信號未被I禹合到焊盤,而是被內部使用。例如，在某些實施例中，使用模擬數字(A/D)轉換器將輸出放大器108轉換到數字域中。峰值檢測器110檢測在放大器108的輸出處的峰值信號并且控制器112根據峰值檢測器Iio的輸出控制設置衰減器106。在某些實施例中，作為被耦合到放大器108的輸入的可變阻抗實現衰減器106。在一個實施例中，如下面將描述地，衰減器106是通過使用可開關電容器陣列實現的可變電容。在進一步的實施例中，如下面也將描述地，衰減器106是使用可開關電阻器實現的可變電阻。在某些實施例中，例如在使用MEMS麥克風的實施例中，偏壓發生器104在引腳116處提供用于麥克風102自身的偏置電壓。在某些實施例中，根據具體麥克風和系統實現，這個偏置電壓可以在大約3V和大約60V之間。可替代地，可以使用其它電壓范圍。在進一步的實施例中，如果麥克風或者傳感器102并不要求偏置電壓或者如果在別處提供所要求的偏置電壓，則可以省略偏壓發生器104。應該進一步理解，在可替代實施例中可以使用多于一個構件和/或多于一個IC實現在IC 100上的構件。圖Ib示意實施例IC 120，其中經由偏壓發生器122控制到放大器108的輸入信號。在一個實施例中，控制器124控制向MEMS麥克風102提供偏置電壓的偏壓發生器122。在某些實施例中，MEMS麥克風102的增益與所提供的偏置電壓成比例。通過響應于峰值檢測器110的輸出改變偏置電壓，可以實現通過改變在放大器108的輸入處的信號電平進行的增益控制。在一個實施例中，通過在麥克風或者傳感器放大器的輸入處提供可變電容，實現輸入信號的衰減。圖2a不意利用可變電容來衰減麥克風或者電容式傳感器的輸出的概念。電壓源Vmi。代表輸出電壓并且電容Ctl代表麥克風和/或電容式傳感器自身的串聯電容。應該理解，Vmi。和Ctl是麥克風或者電容式傳感器的簡化模型,麥克風或者電容式傳感器可以由 進一步的構件諸如寄生電容、電阻和電感建模。可變電容Cdamping代表可變阻尼電容，并且電壓ViMPLIPIHi代表到放大器的輸入電壓。在一個實施例中，電壓V
iAMPLIFIEE 能夠被表達為
Tjr
Pr—mic O
!AMPLF7ER ~
O^dwnpIng如能夠根據以上等式看到地，放大器輸入振幅ViAMPUFIEK隨著Cdamping增加而降低，因此可以作為Cdamping的函數控制放大器輸入振幅V
iAMPLIFIEE0圖2b示意根據本發明的一個實施例的IC 200。在某些實施例中，IC 200的構件可以被用于實現在圖Ia中示意的IC 100的功能性。這里，作為開關電容器陣列204實現衰減器。在一個實施例中，IC 200經由放大器輸入引腳244和偏壓引腳248與MEMS麥克風202或者其它類型的電容式傳感器對接。放大器206用作麥克風放大器并且在引腳246處產生輸出信號。在某些實施例中，放大器206具有差分輸出信號并且在一對引腳上產生差分輸出信號。在其它實施例中，放大器206的輸出是在芯片上使用的并且可以使用A/D轉換器(未示出)而被轉換到數字域中。到放大器206的輸入被由電壓源231和串聯電阻器233代表的偏壓發生器偏壓。在實施例中，可以使用在本領域中已知的偏壓技術實現這個偏壓發生器。放大器208執行放大器206的輸出的單端到差分轉換。通過將放大器206的單端輸出轉換成差分信號，所得到的信號變得對干擾諸如電源干擾更不敏感。在其中放大器206已經產生差分輸出信號的實施例中，可以省略放大器208。正峰值檢測器210和負峰值檢測器212分別地被放大器208的輸出260和262驅動。在一個實施例中，正和負峰值檢測器210和212在有限的時間段中例如在大約10μ8和大約Ims之間保持它們的峰值。可以使用如在圖5b中所示并且下面進一步討論的實現正和負峰值檢測器210和212。在可替代實施例中，正和負峰值檢測器210和212可以具有差分輸入而非單端輸入。過零點檢測器214被耦合到放大器206的輸出。在一個實施例中，過零點檢測器214的輸出被用于確保僅當檢測到過零點時才改變電容器陣列204的開關設置，由此在輸入衰減器設置的改變期間減小聲響失真。可替代地，過零點檢測器214的輸入可以被耦合到在信號鏈路中的其它地點，諸如單端到差分轉換器208的輸出。在本發明進一步的可替代實施例中，可以省略過零點檢測器214。差分比較器216比較正峰值檢測器210和負峰值檢測器212的輸出與固定閾值Vnmax和Vlmin。在一個實施例中，這些固定閾值被設置為對應于在大約IHdBSPL和大約118dBSPL之間的等效輸入壓力。這些閾值的絕對值依賴于麥克風敏感性、封裝特性、偏壓條件和其它因素。可替代地，可以使用對應于其它聲壓范圍的閾值。可以使用施密特觸發器實現比較器216，然而在可替代實施例中，可以使用其它比較器類型。在圖2b的所示意實施例中，使用差分實現方式實現比較器216，其中單端到差分轉換塊208的差分輸出被直接地與在正峰值檢測器210中存儲的最大正差分信號和在負峰值檢測器214中存儲的最大負差 分信號相比較。比較器216的輸出產生經由與(AND)門222與過零點檢測器的輸出進行與運算的峰值檢測信號264。應該理解，邏輯門222示意可以以在本領域中已知的各種方式實現的邏輯功能。代表在被檢測過零點處的檢測峰值的與門的輸出被耦合到向上/向下計數器224的輸入。在一個實施例中，檢測的峰值使向上/向下計數器224遞增并且檢測的峰值的缺失使向上/向下計數器224遞減。向上/向下計數器的遞減下降至限定的極限，該極限對應于其中無任何阻尼電容器被連接到輸入的情形。如果比較器216總是指示輸入信號低于閾值水平，則這得以實現。在某些實施例中，向下計數占用比向上計數更長的時間。在一個實施例中，向上計數和向下計數速率是可編程的。這些速率可以被選擇為處于不產生聲響偽跡(artifact)的范圍中。例如，在某些實施例中，該速率被選擇為處于大約50Hz和200Hz之間。可替代地，可以使用在這個范圍以外的其它速率。查找表(LUT)226被耦合到向上/向下計數器的輸出。在實施例中，LUT 226輸出二進制字，該二進制字由電容器陣列204中的解碼器(未示出)解碼以根據所期衰減來連接和斷開電容器。可替代地，LUT可以直接地輸出用于電容器陣列204的經解碼的開關狀態。在一個實施例中，由電壓源236、電阻器238和低通濾波器240代表的偏壓發生器234在引腳248上輸出用于麥克風202的偏置電壓。可以例如使用電荷泵和/或在本領域中已知的其它技術來實現偏壓發生器234。在一個實施例中，在電容器陣列204設置的改變期間，經由開關242繞過具有在mHz到Hz區域中的拐角頻率的低通濾波器。繞過低通濾波器240允許麥克風202的偏壓在改變電容器陣列204的設置之后快速地穩定下來。在一個實施例中，電容器陣列204包括經由根據數字控制信號256選擇的開關252被耦合到放大器206的輸入的電容器250。在一個實施例中，使用32個電容器。可替代地，可以根據應用及其規范使用更多或更少的電容器。電容器250可以布置在以二進制加權子陣列布置的成組單值電容器中，和/或可以各自地布置在具有相等值的電容器的陣列中并且使用溫度計編碼選擇進行選擇。可替代地，可以使用其它電容器布置方案和分組或其組
口 ο在一個實施例中，未被選擇為被耦合到放大器206的輸入的電容器被耦合到放大器228的輸出，其緩沖復制放大器206的輸入偏置電壓的偏壓電路。這個復制偏壓由與電阻器232串聯的電壓源230代表。在實施例中，以與由電壓源231和電阻器233建模的偏置電壓發生器類似的方式實現由電壓源230和電阻器232建模的偏置電壓發生器。圖5a示意可以被用于實現在圖2b和3c中的過零點檢測器214的實施例過零點電路500。到峰值檢測器500的輸入信號由與DC電壓源503串聯的AC電壓源501代表。低通濾波器502對輸入信號進行濾波，并且求和結點506從輸入信號的未濾波型式減去經低通濾波的輸入信號。在一個實施例中，低通濾波器502的拐角頻率范圍在大約ImHz和大約IOHz之間。可替代地，可以根據具體應用及其規范使用其它拐角頻率。低通濾波器502和506的組合用作濾掉dc偏置電壓以及低頻漂移的高通網絡。比較器504比較求和結點的輸出與地或者基準電壓。當Vsig改變極性時，信號Zdet相應地被激活。在實施例中，可以使用在本領域中已知的電路拓撲實現過零點檢測器。在某些實施例中，使用施密特觸發器實現比較器504。
圖5b示意可以被用于實現在圖2b和3c中的峰值檢測器210和212的實施例峰值檢測電路510。使用在相位φ I期間工作的開關512在電容器514上采樣輸入電壓Vin。放大器516的輸出緩沖在電容器514上采樣的電壓，經由開關518在電容器520上采樣。比較器522比較緩沖電壓516的輸出與在電容器520上的采樣電壓以提供峰值電壓V—。在相位Φ !期間對比較器522采樣并且當相位φ 2和比較器522輸出Vwtpeak兩者均工作時開關518工作。在實施例中，可以使用例如在本領域中已知的開關電容器電路技術實現電路510。圖5c示意非重疊相位φ I和V 2的實施例時序圖。在實施例中，可以使用在本領域中已知的技術產生相位Φ I和V 2。在一個實施例中，通過在麥克風或者傳感器放大器的輸入處提供可變電阻來實現輸入信號的衰減。圖3a不意利用可變電阻來衰減麥克風或者電容式傳感器的輸出的概念。電壓源Vmic代表輸出電壓并且電容Ctl代表麥克風和/或電容式傳感器自身的串聯電容。如上所指出地，應該理解，Vmic和Ctl是麥克風或者電容式傳感器的簡化模型并且可以包括其它構件諸如寄生電容。可變電阻器Ri代表可變電阻，并且電壓ViAMPUFIEK代表到放大器的輸入電壓。
AhifpT TpfpD lfc* J圖3b示意關于Ri的一系列振幅傳遞函數一·—Ti。較低的拐角頻率fu、
V O)
mic、,
fL2>fL3和fL4對應于用于可變電阻·器Ri的各種電阻·值，從而對于電阻Ri的降低，較低的拐角頻率存在相應的增加。在某些實施例中，例如在其中在較低的頻率中存在大量能量的音頻信號諸如語言信號中，通過調節較低的拐角頻率4，可以控制ViAMPUFIEK的峰值振幅。圖3c示意根據本發明的一個實施例的IC 300。除使用可變電阻302而非電容器陣列204來實現衰減器以外，IC 300類似于在圖2b中的IC 200。在一個實施例中，在放大器208的輸入處進入的高電平信號被可變電阻302衰減，這增加了信號被衰減所處的較低的拐角頻率。在例如在大約10μ8和大約100μ8之間的限定的時間量之后，高通拐角頻率再次移回至較低頻率。如果如由峰值檢測器210和212檢測地，在輸出焊盤處的輸出電壓擺動再次低于限定的電壓極限，則內部計數器再次改變并且初始輸入阻抗保持并且再次達到用于正常信號電平的標準配置。在一個實施例中，這個標準配置是在大約50GQ和大約5006Ω之間的阻抗。圖3d示意可以在圖3c的IC300中被用作可變電阻302的實施例可變電阻302的可能實現的概圖。電流源320向具有在NMOS晶體管332的柵極和漏極之間耦合的可開關電阻器322的電阻器陣列提供電流源，根據η位輸入控制字CTL接入和斷開NMOS晶體管332的各個電阻器。在某些實施例中，在輸入字CTL中的每一個各個位被與具體的可開關電阻器相關聯。可替代地，輸入控制字CTL可以使用解碼器(未示出)解碼。在一個實施例中，電阻器陣列可以進一步包括在NMOS晶體管332的柵極和漏極之間耦合的不可開關電阻器324。晶體管332的漏極進一步被耦合到輸出NMOS晶體管334的柵極，輸出NMOS晶體管334的漏極被耦合到圖3c所示放大器208的輸入。在一個實施例中，晶體管334在子閾值區域中被偏壓。在操作期間，當在晶體管332的漏極和電流源320之間的電阻減小時，晶體管332的柵極-源極電壓增加，這引起晶體管334的gds增加。這導致在放大器208 (圖3c)的輸入處的較低阻抗以及將較低的拐角頻率移位至較高的頻率，由此引起在放大器208的輸入處的信號的衰減增加。圖6a示意集成電路600，其中通過在節點248處調節麥克風偏置電壓而調節麥克風202的輸出電平。正和負峰值檢測器210和212如在以上實施例中描述地操作。向上/ 向下計數器的輸出被饋送到在偏置電壓調節塊602中的DAC 604的輸入中。輸入/輸出軌到軌緩沖器606基于DAC 604的輸出向電荷泵608提供基準電壓。電荷泵芯608進一步被時鐘發生器610時控。在一個實施例中，電荷泵芯的輸出被放電電阻器612加載并且被低通濾波器240濾波。在某些實施例中，在引腳248處的偏置電壓在操作期間不斷地得到調節。當電壓設置改變時和/或在啟動期間，繞過低通濾波器240的開關242可以被激活。在一個實施例中，可以使用被軌到軌緩沖器606緩沖的R-2R階梯來實現DAC 604以產生如在圖6b中所示的VDA。。開關620的狀態由到DAC 604的數字輸入確定。在某些實施例中，DAC 604是具有32或者64個輸出電平的5位或者6位DAC ;然而，可以使用其它分辨率。在可替代實施例中，可以使用在本領域中已知的DAC體系。圖7a_7d示意可以被用于實現圖2a和3c所示的電壓源236以及圖6a所示的電荷泵芯608和時鐘發生器610的實施例偏壓電路。圖7a示意被用于提供在大約3V和大約60V之間的升高電壓的MEMS偏壓電路700的頂層概圖。可替代地，根據所使用的具體MEMS麥克風和/或電容式傳感器，在這個范圍以外的電壓也是可能的。在一個實施例中，使用Dickson電荷泵結構來提供升高的輸出電壓VBIAS。電荷泵由被耦合到功能二極管塊704、706、708、710和712的電容器740、742、744、746和748形成。在一個實施例中，使用九個功能二極管塊。可替代地，根據所要求的升高電壓，可以使用任何數目的功能二極管塊。在一個實施例中，基準電壓VREF被放大器702緩沖并且被饋送到第一功能二極管704中。在某些實施例中，放大器702對應于針對于使用可調節麥克風偏置電壓的增益控制的、在圖6a和6b中的輸入/輸出軌到軌緩沖器606。時鐘發生器716提供驅動電容器740、742、744、746和748和功能二極管塊704、706、708、710和712的時鐘信號QU Q1N、Q2、Q2N、Q3和Q3N。最后的功能二極管塊712的輸出被耦合到電容器750和低通濾波器714。圖7b示意具有PMOS器件722、724和726和輸入耦合電容器728和730的實施例功能二極管塊720。PMOS器件722是將功能二極管720的輸入IN耦合到功能二極管720的輸出OUT的傳輸晶體管。交叉耦合的晶體管724和726和輸入耦合電容器728、730提供在功能二極管在此期間處于非傳導狀態中的時間上切斷晶體管722的升高時鐘。通過使用電路720，可以避免由于晶體管722的閾值電壓引起的低效性。在可替代實施例中，替代功能二極管720，可以使用pn結二極管、二極管連接的晶體管或者其它適當的器件。圖7c 示意為電容器 740、740、742、744、746 和 748 和功能二極管 704、706、708、710和712提供相控時鐘的實施例時鐘發生器716的概圖。圖7d示意時鐘發生器716的時序圖。在一個實施例中，驅動電容器740、740、742、744、746和748的時鐘信號Ql和QlN具有最寬的脈沖寬度，驅動某些功能二極管的時鐘信號Q2和Q2N具有較窄的脈沖寬度，并且驅動其余功能二極管的時鐘信號Q3和Q3具有最窄的脈沖寬度。在一個實施例中，Q2關于Ql的上升沿、Ql關于Q2的下降沿、Q3關于Q2的上升沿和Q2關于Q3的下降沿被延遲了 Tnovl。通過使用實施例時鐘相控方案諸如在圖7d中示意的方案，功能二極管704、706、708、710和712在驅動電容器740、740、742、744、746和748的信號改變狀態之前處于穩定。在可替代實施例中，可以使用其它時鐘相位關系。·
圖4示意使用本發明的實施例的系統400。根據在這里描述的本發明的實施例，電容式傳感器402被耦合到具有放大器406的集成電路404。在一個實施例中，放大器406被耦合到A/D轉換器410。在某些實施例中，作為音頻Σ -A(sigma-delta)轉換器實現A/D轉換器。在其它實施例中，A/D轉換器能夠是例如適合于傳感器應用的低頻A/D。在實施例中，A/D轉換器的輸出被耦合到處理器412以執行有用的功能。可由系統400實現的可能應用的實例包括但是不限于電話系統、數字錄音器和遠程感測系統。在某些實施例中，例如電容式傳感器402能夠是MEMS麥克風或者其它電容式傳感器諸如電容性壓力傳感器、ECM或者另一種類型的浮動電容式信號源。在可替代實施例中，能夠在集成電路404上包括電容式傳感器402。而且，A/D轉換器410和/或處理器412能夠從集成電路404分開地定位。在某些實施例中，可以使用單一集成電路或者使用多個集成電路來實現集成電路404的功能性。在一個實施例中，一種方法包括放大由電容式信號源提供的信號以形成放大信號，檢測放大信號的峰值電壓，并且響應于檢測到峰值電壓而調節被耦合到電容式信號源的輸出的可控阻抗。可控阻抗被調節為與檢測的峰值電壓成反比的值。在一個實施例中，該方法可以進一步包括比較檢測的峰值電壓與預定閾值，并且調節可控阻抗可以包括如果檢測的峰值電壓超過預定閾值則降低可控阻抗，并且如果檢測的峰值電壓并不超過預定閾值則增加可控阻抗。在某些實施例中，降低可控阻抗包括以第一速率降低可控阻抗，并且增加可控阻抗包括以第二速率增加可控阻抗。在某些情形中，第一速率大于第二速率和/或增加可控阻抗包括以多個步長將可控阻抗增加上至最大值。在一個實施例中，調節可控阻抗包括調節被耦合到電容式信號源的輸出的電容。調節電容還可以包括通過將電容器耦合到電容式信號源的輸出和從其解耦而調節電容器陣列的電容。調節可控阻抗還可以包括調節被耦合到電容式信號源的輸出的可控電阻。在一個實施例中，該方法還包括檢測由電容式信號源提供的信號的過零點，并且調節可控阻抗包括當檢測到過零點時調節可控阻抗。電容式信號源可以包括MEMS麥克風，并且可調節阻抗可以受到控制，從而對于到MEMS麥克風的HOdBSPL聲輸入，放大信號的總諧波失真小于10%。在某些實施例中，該方法包括對MEMS麥克風進行偏壓。在一個實施例中，一種方法包括放大由電容式信號源提供的信號以形成放大信號，檢測放大信號的峰值電壓，并且響應于檢測到峰值電壓而調節電容式信號源的可控偏置電壓。電容式信號源的偏置電壓被調節為與檢測的峰值電壓成反比的值。在某些實施例中，電容式信號源可以是MEMS麥克風，并且可控偏壓受到控制從而對于到MEMS麥克風的140dBSPL聲輸入，放大信號的總諧波失真小于10%。在一個實施例中，一種用于放大由電容式信號源提供的信號的系統包括包括被配置為被耦合到電容式信號源的輸入節點的信號放大器；被耦合到信號放大器的輸入節點的可控衰減電路，該可控衰減電路被配置為在信號放大器的輸入節點處提供可控輸入阻抗。該系統還包括被耦合到信號放大器的輸出的信號檢測電路，該信號檢測電路被配置為檢測在信號放大器的輸出處的峰值信號值；和在信號檢測電路和可控衰減電路之間耦合的控制電路，該控制電路被配置為響應于檢測到的峰值信號值的變化而調節可控衰減電路。在某些實施例中，信號檢測電路被配置為檢測正峰值信號值和負峰值信號值。在一個實施例中，該信號檢測電路進一步被配置為檢測在信號放大器的輸出處的信號的過零點，并且該控制電路進一步被配置為當信號檢測電路檢測到過零點時調節可控 衰減電路。在某些實施例中，該控制電路進一步被配置為命令可控衰減電路如果信號檢測電路檢測到大于閾值的峰值信號電平，則降低輸入阻抗，并且如果信號檢測電路沒有檢測到大于閾值的峰值信號電平，則以幾個步長將輸入阻抗增加上至最大值。控制電路可以命令可控衰減電路以第一速率降低輸入阻抗并且以第二速率增加輸入阻抗。在一個實施例中，第一速率大于第二速率。在一個實施例中，可控衰減電路可以包括被耦合到信號放大器的輸入節點的可選擇電容器陣列，并且還可以包括被耦合到信號放大器的輸入節點的可調節電阻。在某些實施例中，電容式信號源是MEMS麥克風。在一個實施例中，一種用于放大由電容式信號源提供的信號的系統包括包括被配置為被耦合到電容式信號源的輸入節點的信號放大器；被配置為被耦合到電容式信號源的偏壓節點的可控偏壓電路；被耦合到信號放大器的輸出的信號檢測電路；和在信號檢測電路和可控偏壓電路之間耦合的控制電路。該可控偏壓電路被配置為向電容式信號源提供可控偏置電壓，該信號檢測電路被配置為檢測在信號放大器的輸出處的峰值信號值，并且該控制電路被配置為響應于檢測到的峰值信號值的變化而調節可控偏壓電路。 在某些實施例中，該控制電路進一步被配置為命令可控偏壓電路如果信號檢測電路檢測到大于閾值的峰值信號電平，則降低可控偏置電壓；并且如果信號檢測電路沒有檢測到大于閾值的峰值信號電平，則增加可控偏置電壓。控制電路可以命令可控偏壓電路以第一速率降低可控偏置電壓并且以第二速率增加可控偏置電壓，其中第一速率大于第二速率。在一個實施例中，可控偏壓電路包括被耦合到控制電路的輸出的數字模擬轉換器(DAC)、被耦合到DAC的輸出的電荷泵電路和在電荷泵電路和可控偏壓電路的輸出之間耦合的低通濾波器。該電容式信號源可以包括MEMS麥克風。在一個實施例中，一種用于放大由電容式信號源提供的信號的集成電路包括具有被配置為被耦合到電容式信號源的輸入節點的信號放大器和被耦合到信號放大器的輸入節點的可控衰減電路、被耦合到信號放大器的輸出的峰值檢測器、和被耦合到峰值檢測器的輸出和信號放大器的輸出的比較器。該比較器可以被配置為比較峰值檢測器的輸出與閾值。該集成電路還包括在比較器的輸出和可控衰減電路的控制輸入之間耦合的控制電路。在一個實施例中，該控制電路包括被耦合到比較器的輸出的計數器和被耦合到計數器的輸出的查找表電路。該控制電路可以被配置為如果峰值檢測器的輸出超過閾值則遞增并且如果峰值檢測器的輸出并不超過閾值則遞減。在一個實施例中，該集成電路進一步包括在信號放大器和峰值檢測器之間耦合的單端到差分轉換電路。該峰值檢測器包括正峰值檢測器和負峰值檢測器，并且該比較器包括被配置為比較正峰值檢測器的輸出與正閾值和比較負峰值檢測器的輸出與負閾值的差分比較器。該集成電路還可以包括被耦合到信號放大器的輸出的過零點檢測器。該控制電路被配置為當過零點檢測器檢測到過零點時調節可控衰減電路。
在一個實施例中，該可控衰減電路包括多個電容器和在該多個電容器和信號放大器的輸入之間耦合的多個開關，其中該多個開關能夠由控制電路控制。在某些實施例中，該可控衰減電路包括可控電阻器。這個可控電阻器可以包括在信號放大器的輸入和基準電壓之間耦合的第一晶體管、具有被耦合到第一晶體管的柵極的漏極的第二晶體管、和在第二晶體管的柵極和第二晶體管的漏極之間耦合的多個可開關電阻器、和被耦合到第二晶體管的柵極的電流源。在一個實施例中，該多個可開關電阻器能夠由控制電路控制。實施例系統的一個優點包括處理高聲輸入信號而不在系統中引入高非線性的能力。例如，在一個實施例中可以在HOdBSPL的聲輸入電平下對于MEMS麥克風實現小于10%的總諧波失真(THD)。雖然已經參考示意性實施例描述了本發明，但是該說明并非旨在于在限制性的意義上理解。在參考說明時，對于本領域技術人員而言，示意性實施例的各種修改和組合以及本發明的其它實施例將是明顯的。因此旨在所附權利要求涵蓋任何的這種修改或者實施例。
權利要求
1.一種方法，包括 放大由電容式信號源提供的信號以形成放大信號； 檢測所述放大信號的峰值電壓；和 響應于檢測到所述峰值電壓，調節被耦合到所述電容式信號源的輸出的可控阻抗，所述可控阻抗被調節為與檢測的峰值電壓成反比的值。
2.根據權利要求I所述的方法，進一步包括 比較所述檢測的峰值電壓與預定閾值；并且 調節所述可控阻抗包括如果所述檢測的峰值電壓超過所述預定閾值，則降低所述可控阻抗，如果檢測的峰值電壓并不超過所述預定閾值，則增加所述可控阻抗。
3.根據權利要求2所述的方法，其中 降低所述可控阻抗包括以第一速率降低所述可控阻抗；并且 增加所述可控阻抗包括以第二速率增加所述可控阻抗。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述第一速率大于所述第二速率。
5.根據權利要求I所述的方法，其中增加所述可控阻抗包括以多個步長將所述可控阻抗增加上至最大值。
6.根據權利要求I所述的方法，其中調節所述可控阻抗包括調節被耦合到所述電容式信號源的所述輸出的電容。
7.根據權利要求6所述的方法，其中調節所述電容包括調節電容器陣列的電容，調節電容器陣列的所述電容將電容器耦合到所述電容式信號源的所述輸出和從所述電容式信號源的所述輸出解耦。
8.根據權利要求I所述的方法，其中調節所述可控阻抗包括調節被耦合到所述電容式信號源的所述輸出的可控電阻。
9.根據權利要求I所述的方法，進一步包括 檢測由所述電容式信號源提供的信號的過零點；并且 調節所述可控阻抗包括當檢測到過零點時調節所述可控阻抗。
10.根據權利要求I所述的方法，其中 所述電容式信號源包括MEMS麥克風；并且 所述可調節阻抗受到控制，從而對于到所述MEMS麥克風的HOdBSPL聲輸入，所述放大信號的總諧波失真小于10%。
11.根據權利要求I所述的方法，其中 所述電容式信號源包括MEMS麥克風；并且 所述方法進一步包括對所述MEMS麥克風進行偏壓。
12.—種方法,包括 放大由電容式信號源提供的信號以形成放大信號； 檢測所述放大信號的峰值電壓；和 響應于檢測到所述峰值電壓，調節所述電容式信號源的可控偏置電壓，所述電容式信號源的偏置電壓被調節為與檢測的峰值電壓成反比的值。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述電容式信號源包括MEMS麥克風；并且 所述可控偏壓受到控制，從而對于到所述MEMS麥克風的HOdBSPL聲輸入，所述放大信號的總諧波失真小于10%。
14.一種用于放大由電容式信號源提供的信號的系統，所述系統包括 包括被配置為被耦合到所述電容式信號源的輸入節點的信號放大器； 被耦合到所述信號放大器的所述輸入節點的可控衰減電路，所述可控衰減電路被配置為在所述信號放大器的所述輸入節點處提供可控輸入阻抗； 被耦合到所述信號放大器的輸出的信號檢測電路，所述信號檢測電路被配置為檢測在所述信號放大器的所述輸出處的峰值信號值；和 在所述信號檢測電路和所述可控衰減電路之間耦合的控制電路，所述控制電路被配置為響應于檢測到的峰值信號值的變化而調節所述可控衰減電路。
15.根據權利要求14所述的系統，其中所述信號檢測電路被配置為檢測正峰值信號值和負峰值信號值。
16.根據權利要求14所述的系統，其中 所述信號檢測電路進一步被配置為檢測在所述信號放大器的所述輸出處的信號的過零點；并且 所述控制電路進一步被配置為當所述信號檢測電路檢測到過零點時調節所述可控衰減電路。
17.根據權利要求14所述的系統，其中所述控制電路進一步被配置為命令所述可控衰減電路如果所述信號檢測電路檢測到大于閾值的峰值信號電平，則降低所述輸入阻抗；并且如果所述信號檢測電路沒有檢測到大于所述閾值的峰值信號電平，則以幾個步長將所述輸入阻抗增加上至最大值。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述控制電路命令所述可控衰減電路以第一速率降低所述輸入阻抗并且以第二速率增加所述輸入阻抗。
19.根據權利要求18所述的系統，其中所述第一速率大于所述第二速率。
20.根據權利要求14所述的系統，其中所述可控衰減電路包括被耦合到所述信號放大器的所述輸入節點的可選擇電容器陣列。
21.根據權利要求14所述的系統，其中所述可控衰減電路包括被耦合到所述信號放大器的所述輸入節點的可調節電阻。
22.根據權利要求14所述的系統，其中所述電容式信號源包括MEMS麥克風。
23.一種用于放大由電容式信號源提供的信號的系統，所述系統包括 包括被配置為被耦合到所述電容式信號源的輸入節點的信號放大器； 被配置為被耦合到所述電容式信號源的偏壓節點的可控偏壓電路，所述可控偏壓電路被配置為向所述電容式信號源提供可控偏置電壓； 被耦合到所述信號放大器的輸出的信號檢測電路，所述信號檢測電路被配置為檢測在所述信號放大器的所述輸出處的峰值信號值；和 在所述信號檢測電路和所述可控偏壓電路之間耦合的控制電路，所述控制電路被配置為響應于檢測到的峰值信號值的變化而調節所述可控偏壓電路。
24.根據權利要求23所述的系統，其中所述控制電路進一步被配置為命令所述可控偏壓電路如果所述信號檢測電路檢測到大于閾值的峰值信號電平，則降低可控偏置電壓；并且如果所述信號檢測電路沒有檢測到大于閾值的峰值信號電平，則增加所述可控偏置電壓。
25.根據權利要求24所述的系統，其中所述控制電路命令所述可控偏壓電路以第一速率降低所述可控偏置電壓并且以第二速率增加所述可控偏置電壓，其中所述第一速率大于所述第二速率。
26.根據權利要求23所述的系統，其中所述可控偏壓電路包括 被耦合到所述控制電路的輸出的數字模擬轉換器(DAC);和 被耦合到所述DAC的輸出的電荷泵電路； 在所述電荷泵電路和所述可控偏壓電路的輸出之間耦合的低通濾波器。
27.根據權利要求27所述的系統，其中所述電容式信號源包括MEMS麥克風。
28.一種用于放大由電容式信號源提供的信號的集成電路，所述集成電路包括 包括被配置為被耦合到所述電容式信號源的輸入節點的信號放大器； 被耦合到所述信號放大器的所述輸入節點的可控衰減電路； 被耦合到所述信號放大器的輸出的峰值檢測器； 被耦合到所述峰值檢測器的輸出和所述信號放大器的所述輸出的比較器，所述比較器被配置為比較所述峰值檢測器的輸出與閾值；和 在所述比較器的輸出和所述可控衰減電路的控制輸入之間耦合的控制電路。
29.根據權利要求28所述的集成電路，其中所述控制電路包括 被耦合到所述比較器的所述輸出的計數器，所述計數器被配置為如果所述峰值檢測器的輸出超過閾值則遞增并且如果所述峰值檢測器的輸出并不超過閾值則遞減；和被耦合到所述計數器的所述輸出的查找表電路。
30.根據權利要求28所述的集成電路，其中 所述集成電路進一步包括在所述信號放大器和所述峰值檢測器之間耦合的單端到差分轉換電路； 所述峰值檢測器包括正峰值檢測器和負峰值檢測器；并且 所述比較器包括被配置為比較所述正峰值檢測器的輸出與正閾值和比較所述負峰值檢測器的輸出與負閾值的差分比較器。
31.根據權利要求28所述的集成電路，進一步包括被耦合到所述信號放大器的所述輸出的過零點檢測器，其中所述控制電路被配置為當所述過零點檢測器檢測到過零點時調節所述可控衰減電路。
32.根據權利要求28所述的集成電路，其中所述可控衰減電路包括 多個電容器；和 在所述多個電容器和所述信號放大器的所述輸入之間耦合的多個開關，所述多個開關能夠由所述控制電路控制。
33.根據權利要求28所述的集成電路，其中所述可控衰減電路包括可控電阻器。
34.根據權利要求33所述的集成電路，其中所述可控電阻器包括 在所述信號放大器的所述輸入和基準電壓之間耦合的第一晶體管； 具有被耦合到所述第一晶體管的柵極的漏極的第二晶體管；在所述第二晶體管的柵極和所述第二晶體管的漏極之間耦合的多個可開關電阻器，所述多個可開關電阻器能夠由所述控制電路控制；和被耦合到所述第二晶體管的所 述柵極的電流源。
全文摘要
本發明涉及用于低失真電容式信號源放大器的系統和方法。根據一個實施例，一種方法包括放大由電容式信號源提供的信號以形成放大信號，檢測放大信號的峰值電壓，并且響應于檢測到峰值電壓而調節被耦合到電容式信號源的輸出的可控阻抗。可控阻抗被調節為與檢測的峰值電壓成反比的值。
文檔編號H03F3/45GK102957388SQ20121030458
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月24日 優先權日2011年8月25日
發明者J.L.塞巴洛斯, M.克羅普菲奇 申請人:英飛凌科技股份有限公司