用于可編程增益放大器的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于可編程增益放大器的系統(tǒng)和方法。根據(jù)實施例，一種系統(tǒng)包括具有與第一電容器并聯(lián)耦合的可切換反饋電容器的可編程增益放大器和控制器?？刂破髋渲脼樵诘谝辉鲆嬖O(shè)置中將反饋電容器耦合在可編程增益放大器的輸入節(jié)點和可編程增益放大器的輸出節(jié)點之間，以及當(dāng)從第一增益設(shè)置轉(zhuǎn)移到第二增益設(shè)置時，將反饋電容器的第一端子從可編程增益放大器的輸出切換到參考節(jié)點，同時反饋電容器的第二端子在第一時間段內(nèi)仍然耦合到可編程增益放大器的輸入節(jié)點。
【專利說明】用于可編程增益放大器的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體電路和方法，更具體地涉及用于可編程增益放大器的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]音頻擴(kuò)音器常常用于各種消費應(yīng)用中，例如移動電話、數(shù)字錄音機(jī)、個人計算機(jī)和電話會議系統(tǒng)。特別是，成本更低的駐極體電容擴(kuò)音器(ECM)用于批量生產(chǎn)的成本敏感的應(yīng)用中。ECM擴(kuò)音器通常包括駐極體材料的膜，該膜安裝在具有聲音端口和電氣輸出端子的小封裝中。該駐極體材料被粘著到膜片或構(gòu)成膜片本身。大多數(shù)ECM擴(kuò)音器還包括前置放大器，該前置放大器可以與目標(biāo)應(yīng)用(例如移動電話)內(nèi)的音頻前端放大器對接。另一種類型的擴(kuò)音器是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)擴(kuò)音器，其可以被實現(xiàn)為壓敏膜片，被直接蝕刻到集成電路上。
[0003]環(huán)境聲壓級跨越非常大的動態(tài)范圍。例如，人類聽覺的閾值在大約OdB SPL，會話語音是在大約60dB SPL，而50m遠(yuǎn)的噴氣式飛機(jī)的聲音是大約140dB SPL。盡管擴(kuò)音器(例如MEMS擴(kuò)音器)的膜片可能能夠承受高強(qiáng)度聲信號并如實地把這些高強(qiáng)度聲信號轉(zhuǎn)換成電子信號，但是處理這樣的高級別信號帶來了一些困難。例如，許多用于聲學(xué)擴(kuò)音器的放大器和前置放大器針對特定的動態(tài)范圍被優(yōu)化。因此，這些系統(tǒng)在不增加顯著的失真的情況下可能不能處理完整的音頻范圍。然而，由于擴(kuò)音器的非常高的輸出阻抗，MEMS擴(kuò)音器或傳感器與電氣系統(tǒng)的對接帶來許多困難。例如，由前置放大器加載可能潛在地減弱了擴(kuò)音器的輸出信號，并且由于差的電源抑制比(PSRR)，MEMS擴(kuò)音器的高電阻性質(zhì)使它容易受到EMI干擾和電源干擾。因此，對接電容性信號源的放大器，例如MEMS擴(kuò)音器，具有通常使用具有電容性反饋的放大器實現(xiàn)的高阻抗輸入級。當(dāng)例如通過接入和斷開不同值的反饋電容器將這種放大器配置成具有可編程增益時，放大器的操作點中的擾動及其相關(guān)聯(lián)的電容器可能會引起信號中的失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)一個實施例，一種系統(tǒng)包括具有與第一電容器并聯(lián)耦合的可切換反饋電容器的可編程增益放大器和控制器?？刂破鞅慌渲贸稍诘谝辉鲆嬖O(shè)置中將反饋電容器耦合在可編程增益放大器的輸入節(jié)點和可編程增益放大器的輸出節(jié)點之間，并且在從第一增益設(shè)置轉(zhuǎn)換到第二增益設(shè)置時，在第一時間周期將反饋電容器的第一端子從可編程增益放大器的輸出切換至參考節(jié)點，而反饋電容器的第二端子仍然耦合到可編程增益放大器的輸入節(jié)點。
[0005]本發(fā)明的一個或多個實施例的細(xì)節(jié)在附圖和下面的描述中被闡明。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點將由該描述和附圖以及由權(quán)利要求而變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】[0006]為更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參考下面結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，在附圖中:
[0007]圖1a-C示出了傳統(tǒng)的電容性放大器和對應(yīng)的波形圖；
[0008]圖2a_2f示出了實施例可編程增益放大器和對應(yīng)的波形圖；
[0009]圖3a_c示出了另一個實施例可編程增益放大器和對應(yīng)的時序圖；
[0010]圖4示出了具有多個可切換反饋電容器的實施例可編程增益放大器；
[0011]圖5a_b示出了具有電平移位輸出的實施例可編程增益放大器；
[0012]圖6示出了具有可調(diào)整輸入電容器的實施例可編程增益放大器；
[0013]圖7示出了實施例反饋電阻器的有源實施方式；
[0014]圖8示出了并入了實施例可編程增益放大器的集成電路；和
[0015]圖9示出了實施例方法。
[0016]除非另有指示，在不同的圖中的相應(yīng)的數(shù)字和符號通常指的是相應(yīng)的部分。繪制這些圖用于清楚地說明優(yōu)選實施例的相關(guān)方面，并且這些圖不一定是按比例繪制的。為了更清楚地說明某些實施例，指示相同結(jié)構(gòu)、材料、或工藝步驟的變化的字母可跟在圖號后。
【具體實施方式】
[0017]目前優(yōu)選的實施 例的制作和使用在下面被詳細(xì)討論。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明提供了許多適用的創(chuàng)造性概念，其可以在很多種特定的情形中被具體實施。討論的特定實施例僅僅是說明制作和使用本發(fā)明的特定方式，并且不限制本發(fā)明的范圍。
[0018]將關(guān)于在特定情形中的實施例(即可編程增益放大器)來描述本發(fā)明。本發(fā)明的實施例并不局限于可編程增益放大器，并且也可以被應(yīng)用于其他電路結(jié)構(gòu)，例如開關(guān)電容器電路，可變增益放大器，傳感器電路，音頻放大器，以及其他類型的電路。
[0019]在本發(fā)明的一個實施例中，通過將可切換反饋電容器的一個端子從放大器的輸出切換至參考節(jié)點而可切換反饋電容器的第二端子仍然耦合到放大器的輸入來改變可編程增益放大器的增益，從而從可切換反饋電容器轉(zhuǎn)移電荷至耦合在放大器的輸入和放大器的輸出之間的剩余電容器。在一些實施例中，這種電荷轉(zhuǎn)移減少了當(dāng)增益設(shè)置改變時輸出信號中的直流錯誤。
[0020]在一個實施例中，通過改變在系統(tǒng)的較后級中的增益補償在系統(tǒng)前端的可編程增益放大器處的增益改變來利用擴(kuò)音器的高動態(tài)范圍。例如，在系統(tǒng)前端中的大增益也可被應(yīng)用于小振幅擴(kuò)音器信號，所述小振幅擴(kuò)音器信號稍后以低增益或衰減來補償；或在前端中的小增益或衰減可被應(yīng)用于大振幅擴(kuò)音器信號，所述大振幅擴(kuò)音器信號稍后以較后級中的較大增益來補償。信號路徑的凈效應(yīng)是明顯的恒定增益。在一些實施例中，在增益設(shè)置邊界的不連續(xù)性可通過在信號處理的稍后狀態(tài)應(yīng)用相應(yīng)的增益調(diào)整來補償。
[0021]圖1a示出了傳統(tǒng)的放大系統(tǒng)100，其可用來放大電壓源104的輸出。系統(tǒng)100包括放大器102，輸入電容器Cl和反饋電容器C2。在低頻的電壓傳遞函數(shù)可以被表示為:
Vbut Cl
[0022]A --=—
Fm C2


O
[0023]在上面的等式中，假定信號源的電容比輸入電容器Cl的電容大得多。
[0024]電容性放大器的增益可以通過調(diào)整Cl或C2的電容而被調(diào)整。圖1b示出了傳統(tǒng)的可編程增益電容性放大器110，其中電容器C3可通過開關(guān)S與放大器110連接和斷開。例如，當(dāng)開關(guān)S是打開的時，放大器110的電壓增益是大約
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 包括與第一電容器并聯(lián)耦合的可切換反饋電容器的可編程增益放大器；以及 控制器，其被配置為 在第一增益設(shè)置中將反饋電容器耦合在可編程增益放大器的輸入節(jié)點和可編程增益放大器的輸出節(jié)點之間，以及 當(dāng)從第一增益設(shè)置轉(zhuǎn) 移到第二增益設(shè)置時，將反饋電容器的第一端子從可編程增益放大器的輸出切換到參考節(jié)點，同時反饋電容器的第二端子在第一時間段內(nèi)仍然耦合到可編程增益放大器的輸入節(jié)點。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中控制器進(jìn)一步配置為在第一時間段之后，將反饋電容器的第一端子耦合到參考節(jié)點。
3.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中可編程增益放大器的輸出處的電壓的直流分量在第一增益設(shè)置和第二增益設(shè)置之間保持基本上恒定。
4.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦合到可編程增益放大器的輸出的另一可編程增益模塊，該另一可編程增益模塊配置為應(yīng)用另一增益設(shè)置，該另一增益設(shè)置補償?shù)谝辉鲆嬖O(shè)置和第二增益設(shè)置之間的增益差。
5.如權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中: 該另一可編程增益模塊包括數(shù)字增益模塊；以及 該控制器進(jìn)一步配置為: 測量耦合到可編程增益放大器的模擬信號的振幅， 根據(jù)第一增益函數(shù)調(diào)整可編程增益放大器的第一增益，以及 根據(jù)第二增益函數(shù)調(diào)整數(shù)字增益模塊的第二增益。
6.如權(quán)利要求1的系統(tǒng),進(jìn)一步包括: 耦合到可編程增益放大器的輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；以及 耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出的數(shù)字增益模塊，該數(shù)字增益模塊配置為補償?shù)谝缓偷诙鲆嬖O(shè)置之間的增益差。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦合到數(shù)字增益模塊的輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
8.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦合在可編程增益放大器的輸入節(jié)點和系統(tǒng)輸入端子之間的輸入電容器。
9.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦合到可編程增益放大器的輸入節(jié)點的電容性信號源。
10.如權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中電容性信號源包括MEMS擴(kuò)音器。
11.一種電路,包括: 放大器； 率禹合在放大器的輸入和放大器的輸出之間的第一電容器； 第二電容器；以及 控制器，其被配置為: 通過將第二電容器的第一端子耦合到放大器的輸入并且將第二電容器的第二端子耦合到放大器的輸出來在第一增益模式中操作電路，以及 通過在第一時間段內(nèi)將第二電容器的第二端子耦合到參考節(jié)點、同時第二電容器的第一端子仍然耦合到放大器的輸入來將電路從第一增益模式切換到第二增益模式。
12.如權(quán)利要求11的電路，其中控制器進(jìn)一步配置為在第一時間段之后將第二電容器的第一端子耦合到參考節(jié)點。
13.如權(quán)利要求11的電路，其中參考節(jié)點包括地節(jié)點。
14.如權(quán)利要求11的電路，其中參考節(jié)點耦合到參考電壓發(fā)生器。
15.如權(quán)利要求11的電路，進(jìn)一步包括第三電容器，其中控制器進(jìn)一步配置為通過將第三電容器的第一端子耦合到放大器的輸入并且將第三電容器的第二端子耦合到放大器的輸出來在第三增益模式中操作電路，以及 通過在第一時間段將第三電容器的第二端子耦合到參考節(jié)點同時第三電容器的第一端子仍然耦合到放大器的輸入來將電路從第三增益模式切換到第二增益模式。
16.如權(quán)利要求11的電路，進(jìn)一步包括電阻，其具有耦合到放大器的輸入的第一端子和耦合到放大器的輸出的第二端子。
17.如權(quán)利要求16的電路，其中電阻包括: 具有耦合到電阻的第一端子的第一輸入的第一緩沖器； 具有耦合到電阻的第二端子的第二輸入的第二緩沖器； 串聯(lián)耦合在第一緩沖器的輸出和第二緩沖器的輸出之間的電阻器；以及串聯(lián)耦合在晶體管的第一端子和第二端子之間的晶體管，所述晶體管包括耦合到電阻器的控制節(jié)點。
18.如權(quán)利要求11的電路，其`中放大器包括具有耦合到放大器的輸出的輸出節(jié)點的晶體管。
19.如權(quán)利要求18的電路，其中晶體管包括MOS晶體管。
20.如權(quán)利要求18的電路，進(jìn)一步包括: 第一電平移位器，具有耦合到晶體管的輸出節(jié)點的第一端子；以及 電阻，耦合在晶體管的輸入端子和電平移位器的第二端子之間。
21.如權(quán)利要求20的電路，進(jìn)一步包括耦合到參考節(jié)點的第二電平移位器，其中在第二增益模式中第二電容器的第二端子通過第二電平移位器耦合到參考節(jié)點。
22.如權(quán)利要求20的電路，其中第一電平移位器包括電平移位電阻器。
23.如權(quán)利要求11的電路，其中放大器、第一電容器、第二電容器、以及控制器設(shè)置在集成電路上。
24.如權(quán)利要求11的電路，進(jìn)一步包括耦合在電路的輸入端子和放大器的輸入之間的輸入電容器。
25.如權(quán)利要求24的電路，進(jìn)一步包括可切換地與輸入電容器并聯(lián)耦合的第四電容器。
26.如權(quán)利要求11的電路，進(jìn)一步包括耦合到放大器的輸入的MEMS擴(kuò)音器。
27.一種操作具有第一反饋電容器和第二反饋電容器的可編程增益放大器的方法，該方法包括: 在第一增益設(shè)置中在可編程增益放大器的輸入節(jié)點和可編程增益放大器的輸出節(jié)點之間耦合第二反饋電容器；以及 當(dāng)從第一增益設(shè)置轉(zhuǎn)移到第二增益設(shè)置時，將第二反饋電容器的第一端子從可編程增益放大器的輸出切換到參考節(jié)點，同時在第一時間段內(nèi)第二反饋電容器的第二端子仍然耦合到可編程增益放大器的輸入節(jié)點。
28.如權(quán)利要求27的方法，進(jìn)一步包括在第一時間段之后，將反饋電容器的第二端子耦合到參考節(jié)點。
29.如權(quán)利要求27的方法，進(jìn)一步包括將電容性信號源耦合到輸入電容器。
30.如權(quán)利要求27的方法，進(jìn)一步包括應(yīng)用增益調(diào)整到可編程增益放大器的輸出，應(yīng)用增益調(diào)整包括補償?shù)谝辉鲆鎌設(shè)置和第二增益設(shè)置之間的增益差。
【文檔編號】H03G3/20GK103731112SQ201310743901
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月20日
【發(fā)明者】J·L·切巴洛斯, D·德拉克塞爾邁爾, M·克羅普菲奇 申請人:英飛凌科技股份有限公司