專利名稱：具有p型前置放大器輸入級的麥克風組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括電容式換能器元件和前置放大器電路的麥克風組件，所述電容式換能器元件具有振膜(diaphragm)、背板，所述前置放大器電路具有帶P型場效應晶體管的輸入級。所述振膜和背板可操作地連接在P型場效應晶體管的源極輸入和P型場效應晶體管的柵極輸入之間，使得由于獲得了改進的電源抑制，有關輸入的噪聲很低，并且從電源線引入的噪聲被顯著地衰減。
背景技術：
本領域的各種麥克風組件公開了電容式換能器元件的振膜和背板可以如何耦合到具有P型場效應晶體管的前置放大器的輸入級。這種參考文件的實例為EP0969695A1和EP1355416A1。
在EP0969695A1和EP1355416A1兩篇文獻中，各個振膜和背板在晶體管的各個柵極輸入和地之間被耦合至各個P型場效應晶體管。這種耦合或者電接口的缺點是在源極輸入施加或者注入的噪聲會因為地作為信號參考端而被放大。噪聲的放大在電容式換能器元件所提供的期望音頻信號中引入不希望的干擾。
因此，需要電容式換能器元件和P型場效應晶體管之間的改進電耦合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的一個目的是提供一種麥克風組件，其中振膜和背板以電源線上的電噪聲被有效衰減的方式電耦合至P型場效應晶體管。鑒于此目的，本發(fā)明實施例涉及一種麥克風組件，在換能器元件的振膜和背板端與麥克風前置放大器的輸入端(節(jié)點)之間具有有益的電接口或者耦合。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種麥克風組件，其包括具有可移置振膜和背板的電容式換能器元件。可移置振膜和背板可以被排列以便組合形成電容器。前置放大器電路可以具有輸入級，所述輸入級包括P型場效應晶體管。可移置振膜和背板可以可操作地連接在P型場效應晶體管的源極輸入和柵極輸入之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種處理來自電容式換能器元件的電信號的方法，所述電容式換能器元件具有可移置振膜和背板。所述方法包括步驟向電容式換能器元件提供可移置振膜，所述可移置振膜可操作地連接至P型場效應晶體管的源極輸入。向電容式換能器元件提供背板，所述背板可操作地連接至P型場效應晶體管的柵極輸入。處理在P型場效應晶體管的漏極輸出提供的電信號。
本發(fā)明實施例可以應用于硅電容式麥克風的領域內(nèi)，但是本發(fā)明也將有益于將電容式換能器元件最佳地連接至傳統(tǒng)電容式麥克風中的前置放大器，諸如駐極體麥克風及其相關前置放大器。
本發(fā)明實施例提供了諸多優(yōu)點。例如，通過使用P型場效應輸入晶體管并且通過改善麥克風組件的電源噪聲抑制，可以最小化前置放大器的電輸入有關噪聲。另一優(yōu)點是減小了某些硅麥克風組件中的光感生噪聲。根據(jù)實驗的結果表明，已經(jīng)實現(xiàn)了20-30dB數(shù)量級的噪聲減小。
因此，為了符合上述目的，本發(fā)明在第一方面涉及具有電容式換能器元件的麥克風組件，所述電容式換能器元件包括可移置振膜和背板。所述可移置振膜和背板被排列以便組合形成電容器。包括前置放大器電路，其具有包括P型場效應晶體管的輸入級。所述可移置振膜和背板可操作地連接在P型場效應晶體管的源極輸入和柵極輸入之間。
振膜是“可移置的”，因為在暴露于聲壓時，它能夠并且適于相對于背板而偏轉(zhuǎn)。因此，當電容式換能器元件暴露于聲壓時，可移置振膜偏轉(zhuǎn)，使得可移置振膜和背板之間的瞬時距離根據(jù)聲壓的幅度而改變。
通過可操作地將可移置振膜連接至P型場效應晶體管的源極輸入，并且可操作地將背板連接至P型場效應晶體管的柵極輸入，可移置振膜和背板可以可操作地連接在P型場效應晶體管的源極輸入和柵極輸入之間。當電容式換能器元件暴露于聲壓時，由振膜和背板組合形成的電容器的電容根據(jù)施加的聲壓的幅度而變化。變化的電容因此是檢測到的聲壓的量度。檢測到的聲壓可以由前置放大器來檢測，因為通過確保只有具有超高阻抗的電連接被提供給電容器，振膜和背板上的電荷保持基本上恒定，所以變化的電容在電容板兩端引起相應的、基本成比例的信號電壓。
電容式換能器元件可以包括駐極體換能器元件類型，該駐極體換能器元件類型包括材料的電預充電層，在振膜和背板之間提供內(nèi)置或永久電場。永久電場可以由安排在振膜或背板上的電預充電層提供，電預充電層諸如帶有注入電荷的特氟隆(Teflon)涂層。電容式換能器元件可選擇地是需要外部高阻抗偏壓源的類型，該偏壓源用于在振膜和背板之間生成電場。這種外部高阻抗偏壓源可以包括跟隨有平滑型濾波器諸如低通濾波器的Dickson電壓泵。外部高阻抗偏壓源優(yōu)選地與電容式換能器元件安排在共同的外殼內(nèi)，以避免可能與偏壓源和電容式換能器元件之間的長導線相關的EMI問題。
P型場效應晶體管可以是JFET、MOS類型或者類似的場效應多晶硅絕緣體半導體晶體管。電容式換能器元件可以包括MEMS制造的換能器，諸如基于硅的MEMS換能器，其中振膜、背板和基本部分材料每個都包括硅材料。
為了在背板和P型場效應晶體管的柵極之間建立DC阻隔，在背板和P型場效應晶體管的柵極輸入之間通常插入電容器。然而，在駐極體電容式換能器元件中可以不需要DC阻隔電容器。
麥克風組件可以有利地包括偏壓源，以便相對于可移置振膜而電偏置背板。偏壓源可以在基于硅的換能器的背板和可移置振膜之間提供5至20伏的DC電壓，或者更優(yōu)選地提供8至12伏的DC電壓。在其它類型的換能器元件中，此偏壓可以更高或者更低。因此，其它電壓電平，包括負電壓電平，也可以施加于背板和可移置振膜之間。偏壓源可以經(jīng)由高阻抗元件，諸如具有幾百千兆歐姆或者甚至兆兆歐姆電阻的歐姆電阻，可操作地連接至背板。可選擇地，可以使用一個或多個反向偏置的半導體二極管。
優(yōu)選地，電容式換能器元件是具有外部DC偏壓源的基于硅的電容式換能器元件?；诠璧碾娙菔綋Q能器元件(其振膜或背板直接暴露于環(huán)境)易于對光暴露敏感，因為電噪聲被疊加到這種換能器的輸出信號上。該光感生噪聲的起源被確信是由于半導體特性，并因此是由于硅的半導體特性。然而，通過將換能器元件中的振膜接地或者虛擬接地，使得振膜面對環(huán)境并且其中振膜基本上重疊背板區(qū)域，導電振膜將作為EMI屏蔽，使得可以顯著減少涉及基于硅的換能器中光感生噪聲的問題。
電容式換能器元件還可以包括基本部分。該基本部分可以可操作地連接到振膜，或者可操作地連接到地。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種便攜式通信設備，所述便攜式通信設備包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的麥克風組件。所述便攜式通信設備可以是蜂窩電話機、助聽器、PDA或其任何組合。
在第三方面中，本發(fā)明涉及一種處理來自電容式換能器元件的電信號的方法，所述電容式換能器元件具有可移置振膜和背板。所述方法包括向電容式換能器元件提供可移置振膜，所述可移置振膜可操作地連接至P型場效應晶體管的源極輸入。所述電容式換能器元件被提供有背板，所述背板可操作地連接至P型場效應晶體管的柵極輸入。處理在P型場效應晶體管的漏極輸出提供的電信號。
在第四方面中，本發(fā)明涉及一種包括前置放大器電路的集成半導體電路，所述前置放大器電路具有包括P型場效應晶體管的輸入級。所述前置放大器包括可操作地連接至P型場效應晶體管的源極輸入的第一外部可訪問輸入端，以及可操作地連接至P型場效應晶體管的柵極輸入的第二外部可訪問輸入端。第一和第二輸入端可以可操作地分別連接至電容式換能器元件的可移置振膜和背板?？蛇x擇地，第一和第二輸入端可以以相反順序可操作地連接到可移置振膜和背板。
根據(jù)本發(fā)明此方面的優(yōu)選實施例，集成半導體電路包括插入第二外部可訪問輸入端和P型場效應晶體管的柵極輸入之間的DC阻隔元件。所述集成半導體電路還可以包括麥克風偏壓源，該偏壓源適于將麥克風DC偏壓提供給第二外部可訪問輸入端。第二外部可訪問輸入端因此可以適于為可移置振膜和背板之一提供麥克風DC偏壓。對于基于MEMS的電容式麥克風，此麥克風DC偏壓優(yōu)選地被設置為5和20伏之間的值。
在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，集成半導體電路包括適于提供調(diào)節(jié)后的DC電壓的電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器可操作地耦合至P型場效應晶體管的源極輸入。調(diào)節(jié)后的DC電壓優(yōu)選地被設置為0.9和5.0伏之間的值。麥克風DC偏壓和調(diào)節(jié)后的DC電壓之間的DC電壓差優(yōu)選地被設置為4.0和20.0伏之間的值。
鑒于各種實施例的詳細描述，參照下文中將給出簡單描述的附圖，本發(fā)明另外方面對于本領域技術人員而言是顯而易見的。


下面，將參照附圖描述本發(fā)明優(yōu)選實施例，其中圖1示出了在硅麥克風中振膜、背板和基本部分的排列；圖2舉例說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的硅麥克風組件；以及圖3舉例說明了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的硅麥克風組件。
盡管本發(fā)明容許多種修改和替換形式，但是已經(jīng)通過附圖中實例示出了具體實施例，并將在此進行詳細描述。然而，可以理解的是，本發(fā)明不希望局限于所公開的特定形式。反之，本發(fā)明旨在覆蓋落入由所附權利要求所定義的本發(fā)明精神和范圍的所有修改、等同物、和替換。
具體實施例方式
在其最通常的方面，本發(fā)明實施例涉及具有換能器元件的麥克風組件，所述換能器元件具有組合形成電容器的振膜和背板。前置放大器具有包括P型場效應晶體管的輸入級。P型場效應晶體管的源極和柵極端充當差動輸入端。漏極端充當輸出端。由于這種電源噪聲由于這種配置的特性而被共同施加到P型場效應晶體管的源極和柵極兩者上，因此該配置減少了在源極端出現(xiàn)的噪聲的影響。因此，電源噪聲充當共模信號。這意味著，電源信號上的噪聲將不被前置放大器的輸入級放大。
本發(fā)明實施例還確保了圖1中舉例說明的基于硅的麥克風中的基本部分和振膜噪聲源的最佳減少。在圖1中，振膜11置于硅電容式麥克風的背板12和基本部分10之間。振膜11可以高度導電以允許其電屏蔽麥克風的基本部分有效電容耦合至背板。
振膜11連接至隨后的前置放大器的輸入級的低阻抗電源節(jié)點，即虛擬地節(jié)點，而背板則連接至高阻抗DC偏壓源1和2。因為背板12保持在偏壓源的DC電壓電勢，背板12優(yōu)選地通過DC電壓阻隔元件耦合至隨后的前置放大器的輸入，所述DC電壓阻隔元件諸如電容器。
圖2舉例說明了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的硅麥克風組件。用于電容式換能器元件3的高阻抗偏壓源以其最簡單的形式來描述并被表示為1。高阻抗偏壓源1包括超高電阻性串聯(lián)電阻元件2以確保電容式換能器元件3的電荷守恒。偏壓源的確切物理實施可以不同于圖2中簡化的示意圖。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，高阻抗偏壓源包括基于反向偏置二極管或二極管連接的晶體管的Dickson電壓倍增器。
相反極性的并聯(lián)二極管對(圖2中未示出)可以插入在P型場效應晶體管的柵極輸入和地或另一適合的參考電壓之間。這種并聯(lián)二極管對確保了輸入阻抗高于前置放大器的輸入級的100GΩ。實際上，相反極性的并聯(lián)二極管對可以具有幾TΩ的阻抗。在前置放大器將被集成到ASIC中的情況下，可以將以相反極性耦合的并聯(lián)二極管對與之有利地集成。
電容式換能器元件3的背板12電連接至偏置電路電阻元件2，并且進一步通過DC阻隔電容器5電連接至前置放大器的輸入節(jié)點IN。振膜以及通常還有電容式換能器元件3的基本部分節(jié)點10連接至隨后的前置放大器電路的低阻抗電壓供給節(jié)點4。
前置放大器的輸入級包括P型場效應晶體管，優(yōu)選地為PMOS晶體管7，其參考電壓供給節(jié)點4。電壓供給節(jié)點4可以直接從麥克風組件的外部電源電壓VDD獲得，或者可選擇地，可以通過調(diào)節(jié)器電路8對外部電源電壓VDD進行調(diào)節(jié)和穩(wěn)定而獲得。調(diào)節(jié)器電路8提供耦合至PMOS晶體管7放大元件所需的低輸出阻抗。
電容式換能器元件3的背板端9和振膜端4(也稱作電壓節(jié)點)被參照到與前置放大器的輸入級楨的節(jié)點。因為電壓供給節(jié)點4上的任何信號將被共同施加到麥克風前置放大器的PMOS晶體管7的柵極輸入并因此不會被放大，電壓供給節(jié)點4上的電源噪聲被顯著地衰減。此外，輸入級包括P型場效應晶體管，優(yōu)選地是PMOS晶體管7，與NMOS晶體管相比其具有優(yōu)良的閃爍噪聲特性。由于這個原因，輸入級的白噪聲和閃爍噪聲被減少到最小。PMOS晶體管7優(yōu)選地具有100和1000μm之間的寬度(W)并且具有0.5和5μm之間的長度。對于目標為電池供電的便攜式通信設備的麥克風組件，DC偏流優(yōu)選地設置為10μA和100μA之間的值，在其它類型的應用中可選擇其它DC偏流值。半導體工藝優(yōu)選為適用于混合信號電路的0.18μm或0.35μm最小特征尺寸3M CMOS工藝。
根據(jù)本發(fā)明一些實施例，電容式換能器元件3包括基于硅的換能器元件，其中振膜(MEM)被置于電容式換能器元件3的基本部分(BULK)和背板(BP)之間。在這些實施例中，外部噪聲信號諸如照射到振膜(MEM)上的亮度變化的光，或者在麥克風的基本部分中生成的噪聲信號，通過連接到低阻抗電壓供給節(jié)點4而被衰減。
圖3舉例說明了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的硅麥克風組件。與圖2的第一實施例的結構相反，用于電容式換能器元件12的高阻抗DC偏壓源10和DC阻隔電容器14都與輸入級PMOS晶體管16和可選電壓調(diào)節(jié)器17一起集成在電子或集成半導體電路芯片15上。高阻抗DC偏壓源10作為DC偏壓生成器和大串聯(lián)電阻器的級聯(lián)而示意性地示出。高阻抗DC偏壓源10可以包括使用集成電路15的電源電壓(VDD)的電壓泵或倍增器，諸如Dickson電壓倍增器，以生成倍增的更高DC電壓。在本發(fā)明一個實施例中，將1.8伏特的標稱電源電壓倍增以生成大約8伏的高阻抗DC偏壓。
第一外部可訪問端20和第二外部可訪問端21分別可操作地耦合至PMOS晶體管16的柵極和源極輸入。第一外部可訪問端20進一步耦合至高阻抗DC偏壓源10，以允許該外部可訪問端電耦合至相關的電容式換能器元件12的背板19或振膜22。PMOS晶體管16的柵極輸入通過DC阻隔電容器14電屏蔽于在第一外部可訪問端20上提供的DC偏壓，以允許通過獨立偏置設置網(wǎng)11來設置PMOS晶體管16的DC偏置點，所述獨立偏置設置網(wǎng)11包括一對反向偏置的二極管，即，類似于與本發(fā)明第一實施例相關描述的網(wǎng)絡。
這些實施例及其變型中的每一個預期落入權利要求所闡述的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種麥克風組件，包括電容式換能器元件，具有可移置振膜和背板，所述可移置振膜和背板被排列以便組合形成一個電容器；前置放大器電路，具有包括P型場效應晶體管的輸入級；其中，所述可移置振膜和背板可操作地連接在P型場效應晶體管的源極輸入和柵極輸入之間。
2.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述背板可操作地連接至所述柵極輸入，并且其中所述可移置振膜可操作地連接至所述源極輸入。
3.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述背板和P型場效應晶體管的柵極輸入的每一個經(jīng)由DC電壓阻隔元件而可操作地連接。
4.根據(jù)權利要求3的麥克風組件，其中，所述DC電壓阻隔元件包括一個電容器。
5.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，還包括適于在所述背板和可移置振膜之間提供DC偏壓的麥克風偏壓源。
6.根據(jù)權利要求5的麥克風組件，其中，所述麥克風偏壓源經(jīng)由具有大于10千兆歐姆的電阻的高阻抗元件可操作地連接至所述背板。
7.根據(jù)權利要求6的麥克風組件，其中，所述高阻抗元件是從包括電阻器和反向偏置半導體二極管的組中選擇的。
8.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述電容式換能器元件包括基于MEMS的換能器。
9.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述P型場效應晶體管是從包括JFET和MOS晶體管的晶體管組中選擇的。
10.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述電容式換能器元件還包括可操作地連接至所述可移置振膜的基本部分。
11.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述電容式換能器元件還包括可操作地連接至地的基本部分。
12.根據(jù)權利要求1的麥克風組件，其中，所述背板或者可移置振膜被提供有永久電預充電層。
13.一種便攜式通信設備，包括根據(jù)權利要求1的麥克風組件。
14.根據(jù)權利要求13的便攜式通信設備，其中，所述便攜式通信設備是從包括蜂窩電話機、助聽器、PDA及其任何組合的組中選擇的。
15.一種處理來自電容式換能器元件的電信號的方法，所述電容式換能器元件具有可移置振膜和背板，所述方法包括下列步驟向電容式換能器元件提供可移置振膜，所述可移置振膜可操作地連接至P型場效應晶體管的源極輸入；向電容式換能器元件提供背板，所述背板可操作地連接至P型場效應晶體管的柵極輸入；以及處理在P型場效應晶體管的漏極輸出提供的電信號。
16.根據(jù)權利要求15的方法，還包括步驟提供所述背板相對于可移置振膜的DC偏壓。
17.根據(jù)權利要求15的方法，其中，所述背板和P型場效應晶體管的柵極輸入的每一個經(jīng)由DC電壓阻隔元件而可操作地連接。
18.根據(jù)權利要求17的方法，其中，所述DC電壓阻隔元件包括電容器。
19.一種包括前置放大器電路的集成半導體電路，所述前置放大器電路具有包括P型場效應晶體管的輸入級，所述前置放大器電路包括可操作地連接至P型場效應晶體管的源極輸入的第一外部可訪問輸入端，以及可操作地連接至P型場效應晶體管的柵極輸入的第二外部可訪問輸入端，其中，所述第一和第二輸入端可以可操作地分別連接至電容式換能器元件的相關可移置振膜和相關背板。
20.根據(jù)權利要求19的集成半導體電路，還包括插入在第二外部可訪問輸入端和P型場效應晶體管的柵極輸入之間的DC阻隔元件；麥克風偏壓源，適于將DC偏壓提供給第二外部可訪問輸入端，以便向所述可移置振膜和背板之一提供DC偏壓。
21.根據(jù)權利要求19的集成半導體電路，還包括提供調(diào)節(jié)后的DC電壓的電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器可操作地耦合至P型場效應晶體管的源極輸入。
22.根據(jù)權利要求21的集成半導體電路，其中，所述調(diào)節(jié)后的DC電壓被設置為0.9伏和5.0伏之間的值。
23.根據(jù)權利要求22的集成半導體電路，其中，所述DC偏壓和調(diào)節(jié)后的DC電壓之間的DC電壓差被設置為4.0伏和20.0伏之間的值。
全文摘要
提供了一種麥克風組件，包括具有可移置振膜和背板的電容式換能器元件。所述可移置振膜和背板被排列以便組合形成電容器。前置放大器電路具有輸入級，所述輸入級包括P型場效應晶體管。可移置振膜和背板可操作地連接在P型場效應晶體管的源極輸入和柵極輸入之間。
文檔編號H04R19/01GK1905761SQ20061010316
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月6日 優(yōu)先權日2005年7月6日
發(fā)明者拉斯·約翰·斯坦博格, 卡斯坦·法萊森 申請人:桑尼奧公司