放大器電路、電容聲換能器及電子設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及用于電容聲換能器的差分放大器電路、其對應的電容聲換能器以及電子設備。
【背景技術】
[0002]眾所周知，電容類型的聲換能器通常包括感應結構以及電子讀取接口，該感應結構被設計為將聲壓力波轉換為電量(特別是電容變化)，該電子讀取接口被設計為在所述電量上實施適當的處理操作(其中放大操作)以用于供應電輸出信號(例如，電壓)。
[0003]通常，感應結構包括膜片或薄膜形式的移動電極，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電容器的板，其中電容根據待被檢測的聲壓力波而變化。移動電極通常響應于由入射聲波施加的壓力是自由移動或經受形變的，以該方式致使感應電容器的電容變化。
[0004]例如，MEMS(微機電系統(tǒng))電容聲換能器是已知的，其中感應結構是微機械類型的，并且使用半導體工業(yè)典型的集成微加工技術而制作。
[0005]通過示例，圖1示出了已知類型的MEMS聲換能器的微機械結構I，其包括例如為硅的半導體材料的結構層或襯底2，在其中腔例如從背面經由化學蝕刻被做出。薄膜或膜片4被耦合至結構層2并且在頂部封閉腔3。薄膜4是柔性的，并且在使用中根據入射聲波的壓力經受形變。
[0006]剛性板5(通常稱為“背板”)經由間隔件6(例如，諸如氧化硅之類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電容器的固定電極，其移動電極由薄膜4構成，并且該剛性板5具有多個孔7，被設計用來使得空氣能夠向著薄膜4自由流通(將剛性板5效果上呈現為聲透明)。
[0007]微機械結構I進一步包括(以未示出的方式)電薄膜和剛性板觸點，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致的薄膜4的形變造成的指示電容變化的感應信號。通常，這些電觸點被布置在裸片的提供微機械結構的表面部分。
[0008]—般地，電容聲換能器的感應結構通常經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被應用(該電壓越高，麥克風的靈敏度越大)，并且高阻抗元件(具有在垓歐級，例如在10G Ω與1T Ω之間的阻抗)被插入在電荷栗級與感應結構之間。
[0009]例如，高阻抗元件可以由以背靠背配置布置(S卩，并聯連接在一起)的一對二極管提供，使得兩個二極管中的一個二極管的陰極端子被連接到另一個的陽極端子，且反之亦然，或者由處于背靠背配置的串聯的二極管對提供。針對高于幾赫茲的頻率，該高阻抗的存在將在感應結構中存儲的DC電荷與電荷栗級“絕緣”。
[0010]由于電荷的量被固定，沖擊感應結構的移動電極的聲信號(聲壓)調制相對于剛性電極的間隙，產生電容變化以及因此產生電壓變化。
[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(以防止在微機械結構中存儲的電荷的擾動)，隨后被轉換至低阻抗信號(被設計為驅動外部負載)。
[0012]圖2a示出了放大器電路的可能實施例，其由10指示，在該情況下具有所謂的“單端”類型的單輸出。
[0013]作為整體由11指示的電容聲換能器的感應結構通過具有電容Cmic的感應電容器12a示意性地表示，該電容根據檢測到的聲信號而變化，感應電容器12a串聯連接到電壓發(fā)生器12b，其供應感應電壓Vsic(在圖2中所示的示例中，通常具有正弦波形)。
[0014]通常，考慮到移動電極具有對襯底的高寄生電容(與感應結構的感應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電容器12a的電容變化的感應電壓Vsic。
[0015]第二輸入端子N2進一步通過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(未在此示出)的偏置級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二極管構成。
[0016]放大器電路10進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類的，或者是AB類的運算放大器。
[0017]去耦電容器14(其操作以去耦DC分量并且耦合檢測到的信號)在第二輸入端子N2與放大器15的非反相輸入之間被連接，該非反相輸入進一步經由第二高阻抗絕緣元件16的插入而從適當的參考發(fā)生器級(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對構成。
[0018]操作電壓V?是DC偏置電壓，其被適當地選擇以用于設置放大器15的操作點。該操作電壓Vcm例如被選擇為處于放大器15的供應電壓(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)感應電壓￥51(；因而被疊加在該DC操作電壓V?上。
[0020]放大器15根據由電容聲換能器的感應結構11所檢測到的感應電壓Vsic在該單輸出OUT上供應輸出電壓VQUT。在該示例中，輸出電壓Vqut具有正弦波性，其在幅度上對應于感應電壓Vsig(如在圖2a中不意性地表不的)。
[0021]圖2b示出了益智類型的放大器電路10的另一實施例，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被連接到處于供應電壓Vm的線組。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，單端電路配置呈現了一些缺點，其中對于干擾的任何共模分量的較弱抑制，該干擾例如與時變信號從電源噪聲或附近設備的串擾導出。
[0025]為了克服這些缺點，已經提出的是利用定義為“假平衡”或“假差分”的配置來取代單端方案，其由圖3a和圖3b示出。
[0026]該方案設想放大器電路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的經典類型的電容器構成，其具有電容Cdum，其標稱值基本上等于在待工中(即，沒有外部應力)的感應電容器12a的電容Cmic。
[0027]在該情況下，放大器電路10具有前面參照圖2a和圖2b進行描述的電路元件的準確復制(復制的元件在圖3a和圖3b中以上撇號得以區(qū)分并且不再次進行描述)，以用于在另一輸出OUT’上生成DC輸出電壓Vcmt—DUM，其被設計用來平衡輸出電壓Vcmt，因而使能排除共模干擾。基本上，一起創(chuàng)建了兩個等效的電路路徑。
[0028]然而，該方案也并非沒有缺點。
[0029]特別地，考慮到感應信號的貢獻僅在兩個電流路徑中的一個路徑上呈現，該一個路徑即從感應電容器12a到輸出OUT的那個路徑(從而，放大器電路10的“假”差分性質)，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]因而需要供應電壓Vcc的更高的值，相繼增大功率消耗。
[0031]為了克服以上關于在放大器的輸出上的擺幅的問題