用于传感器的西格玛德尔塔调制器制造技术

本公开提供了用于传感器的西格玛德尔塔调制器。在各种实施例中，提供了一种电路。该电路包括：耦合到微电子机械系统(MEMS)麦克风传感器的电压偏置电路、耦合到驱动器电路的MEMS麦克风传感器、以及耦合到基于振荡器的ADC电路的驱动器电路。基于振荡器的ADC电路可以包括N阶西格玛德尔塔调制器，其中N是等于或大于1的整数。

Sigma delta modulator for sensors

The present disclosure provides a sigma delta modulator for sensors. In various embodiments, a circuit is provided. The circuit includes: voltage bias circuit coupled to microphone sensor of microelectromechanical system (MEMS), microphone sensor coupled to driver circuit, and driver circuit coupled to ADC circuit based on oscillator. An oscillator-based ADC circuit may include an N-order Sigma Delta modulator, where N is an integer equal to or greater than 1.

【技术实现步骤摘要】
用于传感器的西格玛德尔塔调制器
本公开总体上涉及用于传感器的高阶西格玛德尔塔调制器的半导体电路。
技术介绍
微电子机械系统(MEMS)麦克风通常用于对功耗敏感的低功率电池供电设备，诸如智能手机和平板电脑。MEMS麦克风在这些应用中很受欢迎，因为MEMS麦克风可以实现为通过标准光刻工艺直接刻蚀到硅管芯的压敏膜片。麦克风电路的竞争力主要由其性能(动态范围、分辨率、功耗、时钟抖动容限...)以及其成本(硅面积、MEMS传感器复杂度、封装大小与灵敏度...)给出。在典型的MEMS麦克风电路中，MEMS麦克风耦合到集成电路，其偏置MEMS麦克风、放大MEMS麦克风的输出并且对MEMS麦克风的电输出执行模数转换(ADC)。这些功能中的每一个消耗功率，并且可能消耗宝贵的芯片和/或板面积。为了降低功耗和芯片面积，传统的基于电压编码的西格玛德尔塔ADC已经被用作麦克风电路中的ADC。然而，目前可用的西格玛德尔塔ADC已经被推向技术极限，并且市场趋势需要创新解决方案。基于时间编码的解决方案是传统使用的基于电压编码的电路的有希望的替代方案。
技术实现思路
在各种实施例中，一种电路可以包括：耦合到微电子机械系统(MEMS)麦克风传感器的电压偏置电路、耦合到驱动器电路的MEMS麦克风传感器、以及耦合到基于振荡器的ADC电路的驱动器电路。基于振荡器的ADC电路可以包括N阶西格玛德尔塔调制器，其中N是等于或大于1的整数。附图说明在附图中，相同的附图标记通常在不同的视图中指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本专利技术的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本专利技术的各种实施例，在附图中：图1A示出了通用模拟二阶连续时间西格玛德尔塔调制器的框图；图1B示出了主要地数字多比特二阶连续时间西格玛德尔塔调制器的框图；图2A示出了耦合到基于VCO的ADC的MEMS麦克风的各种实施例的框图；图2B示出了麦克风偏置和放大电路的各种实施例的框图；图2C示出了在单端转换器配置中具有单比特互连的传感器读出电路的各种实施例的框图；图2D示出了在单端转换器配置中具有单比特互连的麦克风偏置和放大电路以及基于电流控制振荡器的ADC的各种实施例的框图；图2E示出了根据至少一个实施例的传感器读出电路的操作行为；图3示出了根据至少一个实施例的传感器读出电路的示意图；图4A至图4D示出了根据至少一个实施例的传感器读出电路的压控振荡器的示意图；图5示出了根据至少一个实施例的包括单片集成的偏置和放大电路的传感器读出电路的压控振荡器的框图；图6示出了根据至少一个实施例的传感器读出电路的相位参考积分器的示意图；图7示出了根据至少一个实施例的传感器读出电路的数字控制振荡器的示意图；图8示出了根据至少一个实施例的传感器读出电路的反馈发生器的示意图；图9示出了伪差分转换器配置中的传感器读出电路的各种实施例的框图；图10是示出根据至少一个实施例的伪差分转换器配置中的传感器读出电路的测量频谱的图表；图11是示出根据至少一个实施例的伪差分转换器配置中的传感器读出电路的测量的动态范围图的图表；以及图12示出了高阶传感器读出电路的各种实施例的框图。具体实施方式参考附图在下面更详细地解释本专利技术的各种实施例。然而，本专利技术不限于具体描述的实施例，而是可以更适当地修改和改变。在本专利技术的范围内的是，将一个实施例的各个特征和特征组合与另一实施例的特征和特征组合相组合以便实现根据本专利技术的另外的实施例。在附图中相同的元件设置有相同或相似的附图标记。为了避免重复，对这些元件的重复描述已经被免除。这里给出的基本原理将基于下面给出的实例来阐明。各种实施例涉及一种用于诸如MEMS传感器或麦克风等电容性信号源、以及诸如压力传感器和加速度计等电容性传感器的数据转换电路。数据转换电路也可以应用于其他类型的电路和系统，诸如音频系统、通信系统、传感器系统和与频率编码信号对接的其他系统。在各种实施例中，提供了一种仅基于压控振荡器(VCO)和数字逻辑的连续时间西格玛德尔塔(ΣΔ)调制器。在其他实施例中，也可以在连续时间ΣΔ调制器中使用其他振荡器，例如电流控制振荡器和电容控制振荡器。这个ΣΔ调制器在面积、功耗、动态范围和抖动容限方面与现有ADC相比具有竞争力。振荡器可以用作ΣΔ调制器的初始积分器，并且频率数字转换器可以在振荡器之后使用，以便实现任何程度的环路阶数和相应的噪声整形。图1A示出了通用模拟二阶连续时间西格玛德尔塔调制器的框图。图1B示出了主要地数字多比特二阶连续时间西格玛德尔塔调制器的框图。如图1B所示，环路接口需要数模转换器(DAC)和多比特互连，该多比特互连需要复杂的布线并且占用大量的芯片面积。图2A示出了耦合到基于VCO的ADC的MEMS麦克风的各种实施例的框图。参考图2A，电路可以包括偏置电路609、电容式MEMS麦克风传感器603、接口放大器605、压控振荡器(VCO)610和频率数字转换器(FDC)650。偏置电路609可以基于电容式MEMS麦克风传感器603的操作条件来被配置。接口放大器605可以接收麦克风传感器603的输出并且提供低电平音频信号602以驱动可以包括VCO610和FDC650的传感器读出电路。VCO610将基于电压的音频信号602转换为基于频率的信号，基于频率的信号然后由FDC650转换为数字信号。图2B示出了麦克风偏置和放大电路1的各种实施例的框图。如图2B所示，MEMS麦克风3耦合到电压偏置电路9和电压放大电路5。例如，偏置电压可以在大约10V的范围内。输出电压信号2可以被提供给传感器读出电路。电压放大电路5可以是源极跟随器电路，其被配置为放大MEMS传感器的较高阻抗输出以驱动传感器读出电路的较低输入阻抗。这种基于恒定电荷偏置和电压读出的偏置和放大电路配置的特征在于低噪声接口和直至高声压水平的良好的线性度。偏置和放大电路1也可以扩展到差分传感器。在其他实施例中，可以包括跨导器来代替用于阻抗匹配的电压放大电路来驱动传感器读出电路的输入。图2C示出了具有单比特互连的传感器读出电路11的各种实施例的框图。如图2C所示，传感器读出电路11被配置为单端转换器配置中的ΣΔ调制器。参考图2C，从诸如MEMS麦克风等电容性传感器提供的模拟电压信号x(t)驱动压控振荡器(VCO)10的输入。VCO10将输入信号x(t)变换成示出频率调制的方波w(t)。信号电压x(t)控制VCO10的振荡频率，VCO10的输出是频率调制信号w(t)。VCO10应当被配置为具有线性度、灵敏度(MHz/V)和低相位噪声的组合，以便耦合到例如图2B所示的偏置和放大电路。取决于目标SNDR、面积和功耗等要求，低相位噪声可以通过适当调节晶体管的尺寸来实现。执行电压到频率转换的VCO10用作ΣΔ调制器的初始积分器。VCO10的输出被提供给相位参考积分器(PRI)12的输入。PRI12可以将频率调制信号转换为数字信号。PRI12的输出在来自VCO10的信号的每个上升沿被设置为逻辑高('1')，并且在反馈脉冲6的每个上升沿被复位。PRI12可以是1比特计数器。在这种简单的形式中，PRI12类似于PLL电路的典型的相位和频率比较器。PRI12的单比特输出7被提供给仅具有两个可能振荡频率的数字控制振荡器(DCO)1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电路，包括：电压偏置电路，耦合到微电子机械系统(MEMS)麦克风传感器；所述MEMS麦克风传感器，耦合到驱动器电路；以及所述驱动器电路，耦合到基于振荡器的ADC电路。

【技术特征摘要】
2017.04.21 US 15/493,2521.一种电路，包括：电压偏置电路，耦合到微电子机械系统(MEMS)麦克风传感器；所述MEMS麦克风传感器，耦合到驱动器电路；以及所述驱动器电路，耦合到基于振荡器的ADC电路。2.根据权利要求1所述的电路，其中所述基于振荡器的ADC电路包括N阶西格玛德尔塔调制器，其中N是等于或大于1的整数。3.根据权利要求2所述的电路，其中所述基于振荡器的ADC电路包括：第一振荡器，被配置为具有低相位噪声，所述第一振荡器选自包括压控振荡器(VCO)和电流控制振荡器(CCO)的组；N个相位参考积分器中的第一相位参考积分器，其中所述第一相位参考积分器的第一输入耦合到所述第一振荡器的输出；数字控制振荡器(DCO)，其中所述DCO的输入耦合到所述第一相位参考积分器的输出；第二相位参考积分器，其中所述第二相位参考积分器的第一输入耦合到所述DCO的输出；以及反馈发生器，其中所述反馈发生器的输入耦合到第N相位参考积分器的输出，并且所述反馈发生器的输出耦合到至少所述第一相位参考积分器的第二输入和所述第二相位参考积分器的第二输入，其中所述输入输出耦合中的每个输入输出耦合包括单比特连接，并且N等于或大于2。4.根据权利要求3所述的电路，进一步包括：电平移位器，其中所述电平移位器的输入耦合到所述第一振荡器的输出；并且所述第一相位参考积分器的第一输入耦合到所述电平移位器的输出。5.根据权利要求3所述的电路，其中所述VCO包括：M级环形振荡器，其中M是等于或大于1的整数。6.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一相位参考积分器包括：第一触发器，被配置为由所述第一振荡器的输出触发；以及第二触发器，被配置为由所述反馈发生器的输出触发。7.根据权利要求3所述的电路，其中所述第一相位参考积分器包括：1比特计数器，被配置为在所述第一振荡器的输出的每个上升沿输出逻辑1并且在所述反馈发生器的输出的每个上升沿输出逻辑0。8.根据权利要求3所述的电路，其中所述DCO包括：振荡器，被配置为当所述DCO的输入是逻辑0时以第一频率振荡并且当所述DCO的输入是逻辑1时以第二频率振荡。9.根据权利要求8所述的电路，其中所述DCO进一步包括：1比特电流DAC，耦合到所述振荡器，其中所述振荡器是电流控制振荡器。10.根据权利要求3所述的电路，其中所述反馈发生器被配置为对所述第N相位参考积分器的输出进行采样并且向至少所述第一相位参考积分器和所述第二相位参考积分器提供反馈信号以减小所述第一相位参考积分器和所述第二相位参考积分器的值。11.根据权利要求3所述的电路，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·巴法，F·卡德斯加西亚，L·赫尔南德兹科尔波拉莱斯，B·库特廷，A·昆特罗阿隆索，A·韦斯鲍尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT