CN103997303B - 用于驻极体麦克风的高增益前置放大器及驻极体麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种驻极体麦克风用高增益前置放大器。该放大器包括PMOS晶体管、第一和第二NMOS晶体管，以及电流源，其中PMOS晶体管的栅极用作该放大器的输入端，所述第二NMOS晶体管的漏极用作该放大器的输出端，所述电流源的第一端与第二NMOS晶体管的漏极连接，第二端与所述PMOS晶体管的源极和第一NMOS晶体管的漏极连接，所述第一和第二NMOS晶体管的栅极连接，并且所述PMOS晶体管的漏极以及第一和第二NMOS晶体管的源极接地。本发明由此提供一种高增益、体积小能够应用于ECM麦克风的前置放大器。本发明还提供一种包括该前置放大器的驻极体麦克风。

Description

用于驻极体麦克风的高增益前置放大器及驻极体麦克风

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，更确切地，属于CMOS集成电路,该电路用作通讯系统中驻极体(ECM)麦克风的前置放大器。

背景技术

在语音通讯系统中，目前主要还是采用驻极体(ECM)麦克风实现声音信号到电信号的转换。驻极体(ECM)麦克风是两个管脚器件，其中一个管脚接地，另一个管脚用于信号输出和给芯片供电。ECM麦克风组成包括3个部分：麦克风外壳，驻极体电容和前置放大器。麦克风外壳内有驻极体电容话筒头，结型场效应晶体管(JFET)放大器。这种采用JFET放大器的两个管脚ECM麦克风以其易于应用和制作成本低等特点在通讯系统中得到广泛应用。然而，随着便携式电子产品体积的减小，驻极体电容话筒头体积逐步减小，麦克风外壳直径已经由90mm减小到30mm，驻极体电容由大约10pF减小到2.0-2.5pF左右。而JFET器件的输入电容大小一般在10pF数量级，如果在驻极体麦克风中仍采用结型场效应晶体管(JFET)放大器，将会减弱驻极体麦克风的灵敏度，导致其信噪比(SNR)变差。因此，需要高增益，低输入电容的前置放大器器件来替代传统JFET放大器。

美国专利US6888408B2提出了用CMOS技术制造的一种高增益前置放大器，如图1所示，这种放大器管脚和JFET器件管脚一致，可以直接用来替代JFET放大器。这种放大器用PMOS源极跟随器作为输入端，NMOS器件漏极作为放大器输出端，并包括两级放大电路，第一级电路包括PMOS源极跟随器，电压放大倍数小于或接近1，第二级电路包括共源极结构的两个NMOS器件，电压增益可以做得很高。PMOS器件PM1的栅极被用作放大器的输入端，其源极输出通过电容器C1耦合到第二电路。第二级电路中NMOS器件NM2为NMOS器件NM1提供直流偏压。整个放大器增益主要由第二级电路决定，其输出电压增益可以近似估计为NM2跨导Gm2与负载电阻RL的乘积，即：Gm2*RL。为了得到高的电压增益，NMOS器件NM2的尺寸就要做得较大以便得到高的跨导Gm2，为了不减小器件从第一级放大器到第二级放大器的增益损失，耦合电容器C1也要做得较大以减小其分压影响，这样整个芯片尺寸也将随之变大。

这种放大器主要有以下几个缺点：

1)放大器中需要集成大电容器C1，将会占用很大芯片面积；

2)放大器需要集成大阻值的电阻器R1，但在制作过程中该电阻器的阻值很难得到精确控制，也即放大器的电压增益很难得到精确控制；

3)电阻器R1和电容器C1形成了高通滤波电路，这样的电路结构很难同时满足既要求滤波电路低端频率低于50Hz，有要求放大器上电时快速地使NMOS器件NM1获得稳定的直流偏压的要求。

此外，美国专利US6160450提出了用BiCMOS技术制造的另一种高增益前置放大器，如图2所示。这种放大器的管脚和JFET器件管脚一致，可以直接用来替代JFET放大器。这种放大器用PMOS晶体管M1和M2作为差分放大器输入端，双极器件NPN晶体管Qout作为输出端。这个放大器主要特点是输入端差分放大器的PMOS晶体管M1和M2采用不对称结构，晶体管M1的源极串联电阻器Roffset，晶体管M2的栅极可以偏置在高于M1栅极电压，晶体管M1的栅极通过二极管Dbias接地，因没有电流通过，该栅极的电压大约为零伏，这样晶体管M2栅极可以通过输出端电阻Rgain上反馈电压来偏置，由于输入端PMOS放大器和放大器B的放大倍数很高，PMOS放大器，放大器B和双极器件Qout组成的反馈回路，使得电阻器Rgain上的电压Vgain跟随输入端驻极体电容上电压变化，负载Rload上电流变化跟随电阻器Rgain上电流变化，这样放大器电压增益为Rload/Rgain。调解电阻器Rgain的阻值大小可以得到不同电压增益。这个电路的优点是电压增益可以很好调节控制，但有下列几点不足：

1)PMOS差分放大器和内部放大器B增加了芯片的噪声；

2)PMOS差分放大器Miller效应引起输入电容变大；

3)采用MOS器件和双极器件(BJT)，提高了制造成本。

4)电阻器Roffset的存在也增加了芯片噪声。

因此，需要一种高增益、体积小，优选能够应用于ECM麦克风的前置放大器。

发明内容

针对现有驻极体(ECM)麦克风传统放大器JFET和前面所提到的两种放大器存在的不足，本发明意在提出一种新的高增益前置放大器，以满足现在语音通讯设备中对小型驻极体放大器的高增益、小体积的要求。

根据本发明的一个方面，提供一种驻极体麦克风用高增益前置放大器，该放大器由两级放大电路组成，其中第一级放大电路用PMOS源极跟随器作为输入端，第二级放大电路是用NMOS共源极放大器，第一级放大电路到第二级放大电路用镜像电流源来实现。

根据本发明的另一方面，提供一种驻极体麦克风用高增益前置放大器，该放大器包括一个PMOS晶体管、第一和第二NMOS晶体管，以及电流源，

所述PMOS晶体管的栅极用作该放大器的输入端，所述第二NMOS晶体管的漏极用作该放大器的输出端，

所述电流源的第一端与第二NMOS晶体管的漏极连接，第二端与所述PMOS晶体管的源极和第一NMOS晶体管的漏极连接，

所述第一和第二NMOS晶体管的栅极连接，并且

所述PMOS晶体管的漏极以及第一和第二NMOS晶体管的源极接地。

优选地，PMOS晶体管的栅极通过电阻性器件接地。例如，该栅极可以通过电阻器、二极管或MOS器件等电阻性器件接地。

优选地，所述电流源以第一电阻器实现。

优选地，所述电流源以耗尽型NMOS晶体管和第二电阻器实现。

优选地，所述耗尽型NMOS晶体管的漏极作为所述电流源的第一端，所述耗尽型NMOS晶体管的源极串联连接所述第二电阻器后与其栅极连接作为所述电流源的第二端。

优选地，所述电流源以两个PMOS晶体管和参考电流源的方式实现。

优选地，所述第一和第二NMOS晶体管的源极分别通过电阻器或电阻性器件接地。

优选地，该前置放大器进一步包括耦合在第一和第二NMOS器件的栅极之间的低通滤波器。

根据本发明的再一方面，提供一种驻极体麦克风，包括如上所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器。

根据本发明的前置放大器，当输入端PMOS晶体管的输入电压变化时，由于第一NMOS器件的二极管形式的结构所具有的钳位作用，使得PMOS晶体管的源极电压可基本保持不变，维持在第一NMOS器件的阈值电压值(Vth)上下。由于电流源电流恒定，所以，随着流经PMOS晶体管电流的变化，流经第一NMOS晶体管的电流随之相应增加或减小相同的数量。第一和第二NMOS晶体管构成镜像电流源，第二NMOS晶体管的电流按比例跟随第一NMOS晶体管的电流变化而变化。当第二NMOS晶体管的沟道宽长比W/L的值是第一NMOS晶体管的沟道宽长比W/L的值的N倍时，第二NMOS晶体管的电流也是第一NMOS晶体管电流的N倍。由此，该前置放大器的电压增益Gv可以推导为：

Gv＝Gpm1*N*RL

其中Gpm1是PMOS器件的跨导，N是第二NMOS晶体管的沟道宽长比与第一NMOS晶体管的沟道宽长比的比值，RL是输出端负载电阻。通过设计电流源电流和PMOS晶体管尺寸来设定PMOS器件的跨导Gpm1，并设定第一和第二NMOS晶体管的尺寸比率N，可以得到前置放大器所需要的高增益。

本发明提供的前置放大器可以采用CMOS集成电路制造技术制造，比BiCMOS集成电路制造技术成本低。本发明采用PMOS晶体管作为放大器输入端，栅极可以通过例如高电阻值电阻器电阻性接地，这样可以实现低噪音和低输入电容的前置放大器。本发明前置放大器的输出部分采用第一和第二NMOS晶体管的共源极结构可以进一步实现其高增益。同时，从第一级放大电路到第二级放大电路，第一和第二NMOS晶体管构成镜像电流源结构，输入级第一NMOS晶体管的电流变化与PMOS晶体管的电流变化相同反映到输出端器件第二NMOS晶体管，这样避免了美国专利US6888408B2中放大器第一级到第二级的低频电容耦合问题。进一步，根据本发明的优选实施例，通过在第一和第二NMOS器件构成镜像的电流源之间形成低通滤波器可以滤掉音频频率在20KHz以上的噪音信号，提高电路输出信噪比(SNR)。当以电阻器和电容器的形式实现该低通滤器时，通过将电阻器和电容器的尺寸设计在合理范围内，该低通滤波器可以容易地集成到芯片上。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术之一的ECM前置放大器电路示意图。

图2示出另一现有技术的ECM前置放大器电路示意图。

图3示出根据本发明第一优选实施例的ECM用CMOS前置放大器电路示意图。

图4示出根据本发明第二优选实施例的ECM用CMOS前置放大器电路示意图。

图5示出图4所示前置放大器的典型增益分布。

图6示出根据本发明第三实施例的ECM用CMOS前置放大器电路示意图。

图7示出根据本发明第四实施例的ECM用CMOS前置放大器电路示意图。

图8示出根据本发明第四实施例的ECM用CMOS前置放大器电路示意图。

图9示出根据本发明第四实施例的ECM用CMOS前置放大器电路示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同或相似的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

图3示出根据本发明第一实施例的ECM用CMOS前置放大器300的电路示意图。前置放大器300包括作为第一级的PMOS晶体管PM1，作为第二级的共源极连接的第一和第二NMOS晶体管NM1，NM2和电流源。PMOS晶体管PM1的栅极用作前置放大器的输入端，与驻极体麦克风的ECM换能器耦合，第二NMOS晶体管NM2的漏极被用作前置放大器300的输出端。电源电压VDD经输出端通过负载电阻RL为该前置放大器300提供功率。该电源电压经电流源I1分别耦合至PMOS晶体管PM1的源极和第一NMOS晶体管NM1的栅极和漏极。所述第一和第二NMOS晶体管的栅极连接，并且，PMOS晶体管PM1的漏极、第一和第二NMOS晶体管NM1，NM2的源极接地。第一级PMOS晶体管可被配置为PMOS源极跟随器，其栅极输入端通过高电阻器Rb接地，以实现低噪音和低输入电容，并易于设置DC偏压。作为替换，PMOS晶体管的栅极可通过二极管、MOS器件、或其他等同于电阻器的电路结构实现。

当输入端PMOS器件PM1输入端的电压变化时，由于NMOS器件NM1的二极管式结构所具有的钳位作用，使得PMOS器件PM1源极电压基本保持不变，维持在NMOS器件NM1阈值电压值(Vth)上下。由于电流源I1电流恒定，随着流经PMOS晶体管PM1电流的减少或增加，流经NMOS晶体管NM1的电流随之相应增加或减小相同的数量。第一和第二NMOS晶体管NM1和NM2构成镜像电流源，晶体管NM2电流按比例跟随晶体管NM1电流变化。若NMOS晶体管NM2的沟道宽长比W/L值是晶体管NM1的沟道宽长比W/L值的N倍，晶体管NM2电流变化则将是晶体管NM1器件电流的N倍。

当与输入端连接的麦克风驻极体电压由于声压变化，引起前置放大器的输入电压变化时，流经晶体管PM1的电流也发生变化，比如增加ΔI，那么流经晶体管NM1的电流相应减小ΔI，晶体管NM2电流也随之减小ΔI*N，放大器的输出端电压变化为

ΔV＝ΔI*N*RL，

前置放大器的电压增益Gv为：

Gv＝ΔI*N*RL/ΔV＝Gpm1*N*RL。

其中，Gpm1＝ΔI/ΔV，是PMOS器件PM1的跨导，因此，前置放大器的增益由PMOS器件PM1的跨导和NMOS器件NM2对NM1的尺寸比例N决定。

通过设计电流源电流I1和PMOS器件PM1尺寸来设定PM1的跨导Gpm1，并通过设定NM2对NM1的器件尺寸比率N，可以得到前置放大器所需要的电压增益。以这种方式，PMOS晶体管PM1的尺寸不用很大，输入电容控制在2pF以内，便可增加放大器的增益。

本发明放大器采用PMOS源极跟随器作为输入端，PMOS栅极可以偏置在零伏，输出端是NMOS晶体管漏极，管脚与JFET放大器一致，可以直接取代JFET放大器用在驻极体(ECM)麦克风上。麦克风也是两个管脚器件，其中一个管脚接地，另一个管脚用于信号输出和给芯片供电。ECM麦克风可以用在手机和其它语音传输电子产品上。

图4示出根据本发明第二实施例的ECM用CMOS前置放大器400的电路示意图。不同于图3所示的前置放大器300，该前置放大器400进一步包括连接在第一和第二NMOS晶体管NM1，NM2的栅极之间的第一电阻器R1和连接在第一电阻器和地电位之间的第一电容器C1。

该前置放大器400中，第一级PMOS晶体管PM1的栅极作为输入端并通过一个大阻值的电阻器Rb接地。PMOS晶体管PM1源极和第一NMOS晶体管NM1的漏极和栅极接到电流源I1，NMOS晶体管NM1是二极管结构，流经其电流变化不大时，漏栅极电压基本不变，维持在NMOS晶体管NM1阈值电压值(Vth)上下。这样，当输入端电压变化时，PMOS晶体管PM1源极电压基本保持不变，PMOS晶体管PM1的栅源极电压Vgs发生变化，PMOS晶体管的通过电流发生变化。由于电流源I1电流恒定，所以当PMOS晶体管的通过电流的减少或增加时，流经NMOS晶体管NM1的电流随之相反增加或减小相同的数量。NMOS器件NM2和NM1构成镜像电流源，为了减小器件1/f噪声，NMOS晶体管NM1和NM2都是大尺寸器件，同时设计NMOS晶体管NM2的宽长比W/L值是NM1器件的宽长比W/L值的N倍，这样晶体管NM2通过的电流是晶体管NM1通过电流的N倍。优选地，在晶体管NM1和NM2之间，形成电阻器R1和电容器C1构成低通滤波器，可以滤掉音频频率在20KHz以上的噪音信号，提高了前置放大器400的信噪比(SNR)。该实施例中，位于输出端的NMOS晶体管NM2是大尺寸器件，芯片电流大部分流经晶体管NM2。作为替换，连接在晶体管NM1和NM2之间的RC低通滤波器也可以以电路结构实现。

根据本发明的前置放大器400，从第一级PMOS放大器到第二级NMOS放大器，电路采用镜像电流源结构，电路内部信号传输采用电流信号，而不是电压信号，一方面解决了输出端晶体管NM2的直流偏压问题，这样避免了现有美国专利US6888408B2中放大器第一级到第二级的电容耦合问题，另一方面使得在NMOS器件NM1和NM2之间集成低通滤波器成为可能。通过增加低通滤波器，可以滤掉音频频率在20KHz以上的噪音信号，由此提高电路输出信噪比(SNR)。同时通过将电阻器R1和电容器C1大小设计在合理范围内，可以容易地将它们集成到芯片上。图5示出了前置放大器400的典型增益分布，可以看出20KHz以上部分信号被RC低通滤波器所抑制。

优选，该实施例可以单独使用也可以与其他实施例结合使用。

图6示出根据本发明第三实施例的ECM用CMOS前置放大器600的电路示意图。在该实施例中，电流源以电阻器R2的方式实现，其他部分与图4所示第二实施例相同。通过将电阻器用作电流源，可以简化前置放大器的电路结构，以简单的电路结构得到高增益，小体积的ECM麦克风用前置放大器。

优选，该实施例可以单独使用也可以与其他实施例结合使用。

图7示出根据本发明第四实施例的ECM用CMOS前置放大器700的电路示意图。在该实施例中，电流源以耗尽型NMOS晶体管NM3实现，其他部分与图4所示第二实施例相同。优选地，电流源以耗尽型NMOS晶体管NM3和电阻器R2实现。耗尽型NMOS晶体管NM3的漏极作为电流源的一端与第二NMOS晶体管的漏极连接，其栅极和源极连接后作为电流源的另一端与所述PMOS晶体管的源极和第一NMOS晶体管的漏极连接，电阻器R2连接在晶体管NM3的源极和所述另一端之间。电阻器R2起到负反馈作用，使电流源输出的电流更加稳定，输出电流随电源电压的变化很小。

优选，该实施例可以单独使用也可以与其他实施例结合使用。

图8示出根据本发明第五实施例的ECM用CMOS前置放大器800的电路示意图。在该实施例中，电流源也可以用PMOS晶体管实现，其他部分与图4所示第二实施例相同。.优选地，该电流源包括第二和第三PMOS晶体管PM2和PM3和参考电流源Iref。

优选，该实施例可以单独使用也可以结合其他实施例使用。

本领域技术人员应该理解，电流源的实现方法还有多种选择，可以结合应用在本发明的前置放大器中。

图9示出根据本发明第六实施例的ECM用CMOS前置放大器900的电路示意图。在该实施例中，在第一和第二NMOS晶体管NM1和NM2构成镜像电流的源中，NMOS晶体管NM1和NM2的源极分别串联电阻器Rs1和Rs2。这样，流经NMOS晶体管NM1和NM2的电流会更对称。同时也可以调节PMOS晶体管PM1的源极电压或流经PM1的电流，从而调节PMOS晶体管PM1的增益。

优选，该实施例可以单独使用也可以与其他实施例结合使用。

为了节省空间和降低成本，第一级晶体管和第二级晶体管优选集成在芯片上形成集成电路管芯。形成为集成电路管芯的前置放大器适于应用在在空间非常有限的各种应用环境中，特别是应用在驻极体ECM麦克风中。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种驻极体麦克风用高增益前置放大器，该放大器由两级电路组成，其中第一级放大电路采用PMOS源极跟随器，以PMOS晶体管的栅极作为放大器的输入端，第二级放大电路采用两个NMOS晶体管的NMOS共源极放大器，PMOS晶体管的源极连接至第一NMOS器件的栅极和漏极，第二NMOS器件的漏极作为放大器的输出端，第一级放大电路到第二级放大电路用镜像电流源来实现。

2.一种驻极体麦克风用高增益前置放大器，该放大器包括PMOS晶体管、第一和第二NMOS晶体管，以及电流源，

其特征在于，

所述PMOS晶体管的栅极用作该放大器的输入端，所述第二NMOS晶体管的漏极用作该放大器的输出端，

所述电流源的第一端与第二NMOS晶体管的漏极连接，第二端与所述PMOS晶体管的源极和第一NMOS晶体管的漏极连接，

所述第一NMOS晶体管的漏极和第一NMOS晶体管的栅极连接，

所述第一和第二NMOS晶体管的栅极连接，并且

所述PMOS晶体管的漏极以及第一和第二NMOS晶体管的源极接地。

3.如权利要求1或2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，PMOS晶体管的栅极通过电阻器或电阻性器件接地。

4.如权利要求1或2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，所述电流源以第一电阻器实现。

5.如权利要求1或2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，所述电流源以耗尽型NMOS晶体管和第二电阻器实现。

6.如权利要求5所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，所述耗尽型NMOS晶体管的漏极作为所述电流源的第一端，所述耗尽型NMOS晶体管的源极串联连接所述第二电阻器后与其栅极连接作为所述电流源的第二端。

7.如权利要求1或2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，所述电流源以两个PMOS晶体管和参考电流源的方式实现。

8.如权利要求2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，所述第一和第二NMOS晶体管的源极分别通过电阻器或电阻性器件接地。

9.如权利要求2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器，其特征在于，该前置放大器进一步包括耦合在第一和第二NMOS器件的栅极之间的低通滤波器。

10.一种驻极体麦克风，包括如权利要求1或2所述的驻极体麦克风用高增益前置放大器。