[發(fā)明專利]低通濾波器裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201880076000.6
• 申請日: 2018-11-19
• 公開（公告）號: CN111713017A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬蒂亞斯·斯坦納;托馬斯·弗勒利希
• 申請（專利權(quán)）人: AMS國際有限公司
• 主分類號: H03H7/01
• 分類號: H03H7/01
• 代理公司: 北京柏杉松知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11413
• 代理人: 謝攀;劉繼富

在實施例中，低通濾波器裝置具有：用于接收輸入電壓(Vin)的輸入端子(20)；耦合到輸入端子(20)的第一電壓源(Vs1)；包括第一濾波器二極管(D1)和第二濾波器二極管(D2)的串聯(lián)連接，該串聯(lián)連接耦合到第一電壓源(Vs1)，其中，第一濾波器二極管(D1)與第二濾波器二極管(D2)之間的連接點耦合到濾波器裝置的輸出端子(30)；以及耦合在輸出端子(30)與濾波器參考電位端子(10)之間的第一濾波器電容器(Cf1)。其中，第一電壓源(Vs1)適于提供第一可調(diào)正向電壓(Vfw1)，通過該第一可調(diào)正向電壓，第一濾波器二極管(D1)和第二濾波器二極管(D2)均在正向方向上偏置。

本公開針對一種低通濾波器裝置。

本公開的領(lǐng)域涉及低通濾波，特別是為微機電系統(tǒng)MEMS傳感器提供偏置電壓中的低通濾波。

電容式麥克風MEMS傳感器要求例如20V的高直流DC偏置電壓來實現(xiàn)傳感器操作。術(shù)語偏置意味著在電路的至少一個點處建立至少一個預(yù)定的電壓或電流，以為了在所述電路的至少一個部件中建立適當?shù)牟僮鳁l件的目的。因此，操作點也表示為偏置點，且指的是電路中例如晶體管的有源器件的指定端子處的穩(wěn)態(tài)DC電壓。

在電容式麥克風MEMS的情況下，所要求的偏置電壓是通過例如由集成到與傳感器連接的集成電路IC中的電荷泵產(chǎn)生的。由于偏置電壓上的噪聲電壓增加到完整麥克風噪聲，因此在電荷泵的輸出處需要低截止頻率的低通濾波器，該低截止頻率通常低于10Hz以下，以便對電荷泵提供的電壓進行濾波。將低角頻率實現(xiàn)到集成電路中要求大的電阻，以保持電容器尺寸是可行的。

同時，傳感器觀察到的、經(jīng)過低通濾波器之后的輸出電壓應(yīng)該例如在通電之后或傳感器中發(fā)生放電事件之后的幾十毫秒內(nèi)穩(wěn)定或快速恢復(fù)，以滿足相應(yīng)應(yīng)用的啟動要求。還希望偏置電壓不隨溫度漂移，因為這種漂移會對完整麥克風增益漂移產(chǎn)生負面影響，這在要求較低偏置電壓的傳感器中是尤其不利的。

在已知的方法中，二極管在對由MEMS麥克風中的電荷泵提供的電壓進行濾波中被用作濾波器電阻元件。所述方法的典型電路結(jié)構(gòu)如圖12中所示。電荷泵在例如20V下產(chǎn)生高壓Vpump，該高壓由第一階低通進行濾波，該第一階低通由用于負泄漏電流Ilk情況的二極管D2和/或二極管D1、濾波器電容器Cfilt組成。由此提供偏置電壓Vbias。二極管D1和D2以背對背并聯(lián)連接的方式耦合。通常，二極管的電流-電壓特性遵循指數(shù)關(guān)系，即：

I＝Is*e^U/26mV

其中，I表示二極管的電流I，Is表示反向偏置飽和電流Is，U表示跨越二極管的電壓。熱電壓達26mV。

只要以非常小的硅面積成本二極管電流是小的，所述關(guān)系就提供所要求的大的小信號電阻。二極管的小信號電阻根據(jù)以下公式確定：

其中，R表示二極管的小信號電阻R，且I表示二極管的電流I。

例如，在1pA的二極管電流下實現(xiàn)了26GOhm的大的小信號電阻。

圖12右手側(cè)的大信號輸出圖示出了兩個二極管D1和D2的組合特性。叉標記了在通常正泄漏電流Ilk下的示例靜態(tài)操作點的位置，該正泄漏電流導(dǎo)致電壓Vpump和Vbias之間的差。如能夠看到的，存在偏置電壓Vbias的寬的臨界范圍，在這個臨界范圍內(nèi)，操作點由小漏電流限定，即在二極管D1或D2都不導(dǎo)通的狀態(tài)下，漏電流Ilk中的小變化引起偏置電壓Vbias中的顯著變化。另外，由于二極管的大的小信號電阻，時間常數(shù)在該臨界范圍中變得非常大。這在偏置電壓Vbias處引入了不期望的不精確性和緩慢穩(wěn)定效果。

為了減少緩慢的濾波器穩(wěn)定而導(dǎo)致的啟動時間，能夠針對在通電之后的最初幾毫秒激發(fā)較高的電荷泵電壓。這種方法的缺點是，由于MEMS傳感器周圍的組合的高電阻節(jié)點的復(fù)雜的穩(wěn)定過程，在啟動階段的稍后的某個溫度下會產(chǎn)生偽影。同時，該方法沒有解決從可能的放電事件中恢復(fù)的問題，這也會影響到電荷泵輸出處的濾波器。