[发明专利]用于驻极体麦克风的高增益前置放大器及驻极体麦克风

说明书

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。