使用靜電式傳聲器的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于超低功率聲傳感器的方法和系統(tǒng)包括：緩沖晶體管，緩沖晶體管的柵極端子連接至電容式聲傳感器的第一端子，緩沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接至電源并且漏極端子連接到輸出端子，并且緩沖晶體管的源極端子連接至調(diào)節(jié)電流源；其中，調(diào)節(jié)電流源連接在緩沖晶體管的源極端子與參考端子之間；并且參考端子能夠連接至電容式聲傳感器的第二端子。
【專利說(shuō)明】
使用靜電式傳聲器的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求于2013年12月25日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/920,759 W及于2014 年1月13日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/926，794的優(yōu)先權(quán)益，在運(yùn)里將運(yùn)兩個(gè)在先申請(qǐng)的 全部?jī)?nèi)容W引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體設(shè)及使用靜電式傳聲器的系統(tǒng)和方法，且更具體但不排他地設(shè)及低功 耗操作的駐極體電容式(e 1 ectret condenser)傳聲器。
【背景技術(shù)】
[0004] 靜電式傳聲器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的?；蛟S最廣泛使用的靜電式傳聲器是駐極體 電容式傳聲器。駐極體電容式傳聲器使用一片作為永久性帶電材料的駐極體，并且充當(dāng)電 容器。由于由聲波產(chǎn)生的氣壓變化會(huì)改變被駐極體充電的電容器的電容，因此永久電荷相 應(yīng)地引起電容器上的電壓的變化。接著，電壓被放大，W產(chǎn)生與聲波相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
[0005] 由非常小的電池供電的設(shè)備的普及W及無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN)和無(wú)線體域網(wǎng) (WBAN)的普及要求功耗非常低的通信方法。
[0006] 因此，人們認(rèn)識(shí)到需要且有利地提供用于靜電式傳聲器的低功耗操作的方法和系 統(tǒng)，特別地需要能夠克服上述缺陷的駐極體電容式傳聲器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 除非另外進(jìn)行限定，運(yùn)里使用的所有技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)的含義與本發(fā)明所屬領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員通常所理解的含義相同。運(yùn)里提供的材料、方法和示例僅僅是闡釋性的， 而非限定性的。除非方法本身中的必要或固有的限度，包括附圖在內(nèi)的本說(shuō)明書中描述的 方法或過(guò)程的步驟或階段沒(méi)有指定或暗示特定的順序。在許多種情況下，過(guò)程步驟的順序 可W改變，而不會(huì)改變所述方法的目的或效果。
[000引本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的實(shí)施包含手動(dòng)地、自動(dòng)地或W它們的組合的方式執(zhí)行或完 成某些選定的任務(wù)或步驟。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例中的實(shí)際儀器和 設(shè)備，可W通過(guò)硬件或通過(guò)在任何固件的任何操作系統(tǒng)上的軟件或通過(guò)它們的組合來(lái)實(shí)施 幾個(gè)選定的步驟。例如，至于硬件，本發(fā)明的選定步驟可W作為忍片或電路來(lái)實(shí)施。至于軟 件，本發(fā)明的選定步驟可W作為通過(guò)由使用任何適當(dāng)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)執(zhí)行的多個(gè)軟件指 令來(lái)實(shí)施。在任何情況下，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的選定步驟可W被描述為正被諸如用于執(zhí) 行多個(gè)指令的計(jì)算平臺(tái)之類的數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種包括電流源和緩沖晶體管的裝置和/或方法，緩 沖晶體管的柵極端子連接至電容式聲傳感器的第一端子，緩沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載 網(wǎng)絡(luò)連接至電源并且漏極端子連接到輸出端子，并且緩沖晶體管的源極端子連接至調(diào)節(jié)電 流源，其中，調(diào)節(jié)電流源連接在緩沖晶體管的源極端子與參考端子之間，參考端子可W連接 至電容式聲傳感器的第二端子。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，緩沖晶體管在零偏置 (Idss)下具有相對(duì)較高的漏極電流，并且調(diào)節(jié)電流源迫使相對(duì)較低的漏極-源極電流經(jīng)過(guò) 緩沖晶體管。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，電流源W電流鏡像電路 為基礎(chǔ)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，電流源包括比較器，W將 緩沖器的偏置電流設(shè)定成預(yù)定值。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括緩沖晶體管和調(diào)節(jié)電壓源的裝置和/或方 法，其中，緩沖晶體管的柵極端子第一端子連接至電容式聲傳感器的第一端子，緩沖晶體管 的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接至電源并且漏極端子連接到輸出端子，緩沖晶體管的源極端 子經(jīng)由電阻器連接至參考端子，并且調(diào)節(jié)電壓源連接在聲傳感器的第二端子與參考端子之 間。
[0014] 另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，緩沖晶體管在零偏 置(Idss)下具有相對(duì)較高的漏極電流，如果緩沖晶體管具有N溝道，那么調(diào)節(jié)電壓源相對(duì)于 緩沖晶體管的源極端子在緩沖晶體管的柵極端子處提供一個(gè)或多個(gè)負(fù)電壓，并且如果緩沖 晶體管具有P溝道，那么調(diào)節(jié)電壓源相對(duì)于緩沖晶體管的源極端子在緩沖晶體管的柵極端 子處提供一個(gè)或多個(gè)正電壓。
[0015] 另外根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，電源包括比較器，W 用于確定緩沖晶體管的操作點(diǎn)。
[0016] 另外根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，緩沖晶體管為場(chǎng)效 應(yīng)晶體管(陽(yáng)T)、j陽(yáng)T和MOS陽(yáng)T中的至少一者。
[0017] 另外根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，緩沖晶體管是根據(jù) 最小長(zhǎng)度L、最大寬度W、通過(guò)該裝置的大電流W及最小輸入電容中的至少一者來(lái)選定的。
[0018] 此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，電容式聲傳感器為 聲傳感器、駐極體電容式傳聲器化CM) W及微機(jī)電系統(tǒng)系統(tǒng)(MEMS)傳聲器中的至少一者，并 且聲傳感器充當(dāng)電容器，且電容器的電容量響應(yīng)于氣壓和空氣振動(dòng)中的至少一者而發(fā)生改 變。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，緩沖晶體管在飽和區(qū)和 歐姆區(qū)中的至少一者中操作。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，該裝置和/或方法還包括用于 控制將操作電壓向FET、電流源和電源中的至少一者的供應(yīng)的采樣/保持電路，并且采樣/保 持電路的操作與將操作電壓向FET、電流源和電源中的至少一者的供應(yīng)的操作同步。
[0021 ]另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，該裝置和/或方法還包括 向采樣/保持電容器提供偏置電壓的電壓跟隨電路。
[0022] 另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種裝置和/或方法，其中，用于連接緩沖晶體 管的漏極端子和電源的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)為電阻器和諧振電路中的至少一者。
[0023] 另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，該裝置和/或 方法還包括無(wú)線電單元，無(wú)線電單元包括無(wú)線電接收機(jī)、無(wú)線電發(fā)射機(jī)W及無(wú)線電收發(fā)機(jī) 中的至少一者，并且該裝置用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí)將無(wú)線電單元從休眠模式中喚醒。
[0024] 另外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，該裝置和/或 方法還包括用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)(acoustic tone)的濾波器陣列。
[0025] 此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，該裝置和/或 方法還包括無(wú)線電單元和濾波器陣列，無(wú)線電單元包括無(wú)線電接收機(jī)、無(wú)線電發(fā)射機(jī)W及 無(wú)線電收發(fā)機(jī)中的至少一者，濾波器陣列用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)，并且多個(gè)音調(diào)中的至少一者 受到調(diào)制，該裝置用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí)將無(wú)線電單元從休眠模式中喚醒。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，其中，調(diào)制包括不 同起始時(shí)間、不同結(jié)束時(shí)間W及不同振幅中的至少一者。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法W及無(wú)線單元，該無(wú) 線單元包括接收器、發(fā)射器和收發(fā)器中的至少一者、聲學(xué)傳感器和與無(wú)線單元和聲傳感器 禪接的感測(cè)電路，并且感測(cè)電路用于檢測(cè)由聲傳感器采集的預(yù)定聲信號(hào)，感測(cè)電路用于提 供啟動(dòng)無(wú)線單元的操作的信號(hào)。
[0028] 另外根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，該裝置和/或 方法還包括可操作為檢測(cè)多個(gè)音調(diào)的濾波器陣列。
[0029] 另外根據(jù)本發(fā)明的另一其它方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，其中，多 個(gè)音調(diào)中的至少一者受到調(diào)制。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)其它方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，其中，調(diào)制 包括不同的起始時(shí)間、不同的結(jié)束時(shí)間W及不同的振幅中的至少一者。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)其它方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，該裝置和/ 或方法還包括采樣/保持電路，其中，采樣/保持電路額外地用于控制將操作電壓向緩沖晶 體管、用于緩沖晶體管的電流源W及用于聲傳感器的電壓源中的至少一者的供應(yīng)，并且采 樣/保持電路的操作與將操作電壓向緩沖晶體管、電流源和電壓源中的至少一者的供應(yīng)的 操作同步。
[0032] 此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種如上所述的裝置和/或方法，該裝置和/或 方法還包括向采樣/保持電容器提供偏置電壓的電壓跟隨電路。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 運(yùn)里僅通過(guò)示例的方式參照附圖來(lái)描述本發(fā)明。在具體和詳細(xì)地參照附圖的情況 下，必須強(qiáng)調(diào)的是，所示的特定情形僅是示例性的并且僅出于闡釋本發(fā)明的實(shí)施例的目的， 并且為了提供本發(fā)明的原理和概念的使人們最有效和最容易理解的說(shuō)明而呈現(xiàn)。就此而 言，運(yùn)里僅提供用于理解本發(fā)明的基本原理所需的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但未試圖W更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)細(xì) 節(jié)示出本發(fā)明，結(jié)合附圖所進(jìn)行的說(shuō)明使本領(lǐng)域技術(shù)人員了解在實(shí)踐中如何實(shí)施本發(fā)明的 幾種形式。在附圖中：
[0034] 圖1為具有偏置電路的ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0035] 圖2為具有jFET影響的ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0036] 圖3為基于電容器的傳聲器電路的簡(jiǎn)化示意圖；
[0037] 圖4為駐極體電容式傳聲器的簡(jiǎn)化示意圖；
[0038] 圖5為具有噪聲模型的ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0039] 圖6為具有受控偏置ID的ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0040] 圖7為包括受控電流源的ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0041 ]圖8為包括受控鏡像電流源的ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0042] 圖9為包括受控電流源的低功率ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0043] 圖10為包括受控電流源的低功率ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0044] 圖11為包括受控電壓源的超低功率ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0045] 圖12為包括詳細(xì)的受控電壓源的超低功率ECM電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0046] 圖13為電容式傳聲器電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0047] 圖14A為DC-DC分壓器電路的簡(jiǎn)化電氣示意圖；
[004引圖14B為DC-DC分壓器的簡(jiǎn)化符號(hào)表示圖；
[0049] 圖14C為DC-DC電壓源的簡(jiǎn)化電氣示意圖；
[0050] 圖15為輸出濾波器電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0051 ]圖16為負(fù)電壓源電路系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖；
[0052] 圖17為集成有ECM緩沖器的電路的簡(jiǎn)化示意圖；
[0053] 圖18為ECM采樣/保持電路的簡(jiǎn)化示意圖；
[0054] 圖19為表示圖18的ECM采樣/保持電路的操作的簡(jiǎn)化時(shí)序圖；
[0055] 圖20為偏置ECM采樣/保持電路的簡(jiǎn)化示意圖；
[0056] 圖21為表示函數(shù)W ( K )的值的簡(jiǎn)化曲線；
[0057] 圖22為表示增益值的簡(jiǎn)化曲線1;
[0化引圖23為諧振ECM電路的簡(jiǎn)化示意圖；
[0059] 圖24為MEMS傳聲器電路的簡(jiǎn)化框圖；
[0060] 圖25為無(wú)線傳感器裝置的簡(jiǎn)化框圖；
[0061 ]圖26為用于無(wú)線傳感器裝置的軟件程序的簡(jiǎn)化流程圖；
[0062] 圖27為諸如智能手機(jī)等無(wú)線終端裝置的軟件程序的簡(jiǎn)化流程圖；
[0063] 圖28為S音調(diào)聲信號(hào)（t虹ee-tone acoustic signal)的簡(jiǎn)化時(shí)間圖；
[0064] 圖29為另一個(gè)S音調(diào)聲信號(hào)的簡(jiǎn)化時(shí)間圖；并且
[0065] 圖30為濾波器陣列的簡(jiǎn)化框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0066] 通過(guò)參照附圖和隨附的說(shuō)明，可W更好地理解使用靜電式傳聲器的系統(tǒng)和方法， 特別但不排他地，可W更好地理解用于操作駐極體電容式傳聲器的低功耗電路。
[0067] 在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的應(yīng)用不局限于下 面的說(shuō)明中提出或附圖中示出的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠用于其它實(shí)施例， 或者可W W多種方式實(shí)踐或執(zhí)行本發(fā)明。另外，應(yīng)當(dāng)理解，本文采用的措辭和術(shù)語(yǔ)是出于說(shuō) 明的目的，并且不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的。
[0068] 在本文中，某個(gè)附圖中的未被在該附圖的范圍內(nèi)說(shuō)明但在之前的附圖中標(biāo)示的元 件具有如在之前的附圖中的相同的用途和說(shuō)明。類似地，某個(gè)文本中的被沒(méi)有在由該文本 描述的附圖中出現(xiàn)的數(shù)字表明的元件具有如在之前的說(shuō)明該數(shù)字的附圖中的相同的用途 和說(shuō)明。
[0069] 本文中說(shuō)明的系統(tǒng)和方法的目的在于在消耗最小電能的同時(shí)使用靜電式傳聲器。 作為非限制性示例，靜電式傳聲器被實(shí)施為駐極體電容式傳聲器(也被稱為駐極體傳聲器 或ECM)。駐極體電容式傳聲器的結(jié)構(gòu)是公知的，并且可W通過(guò)不同來(lái)源獲取駐極體電容式 傳聲器。
[0070] 本文中說(shuō)明的系統(tǒng)和方法的另一個(gè)目的在于實(shí)現(xiàn)例如W下文獻(xiàn)中示出和描述的 聲學(xué)通信:在2013年7月21日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/85 6729、同樣在2013年7月21日 提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/856730和在2014年7月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)62/ 021018、W及在2014年7月21日提交的要求運(yùn)些美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)的PCT申請(qǐng)PCT/ IB 2014/063266,在運(yùn)里將運(yùn)些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。
[0071] 聲學(xué)通信可用于實(shí)施無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)或無(wú)線體域網(wǎng)(WBA N)。聲學(xué)通信尤 其適用于低功率WPAN或WBAN。聲學(xué)通信尤其適用于檢測(cè)用于接通處于待機(jī)模式的電路系統(tǒng) 的信標(biāo)信號(hào)或喚醒信號(hào)。在運(yùn)種情況下，由電池驅(qū)動(dòng)的裝置進(jìn)入待機(jī)模式W節(jié)約電池電量。 信標(biāo)信號(hào)、喚醒信號(hào)或任意類似聲信號(hào)被發(fā)送至該裝置W將其從待機(jī)模式喚醒。因此，雖然 處于待機(jī)模式，但該裝置一直"監(jiān)聽(tīng)"環(huán)境W檢測(cè)運(yùn)種信標(biāo)信號(hào)或喚醒信號(hào)。該監(jiān)聽(tīng)模式應(yīng) 當(dāng)具有非常低的功耗，運(yùn)就是本文所說(shuō)明的裝置可W實(shí)現(xiàn)的。
[0072] 例如，目前ECM需要50化A-IOO化A的偏置電流。然而，普通紐扣電池提供IOmAh- 250mAh，且因此50化A的ECM將在僅用20小時(shí)就消耗掉IOmAh的電池。本文說(shuō)明的ECM電路系 統(tǒng)的目的在于消耗小于1微安，從而相同紐扣電池可提供約1〇,〇〇〇-250,000小時(shí)的工作時(shí) 間。
[0073] 現(xiàn)在參照?qǐng)D1，圖1為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的具有偏置電路的ECM電路系統(tǒng)10的簡(jiǎn) 化示意圖。
[0074] 如圖1所示，ECM電路系統(tǒng)10可包括駐極體電容式傳聲器化CMHU緩沖器電路12和 偏置電路13。通常，ECM 11和緩沖器電路12被設(shè)置在一起，并嵌入在傳聲器裝置14中，傳聲 器裝置具有與偏置電路連接的被命名為MIC+和MIC-的兩個(gè)端子15。如圖IW示例的方式所 示，緩沖器電路包括晶體管16。晶體管16作為緩沖晶體管進(jìn)行操作，并且通常為場(chǎng)效應(yīng)晶體 管(FET)，并通常為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（jFET)或MOSFET晶體管。運(yùn)里可W簡(jiǎn)單地將晶體管16 命名為FET或jFET。圖1的偏置電路還可W包括電池17和偏置電阻器18。電流Id經(jīng)由電阻器 18從電池17流入j陽(yáng)T 16的漏極端子。電流Id從j陽(yáng)T 16的源極端子流回至電池17。
[0075] 可理解的是，雖然本文所描述的電路將駐極體電容式傳聲器化CM)用作聲音感測(cè) 裝置，但是運(yùn)些電路可W通過(guò)必要的修改W應(yīng)用至其它類型的傳聲器和/或聲音感測(cè)裝置。 特別地，本文所關(guān)注和說(shuō)明的系統(tǒng)和方法可W應(yīng)用至其它類型的電容式傳聲器和/或使自 身的電容作為空氣振動(dòng)和/或聲音的函數(shù)而變化的傳聲器。例如，本文所關(guān)注和說(shuō)明的系統(tǒng) 和方法可W應(yīng)用至使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的傳聲器。
[0076] 通常，ECM 11具有電容C，且電容C包括帶電荷Q的極化駐極體。因此，（在將ECM連接 至jFET之前化CM的電容器C上的電壓為Vc = Q/Ce，其中，Ce為駐極體電容。jFET的輸入電容 被命名為Cgs。
[0077] 該電壓可W盡可能高W增加傳聲器的靈敏度，并且也可W足夠低W不會(huì)造成擊 穿?？諝庵械慕殡姀?qiáng)度為3,000, OOOV/m，運(yùn)意味著對(duì)于0 . Imm-Imm的寬度，最大電壓分別為 300-3，OOOV，運(yùn)限制了預(yù)充電駐極體元件11的電荷Q的值。由于駐極體元件11上的電壓Vc = Q/Ce可相對(duì)較高，因此W與駐極體元件11并聯(lián)的方式添加電阻器，從而迫使駐極體元件11 放電至零伏特。就物理現(xiàn)象而言，首先，使駐極體元件11預(yù)充電有電荷Q，且駐極體元件上的 電壓為
[007引
[0079] 其中，C2為駐極體元件11內(nèi)部的氣隙的電容。如果Cgs非常小，那么該電壓能高達(dá) Q/Ce。
[0080] 增加與駐極體元件并聯(lián)的電阻器會(huì)在駐極體元件11上產(chǎn)生負(fù)電場(chǎng)力（electric force)。因此，駐極體元件上的電壓正好為零。換言之，在駐極體元件11的電容器的板上產(chǎn) 生負(fù)電荷-Q，從而迫使駐極體元件上的電壓為零(如下面進(jìn)一步說(shuō)明）JFET在本電路中作 為預(yù)充電電容器C的緩沖器是必不可少的。
[0081 ]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，圖2為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的具有jFET影響的ECM電路系統(tǒng)19的簡(jiǎn) 化示意圖?？蛇x地，可在之前的圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察電路系統(tǒng)19。然而，當(dāng)然可在任 何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)19。另外，前述定義可W同樣地適用于下面的說(shuō)明。
[0082] 類似于電路系統(tǒng)10,電路系統(tǒng)19也表現(xiàn)出通常約為3至6皮法的j陽(yáng)T輸入電容Ciss 和通常約為1至6皮法的輸出電容Cds。
[0083] 通過(guò)電阻器18對(duì)正電壓17的連接會(huì)使jFET工作在飽和區(qū)。在空氣中傳播并到達(dá) ECM的聲波會(huì)導(dǎo)致ECM電容C的變化dC，由此如公式1所示會(huì)影響jFET柵極端子處的電壓Vgs (ac)。
[0084] 公式 1
[00扣
[0086J 現(xiàn)仕參照?qǐng)D3,圖3刃恨巧一駆頭她憐UW雖于電谷帯W巧戶帯電路20的簡(jiǎn)化示 意圖。可選地，可在之前的圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察基于電容器的傳聲器電路20。然而， 當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察基于電容器的傳聲器電路20。另外，前述定義可W同樣 地適用于W下說(shuō)明。
[0087] 如圖3所示，偏置電壓Vb經(jīng)由電阻器21(值為R)連接至可變電容器22(值為Cmic), 可變電容器將其電容作為聲壓的函數(shù)進(jìn)行變化。電容器22經(jīng)由禪合電容器24(值為Ccop)禪 接至放大器23(A)。
[0088] 在穩(wěn)定狀態(tài)下，電容器22將被充電至Vb。因此，假定Ccop〉〉Cin，則電容器22中W及 等效電容器24和電容25(值為Cin)中存儲(chǔ)的電荷為Q = Vb(Cmic+Cin)。假定聲壓會(huì)改變電容
[0089] 器22,并且時(shí)間常數(shù)RCmic足夠大使得電荷Q不會(huì)發(fā)生變化，因此：
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] 可W使用FET晶體管建立放大器23,且例如在運(yùn)種情況下，該放大器為共源放大 器。
[0094] 現(xiàn)在參照?qǐng)D4,圖4為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的駐極體電容式傳聲器27的簡(jiǎn)化示意圖 26?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下的背景下來(lái)觀察簡(jiǎn)化示意圖26。然而，當(dāng)然可在 任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察簡(jiǎn)化示意圖26。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。 [00M] 如圖4所示，對(duì)駐極體傳聲器進(jìn)行說(shuō)明。駐極體傳聲器27可W包括上彈性導(dǎo)電板 28、下導(dǎo)電背板29和駐極體材料30。利用例如施加至永久極化駐極體材料30的上層的值為+ 如的正電荷W及例如施加至永久極化駐極體材料30的下層的值為-如的負(fù)電荷，駐極體材 料30可W被永久極化。上彈性導(dǎo)電板28和下導(dǎo)電背板29共同形成值為C的電容器。當(dāng)聲波通 過(guò)孔31傳播時(shí)，上板可彎曲，從而導(dǎo)致電容C發(fā)生變化，并接著導(dǎo)致隨著聲壓變化的電壓變 化。
[0096] 如圖4所示，上彈性導(dǎo)電板28和下導(dǎo)電背板29連接至緩沖晶體管32,運(yùn)是因?yàn)殡娙?器C的阻抗非常高。如圖4所示，電阻器33連接在上彈性導(dǎo)電板28和下導(dǎo)電背板29之間形成 的電容器的端子34和35之間。
[0097] 在穩(wěn)定狀態(tài)下電容器端子34、35上的電壓應(yīng)當(dāng)正好為零。可W在下導(dǎo)電背板29的 背面(外)側(cè)感應(yīng)出電荷+91，而可W在上彈性導(dǎo)電板28的背面(外)側(cè)感應(yīng)出電荷-Q1。因此， 根據(jù)距充電盤的小距離的電場(chǎng)的理論，公式3將電場(chǎng)表示為：
[0098] 公式 3
[0099]
[0100] 因此，駐極體上的電壓和空氣上的電壓的和應(yīng)當(dāng)為零，或者應(yīng)該由公式4提供：
[0101] 公式 4
[0102]
[0103] 例如，ho的從ho到ho+A ho的小變化可導(dǎo)致方程5所示的電壓變化(假定上板和下板 上的電荷不會(huì)快速地變化）：
[0104] 公式 5
[0105]
[0106] W上分析是W能夠在W下網(wǎng)站處獲取的麻省理工學(xué)院開(kāi)放課程的第六章為基礎(chǔ)： http://ocw.mit.edu/resources/res-6-001-electromagnetic-fields-and-energy- spring-2008/chapter-6/06. pdf 〇
[0107] 因此，能夠如公式6所說(shuō)明地定義由上彈性導(dǎo)電板28和下導(dǎo)電背板29形成的電容 器的駐極體電容器：
[010引公式6
[0109]
[0110] 公式1中提到的Q為Q1。由于電容器端子34、35之間的電壓為零，因此在穩(wěn)定狀態(tài)下 Ciss充電有零電荷。對(duì)于Ciss,很明顯，電荷未發(fā)生變化，但是一些電荷可從上彈性導(dǎo)電板 28和下導(dǎo)電背板29向Ciss反復(fù)地移動(dòng)。因此，由公式7給出了電壓變化：
[0111] 公式 7
[0112]
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117]且因此，對(duì)^
如在沒(méi)有將Ciss考慮在內(nèi)的原始分析中，
[011 引
[0119]如從公式1可W看出，Ciss非常重要，運(yùn)是因?yàn)檫^(guò)大的Ciss可產(chǎn)生輸入處的衰減。
[0120]現(xiàn)在參照?qǐng)D5,圖5為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的具有噪聲模型的ECM電路系統(tǒng)36的簡(jiǎn) 化示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察簡(jiǎn)電路系統(tǒng)36。然而，當(dāng)然可在任 何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)36。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0121 ]電路系統(tǒng)36包括基于教科書《EE6416低噪聲電子設(shè)計(jì)》第5章UjFET噪聲"中提供的 信息的噪聲模型，并且該電子書可W在W下網(wǎng)站處獲取:http: //users. ece. gatech. edu/ ~11116曰油/6。66416/1^曰63/6邱05.口壯。由此，通過(guò)公式8和9給出了^'陽(yáng)1'噪聲。
[0122]公式 8
[0123
[0124
[0125
[0126] 其中，"td"表示"熱漏（thermal 化ain)"，且"fd"表示"閃爍漏（flicker 化ain)"。
[0127] 在下文中，由W下公式對(duì)噪聲項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明：
[012引 公古10
[0129]
[0130] 公式11給出飽和區(qū)中的一般的漏極電流，其中通過(guò)公式12給出gm:
[0131] 公式 11
[0135] 因此，通過(guò)公式13給出由根據(jù)公式1的輸入信號(hào)引起的輸出電壓：[0136] 公式 13
[0132]
[0133]
[0134]
[0137：
[013引因此，輸出電壓為電流Id的函數(shù)，且因此通過(guò)最大化Id使輸出最大化。因此，當(dāng)Idss =Id時(shí)提供了最大的輸出。 。/ 巧 ('Vm'
[0139] 因此，如果項(xiàng)中的R被設(shè)計(jì)成用于補(bǔ)償由項(xiàng)給出的衰減，則典 如'4 Ciss 型值為：Idss = SOOiiA,Vp = -Iv,Ciss = ：3pF，C = ：3pF，R=2.2KiiQ。
[0140] 對(duì)于W上典型值，得函
并且對(duì)于小Ciss來(lái)說(shuō)，傳聲器的總增益為2.2 或-6地。雖然能夠?qū)增加至4K，但接著電壓源應(yīng)當(dāng)給出Vds>-Vp(假定Vgs = O)。運(yùn)表示電壓 源應(yīng)當(dāng)為3VW上。
[0141] 同時(shí)使用較小Id，能夠增加項(xiàng)^^/^/f的值。
[0142] 而且，另一方面，也能夠增加R，并將jFET依然保持在飽和區(qū)中。
[0143] 現(xiàn)在參照?qǐng)D6,圖6為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的具有受控偏置Id的ECM電路系統(tǒng)37的 簡(jiǎn)化示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察簡(jiǎn)電路系統(tǒng)37。然而，當(dāng)然可在 任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)37。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0144] 電路系統(tǒng)37與電路系統(tǒng)19類似，但電路系統(tǒng)37增加有提供偏置電流Id的受控電流 源38。根據(jù)公式13,能夠使項(xiàng)]I 足夠大W補(bǔ)償較小Id的衰減，并且另一方面，也能 夠增加R，并將jFET依然保持在飽和區(qū)中。
[0145] 信噪比（SNR)隨電流Id降低。通過(guò)公式14給出輸出處的噪聲電壓變化，且通過(guò)公式 15給出輸出電壓。
[0146] 公式 14
[0147]
[0148] 公式 15
[0149]
[0150] 如果忽略來(lái)自電阻器R的熱噪聲，則能夠根據(jù)公式16確定SNR。
[0151] 公式 16
[0152
[0153] 因而，通過(guò)降低偏置電流Id來(lái)降低SNR。因此，通過(guò)使Id減小因數(shù)M倍且使Idss增加 因數(shù)M倍而保持了 SNR。
[0154] 可理解的是，通過(guò)增加Idss會(huì)影響晶體管的用于產(chǎn)生較高Ciss的幾何結(jié)構(gòu)。可通 過(guò)寬度(W)和長(zhǎng)度化)控制Idss。因此，能夠通過(guò)使用大W情況下的最小L來(lái)增加Idss。例如， 運(yùn)種jFET裝置可W是從位于美國(guó)德克薩斯州75081，715N Glenville Dr. ,Richardson的 Inter陽(yáng)T公司獲取的IF 140。
[0155] 現(xiàn)在參照?qǐng)D7,圖7為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的包括受控電流源40的ECM電路系統(tǒng)39 的簡(jiǎn)化示意圖。可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察簡(jiǎn)電路系統(tǒng)39。然而，當(dāng)然可 在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)39。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0156] 電路系統(tǒng)39示出了包括駐極體電容式傳聲器42和緩沖器裝置43的裝置41。緩沖器 裝置43可包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)44(諸如之前任意圖中的jFET等）dFET 44的柵極端子45 可連接至駐極體電容式傳聲器42的第一端子。FET 44的漏極端子46可經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47連接 至電源VopdFET 44的漏極端子46還可連接至輸出端子48dFET 44的源極端子49可連接至調(diào) 節(jié)電流源40。調(diào)節(jié)電流源40可連接在FET 44的源極端子49和參考端子50之間。參考端子50 還可連接至駐極體電容式傳聲器42的第二端子?？衫斫獾氖?，F(xiàn)ET 44在零偏置（Idss)下具 有相對(duì)較高的漏極電流，并且受控(調(diào)節(jié)）電流源40可迫使相對(duì)較低的漏極-源極電流經(jīng)過(guò) FET44。因此，W相對(duì)低的功率消耗提供了相對(duì)高的SNR。
[0157] 現(xiàn)在參照?qǐng)D8,圖8為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的包括受控鏡像電流源52的ECM電路系 統(tǒng)51的簡(jiǎn)化示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察電路系統(tǒng)51。然而，當(dāng)然 可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)51。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō) 明。
[0158] 電路系統(tǒng)51是W低的Ciss提供IOmA-SOmA的Idss電流的電路系統(tǒng)39的示例性實(shí)施 例。電路系統(tǒng)51包括ECM 42、jFET 44和作為鏡像由流源的由流源52。jFET(Ql)44可W具有 例如50mA的高的Idss，并且Ciss依然較低，使得]
均值可W接近于1。
[0159] 因此，通過(guò)使用常規(guī)ECM，電路系統(tǒng)51可W具有根據(jù)公式17的SNR。
[0160] 公式 17
[0161:
[0162] 其中，Vgs =~OV，Idss = O.5mA，Id=Idss = O.5mA。由于Idss比普通jFET的Idss大 M倍，因此能夠?qū)懗鋈缦鹿?8:
[0163] 公式 18
[0164]
[01化]因此，根據(jù)公式19，新的Id為約化A。
[0166] 公式 19
[0167]
[016引晶體管Q2和Q3用作電流鏡像。因此，如果Q2和Q3相同，則Il = Is = Id =化A。運(yùn)表 示傳聲器可W從3V電池消耗大約1化A。由于Vs接近于I Vp I，因此需要3V電池。由于化較小 (例如2.化），因此化上產(chǎn)生很低的電壓。
[0169] 為了將jFET 44保持在飽和模式下，需要使Vds〉Vgs-Vp，W及
[0170] 公式 20
[0171]
[0172]
[0173]
[0174] 因此，主要功耗可來(lái)自Vs =~-Vp。電池電壓可W被調(diào)節(jié)成使得
[0175] 公式 22
[0176] 0.3《Vbattery_min = VgS+Vds+I服L《2
[0177] 現(xiàn)在參照?qǐng)D9,圖9為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的包括受控電流源54的低功率ECM電路 系統(tǒng)53的簡(jiǎn)化示意圖。可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察電路系統(tǒng)53。然而，當(dāng) 然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)53。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō) 明。
[017引如圖9所示，低功率ECM電路系統(tǒng)53包括ECM 42、jFET 44和受控電流源54 J陽(yáng)T 44 的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)55(電阻器化)連接至電源（電池）56。jFET 44的源極端子連接至 受控電流源54,并且受控電流源54也連接至電源56 J陽(yáng)T 44的源極端子連接至ECM 42，ECM 42的另一端子W及受控電流源54均連接至電源（電池)56的負(fù)側(cè)。
[0179]如圖9所示，低功率ECM電路系統(tǒng)53使用受控電流源的另一個(gè)示例性且非限制性的 實(shí)施例。受控電流源54使用閉環(huán)運(yùn)算放大器W偏置jFET 44。由Rsl和Rs2表示的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)對(duì) 源極電流Id進(jìn)行采樣，源極電流可W為扣A。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)Rsl-Rs2允許使用具有有限的輸出軌 (output rail)的運(yùn)算放大器57(也被命名為OPl)。例如，受控電流源54可W使用化ef = 化c2 = 0.3V和Rs2 = 0.3/扣A = 60k Q。在運(yùn)種情況下，由運(yùn)算放大器OPl抽取的總電流可W 為約1化A。
[0180] 現(xiàn)在參照?qǐng)D10,圖10為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的包括受控電流源59的低功率ECM電 路系統(tǒng)58的簡(jiǎn)化示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察電路系統(tǒng)58。然而， 當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM電路系統(tǒng)58。另外，前述定義可W同樣地適用于W下 說(shuō)明。
[0181] 如圖10所示，低功率ECM電路系統(tǒng)58使用受控電流源的另一個(gè)示例性且非限制性 的實(shí)施例。受控電流源59使用閉環(huán)運(yùn)算放大器60W偏置j陽(yáng)T 44,并且還使用添加至電阻器 Rsl和Rs2的可變電阻器。
[0182] 可理解的是，上面參照?qǐng)D1至圖10示出和說(shuō)明的各種傳聲器電路可W包括緩沖晶 體管(例如，F(xiàn)ET 44)，緩沖晶體管的柵極端子連接至電容式傳聲器(例如，ECM 42)的第一端 子，緩沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)(例如，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47和/或55)連接至電源(例如，電 池18和/或56)并連接到輸出端子，且緩沖晶體管的源極端子連接至調(diào)節(jié)電流源(例如，電流 源40、52、54和/或59)。電流源可W連接在FET的源極端子與參考端子之間。參考端子可W連 接至駐極體傳聲器的第二端子。
[0183] 緩沖晶體管（例如，F(xiàn)ET 44)在零偏置（Idss)下具有相對(duì)較高漏極電流，并且電流 源管迫使相對(duì)較低的漏極-源極電流經(jīng)過(guò)緩沖晶體。電流源可W基于電流鏡像電路。電流源 包括比較器裝置，W將緩沖晶體管的偏置電流設(shè)定至預(yù)定值。
[0184] 可理解的是，可W根據(jù)最小長(zhǎng)度L和/或最大寬度W和/或流經(jīng)裝置的大電流和/或 最小輸入電容來(lái)選定緩沖晶體管。
[0185] 現(xiàn)在參照?qǐng)D11，圖11為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的包括受控電壓源62的超低功率ECM 電路系統(tǒng)61的簡(jiǎn)化示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察超低功率ECM電路 系統(tǒng)61。然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察超低功率ECM電路系統(tǒng)61。另外，前述定義 可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0186] 如圖11所示，超低功率ECM電路系統(tǒng)61可包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)44(諸如之前任 意圖中的jFET等KFET 44的柵極端子45可連接至駐極體電容式傳聲器42的第一端子。FET 44的漏極端子46可經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47連接至被命名為V+的電源。陽(yáng)T 44的漏極端子46也可連 接至輸出端子48"FET 44的源極端子49可經(jīng)由偏置網(wǎng)絡(luò)63連接至參考端子50。駐極體電容 式傳聲器42的第二端子可經(jīng)由受控電壓源62連接至參考端子50。
[0187] 可理解的是，F(xiàn)ET 44在零偏置（Idss)下具有相對(duì)較高的漏極電流，并且受控（調(diào) 節(jié)）電壓源62可W相對(duì)于FET的源極端子迫使在FET的柵極端子處產(chǎn)生負(fù)電壓。因此，W相對(duì) 低的功率消耗提供了相對(duì)高的SNR。
[0188] 現(xiàn)在參照?qǐng)D12,圖12為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的包括詳細(xì)的受控電壓源65的超低功 率ECM電路系統(tǒng)64的簡(jiǎn)化示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察超低功率 ECM電路系統(tǒng)64。然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察超低功率ECM電路系統(tǒng)64。另外， 前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0189] 如圖12所示，超低功率ECM電路系統(tǒng)64為圖11的超低功率ECM電路系統(tǒng)61的一個(gè)示 例性實(shí)施例。類似地，超低功率ECM電路系統(tǒng)64可包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)44(諸如之前任意 圖中的jFET等）JET 44的柵極端子45可連接至駐極體電容式傳聲器42的第一端子。FET 44 的漏極端子46可經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47連接至受控電壓源65。陽(yáng)T 44的漏極端子46也可連接至輸 出端子48"FET 44的源極端子49也可連接至受控電壓源65。駐極體電容式傳聲器42的第二 端子也可連接至受控電壓源65。
[0190] 受控電壓源65可W包括運(yùn)算放大器66,在n溝道FET的情況下，運(yùn)算放大器由諸如 電池67和負(fù)電源68等電源供電，而在P溝道FET的情況下，運(yùn)算放大器由諸如電池67和正電 源等電源供電。運(yùn)算放大器66的一個(gè)輸入連接至諸如電阻器Ra和Rb等電壓分壓器。運(yùn)算放 大器66的另一個(gè)輸入連接至FET 44的源極端子和諸如電阻器Rs等用于感測(cè)電流Id的電流 感測(cè)網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)算放大器66的輸出連接至駐極體電容式傳聲器42的第二端子。受控電壓源65 可W包括經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47與FET 44的漏極端子46連接的電源69。
[0191] 超低功率ECM電路系統(tǒng)64通過(guò)供應(yīng)所需的典型為IOOmV的Vbiasl使jFET緩沖器在 飽和區(qū)中操作。
[0192] 由子
且在飽和時(shí)，F(xiàn)ET 44的增益為gmRL，因此化保持在其平常值Ik Q-IOkQ。根據(jù)公式23:[0193] 公式 23
[0194]
[01 巧]J …一j t 。, trn 又^^加乂的最小電壓源。 因此，將Vbiasl設(shè)定成約IOOmV會(huì)確保Ql處于飽和中，所有之前公式繼續(xù)有效，并且Ql的作 用類似于緩沖器/放大器。負(fù)Vgs使項(xiàng)Vgs-化降低。要做到運(yùn)一點(diǎn)，設(shè)置用于生成KXVbiasW 用作運(yùn)算放大器52的負(fù)操作電壓的模塊。在假定電壓源53為1.5V至3V時(shí)，參數(shù)K可W為1至 3, W生成-3V至-4.5V。該負(fù)電壓饋入運(yùn)算放大器66的負(fù)電源端子，而運(yùn)算放大器66的正電 源端子連接至Vbias或零。
[0196] 偏置電流被Rs = 2.化采樣，其中扣A電流提供約llmV。因此，Ra和肺將運(yùn)算放大器 66的"+"端子設(shè)定為llmV。在20MQ的范圍內(nèi)選定Ra,且計(jì)算肺，使得V+ = llmV。
[0197] 應(yīng)當(dāng)理解，能夠在較高的電壓下工作，并且通過(guò)圖12進(jìn)行證明。電流Is = IcK扣A 可W增加Vgs。換言之，如果電流大于扣A，則Vgs-化會(huì)增加，Id也會(huì)增加，然后OP輸出變負(fù) 值，且Vgs-化降低。
[0198] 該方案假定32kHz振蕩器用于開(kāi)關(guān)降壓DC-DC和負(fù)電壓-3V至-4.5V。對(duì)于32kHz和 IpF的開(kāi)關(guān)電容，開(kāi)關(guān)Icc = O.0化A與約10個(gè)開(kāi)關(guān)相乘。運(yùn)表示開(kāi)關(guān)的電流消耗為〇.4ii A。 假定振蕩器消耗0.1扣A，且傳聲器Vbiasl導(dǎo)致0.化A (從1.5V)。運(yùn)表示從1.5V電池的總傳 聲器消耗為0.化A +0.化A +0.1化A +0. 〇7化A =0.92化A。
[0199] 可理解的是，通過(guò)使用IOOfF = O. IpF的開(kāi)關(guān)、32k化開(kāi)關(guān)振蕩器和10個(gè)開(kāi)關(guān)，電流 可W為1 = 0.04祉A，并假定Vbiasl為50mV，得到Id =扣A/30 = 0.16化A。另外，假定運(yùn)算放 大器消耗0.0IyA，振蕩器消耗0.1扣A，總傳聲器從1.5V電池的消耗為0.16化A +0.1化A + 0.04祉 A+0.OfSliA+0.(UtiA =0.37化 A。
[0200] 運(yùn)是目前制作出的最低功耗傳聲器。該傳聲器依然具有相同的SNR和使用常規(guī)傳 聲器的增益性能。該傳聲器裝置包括S個(gè)端子:MICout(由數(shù)字48表示）、用作接地的MIC-W 及用作1.5V電源MICbias。增加偏置電壓會(huì)增加IcU并因此增加SNR。
[0201] 可理解的是，例如，超低功率ECM電路系統(tǒng)64可W使用任何類型電容式傳聲器工 作，其中，例如，連接有偏置電容式傳聲器(而不是駐極體電容器42)的網(wǎng)絡(luò)。
[0202] 現(xiàn)在參照?qǐng)D13,圖13為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的電容式傳聲器電路系統(tǒng)70的簡(jiǎn)化示 意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察電容式傳聲器電路系統(tǒng)70。然而，當(dāng)然 可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察電容式傳聲器電路系統(tǒng)70。另外，前述定義可W同樣地適用 于W下說(shuō)明。
[0203] 如圖13所示，電容式傳聲器電路系統(tǒng)70類似于圖12的超低功率ECM電路系統(tǒng)64。然 而，電容式傳聲器電路系統(tǒng)70包括電容式傳聲器網(wǎng)絡(luò)71，而非圖12的駐極體傳聲器28。諸如 電容式傳聲器網(wǎng)絡(luò)71等電路廣泛用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳聲器。為了獲取較低功耗，F(xiàn)ET依 然通過(guò)電阻器RG接收負(fù)電源偏置。
[0204] 另外，電源電路72可包括額外的DC-D對(duì)莫塊73,可使用本文示出并說(shuō)明的開(kāi)關(guān)電容 器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該DC-DC模塊。DC-DC模塊73可為電容式傳聲器網(wǎng)絡(luò)71的電容式傳聲器產(chǎn)生操 作電壓VB。
[0205] 可理解的是，上面參照?qǐng)D1-12、13,且特別是參照?qǐng)D11、12和13示出并說(shuō)明的各種 傳聲器電路可W包括緩沖晶體管(例如，F(xiàn)ET 44)，該緩沖晶體管的柵極端子連接至電容式 傳聲器(例如，ECM42)的第一端子或連接至圖13的禪合電容器Ccop。緩沖晶體管(44)的漏極 端子可經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)(例如，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47)連接至電源(例如，電池67) W及連接至輸出端子。 緩沖晶體管的源極端子可經(jīng)由電阻器連接至參考端子。調(diào)節(jié)電壓源(例如，圖11的電壓源62 和/或圖12的電壓源65和/或圖13的電壓源72)可連接在駐極體傳聲器的第二端子和參考端 子之間。緩沖晶體管可在零偏置（Idss)下具有相對(duì)高的漏極電流，并且相對(duì)于FET的源極端 子，在N溝道FET的情況下，調(diào)節(jié)電壓源可迫使在FET的柵極端子處形成負(fù)電壓，或在P溝道 FET的情況下，調(diào)節(jié)電壓源可迫使在FET的柵極端子處形成正電壓。電源72可包括比較器W 確定緩沖晶體管44的操作點(diǎn)。電源72也可包括用于如圖13所示的電容式傳聲器網(wǎng)絡(luò)71的電 容式傳聲器的DC-DC模塊73。
[0206] 現(xiàn)在參照?qǐng)D14A、圖14B和圖14C，圖14A為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的DC-DC分壓器電路 74的簡(jiǎn)化電氣示意圖，圖14B為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的DC-DC分壓器74的簡(jiǎn)化符號(hào)表示，且 圖14C為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的DC-DC電壓源75的簡(jiǎn)化電氣示意圖?？蛇x地，可在之前圖中 的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察DC-DC分壓器74和/或DC-DC電壓源75。然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán) 境下來(lái)觀察DC-DC分壓器74和/或DC-DC電壓源75。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō) 明。
[0207] 圖14A示出的DC-DC分壓器電路74為減半開(kāi)關(guān)電容器電路。DC-DC分壓器電路74包 括兩個(gè)開(kāi)關(guān)76和兩個(gè)電容器77。在時(shí)鐘周期的前半部分中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)76均在位置B處，從而 將電容器對(duì)充電至輸入電壓VIN。在時(shí)鐘周期的后半部分中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)76均在位置A處，每個(gè) 電容器具有一半的充電電壓，即VIN/2,且兩個(gè)電容器并聯(lián)連接。圖14B示出了包括四級(jí)的串 聯(lián)連接的圖14A所示的DC-DC分壓器電路74的電路，并且形成了非常有效的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0208] 對(duì)于最后一級(jí)，在極低的VgsX=InF且Rds = 1000 Q的情況下的小面積開(kāi)關(guān)在扣 A的電流時(shí)給出SmV的脈動(dòng)(ripple)。假定Rl =化Q (運(yùn)遠(yuǎn)小于Rload = O. 9375/扣A )。如果 在忍片上實(shí)施Vbiasl，貝化I為值為I.化F的外部電容器。運(yùn)造成26iiV的脈動(dòng)。
[0209] 現(xiàn)在參照?qǐng)D15,圖15為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的輸出濾波器電路系統(tǒng)78的簡(jiǎn)化示意 圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察輸出濾波器電路系統(tǒng)78。然而，當(dāng)然可在 任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察輸出濾波器78。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0210] 可W在DC-DC電壓源75的輸出處增加輸出濾波器電路系統(tǒng)78, W對(duì)輸出電壓源進(jìn) 行額外濾波。如圖15所示，輸出濾波器電路系統(tǒng)78可W包括兩個(gè)為圖14C的Rl的一半值的電 阻器W及兩個(gè)電容器。例如，使用R1/2 = 500Q和Cl/2 = 0.化F的輸出濾波器電路系統(tǒng)78在 SmV時(shí)產(chǎn)生0.03]iV的脈動(dòng)，運(yùn)遠(yuǎn)低于傳聲器噪聲。
[0211] 最后一級(jí)可包括1000 pF的電容器，運(yùn)些電容器可W在忍片上實(shí)現(xiàn)。在放電時(shí)，電路 產(chǎn)生化A/1000pFX16e-6 = 8mV的輸出電壓，從而需要16mV來(lái)對(duì)兩個(gè)電容器充電。因此，公 式24給出了開(kāi)關(guān)的功耗。
[0212]公式 24
[0213]
[0214] 公式25給出了放電功率。
[0別引公式25 惦16] P開(kāi)關(guān)畦職細(xì) > 巧iiA/2) 21000 = 6nW
[0217] 第=級(jí)可W具有扣A的半電流，運(yùn)表示即使對(duì)于較小電容器，在充電期間，功率可 W減半，并且在放電期間功率可W更小。例如，與扣AX0.IV = SOOnW相比，消耗20nW至 30nW。因此，所得效率為500/530 X 100 = 94。
[0218] 現(xiàn)在參照?qǐng)D16,圖16為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的負(fù)電壓源電路系統(tǒng)79的簡(jiǎn)化示意 圖。可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察負(fù)電壓源79。然而，當(dāng)然可在任何所期望 環(huán)境下來(lái)觀察負(fù)電壓源79。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0219] 負(fù)電壓源79可W與慢運(yùn)算放大器一起使用。消耗約lOnA-5化A的運(yùn)算放大器和/或 比較器與使用小電容器并高效率操作的負(fù)電壓源79-起操作。例如，對(duì)于使用C= IOpF電容 器并提供I = SOnA的負(fù)電壓源79,脈動(dòng)電壓為約8mV，使用例如圖15的過(guò)濾器78可W根據(jù)需 要降低該脈動(dòng)電壓(電源仍然具有電源抑制）。
[0220] 現(xiàn)在參照?qǐng)D17,圖17為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的ECM緩沖器集成電路（IC)SO的簡(jiǎn)化 示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察ECM緩沖器IC 80。然而，當(dāng)然可在任 何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM緩沖器集成電路80。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō) 明。
[0221] 如圖17所示，ECM緩沖器IC 80可包括電壓源的兩個(gè)端子81、四個(gè)電容器的四個(gè)端 子82(電容器用于減少所生成的負(fù)電壓上的脈動(dòng)并降低操作電壓）、諸如32Khz晶體等晶體 84的兩個(gè)引腳83W及駐極體電容式傳聲器86的兩個(gè)引腳85。
[0222] 可理解的是，功耗的唯一來(lái)源為來(lái)自1.5/16V(將1.5V分成16份所生成的Vbiasl) 的扣A。因此，來(lái)自1.5V的功耗應(yīng)當(dāng)為5/16 = 0.312化A。例如，如果圖14的降壓型DC-DC 75 具有五級(jí)，則來(lái)自1.5V電池的電流消耗可W為5/32 = 0.15化A sVbiasl和負(fù)電壓源幾乎不 消耗任何功率。因此，其它消耗源僅是IOnA-SOnA的運(yùn)算放大器和0.15至0 .化A的32kHz晶 體振蕩器。因此，ECM可W W約0.化A至0.化A的電流消耗而在全跨度(fUl 1 span)上工作。
[0223] 因此，可理解的是，上述電路和方法實(shí)現(xiàn)了在20化至20kHz下操作并具有約0.化 A-0.扣A電流消耗的超低功率傳聲器電路。與消耗約50化A的常用傳聲器相比，上述電路 和方法在功率效率方面比常用傳聲器提高千倍，并且比目前已知的最低功耗傳聲器好80至 100 倍。
[0224] 可理解的是，對(duì)于上述電路和方法的功耗，也可W通過(guò)使用采樣/保持電路并在采 樣之間將采樣電路系統(tǒng)關(guān)斷來(lái)進(jìn)一步降低功耗。
[0225] 現(xiàn)在參照?qǐng)D18,圖18為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的ECM采樣/保持電路87的簡(jiǎn)化示意 圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察ECM采樣/保持電路87。然而，當(dāng)然可在任 何所期望環(huán)境下來(lái)觀察ECM采樣/保持電路87。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0226] 如圖18所示，ECM采樣/保持電路87可包括經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)90連接并由電源91供電的 ECM電路88和采樣/保持電路89dECM電路88可包括具有諸如上述示出的電源的ECM 92和ECM 緩沖器電路93,可選地，也可包括輸出濾波器。特別地，ECM緩沖器電路93可使用上面參照?qǐng)D 1、2、5、6、7、8、9、10、11、12及13示出并說(shuō)明的任何電路。
[0227] 采樣/保持電路89包括具有晶體振蕩器95的時(shí)鐘94。時(shí)鐘94控制電源開(kāi)關(guān)96和采 樣開(kāi)關(guān)97的接通/斷開(kāi)操作。通過(guò)電容器98對(duì)ECM電路88的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過(guò)低通 濾波器99對(duì)其進(jìn)行濾波。電源開(kāi)關(guān)96W與采樣開(kāi)關(guān)97的采樣操作同步的方式連接或斷開(kāi) ECM電路88的電源。
[0。引根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例，在64曲Z采樣頻率的情況下在例如IOOns(周期T =~16iis) 的短時(shí)間內(nèi)接通傳聲器電源。因此，根據(jù)50化A XO.化s/16iis =~化A，可W將典型的50化 A功耗降低至約化A。
[0229] 傳聲器通/斷開(kāi)關(guān)、采樣/保持電路和低通濾波器消耗例如IiiA至1化A的非常低 的功率。
[0230] 使用較高Idss并如上所述地控制Vgs,可進(jìn)一步降低化A的消耗。
[0231] 現(xiàn)在參照?qǐng)D19,圖19為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的表示圖18的ECM采樣/保持電路87的 操作的簡(jiǎn)化時(shí)序圖100。可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察時(shí)序圖100。然而，當(dāng) 然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察時(shí)序圖100。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0232] 時(shí)序圖100示出在采樣/保持電路89的輸入處(例如，MIC+)由圖18的ECM采樣/保持 電路87生成的信號(hào)101的時(shí)序圖100。時(shí)序圖100也示出如由圖18的電源開(kāi)關(guān)96提供的電源 接通/斷開(kāi)102。時(shí)序圖100也示出如由圖18的采樣開(kāi)關(guān)97執(zhí)行的采樣接通/斷開(kāi)103。時(shí)序圖 100也示出如由圖18的低通濾波器99的采樣開(kāi)關(guān)97提供的采樣信號(hào)104。最后，時(shí)序圖100示 出如在圖18的低通濾波器99的輸出處提供的輸出信號(hào)105。
[0233] 如果傳聲器始終接通，則圖19中的信號(hào)表示連續(xù)信號(hào)。來(lái)自漏極的脈沖表示由傳 聲器的電源的通/斷切換引起的jFET的漏極的輸出。在將傳聲器接通之后并經(jīng)過(guò)一段設(shè)定 時(shí)間，使用采樣時(shí)鐘對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波來(lái)復(fù)原原始信號(hào)。如從圖19可W 看出，來(lái)自漏極的脈沖具有較高的電壓擺動(dòng)，運(yùn)是因?yàn)閭髀暺餍盘?hào)通常較低。
[0234] 然而，由于輸出DC為約IV，因此運(yùn)會(huì)產(chǎn)生一些失真，且可W通過(guò)使用圖20的電路 107來(lái)消除該失真。
[0235] 現(xiàn)在參照?qǐng)D20,圖20為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的偏置ECM采樣/保持電路106的簡(jiǎn)化 示意圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察偏置ECM采樣/保持電路106。然而，當(dāng) 然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察偏置ECM采樣/保持電路106。另外，前述定義可同樣地適用 于W下說(shuō)明。
[0236] 偏置ECM采樣/保持電路106類似于圖18的增加有偏置電路107的采樣/保持電路 89。如圖20所示，包括電阻器108和電容器109的網(wǎng)絡(luò)連接在低通濾波器99的輸入與參考端 子(接地)之間。電阻器108與電容器109之間的點(diǎn)連接至運(yùn)算放大器110的一個(gè)輸入(正）。運(yùn) 算放大器110的另一個(gè)輸入（負(fù)）連接至運(yùn)算放大器110的輸出，該輸出連接至采樣電容器 98。運(yùn)樣，運(yùn)算放大器110向采樣電容器98提供DC偏置。因此，采樣電容器98被加載至電壓的 一小部分，并且失真被最小化。
[0237] 因此，本文示出并說(shuō)明的方法和電路的各種組合實(shí)現(xiàn)了駐極體電容式傳聲器工作 在范圍為20化-20曲Z、消耗超低功率并且電流消耗范圍為0.化A -化A下的使用。
[0238] 通過(guò)降低經(jīng)過(guò)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)（電阻器90)的電流Id會(huì)降低信噪比（SNR)。公式26給出了 輸出處的噪聲電壓變化。
[0239] 公式 26
[0240]
[0241] 其中，在公式8、9和12中對(duì)Kn和gm進(jìn)行了定義，并且R為負(fù)載網(wǎng)絡(luò)（電阻器90)的電 阻。公式27給出了輸出電壓。
[0242] 公式 27
[0243]
[0244] 其中，如為ECM 42的駐極體中的永久極化電荷，且Ciss為輸入網(wǎng)絡(luò)到j(luò)FET緩沖器 的電容。
[0245] 如果忽略來(lái)自負(fù)載網(wǎng)絡(luò)(電阻器90)的熱噪聲，則可W使用公式28來(lái)確定SNR。
[0246] 公式 28
[02'
[02 W」 共T，i日戶」班化W執(zhí)門巧、電阻瑜W "、」廁攸電挪，且i日S S為j F E T的漏極-源極電 流。
[0249]當(dāng)圖17的偏置ECM采樣/保持電路106或圖2的ECM 11使用較低的電壓源(V< 1.5V) 時(shí)，圖17的jFET 44或圖2的jFET12可W工作在歐姆區(qū)。因此，假定電壓源Vdd = V<|化I?？蒞 根據(jù)公式29或30來(lái)計(jì)算Vdd。
[0巧0] 公式29
[0251]

[0巧2]或者，公式30 [0 巧 3]
[0254] ^gs化C)的和，Vgs(DC)可W被設(shè)定成n溝道陽(yáng)T 的任意負(fù)值或P溝道FET的任意正值(如圖10所示）。
[0巧日]可選地，根據(jù)公式31或32:
[0260]使用公式19并根據(jù)公式33和34能夠針對(duì)給定Vgs來(lái)計(jì)算Vds:[OW] 公式33[0262] KVds2+Vds (2K (化-Vgs)+1) -Vdd = O[0%3]公式 34
[0巧6] /入才91
[0 巧 7]
[0巧引 [0 巧9]
[0264]
[0265] 將公巧32和34結(jié)合得剖公巧35，并接看巧得公巧36:
[0266] /入才 W [0%7]
[0%引
[0269]
[0270] 現(xiàn)在參照?qǐng)D21，圖21為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的表示函數(shù)(6( K )的值的簡(jiǎn)化曲線 111。可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察曲線111.然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán) 境下來(lái)觀察曲線111。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0271] 圖21針對(duì)Vdd = O. IV且針對(duì)Vgs的S個(gè)值示出了作為R的函數(shù)於
曲線 112示出Vgs = O時(shí)的函數(shù)4。曲線113示出Vgs = O. 5化時(shí)的函數(shù)4，且曲線114示出Vgs = O. 9化 時(shí)的函數(shù)札 (衍\
[0272] 圖21示出了針對(duì)￥邑3 = 0.9￥口，1?=12.51^給出柄--；^聲的最小值〇.4167，從而產(chǎn) 巧'訊 生-0.3的增益"777" 爐'。
[0273] 現(xiàn)在參照?qǐng)D22,圖22為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的表示增益^的值的簡(jiǎn)化曲線115。 可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察曲線115。然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下 來(lái)觀察曲線115。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。 輛權(quán)
[0274] 圖22針對(duì)Vgs的多個(gè)值示出作為R的函數(shù)的增益曲線116示出了Vgs = O時(shí)的 。解。 增益。曲線114示出了Vgs = O.5化時(shí)的增益IK曲線118示出Vgs = O.9化時(shí)的增益。如可W從 圖22看出，針對(duì)Vgs = 0.9化增益是最優(yōu)，其值在R= 12.化Q時(shí)約為-0.3。
[0275] 可理解的是，有利地，Vdd的值應(yīng)當(dāng)設(shè)定成使得Vds低于Vgs-化。因此，將Vdd設(shè)定成 Vgs-Vp可W迫使j陽(yáng)T處于歐姆區(qū)。
[0276] 接著，假定增益為公式37:
[0277] 公式 37
[0278
[0279
[0280
[0281
[0282
[0283
[0284
[0285] 然而，通過(guò)將Vdd設(shè)置成低于Vgs-化的電壓會(huì)給出較低的增益值。
[0286] 可理解的是，只要Vdd = Vgs-化，增益就可W為約-0.4142，而與jFET無(wú)關(guān)。由于在 該區(qū)域中jFET表現(xiàn)為電阻器，因此可W通過(guò)公式40描述所產(chǎn)生的噪聲。
[0287] /A 井40
[028引
[0289] 其中，Rch是j陽(yáng)T溝道電阻值。
[0290] 然而，根據(jù)公式41:
[0296] 對(duì)于例如-0.4142的恒定增益，SNR與.! /}??關(guān)，因此，根據(jù)公式43:[0297] A 井/19
[0291] 公擊 41
[0292]
[0293]
[0294]
[0295]
[029引
[0299] 囚化，駆嗽
選巧具巧滅Idss的jFET，W補(bǔ)償Vgs-化的降低。
[0300] 常用的ECM通常具有Idss = O. 5mA和化= -lV的jFET。運(yùn)表示在電容式傳聲器(如參 照?qǐng)D13示出并進(jìn)行說(shuō)明的電容式傳聲器，其中圖13的C = Cmic)的情況下，Vdd=IV的電路系 統(tǒng)會(huì)迫使jFET處于歐姆區(qū)，并且會(huì)給出-0.4142的增益（忽略由Ciss引起的衰減，該衰減為
[0301] 因此，通過(guò)將Vgs-化的值降低M倍(諸如M= 100)并使用具有比0.5mA大M倍的Idss 的jFET可W獲得相同的SN財(cái)生能。
[0302] 返回圖12，可理解的是，只要Vdd = Vgs-Vp，就能夠降低Vdd但依然保持-0.4142的 增益。通過(guò)降低Vdd會(huì)降低ECM緩沖器電路的功耗。運(yùn)需要具有增加的Idss的jFET, W補(bǔ)償 Vgs-化的降低(保持低的CiSS)。
[0303] 通過(guò)公式44給出圖12的上述傳聲器的電路功耗：
[0304] 公式 44
[0305]
[0306] 表達(dá)式f巧!表示功率降低了M2倍。因此，例如，通過(guò)使用
將電流（參考化）降低M2倍至大約0.扣A。因此，Vgs-化二化/M^l/31.6 = 31.6mV需要Idss = 15.8mA(=31.6X0.5mA)，Ciss = ?)F且化 = -lV的j陽(yáng)T。
[0307] 返回圖12W及圖14A、14B和14C，通過(guò)使用Vbiasl = 46mV(其接近所需的31.6mV)， 來(lái)自電源的電流可W為約1化A，該電流可W由1.2-1.5V電池提供。
[0308] 因此，對(duì)于最后一級(jí)，假定具有非常小的Vgs ,Rds = 1000 Q且C= InF的小開(kāi)關(guān)，那 么針對(duì)約扣A的電流消耗，脈動(dòng)電壓可W為約8mV。假定Rl = 300 Q (運(yùn)遠(yuǎn)低于Rload = 0.046/15iiA)，則在忍片上實(shí)施Vbiasl，其中，Cl為值為0.15iiF的外部電容器。因此，將脈動(dòng) 設(shè)定為約26iiV。
[0309] 圖15的輸出濾波器電路系統(tǒng)78可W用于額外濾波。通過(guò)使用Cl/2 = 50nF和R1/2 = 5000Q，8mV的輸入脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生約0.03iiV的輸出脈動(dòng)，運(yùn)遠(yuǎn)低于傳聲器噪聲。
[0310] 例如，最后一級(jí)可W使用能在忍片中實(shí)現(xiàn)的1000 pF電容器。在放電時(shí)，扣A的電流 會(huì)廣生扣A / 1000 pF X 16e-6 = 8mV。因此,需要16mV W用于對(duì)兩個(gè)電谷器進(jìn)化充電。因此，由 公式45(充電）和公式46(放電）給出開(kāi)關(guān)的能耗。
[0311]
[0312]
[031引公式46
[0；314] P開(kāi)關(guān)畦職細(xì) > 巧 iiA/2) 21000 = 6nW
[0315] 第=級(jí)可W具有值為扣A的一半的電流。因此，使用較小的電容器，可降低充電功 耗(例如，減半），并且對(duì)于放電也是類似的。與扣A X 0.1V = 500nW相比，粗略的估計(jì)是20nW 至30nW。因此，所得效率為(500/530) X 100 = 94%。
[0316] 返回圖16,通過(guò)使用消耗約50nA的運(yùn)算放大器/比較器和極小的電容器，可W獲得 較高的效率。例如，使用C= IOpF電容器，I = 50nA，會(huì)產(chǎn)生SmV的脈動(dòng)，可W使用圖15的輸出 濾波器電路系統(tǒng)78進(jìn)一步降低該脈動(dòng)。
[0317] 返回圖16,上述電路系統(tǒng)可W在兩種模式中使用。在第一模式中，ECM電路使用Vdd <Vgs-Vp，例如，Vdd = Q (Vgs-Vp))，因此根據(jù)公式 47:
[031引公式47
[0319]
[0320] 因此，由公式48給出了目(X)的值：
[0321] 公式少
因此，通過(guò)公式49給出了偏差：
[0322] 公式 49，
[0323]
[0324] 進(jìn)而導(dǎo)出了公式50:
[03251 公立 50
[03
[0327] 該模式適用于常規(guī)ECM(Vgs = O)和比I化I低的低VdcL對(duì)于常規(guī)ECM(Vgs = O),增益 可W通過(guò)公式51給出：
[032引公式51
[0329]
[0330] 可理解的是，上述傳聲器電路，尤其是參照?qǐng)D18至圖20示出并說(shuō)明的傳聲器電路 包括采樣/保持電路(例如，電路89)。采樣/保持電路可W額外地控制將操作電壓向傳聲器 緩沖器電路(例如，ECM電路)和/或緩沖晶體管(例如，F(xiàn)ET 44)、電流源和電源的供應(yīng)。采樣/ 保持電路的操作可W與用于控制將操作電壓向緩沖晶體管(例如，F(xiàn)ET 44)和/或電流源和/ 或電壓源供應(yīng)的電路的操作同步?？衫斫獾氖牵瑐髀暺麟娐房蒞額外地包括向采樣/保持電 容器提供偏置電壓的電壓跟隨電路(例如，電路107)。
[0331] 現(xiàn)在參照?qǐng)D23,圖23為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的諧振ECM電路119的簡(jiǎn)化示意圖。可 選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察諧振ECM電路119。然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán) 境下來(lái)觀察諧振ECM電路119。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0332] 如圖23所示，諧振ECM電路119與圖12的超低功率ECM電路系統(tǒng)64類似，但將圖12的 超低功率ECM電路系統(tǒng)64的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)47替換為圖23的諧振電路120?？衫斫獾氖牵部蒞設(shè) 想諸如本文說(shuō)明的其它電路系統(tǒng)的使用等其它變形和補(bǔ)充。如圖23所示，諧振電路120可W 包括例如并列連接的電容器121、扼流圈或電感器122和電阻器123。
[0333] 在DC模式中，電感器L將Vbiasl連接至j陽(yáng)T。因此，公式30變?yōu)閂dd = VdcU而對(duì)于小 信號(hào)，公式29變成公式52:
[03341 公古 Fi 2
[0335；
[0336] 或者公式53:
[0337]公式 53 [033引
[0339]
[0340]
[0：341] 出增益：
[0；342]
[0；343]
[0344]
[0345]
[0；346]
[0；347]
[0348] 運(yùn)是典型的單調(diào)函數(shù)，并且可W近似成如下公式：[0349] 公式 57
[0350] 公式 5
[0351] 因此，

[0352] 運(yùn)可W與公式39進(jìn)行對(duì)比，在公式39中，增益固定在-0.4142?？衫斫獾氖?，通過(guò)使 用諧振ECM電路119并通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)闹C振電路120的電阻，可W實(shí)現(xiàn)較高增益值，進(jìn)一步選 擇具有較高Idss的j陽(yáng)T，i、i
[0353] 較低Vdd給出了 與公式51對(duì)比，由3 面產(chǎn)生了 較高的增益。
[0354] 如由諧振ECM電路119所證明，當(dāng)在歐姆區(qū)中工作時(shí)，該操作模式適用，其中傳聲器 用作超低功率傳感器的接收器。通過(guò)電感器直接施加 VdcU可W實(shí)現(xiàn)增益增加。
[0355] 可理解的是，功耗的唯一來(lái)源為從1.5/16V抽取的扣A電流。運(yùn)表示從1.5V電源的 消耗可W為5/16 = 0.312扣AnVbiasl和負(fù)電壓源幾乎不消耗功率。因此，唯一其它功率消 耗者為消耗50nA電流的運(yùn)算放大器和消耗0.15-0.化A電流的2曲Z振蕩器。因此，ECM電路 可W Wo.化A的電流消耗在全跨度上(20Hz至20曲Z)工作。
[0356]可理解的是，參考駐極體電容式傳聲器的上述方法、系統(tǒng)和電路系統(tǒng)也可W進(jìn)行 必要修改從而應(yīng)用至諸如MEMS傳聲器等其它類型電容器或電容式傳聲器。當(dāng)聲波擊中MEMS 電容器薄膜時(shí)，會(huì)改變MEMS傳聲器的電容。
[0巧7] 因此，可W使用MEMS傳聲器，并且使用參照?qǐng)D11、12、18、20和/或23示出并說(shuō)明的 電路系統(tǒng)或其組合對(duì)MEMS傳聲器進(jìn)行必要修改。
[0358] 現(xiàn)在參照?qǐng)D24，圖24為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的MEMS傳聲器電路124的簡(jiǎn)化框圖?？?選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察MEMS傳聲器電路124。然而，當(dāng)然可在任何所期 望環(huán)境下來(lái)觀察MEMS傳聲器電路124。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0359] 假定MEMS傳感器(傳聲器）的電容為Cmic,該電容充電有一些電荷，使得在無(wú)聲壓 的情況下Cmic上的電壓為Vb。典型地，MEMS傳感器連接至用作緩沖器的"拾取(pickup)"放 大器，W避免可變電容器上的任何負(fù)載。拾取放大器使Cmic上電壓的變化反映在輸出中。W 下公式58、59、60和61對(duì)Cmic的電容的變化和得到的Cmic上的電壓變化之間的關(guān)系進(jìn)行了
說(shuō)明。
[0360]
[0361]
[0362]
[0363]
[0364] 因此，較大的Vb會(huì)引起大的信號(hào)輸出。Vb對(duì)于消除因電壓擊穿而對(duì)MEMS傳感器造成 的損耗是有限的。電容器厚度為幾微米，并且空氣中的擊穿電壓為3MV/m，運(yùn)表示對(duì)于扣m- IOwii的間隙來(lái)說(shuō)，最大偏置電壓為15V-30V"Vb對(duì)于消除由電場(chǎng)力導(dǎo)致的薄膜的衍射也是有 限的，運(yùn)可能導(dǎo)致失真。
[0365] 如圖24所示，F(xiàn)ET晶體管Ql W非常低的Vdd工作，運(yùn)是因?yàn)槠浔黄贸蒞低的電流 工作?？衫斫獾氖牵琎l為具有高的Idss值、大的寬度參數(shù)(W)和小的長(zhǎng)度參數(shù)化)的FET晶體 管。因此，VGSop接近Vp，從而Ql在飽和區(qū)工作，Vds〉VGSop-Vp。因此，Vdd相當(dāng)?shù)颓覟閹譵V。
[0366] 電阻器R3與運(yùn)算放大器COMPl -起使用W設(shè)定VR3 =化ef，從而設(shè)定Id =化ef/R3。 運(yùn)算放大器COMPl的輸出被包括電阻器R2和電容器C2的網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾。運(yùn)算放大器COMPl的輸出 電壓VGSop經(jīng)由大電阻器RG連接至Ql的柵極。電容器Cl為禪合電容器?？紤]到電阻器RG的值 和陽(yáng)T Ql的電容，電容器Cl可W不加載Cmic。
[0367] 現(xiàn)在參照?qǐng)D25,圖25為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的無(wú)線傳感器裝置125的簡(jiǎn)化框圖?？?選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察無(wú)線傳感器裝置125。然而，當(dāng)然可在任何所期 望環(huán)境下來(lái)觀察無(wú)線傳感器裝置125。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0368] 如圖25所示，無(wú)線傳感器裝置125包括連接至傳感器電路127的傳感器126,傳感器 電路127連接至無(wú)線電路128,無(wú)線電路128連接至天線129。電源130連接至能量管理電路 131，能量管理電路可連接至傳感器電路127和無(wú)線電路128二者。電源130還連接至聲觸發(fā) 電路132,聲觸發(fā)電路連接至能量管理電路131?？蛇x地，無(wú)線傳感器裝置125還包括連接至 存儲(chǔ)裝置134的處理器133且還包括軟件程序135。軟件程序135可W存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置134中， 并由處理器133執(zhí)行。處理器133可連接至并控制傳感器電路127、無(wú)線電路128和能量管理 電路131。
[0369] 聲觸發(fā)電路132可包括連接至聲傳感器緩沖器電路137的聲傳感器136,聲傳感器 緩沖器電路連接至可選的濾波器陣列138,濾波器陣列連接至判決電路139,判決電路連接 至能量管理電路131?？蛇x地，判決電路139可包括處理器140、存儲(chǔ)裝置141和軟件程序142， 典型地，軟件程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置141中并由處理器140執(zhí)行?？蛇x地，聲觸發(fā)電路132連接 至處理器133。
[0370] 例如，傳感器126可W是溫度傳感器。例如，電源130可W是諸如CR2032等紐扣電 池。聲傳感器136可W是諸如駐極體電容式傳聲器巧CM)等傳聲器。傳感器緩沖器電路137可 W為上述任何電路或其組合。例如，傳感器緩沖器電路137可W W圖23的諧振ECM電路119為 基礎(chǔ)。無(wú)線電路128可W使用任何類型的通信技術(shù)，運(yùn)些技術(shù)包括但不局限于藍(lán)牙、Zigbee、 Wi-Fi等。無(wú)線電路128可W為發(fā)射器或收發(fā)器。
[0371] 傳感器緩沖器電路137可W使用如上所述消耗約0.扣A的超低功率傳聲器。傳感 器緩沖器電路137的輸出可被提供至濾波器陣列138,濾波器陣列可包括一個(gè)或過(guò)個(gè)混頻 器。濾波器陣列138的輸出可被提供至判決電路139。當(dāng)接收到特定聲信號(hào)(標(biāo)記、信標(biāo))時(shí)， 通過(guò)判決電路139生成接通/斷開(kāi)信號(hào)，并將該信號(hào)提供至能量管理電路131。此后，能量管 理電路131喚醒傳感器電路127和無(wú)線電路128。
[0372] 接著，無(wú)線傳感器裝置125可執(zhí)行諸如接通/斷開(kāi)、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)人璨?作。由判決電路檢測(cè)的合適的聲信號(hào)可W W接收到的至少一個(gè)音調(diào)（單頻)為基礎(chǔ)，或者穿 過(guò)濾波器陣列的頻率組合為基礎(chǔ)，或者W任何類型的聲調(diào)制數(shù)據(jù)類擴(kuò)頻等為基礎(chǔ)。
[0373] -旦判決電路139檢測(cè)到聲信號(hào)，可W通過(guò)判決電路139生成接通/斷開(kāi)觸發(fā)，并將 其提供至能量管理電路131或無(wú)線傳感器裝置125的任何其它部分。例如，接通/斷開(kāi)觸發(fā)可 W是被提供至CPU(例如，處理器133)的硬件觸發(fā)，從而接通CPU,且接著CPU可接通無(wú)線電路 128。
[0374] 因此，無(wú)線電路128和/或傳感器電路127和/或整個(gè)電路可W保持在休眠或斷開(kāi)模 式，并且僅當(dāng)判決電路139檢測(cè)到合適的聲信號(hào)標(biāo)記并生成中斷時(shí)才被喚醒。聲標(biāo)記可W接 通電源或?yàn)閭鞲衅髦械膬?nèi)部CPU產(chǎn)生中斷，且接著接通并操作內(nèi)部藍(lán)牙收發(fā)器。該方法允許 RF收發(fā)器在待機(jī)模式下消耗更少的功率，因此可在使用相同電池的情況下W更長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn) 行操作。
[0375] 例如，醫(yī)療藍(lán)牙RF傳感器被編程為響應(yīng)于來(lái)自智能手機(jī)的請(qǐng)求而發(fā)送諸如屯、率等 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在一個(gè)可能方案中，醫(yī)療傳感器的RF單元周期性地喚醒(典型地，每秒數(shù)次）W檢 測(cè)來(lái)自智能手機(jī)的請(qǐng)求。運(yùn)些喚醒消耗可觀的電池電量。典型地，要求如同上述醫(yī)療RF傳感 器的RF傳感器在使用紐扣電池時(shí)需要操作至少一年。
[0376] 通過(guò)使用上述電路，RF收發(fā)器在大部分時(shí)間保持在休眠模式，而無(wú)需周期性地喚 醒，直至根據(jù)外部聲信號(hào)生成了喚醒觸發(fā)或中斷。如上所述的聲接收器觸發(fā)電路的功耗比 RF接收器的功耗少得多。因此，僅周期性地喚醒聲接收器。一旦智能手機(jī)需要接收來(lái)自藍(lán)牙 傳感器的數(shù)據(jù)，智能手機(jī)使用其內(nèi)置揚(yáng)聲器生成音頻信號(hào)。聲接收器接收該音頻信號(hào)，并生 成CPU的中斷，從而接通藍(lán)牙收發(fā)器。接著，藍(lán)牙收發(fā)器會(huì)準(zhǔn)備與智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
[0377] 現(xiàn)在參照?qǐng)D26,圖26為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的無(wú)線傳感器裝置125的軟件程序143 的簡(jiǎn)化流程圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察軟件程序143。然而，當(dāng)然可在 任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察軟件程序143。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0378] 軟件程序143可W是諸如圖25的無(wú)線傳感器裝置125等無(wú)線傳感器裝置的一部分。 軟件程序143可W存儲(chǔ)在無(wú)線傳感器裝置的諸如存儲(chǔ)器134等存儲(chǔ)裝置中，并可W被無(wú)線傳 感器裝置的諸如圖25的處理器133等處理器執(zhí)行。
[0379] 如圖26所示，軟件程序143可從步驟144開(kāi)始，在步驟144中，接收例如來(lái)自圖25的 聲觸發(fā)電路132的喚醒信號(hào)?？衫斫獾氖?，無(wú)線傳感器裝置處于休眠模式，直至接收到喚醒 信號(hào)。
[0380] 軟件程序143可接著進(jìn)入步驟145, W對(duì)諸如圖25的無(wú)線電路128等無(wú)線收發(fā)器加 電（喚醒），例如，無(wú)線收發(fā)器可W是藍(lán)牙收發(fā)器。可理解的是，無(wú)線收發(fā)器可使用各種類型 的通信技術(shù)，運(yùn)些技術(shù)包括但不局限于任何類型的無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)。軟件程序143 可W接著進(jìn)入步驟146，W將應(yīng)答信號(hào)發(fā)送至智能手機(jī)。
[0381] 軟件程序143可接著進(jìn)入步驟147和148, W與智能手機(jī)(或類似裝置)進(jìn)行通信。當(dāng) 通信結(jié)束時(shí)（步驟148)，軟件程序143可接著進(jìn)入步驟149, W關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器，并接著進(jìn)入 步驟150，W使(將無(wú)線傳感器裝置)返回休眠模式。
[0382] 可理解的是，軟件程序143可在無(wú)線傳感器裝置的CPU的固件中執(zhí)行，并且其是能 夠在位于人體上并采集數(shù)據(jù)的由電池供電的醫(yī)療無(wú)線傳感器中執(zhí)行的算法的示例。如參照 圖5示出并說(shuō)明，軟件程序143可W與混聲RF無(wú)線傳感器一起工作。可W使無(wú)線傳感器的CPU 進(jìn)入休眠模式，直至接收到來(lái)自聲觸發(fā)電路132的中斷。通過(guò)使用適用如上示出并說(shuō)明的任 意電路系統(tǒng)的超低功率傳聲器傳感器硬件來(lái)生成中斷。聲硬件觸發(fā)器可生成CPU的喚醒中 斷。接著，CPU可接通藍(lán)牙收發(fā)器，W與智能手機(jī)或類似裝置進(jìn)行通信。
[0383] 現(xiàn)在參照?qǐng)D27,圖27為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的諸如智能手機(jī)等的無(wú)線終端裝置的 軟件程序151的簡(jiǎn)化流程圖。可選地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察軟件程序151。然 而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察軟件程序151。另外，前述定義可W同樣地適用于W 下說(shuō)明。
[0384] 作為示例，無(wú)線終端與使用低功率藍(lán)牙收發(fā)器的傳感器裝置通信?？衫斫獾氖?，終 端裝置和傳感器可W使用任何類型的通信技術(shù)或RF收發(fā)器，諸如藍(lán)牙、Zigbee、Wi-Fi等。軟 件程序151可由智能手機(jī)的處理器執(zhí)行和/或在智能手機(jī)(或任何類型終端裝置）的存儲(chǔ)器 中執(zhí)行。
[0385] 混聲RF傳感器的示例可W是用于測(cè)量并發(fā)送人類屯、率的由電池供電的無(wú)線醫(yī)療 傳感器。傳感器可W位于人體中或人體上，并與智能手機(jī)或其它無(wú)線終端裝置通信。一旦傳 感器檢測(cè)到特定聲信號(hào)，傳感器接通智能手機(jī)并使用藍(lán)牙協(xié)議或類似通信技術(shù)與其通信。
[0386] 如圖27所示，當(dāng)使用者(手動(dòng)地)或自動(dòng)地(周期性地)調(diào)用軟件程序151時(shí)，軟件程 序151可從步驟152開(kāi)始W從傳感器裝置采集數(shù)據(jù)。軟件程序151可W接著進(jìn)入步驟153, W 向傳感器裝置發(fā)送聲信號(hào)。聲信號(hào)可W為單頻聲信號(hào)(例如，15曲Z)、調(diào)制聲信號(hào)、頻率組合 (例如，1化化加16曲Z的音調(diào)）、DTMF碼和擴(kuò)頻調(diào)制數(shù)據(jù)等。軟件程序151可使用智能手機(jī)的 揚(yáng)聲器來(lái)生成聲信號(hào)。軟件程序151可接著進(jìn)入步驟154, W激活智能手機(jī)(例如藍(lán)牙或類似 WPAN技術(shù))的WPAN裝置。
[0387] 在接收到應(yīng)答信號(hào)之后(步驟155)，軟件程序151可接著進(jìn)入步驟156, W與傳感器 裝置通信，并根據(jù)需要采集數(shù)據(jù)。在通信階段結(jié)束之后(步驟157)，軟件程序151可進(jìn)入步驟 158, W使WPAN裝置失效。
[0388] 可理解的是，特定傳感器可使用作為喚醒信號(hào)的音調(diào)的特定組合。例如，聲信號(hào)可 表示傳感器序列號(hào)中的一些數(shù)位。在該方法中，通過(guò)生成合適的聲信號(hào)僅會(huì)接通特定的傳 感器，而非所有傳感器。音調(diào)可W在不同的時(shí)間使用不同的頻率，并且也可W使用不同的振 幅，W生成獨(dú)特的音頻碼。
[0389] 現(xiàn)在參照?qǐng)D28和29,二者為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的兩個(gè)S音調(diào)聲信號(hào)159和160的 簡(jiǎn)化時(shí)序圖?？蛇x地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察S音調(diào)聲信號(hào)159和160。然而， 當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境下來(lái)觀察=音調(diào)聲信號(hào)159和160。另外，前述定義可W同樣地適 用于W下說(shuō)明。
[0390] S音調(diào)聲信號(hào)159和160是用于喚醒特定傳感器的聲觸發(fā)的示例。聲觸發(fā)使用S個(gè) 音調(diào)的組合W生成傳感器的ID。在該示例中，S個(gè)音調(diào)為15kHz音調(diào)、1化化音調(diào)和17kHz音 調(diào)。根據(jù)如圖28和圖29所示的時(shí)間和振幅的特定模式來(lái)生成運(yùn)=個(gè)音調(diào)。接著，可W由諸如 圖25的濾波器陣列138等濾波器陣列檢測(cè)S音調(diào)聲信號(hào)159和160,并接著由判決電路139處 理。
[0391] 例如，圖28的=個(gè)音調(diào)表示傳感器的ID號(hào)28948,而圖29的=個(gè)音調(diào)表示傳感器的 ID號(hào)32564。
[0392] 現(xiàn)在參照?qǐng)D30,圖30為根據(jù)一個(gè)可能實(shí)施例的濾波器陣列161的簡(jiǎn)化框圖?？蛇x 地，可在之前圖中的細(xì)節(jié)的背景下來(lái)觀察濾波器陣列161。然而，當(dāng)然可在任何所期望環(huán)境 下來(lái)觀察濾波器陣列161。另外，前述定義可W同樣地適用于W下說(shuō)明。
[0393] 如從圖30可W看出，濾波器陣列161可W具有多個(gè)聲頻檢測(cè)器162。聲頻檢測(cè)器162 可W向判決電路163提供使其做出判決的信息，例如是否接通RF系統(tǒng)。如從圖30可W看出， 可存在允許檢測(cè)多個(gè)聲信號(hào)的多個(gè)聲頻檢測(cè)器162,例如，各聲信號(hào)識(shí)別不同命令或不同裝 置，諸如圖28和29的傳感器ID。
[0394] 為進(jìn)一步降低功耗，濾波器陣列161可W具有第一級(jí)操作：僅一些聲頻檢測(cè)器162 是可操作的，并且剩余的聲頻檢測(cè)器被關(guān)斷。例如，在圖30中，兩個(gè)頻率檢測(cè)器(在本示例 中，1化化檢測(cè)器和1化化檢測(cè)器)接通，而其它頻率檢測(cè)器關(guān)閉。當(dāng)由1化化檢測(cè)器和16kHz 檢測(cè)器二者檢測(cè)到標(biāo)記信號(hào)時(shí)，VDD緩沖器向其它聲頻檢測(cè)器162提供操作電壓，并且濾波 器陣列在全面操作的第二級(jí)中操作。
[0%日]在運(yùn)種情況下，由兩個(gè)頻率（1化化和16kHz)組合得到的初始標(biāo)記傳輸將剩余的聲 頻檢測(cè)器162和判決電路163接通，并允許檢測(cè)更多的聲信號(hào)。因此，會(huì)在待機(jī)期間降低功 耗。
[0396] 可理解的是，可W設(shè)想出該電路的許多不同組合W實(shí)現(xiàn)大量各種聲標(biāo)記和/或命 令。例如，提供兩個(gè)W上的級(jí)別的操作，其中，不同級(jí)別使用聲頻檢測(cè)器162的不同組合和/ 或一些級(jí)別使用大量的聲頻檢測(cè)器162。
[0397] 如參照?qǐng)D28和圖29所討論，聲頻檢測(cè)器162可檢測(cè)輸入標(biāo)記傳輸輸入的振幅、相 位、持續(xù)時(shí)間和其它方面，W提供大范圍的命令、數(shù)據(jù)、傳感器ID等?？衫斫獾氖牵哂懈?復(fù)雜度的信號(hào)可W降低如由噪聲導(dǎo)致的誤差，運(yùn)可W進(jìn)一步降低整個(gè)觸發(fā)電路的功耗。
[0398] 可理解的是，上述傳聲器電路可包括無(wú)線電單元，無(wú)線電單元包括無(wú)線電接收器、 無(wú)線電發(fā)射器和/或無(wú)線電收發(fā)器。傳聲器電路用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí)將無(wú)線電單元 從休眠模式中喚醒。傳聲器電路可額外地包括濾波器陣列，W用于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)音調(diào)和/ 或頻率?？蒞調(diào)制任意音調(diào)。調(diào)制可W包括不同開(kāi)始時(shí)間、不同結(jié)束時(shí)間和不同振幅。
[0399] 可理解的是，不同實(shí)施例中的為清楚起見(jiàn)而說(shuō)明的發(fā)明的某些特征也可W在單個(gè) 實(shí)施例中組合地提供。相反地，為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，單個(gè)實(shí)施例中的為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)而說(shuō)明的發(fā)明的各 種特征也可W單獨(dú)地提供或W任何合適的子組合的方式提供。
[0400] 雖然結(jié)合本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行了說(shuō)明，但是顯然對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō) 許多替換、變形和變化時(shí)顯而易見(jiàn)的。因此，其旨在涵蓋落入隨附權(quán)利要求的精神和寬泛范 圍內(nèi)的所有運(yùn)種替換、變形和變化。本說(shuō)明書提到的所有公開(kāi)物、專利和專利申請(qǐng)W引用的 方式并入本說(shuō)明書，就如同通過(guò)引用的方式結(jié)合至本文中的各單獨(dú)公開(kāi)物、專利和專利申 請(qǐng)具體地且單獨(dú)地描述。此外，本說(shuō)明書中任何參考的引用和標(biāo)識(shí)均不能被被解釋為允許 運(yùn)些參考能夠作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種裝置，其包括： 電流源； 緩沖晶體管，所述緩沖晶體管的柵極端子連接至電容式聲傳感器的第一端子，所述緩 沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接至電源，并且所述漏極端子連接到輸出端子，且所 述緩沖晶體管的源極端子連接至所述調(diào)節(jié)電流源； 其中，所述調(diào)節(jié)電流源連接在所述緩沖晶體管的所述源極端子與參考端子之間，且 其中，所述參考端子能夠連接至所述電容式聲傳感器的第二端子。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述緩沖晶體管在零偏置(Idss)下具有相對(duì)較高 的漏極電流，并且其中，所述調(diào)節(jié)電流源迫使相對(duì)較低的漏極-源極電流經(jīng)過(guò)所述緩沖晶體 管。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電流源以電流鏡像電路為基礎(chǔ)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電流源包括比較器裝置，以將所述緩沖器的 偏置電流設(shè)定成預(yù)定值。5. -種裝置，其包括： 緩沖晶體管，所述緩沖晶體管的柵極端子連接至電容式聲傳感器的第一端子，所述緩 沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接至電源并連接到輸出端子，且所述緩沖晶體管的源 極端子經(jīng)由電阻器連接至參考端子；以及 調(diào)節(jié)電壓源，所述調(diào)節(jié)電壓源連接在所述聲傳感器的第二端子與所述參考端子之間。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述緩沖晶體管在零偏置(Idss)下具有相對(duì)較高 的漏極電流，并且其中，所述調(diào)節(jié)電壓源提供以下電壓中的至少一者： 在所述緩沖晶體管具有N溝道時(shí)，相對(duì)于所述緩沖晶體管的所述源極端子，所述緩沖晶 體管的所述柵極端子處的負(fù)電壓；以及 在所述緩沖晶體管具有P溝道時(shí)，相對(duì)于所述緩沖晶體管的所述源極端子，所述緩沖晶 體管的所述柵極端子處的正電壓。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述電源包括比較器裝置，以用于確定所述緩沖 晶體管的操作點(diǎn)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述緩沖晶體管為場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)、jFET和MOSFET中的至少一者。9. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述緩沖晶體管是根據(jù)最小長(zhǎng)度L、 最大寬度W、通過(guò)所述裝置的大電流以及最小輸入電容中的至少一者來(lái)選定的。10. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述電容式聲傳感器為充當(dāng)電容器 的聲傳感器、駐極體電容式傳聲器(ECM)以及微機(jī)電系統(tǒng)系統(tǒng)(MEMS)傳聲器中的至少一者， 所述電容器的電容響應(yīng)于氣壓和空氣振動(dòng)中的至少一者而發(fā)生改變。11. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述緩沖晶體管在飽和區(qū)和歐姆區(qū) 中的至少一者中操作。12. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包括采樣/保持電路，其中，所述采 樣/保持電路額外地用于控制將操作電壓向所述FET、電流源和電源中的至少一者的供應(yīng)， 并且其中，所述采樣/保持電路的操作與將所述操作電壓向所述FET、所述電流源和所述電 源中的至少一者的所述供應(yīng)的操作同步。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其還包括用于向采樣/保持電容器提供偏置電壓的電 壓跟隨電路。14. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，用于連接所述緩沖晶體管的所述漏 極端子和所述電源的所述負(fù)載網(wǎng)絡(luò)是電阻器和諧振電路中的至少一者。15. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包括無(wú)線電單元，所述無(wú)線電單元包 括無(wú)線電接收機(jī)、無(wú)線電發(fā)射機(jī)以及無(wú)線電收發(fā)機(jī)中的至少一者，并且根據(jù)權(quán)利要求1和5 中任一項(xiàng)所述的裝置用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí)將所述無(wú)線電單元從休眠模式中喚醒。16. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包括用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)的濾波器陣 列。17. 根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置，其還包括： 無(wú)線電單元，所述無(wú)線電單元包括無(wú)線電接收機(jī)、無(wú)線電發(fā)射機(jī)以及無(wú)線電收發(fā)機(jī)中 的至少一者；以及 濾波器陣列，所述濾波器陣列用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)， 其中，所述多個(gè)音調(diào)中的至少一者受到調(diào)制， 其中，根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的裝置用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí)將所述無(wú)線 電單元從休眠模式中喚醒。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中，所述調(diào)制包括不同起始時(shí)間、不同結(jié)束時(shí)間以 及不同振幅中的至少一者。19. 一種無(wú)線通信裝置，其包括： 無(wú)線單元，所述無(wú)線單元包括接收器、發(fā)射器和收發(fā)器中的至少一者； 聲傳感器； 感測(cè)電路系統(tǒng)，所述感測(cè)電路系統(tǒng)耦接至所述無(wú)線單元和所述聲傳感器， 其中，所述感測(cè)電路系統(tǒng)用于檢測(cè)由所述聲傳感器采集的預(yù)定聲信號(hào)，并且 其中，所述感測(cè)電路系統(tǒng)用于提供啟動(dòng)所述無(wú)線單元的操作的信號(hào)。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其還包括用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)的濾波器陣列。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述多個(gè)音調(diào)中的至少一者受到調(diào)制。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中，所述調(diào)制包括不同起始時(shí)間、不同結(jié)束時(shí)間以 及不同振幅中的至少一者。23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其還包括采樣/保持電路， 其中，所述采樣/保持電路額外地用于控制將操作電壓向所述緩沖晶體管、用于所述緩 沖晶體管的電流源以及用于所述聲傳感器的電壓源中的至少一者的供應(yīng)，并且 其中，所述采樣/保持電路的操作與將所述操作電壓向所述緩沖晶體管、所述電流源和 所述電壓源中的至少一者的所述供應(yīng)的操作同步。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其還包括用于向采樣/保持電容器提供偏置電壓的電 壓跟隨電路。25. -種方法，其包括： 將緩沖晶體管的柵極端子連接至電容式聲傳感器的第一端子； 將所述緩沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接至電源，并將所述漏極端子連接至輸 出端子;并且 將所述緩沖晶體管的源極端子連接至調(diào)節(jié)電流源， 其中，所述調(diào)節(jié)電流源連接在所述緩沖晶體管的所述源極端子與參考端子之間，并且 其中，所述參考端子能夠連接至所述電容式聲傳感器的第二端子。26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述緩沖晶體管在零偏置(Idss)下具有相對(duì)較 高的漏極電流，并且其中，所述調(diào)節(jié)電流源迫使相對(duì)較低的漏極-源極電流經(jīng)過(guò)所述緩沖晶 體管。27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述電流源以電流鏡像電路為基礎(chǔ)。28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述電流源包括比較器裝置，以用于將所述緩 沖器的偏置電流設(shè)定成預(yù)定值。29. -種方法，其包括： 將緩沖晶體管的柵極端子第一端子連接至電容式聲傳感器的第一端子； 將所述緩沖晶體管的漏極端子經(jīng)由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)連接至電源，并將所述漏極端子連接至輸 出端子； 將所述緩沖晶體管的源極端子經(jīng)由電阻器連接至參考端子;并且 將調(diào)節(jié)電壓源連接在所述電容式聲傳感器的第二端子與所述參考端子之間。30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述緩沖晶體管在零偏置(Idss)下具有相對(duì)較 高的漏極電流，并且其中，所述調(diào)節(jié)電壓源提供以下電壓中的至少一者： 在所述緩沖晶體管具有N溝道時(shí)，相對(duì)于所述緩沖晶體管的所述源極端子，所述緩沖晶 體管的所述柵極端子處的負(fù)電壓；以及 在所述緩沖晶體管具有P溝道時(shí)，相對(duì)于所述緩沖晶體管的所述源極端子，所述緩沖晶 體管的所述柵極端子處的正電壓。31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述電源包括比較器裝置，以用于確定所述緩 沖晶體管的操作點(diǎn)。32. 根據(jù)權(quán)利要求25和29所述的方法，其中，所述緩沖晶體管為場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET)、 jFET和MOSFET中的至少一者。33. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述緩沖晶體管是根據(jù)最小長(zhǎng)度 L、最大寬度W、通過(guò)所述裝置的大電流以及最小輸入電容中的至少一者來(lái)選定的。34. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述電容式聲傳感器為充當(dāng)電容 器的聲傳感器、駐極體電容式傳聲器(ECM)以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳聲器中的至少一者，所 述電容器的電容響應(yīng)于氣壓和空氣振動(dòng)中的至少一者而發(fā)生改變。35. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述緩沖晶體管在飽和區(qū)和歐姆 區(qū)中的至少一者中操作。36. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括： 將采樣/保持電路連接至所述緩沖晶體管的所述漏極端子， 其中，所述采樣/保持電路額外地用于控制將操作電壓向所述FET、電流源和電源中的 至少一者的供應(yīng)，并且其中，所述采樣/保持電路的操作與將所述操作電壓向所述FET、所述 電流源和所述電源中的至少一者的所述供應(yīng)的操作同步。37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其還包括： 將用于提供偏置電壓的電壓跟隨電路連接至采樣/保持電容器。38. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，用于連接所述緩沖晶體管的所述 漏極端子和所述電源的所述負(fù)載網(wǎng)絡(luò)是電阻器和諧振電路中的至少一者。39. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括： 將包括無(wú)線電接收機(jī)、無(wú)線電發(fā)射機(jī)以及無(wú)線電收發(fā)機(jī)中的至少一者的無(wú)線電單元連 接至根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的方法的所述裝置的輸出， 其中，根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的方法的所述裝置用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí) 將所述無(wú)線電單元從休眠模式中喚醒。40. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括： 將用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)的濾波器陣列連接至根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的方法的所述裝置 的輸出。41. 根據(jù)權(quán)利要求25和29中任一項(xiàng)所述的方法，其還包括： 將用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)的濾波器陣列連接至根據(jù)權(quán)利要求1和5的方法的所述裝置的輸 出；并且 設(shè)置包括無(wú)線電接收機(jī)、無(wú)線電發(fā)射機(jī)以及無(wú)線電收發(fā)機(jī)中的至少一者的無(wú)線電單 元，所述無(wú)線電單元以通信的方式耦接至根據(jù)權(quán)利要求1和5的方法的所述裝置， 其中，所述多個(gè)音調(diào)中的至少一者受到調(diào)制， 其中，根據(jù)權(quán)利要求1和5中任一項(xiàng)所述的所述裝置用于在檢測(cè)到預(yù)定聲信號(hào)時(shí)將所述 無(wú)線電單元從休眠模式中喚醒。42. 根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中，所述調(diào)制包括不同起始時(shí)間、不同結(jié)束時(shí)間以及不 同振幅中的至少一者。43. -種將無(wú)線通信裝置從休眠模式中喚醒的方法，其包括： 設(shè)置包括接收器、發(fā)射器和收發(fā)器中的至少一者的無(wú)線單元； 設(shè)置聲傳感器； 設(shè)置與所述無(wú)線單元和所述聲傳感器耦接的感測(cè)電路系統(tǒng)； 其中，所述感測(cè)電路系統(tǒng)用于檢測(cè)由所述聲傳感器采集的預(yù)定聲信號(hào)，并且 其中，所述感測(cè)電路用于提供啟動(dòng)所述無(wú)線單元的操作的信號(hào)。44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其還包括： 設(shè)置用于檢測(cè)多個(gè)音調(diào)的濾波器陣列。45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述多個(gè)音調(diào)中的至少一者受到調(diào)制。46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，所述調(diào)制包括不同起始時(shí)間、不同結(jié)束時(shí)間以 及不同振幅中的至少一者。47. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其還包括： 設(shè)置采樣/保持電路， 其中，所述采樣/保持電路額外地用于控制將操作電壓向所述緩沖晶體管、用于所述緩 沖晶體管的電流源以及用于所述聲傳感器的電壓源中的至少一者的供應(yīng)，并且 其中，所述采樣/保持電路的操作與將所述操作電壓向所述緩沖晶體管、所述電流源和 所述電壓源中的至少一者的所述供應(yīng)的操作同步。48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的裝置，其還包括： 設(shè)置用于向采樣/保持電容器提供偏置電壓的電壓跟隨電路。
【文檔編號(hào)】H04R3/00GK105981405SQ201480075367
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日
【發(fā)明人】厄茲·加拜, 哈伊姆·普里莫
【申請(qǐng)人】懷斯迪斯匹有限公司