[发明专利]低通滤波器装置

说明书

在实施例中，低通滤波器装置具有：用于接收输入电压(Vin)的输入端子(20)；耦合到输入端子(20)的第一电压源(Vs1)；包括第一滤波器二极管(D1)和第二滤波器二极管(D2)的串联连接，该串联连接耦合到第一电压源(Vs1)，其中，第一滤波器二极管(D1)与第二滤波器二极管(D2)之间的连接点耦合到滤波器装置的输出端子(30)；以及耦合在输出端子(30)与滤波器参考电位端子(10)之间的第一滤波器电容器(Cf1)。其中，第一电压源(Vs1)适于提供第一可调正向电压(Vfw1)，通过该第一可调正向电压，第一滤波器二极管(D1)和第二滤波器二极管(D2)均在正向方向上偏置。

本公开针对一种低通滤波器装置。

本公开的领域涉及低通滤波，特别是为微机电系统MEMS传感器提供偏置电压中的低通滤波。

电容式麦克风MEMS传感器要求例如20V的高直流DC偏置电压来实现传感器操作。术语偏置意味着在电路的至少一个点处建立至少一个预定的电压或电流，以为了在所述电路的至少一个部件中建立适当的操作条件的目的。因此，操作点也表示为偏置点，且指的是电路中例如晶体管的有源器件的指定端子处的稳态DC电压。

在电容式麦克风MEMS的情况下，所要求的偏置电压是通过例如由集成到与传感器连接的集成电路IC中的电荷泵产生的。由于偏置电压上的噪声电压增加到完整麦克风噪声，因此在电荷泵的输出处需要低截止频率的低通滤波器，该低截止频率通常低于10Hz以下，以便对电荷泵提供的电压进行滤波。将低角频率实现到集成电路中要求大的电阻，以保持电容器尺寸是可行的。

同时，传感器观察到的、经过低通滤波器之后的输出电压应该例如在通电之后或传感器中发生放电事件之后的几十毫秒内稳定或快速恢复，以满足相应应用的启动要求。还希望偏置电压不随温度漂移，因为这种漂移会对完整麦克风增益漂移产生负面影响，这在要求较低偏置电压的传感器中是尤其不利的。

在已知的方法中，二极管在对由MEMS麦克风中的电荷泵提供的电压进行滤波中被用作滤波器电阻元件。所述方法的典型电路结构如图12中所示。电荷泵在例如20V下产生高压Vpump，该高压由第一阶低通进行滤波，该第一阶低通由用于负泄漏电流Ilk情况的二极管D2和/或二极管D1、滤波器电容器Cfilt组成。由此提供偏置电压Vbias。二极管D1和D2以背对背并联连接的方式耦合。通常，二极管的电流-电压特性遵循指数关系，即：

I＝Is*e^U/26mV

其中，I表示二极管的电流I，Is表示反向偏置饱和电流Is，U表示跨越二极管的电压。热电压达26mV。

只要以非常小的硅面积成本二极管电流是小的，所述关系就提供所要求的大的小信号电阻。二极管的小信号电阻根据以下公式确定：

其中，R表示二极管的小信号电阻R，且I表示二极管的电流I。

例如，在1pA的二极管电流下实现了26GOhm的大的小信号电阻。

图12右手侧的大信号输出图示出了两个二极管D1和D2的组合特性。叉标记了在通常正泄漏电流Ilk下的示例静态操作点的位置，该正泄漏电流导致电压Vpump和Vbias之间的差。如能够看到的，存在偏置电压Vbias的宽的临界范围，在这个临界范围内，操作点由小漏电流限定，即在二极管D1或D2都不导通的状态下，漏电流Ilk中的小变化引起偏置电压Vbias中的显著变化。另外，由于二极管的大的小信号电阻，时间常数在该临界范围中变得非常大。这在偏置电压Vbias处引入了不期望的不精确性和缓慢稳定效果。

为了减少缓慢的滤波器稳定而导致的启动时间，能够针对在通电之后的最初几毫秒激发较高的电荷泵电压。这种方法的缺点是，由于MEMS传感器周围的组合的高电阻节点的复杂的稳定过程，在启动阶段的稍后的某个温度下会产生伪影。同时，该方法没有解决从可能的放电事件中恢复的问题，这也会影响到电荷泵输出处的滤波器。