使用静电式传声器的系统和方法

使用静电式传声器的系统和方法
【专利摘要】用于超低功率声传感器的方法和系统包括：缓冲晶体管，缓冲晶体管的栅极端子连接至电容式声传感器的第一端子，缓冲晶体管的漏极端子经由负载网络连接至电源并且漏极端子连接到输出端子，并且缓冲晶体管的源极端子连接至调节电流源；其中，调节电流源连接在缓冲晶体管的源极端子与参考端子之间；并且参考端子能够连接至电容式声传感器的第二端子。
【专利说明】
使用静电式传声器的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年12月25日提交的美国临时专利申请61/920,759 W及于2014 年1月13日提交的美国临时专利申请61/926，794的优先权益，在运里将运两个在先申请的 全部内容W引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明大体设及使用静电式传声器的系统和方法，且更具体但不排他地设及低功 耗操作的驻极体电容式(e 1 ectret condenser)传声器。
【背景技术】
[0004] 静电式传声器在现有技术中是已知的。或许最广泛使用的静电式传声器是驻极体 电容式传声器。驻极体电容式传声器使用一片作为永久性带电材料的驻极体，并且充当电 容器。由于由声波产生的气压变化会改变被驻极体充电的电容器的电容，因此永久电荷相 应地引起电容器上的电压的变化。接着，电压被放大，W产生与声波相对应的电信号。
[0005] 由非常小的电池供电的设备的普及W及无线个人局域网（WPAN)和无线体域网 (WBAN)的普及要求功耗非常低的通信方法。
[0006] 因此，人们认识到需要且有利地提供用于静电式传声器的低功耗操作的方法和系 统，特别地需要能够克服上述缺陷的驻极体电容式传声器。

【发明内容】

[0007] 除非另外进行限定，运里使用的所有技术术语和科学术语的含义与本发明所属领 域的普通技术人员通常所理解的含义相同。运里提供的材料、方法和示例仅仅是阐释性的， 而非限定性的。除非方法本身中的必要或固有的限度，包括附图在内的本说明书中描述的 方法或过程的步骤或阶段没有指定或暗示特定的顺序。在许多种情况下，过程步骤的顺序 可W改变，而不会改变所述方法的目的或效果。
[000引本发明的方法和系统的实施包含手动地、自动地或W它们的组合的方式执行或完 成某些选定的任务或步骤。此外，根据本发明的方法和系统的优选实施例中的实际仪器和 设备，可W通过硬件或通过在任何固件的任何操作系统上的软件或通过它们的组合来实施 几个选定的步骤。例如，至于硬件，本发明的选定步骤可W作为忍片或电路来实施。至于软 件，本发明的选定步骤可W作为通过由使用任何适当操作系统的计算机执行的多个软件指 令来实施。在任何情况下，本发明的方法和系统的选定步骤可W被描述为正被诸如用于执 行多个指令的计算平台之类的数据处理器执行。
[0009]根据本发明的一个方面，提供一种包括电流源和缓冲晶体管的装置和/或方法，缓 冲晶体管的栅极端子连接至电容式声传感器的第一端子，缓冲晶体管的漏极端子经由负载 网络连接至电源并且漏极端子连接到输出端子，并且缓冲晶体管的源极端子连接至调节电 流源，其中，调节电流源连接在缓冲晶体管的源极端子与参考端子之间，参考端子可W连接 至电容式声传感器的第二端子。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，缓冲晶体管在零偏置 (Idss)下具有相对较高的漏极电流，并且调节电流源迫使相对较低的漏极-源极电流经过 缓冲晶体管。
[0011] 根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，电流源W电流镜像电路 为基础。
[0012] 根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，电流源包括比较器，W将 缓冲器的偏置电流设定成预定值。
[0013] 根据本发明的另一方面，提供一种包括缓冲晶体管和调节电压源的装置和/或方 法，其中，缓冲晶体管的栅极端子第一端子连接至电容式声传感器的第一端子，缓冲晶体管 的漏极端子经由负载网络连接至电源并且漏极端子连接到输出端子，缓冲晶体管的源极端 子经由电阻器连接至参考端子，并且调节电压源连接在声传感器的第二端子与参考端子之 间。
[0014] 另外，根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，缓冲晶体管在零偏 置(Idss)下具有相对较高的漏极电流，如果缓冲晶体管具有N沟道，那么调节电压源相对于 缓冲晶体管的源极端子在缓冲晶体管的栅极端子处提供一个或多个负电压，并且如果缓冲 晶体管具有P沟道，那么调节电压源相对于缓冲晶体管的源极端子在缓冲晶体管的栅极端 子处提供一个或多个正电压。
[0015] 另外根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，电源包括比较器，W 用于确定缓冲晶体管的操作点。
[0016] 另外根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，缓冲晶体管为场效 应晶体管(阳T)、j阳T和MOS阳T中的至少一者。
[0017] 另外根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，缓冲晶体管是根据 最小长度L、最大宽度W、通过该装置的大电流W及最小输入电容中的至少一者来选定的。
[0018] 此外，根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，电容式声传感器为 声传感器、驻极体电容式传声器化CM) W及微机电系统系统(MEMS)传声器中的至少一者，并 且声传感器充当电容器，且电容器的电容量响应于气压和空气振动中的至少一者而发生改 变。
[0019] 根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，缓冲晶体管在饱和区和 欧姆区中的至少一者中操作。
[0020] 根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，该装置和/或方法还包括用于 控制将操作电压向FET、电流源和电源中的至少一者的供应的采样/保持电路，并且采样/保 持电路的操作与将操作电压向FET、电流源和电源中的至少一者的供应的操作同步。
[0021 ]另外，根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，该装置和/或方法还包括 向采样/保持电容器提供偏置电压的电压跟随电路。
[0022] 另外，根据本发明的另一方面，提供一种装置和/或方法，其中，用于连接缓冲晶体 管的漏极端子和电源的负载网络为电阻器和谐振电路中的至少一者。
[0023] 另外，根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，该装置和/或 方法还包括无线电单元，无线电单元包括无线电接收机、无线电发射机W及无线电收发机 中的至少一者，并且该装置用于在检测到预定声信号时将无线电单元从休眠模式中唤醒。
[0024] 另外，根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，该装置和/或 方法还包括用于检测多个音调(acoustic tone)的滤波器阵列。
[0025] 此外，根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，该装置和/或 方法还包括无线电单元和滤波器阵列，无线电单元包括无线电接收机、无线电发射机W及 无线电收发机中的至少一者，滤波器阵列用于检测多个音调，并且多个音调中的至少一者 受到调制，该装置用于在检测到预定声信号时将无线电单元从休眠模式中唤醒。
[0026] 根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，其中，调制包括不 同起始时间、不同结束时间W及不同振幅中的至少一者。
[0027] 根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法W及无线单元，该无 线单元包括接收器、发射器和收发器中的至少一者、声学传感器和与无线单元和声传感器 禪接的感测电路，并且感测电路用于检测由声传感器采集的预定声信号，感测电路用于提 供启动无线单元的操作的信号。
[0028] 另外根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，该装置和/或 方法还包括可操作为检测多个音调的滤波器阵列。
[0029] 另外根据本发明的另一其它方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，其中，多 个音调中的至少一者受到调制。
[0030] 根据本发明的另一个其它方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，其中，调制 包括不同的起始时间、不同的结束时间W及不同的振幅中的至少一者。
[0031] 根据本发明的另一个其它方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，该装置和/ 或方法还包括采样/保持电路，其中，采样/保持电路额外地用于控制将操作电压向缓冲晶 体管、用于缓冲晶体管的电流源W及用于声传感器的电压源中的至少一者的供应，并且采 样/保持电路的操作与将操作电压向缓冲晶体管、电流源和电压源中的至少一者的供应的 操作同步。
[0032] 此外，根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的装置和/或方法，该装置和/或 方法还包括向采样/保持电容器提供偏置电压的电压跟随电路。
【附图说明】
[0033] 运里仅通过示例的方式参照附图来描述本发明。在具体和详细地参照附图的情况 下，必须强调的是，所示的特定情形仅是示例性的并且仅出于阐释本发明的实施例的目的， 并且为了提供本发明的原理和概念的使人们最有效和最容易理解的说明而呈现。就此而 言，运里仅提供用于理解本发明的基本原理所需的结构细节，但未试图W更详细的结构细 节示出本发明，结合附图所进行的说明使本领域技术人员了解在实践中如何实施本发明的 几种形式。在附图中：
[0034] 图1为具有偏置电路的ECM电路系统的简化示意图；
[0035] 图2为具有jFET影响的ECM电路系统的简化示意图；
[0036] 图3为基于电容器的传声器电路的简化示意图；
[0037] 图4为驻极体电容式传声器的简化示意图；
[0038] 图5为具有噪声模型的ECM电路系统的简化示意图；
[0039] 图6为具有受控偏置ID的ECM电路系统的简化示意图；
[0040] 图7为包括受控电流源的ECM电路系统的简化示意图；
[0041 ]图8为包括受控镜像电流源的ECM电路系统的简化示意图；
[0042] 图9为包括受控电流源的低功率ECM电路系统的简化示意图；
[0043] 图10为包括受控电流源的低功率ECM电路系统的简化示意图；
[0044] 图11为包括受控电压源的超低功率ECM电路系统的简化示意图；
[0045] 图12为包括详细的受控电压源的超低功率ECM电路系统的简化示意图；
[0046] 图13为电容式传声器电路系统的简化示意图；
[0047] 图14A为DC-DC分压器电路的简化电气示意图；
[004引图14B为DC-DC分压器的简化符号表示图；
[0049] 图14C为DC-DC电压源的简化电气示意图；
[0050] 图15为输出滤波器电路系统的简化示意图；
[0051 ]图16为负电压源电路系统的简化示意图；
[0052] 图17为集成有ECM缓冲器的电路的简化示意图；
[0053] 图18为ECM采样/保持电路的简化示意图；
[0054] 图19为表示图18的ECM采样/保持电路的操作的简化时序图；
[0055] 图20为偏置ECM采样/保持电路的简化示意图；
[0056] 图21为表示函数W ( K )的值的简化曲线；
[0057] 图22为表示增益值的简化曲线1;
[0化引图23为谐振ECM电路的简化示意图；
[0059] 图24为MEMS传声器电路的简化框图；
[0060] 图25为无线传感器装置的简化框图；
[0061 ]图26为用于无线传感器装置的软件程序的简化流程图；
[0062] 图27为诸如智能手机等无线终端装置的软件程序的简化流程图；
[0063] 图28为S音调声信号（t虹ee-tone acoustic signal)的简化时间图；
[0064] 图29为另一个S音调声信号的简化时间图；并且
[0065] 图30为滤波器阵列的简化框图。
【具体实施方式】
[0066] 通过参照附图和随附的说明，可W更好地理解使用静电式传声器的系统和方法， 特别但不排他地，可W更好地理解用于操作驻极体电容式传声器的低功耗电路。
[0067] 在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不局限于下 面的说明中提出或附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够用于其它实施例， 或者可W W多种方式实践或执行本发明。另外，应当理解，本文采用的措辞和术语是出于说 明的目的，并且不应当被认为是限制性的。
[0068] 在本文中，某个附图中的未被在该附图的范围内说明但在之前的附图中标示的元 件具有如在之前的附图中的相同的用途和说明。类似地，某个文本中的被没有在由该文本 描述的附图中出现的数字表明的元件具有如在之前的说明该数字的附图中的相同的用途 和说明。
[0069] 本文中说明的系统和方法的目的在于在消耗最小电能的同时使用静电式传声器。 作为非限制性示例，静电式传声器被实施为驻极体电容式传声器(也被称为驻极体传声器 或ECM)。驻极体电容式传声器的结构是公知的，并且可W通过不同来源获取驻极体电容式 传声器。
[0070] 本文中说明的系统和方法的另一个目的在于实现例如W下文献中示出和描述的 声学通信:在2013年7月21日提交的美国临时专利申请61/85 6729、同样在2013年7月21日 提交的美国临时专利申请61/856730和在2014年7月4日提交的美国临时专利申请62/ 021018、W及在2014年7月21日提交的要求运些美国临时专利申请的优先权的PCT申请PCT/ IB 2014/063266,在运里将运些申请的全部内容通过引用并入到本文中。
[0071] 声学通信可用于实施无线个人局域网(WPAN)或无线体域网(WBA N)。声学通信尤 其适用于低功率WPAN或WBAN。声学通信尤其适用于检测用于接通处于待机模式的电路系统 的信标信号或唤醒信号。在运种情况下，由电池驱动的装置进入待机模式W节约电池电量。 信标信号、唤醒信号或任意类似声信号被发送至该装置W将其从待机模式唤醒。因此，虽然 处于待机模式，但该装置一直"监听"环境W检测运种信标信号或唤醒信号。该监听模式应 当具有非常低的功耗，运就是本文所说明的装置可W实现的。
[0072] 例如，目前ECM需要50化A-IOO化A的偏置电流。然而，普通纽扣电池提供IOmAh- 250mAh，且因此50化A的ECM将在仅用20小时就消耗掉IOmAh的电池。本文说明的ECM电路系 统的目的在于消耗小于1微安，从而相同纽扣电池可提供约1〇,〇〇〇-250,000小时的工作时 间。
[0073] 现在参照图1，图1为根据一个可能实施例的具有偏置电路的ECM电路系统10的简 化示意图。
[0074] 如图1所示，ECM电路系统10可包括驻极体电容式传声器化CMHU缓冲器电路12和 偏置电路13。通常，ECM 11和缓冲器电路12被设置在一起，并嵌入在传声器装置14中，传声 器装置具有与偏置电路连接的被命名为MIC+和MIC-的两个端子15。如图IW示例的方式所 示，缓冲器电路包括晶体管16。晶体管16作为缓冲晶体管进行操作，并且通常为场效应晶体 管(FET)，并通常为结型场效应晶体管（jFET)或MOSFET晶体管。运里可W简单地将晶体管16 命名为FET或jFET。图1的偏置电路还可W包括电池17和偏置电阻器18。电流Id经由电阻器 18从电池17流入j阳T 16的漏极端子。电流Id从j阳T 16的源极端子流回至电池17。
[0075] 可理解的是，虽然本文所描述的电路将驻极体电容式传声器化CM)用作声音感测 装置，但是运些电路可W通过必要的修改W应用至其它类型的传声器和/或声音感测装置。 特别地，本文所关注和说明的系统和方法可W应用至其它类型的电容式传声器和/或使自 身的电容作为空气振动和/或声音的函数而变化的传声器。例如，本文所关注和说明的系统 和方法可W应用至使用微机电系统(MEMS)技术的传声器。
[0076] 通常，ECM 11具有电容C，且电容C包括带电荷Q的极化驻极体。因此，（在将ECM连接 至jFET之前化CM的电容器C上的电压为Vc = Q/Ce，其中，Ce为驻极体电容。jFET的输入电容 被命名为Cgs。
[0077] 该电压可W尽可能高W增加传声器的灵敏度，并且也可W足够低W不会造成击 穿。空气中的介电强度为3,000, OOOV/m，运意味着对于0 . Imm-Imm的宽度，最大电压分别为 300-3，OOOV，运限制了预充电驻极体元件11的电荷Q的值。由于驻极体元件11上的电压Vc = Q/Ce可相对较高，因此W与驻极体元件11并联的方式添加电阻器，从而迫使驻极体元件11 放电至零伏特。就物理现象而言，首先，使驻极体元件11预充电有电荷Q，且驻极体元件上的 电压为
[007引
[0079] 其中，C2为驻极体元件11内部的气隙的电容。如果Cgs非常小，那么该电压能高达 Q/Ce。
[0080] 增加与驻极体元件并联的电阻器会在驻极体元件11上产生负电场力（electric force)。因此，驻极体元件上的电压正好为零。换言之，在驻极体元件11的电容器的板上产 生负电荷-Q，从而迫使驻极体元件上的电压为零(如下面进一步说明）JFET在本电路中作 为预充电电容器C的缓冲器是必不可少的。
[0081 ]现在参照图2，图2为根据一个可能实施例的具有jFET影响的ECM电路系统19的简 化示意图。可选地，可在之前的图中的细节的背景下来观察电路系统19。然而，当然可在任 何所期望环境下来观察ECM电路系统19。另外，前述定义可W同样地适用于下面的说明。
[0082] 类似于电路系统10,电路系统19也表现出通常约为3至6皮法的j阳T输入电容Ciss 和通常约为1至6皮法的输出电容Cds。
[0083] 通过电阻器18对正电压17的连接会使jFET工作在饱和区。在空气中传播并到达 ECM的声波会导致ECM电容C的变化dC，由此如公式1所示会影响jFET栅极端子处的电压Vgs (ac)。
[0084] 公式 1
[00扣
[0086J 现仕參照图3,图3刃恨巧一駆头她怜UW虽于电谷帯W巧戶帯电路20的简化示 意图。可选地，可在之前的图中的细节的背景下来观察基于电容器的传声器电路20。然而， 当然可在任何所期望环境下来观察基于电容器的传声器电路20。另外，前述定义可W同样 地适用于W下说明。
[0087] 如图3所示，偏置电压Vb经由电阻器21(值为R)连接至可变电容器22(值为Cmic), 可变电容器将其电容作为声压的函数进行变化。电容器22经由禪合电容器24(值为Ccop)禪 接至放大器23(A)。
[0088] 在稳定状态下，电容器22将被充电至Vb。因此，假定Ccop〉〉Cin，则电容器22中W及 等效电容器24和电容25(值为Cin)中存储的电荷为Q = Vb(Cmic+Cin)。假定声压会改变电容
[0089] 器22,并且时间常数RCmic足够大使得电荷Q不会发生变化，因此：
[0090]
[0091]
[0092]
[0093] 可W使用FET晶体管建立放大器23,且例如在运种情况下，该放大器为共源放大 器。
[0094] 现在参照图4,图4为根据一个可能实施例的驻极体电容式传声器27的简化示意图 26。可选地，可在之前图中的细节的背景下的背景下来观察简化示意图26。然而，当然可在 任何所期望环境下来观察简化示意图26。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。 [00M] 如图4所示，对驻极体传声器进行说明。驻极体传声器27可W包括上弹性导电板 28、下导电背板29和驻极体材料30。利用例如施加至永久极化驻极体材料30的上层的值为+ 如的正电荷W及例如施加至永久极化驻极体材料30的下层的值为-如的负电荷，驻极体材 料30可W被永久极化。上弹性导电板28和下导电背板29共同形成值为C的电容器。当声波通 过孔31传播时，上板可弯曲，从而导致电容C发生变化，并接着导致随着声压变化的电压变 化。
[0096] 如图4所示，上弹性导电板28和下导电背板29连接至缓冲晶体管32,运是因为电容 器C的阻抗非常高。如图4所示，电阻器33连接在上弹性导电板28和下导电背板29之间形成 的电容器的端子34和35之间。
[0097] 在稳定状态下电容器端子34、35上的电压应当正好为零。可W在下导电背板29的 背面(外)侧感应出电荷+91，而可W在上弹性导电板28的背面(外)侧感应出电荷-Q1。因此， 根据距充电盘的小距离的电场的理论，公式3将电场表示为：
[0098] 公式 3
[0099]
[0100] 因此，驻极体上的电压和空气上的电压的和应当为零，或者应该由公式4提供：
[0101] 公式 4
[0102]
[0103] 例如，ho的从ho到ho+A ho的小变化可导致方程5所示的电压变化(假定上板和下板 上的电荷不会快速地变化）：
[0104] 公式 5
[0105]
[0106] W上分析是W能够在W下网站处获取的麻省理工学院开放课程的第六章为基础： http://ocw.mit.edu/resources/res-6-001-electromagnetic-fields-and-energy- spring-2008/chapter-6/06. pdf 〇
[0107] 因此，能够如公式6所说明地定义由上弹性导电板28和下导电背板29形成的电容 器的驻极体电容器：
[010引公式6
[0109]
[0110] 公式1中提到的Q为Q1。由于电容器端子34、35之间的电压为零，因此在稳定状态下 Ciss充电有零电荷。对于Ciss,很明显，电荷未发生变化，但是一些电荷可从上弹性导电板 28和下导电背板29向Ciss反复地移动。因此，由公式7给出了电压变化：
[0111] 公式 7
[0112]
[0113]
[0114]
[0115]
[0116]
[0117]且因此，对^
如在没有将Ciss考虑在内的原始分析中，
[011 引
[0119]如从公式1可W看出，Ciss非常重要，运是因为过大的Ciss可产生输入处的衰减。
[0120]现在参照图5,图5为根据一个可能实施例的具有噪声模型的ECM电路系统36的简 化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察简电路系统36。然而，当然可在任 何所期望环境下来观察ECM电路系统36。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0121 ]电路系统36包括基于教科书《EE6416低噪声电子设计》第5章UjFET噪声"中提供的 信息的噪声模型，并且该电子书可W在W下网站处获取:http: //users. ece. gatech. edu/ ~11116曰油/6。66416/1^曰63/6邱05.口壯。由此，通过公式8和9给出了^'阳1'噪声。
[0122]公式 8
[0123
[0124
[0125
[0126] 其中，"td"表示"热漏（thermal 化ain)"，且"fd"表示"闪烁漏（flicker 化ain)"。
[0127] 在下文中，由W下公式对噪声项进行说明：
[012引 公古10
[0129]
[0130] 公式11给出饱和区中的一般的漏极电流，其中通过公式12给出gm:
[0131] 公式 11
[0135] 因此，通过公式13给出由根据公式1的输入信号引起的输出电压：[0136] 公式 13
[0132]
[0133]
[0134]
[0137：
[013引因此，输出电压为电流Id的函数，且因此通过最大化Id使输出最大化。因此，当Idss =Id时提供了最大的输出。 。/ 巧 ('Vm'
[0139] 因此，如果项中的R被设计成用于补偿由项给出的衰减，则典 如'4 Ciss 型值为：Idss = SOOiiA,Vp = -Iv,Ciss = ：3pF，C = ：3pF，R=2.2KiiQ。
[0140] 对于W上典型值，得函
并且对于小Ciss来说，传声器的总增益为2.2 或-6地。虽然能够将R增加至4K，但接着电压源应当给出Vds>-Vp(假定Vgs = O)。运表示电压 源应当为3VW上。
[0141] 同时使用较小Id，能够增加项^^/^/f的值。
[0142] 而且，另一方面，也能够增加R，并将jFET依然保持在饱和区中。
[0143] 现在参照图6,图6为根据一个可能实施例的具有受控偏置Id的ECM电路系统37的 简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察简电路系统37。然而，当然可在 任何所期望环境下来观察ECM电路系统37。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0144] 电路系统37与电路系统19类似，但电路系统37增加有提供偏置电流Id的受控电流 源38。根据公式13,能够使项]I 足够大W补偿较小Id的衰减，并且另一方面，也能 够增加R，并将jFET依然保持在饱和区中。
[0145] 信噪比（SNR)随电流Id降低。通过公式14给出输出处的噪声电压变化，且通过公式 15给出输出电压。
[0146] 公式 14
[0147]
[0148] 公式 15
[0149]
[0150] 如果忽略来自电阻器R的热噪声，则能够根据公式16确定SNR。
[0151] 公式 16
[0152
[0153] 因而，通过降低偏置电流Id来降低SNR。因此，通过使Id减小因数M倍且使Idss增加 因数M倍而保持了 SNR。
[0154] 可理解的是，通过增加Idss会影响晶体管的用于产生较高Ciss的几何结构。可通 过宽度(W)和长度化)控制Idss。因此，能够通过使用大W情况下的最小L来增加Idss。例如， 运种jFET装置可W是从位于美国德克萨斯州75081，715N Glenville Dr. ,Richardson的 Inter阳T公司获取的IF 140。
[0155] 现在参照图7,图7为根据一个可能实施例的包括受控电流源40的ECM电路系统39 的简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察简电路系统39。然而，当然可 在任何所期望环境下来观察ECM电路系统39。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0156] 电路系统39示出了包括驻极体电容式传声器42和缓冲器装置43的装置41。缓冲器 装置43可包括场效应晶体管(FET)44(诸如之前任意图中的jFET等）dFET 44的栅极端子45 可连接至驻极体电容式传声器42的第一端子。FET 44的漏极端子46可经由负载网络47连接 至电源VopdFET 44的漏极端子46还可连接至输出端子48dFET 44的源极端子49可连接至调 节电流源40。调节电流源40可连接在FET 44的源极端子49和参考端子50之间。参考端子50 还可连接至驻极体电容式传声器42的第二端子。可理解的是，FET 44在零偏置（Idss)下具 有相对较高的漏极电流，并且受控(调节）电流源40可迫使相对较低的漏极-源极电流经过 FET44。因此，W相对低的功率消耗提供了相对高的SNR。
[0157] 现在参照图8,图8为根据一个可能实施例的包括受控镜像电流源52的ECM电路系 统51的简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察电路系统51。然而，当然 可在任何所期望环境下来观察ECM电路系统51。另外，前述定义可W同样地适用于W下说 明。
[0158] 电路系统51是W低的Ciss提供IOmA-SOmA的Idss电流的电路系统39的示例性实施 例。电路系统51包括ECM 42、jFET 44和作为镜像由流源的由流源52。jFET(Ql)44可W具有 例如50mA的高的Idss，并且Ciss依然较低，使得]
均值可W接近于1。
[0159] 因此，通过使用常规ECM，电路系统51可W具有根据公式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，因此能够写出如下公式18:
[0163] 公式 18
[0164]
[01化]因此，根据公式19，新的Id为约化A。
[0166] 公式 19
[0167]
[016引晶体管Q2和Q3用作电流镜像。因此，如果Q2和Q3相同，则Il = Is = Id =化A。运表 示传声器可W从3V电池消耗大约1化A。由于Vs接近于I Vp I，因此需要3V电池。由于化较小 (例如2.化），因此化上产生很低的电压。
[0169] 为了将jFET 44保持在饱和模式下，需要使Vds〉Vgs-Vp，W及
[0170] 公式 20
[0171]
[0172]
[0173]
[0174] 因此，主要功耗可来自Vs =~-Vp。电池电压可W被调节成使得
[0175] 公式 22
[0176] 0.3《Vbattery_min = VgS+Vds+I服L《2
[0177] 现在参照图9,图9为根据一个可能实施例的包括受控电流源54的低功率ECM电路 系统53的简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察电路系统53。然而，当 然可在任何所期望环境下来观察ECM电路系统53。另外，前述定义可W同样地适用于W下说 明。
[017引如图9所示，低功率ECM电路系统53包括ECM 42、jFET 44和受控电流源54 J阳T 44 的漏极端子经由负载网络55(电阻器化)连接至电源（电池）56。jFET 44的源极端子连接至 受控电流源54,并且受控电流源54也连接至电源56 J阳T 44的源极端子连接至ECM 42，ECM 42的另一端子W及受控电流源54均连接至电源（电池)56的负侧。
[0179]如图9所示，低功率ECM电路系统53使用受控电流源的另一个示例性且非限制性的 实施例。受控电流源54使用闭环运算放大器W偏置jFET 44。由Rsl和Rs2表示的负载网络对 源极电流Id进行采样，源极电流可W为扣A。负载网络Rsl-Rs2允许使用具有有限的输出轨 (output rail)的运算放大器57(也被命名为OPl)。例如，受控电流源54可W使用化ef = 化c2 = 0.3V和Rs2 = 0.3/扣A = 60k Q。在运种情况下，由运算放大器OPl抽取的总电流可W 为约1化A。
[0180] 现在参照图10,图10为根据一个可能实施例的包括受控电流源59的低功率ECM电 路系统58的简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察电路系统58。然而， 当然可在任何所期望环境下来观察ECM电路系统58。另外，前述定义可W同样地适用于W下 说明。
[0181] 如图10所示，低功率ECM电路系统58使用受控电流源的另一个示例性且非限制性 的实施例。受控电流源59使用闭环运算放大器60W偏置j阳T 44,并且还使用添加至电阻器 Rsl和Rs2的可变电阻器。
[0182] 可理解的是，上面参照图1至图10示出和说明的各种传声器电路可W包括缓冲晶 体管(例如，FET 44)，缓冲晶体管的栅极端子连接至电容式传声器(例如，ECM 42)的第一端 子，缓冲晶体管的漏极端子经由负载网络(例如，负载网络47和/或55)连接至电源(例如，电 池18和/或56)并连接到输出端子，且缓冲晶体管的源极端子连接至调节电流源(例如，电流 源40、52、54和/或59)。电流源可W连接在FET的源极端子与参考端子之间。参考端子可W连 接至驻极体传声器的第二端子。
[0183] 缓冲晶体管（例如，FET 44)在零偏置（Idss)下具有相对较高漏极电流，并且电流 源管迫使相对较低的漏极-源极电流经过缓冲晶体。电流源可W基于电流镜像电路。电流源 包括比较器装置，W将缓冲晶体管的偏置电流设定至预定值。
[0184] 可理解的是，可W根据最小长度L和/或最大宽度W和/或流经装置的大电流和/或 最小输入电容来选定缓冲晶体管。
[0185] 现在参照图11，图11为根据一个可能实施例的包括受控电压源62的超低功率ECM 电路系统61的简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察超低功率ECM电路 系统61。然而，当然可在任何所期望环境下来观察超低功率ECM电路系统61。另外，前述定义 可W同样地适用于W下说明。
[0186] 如图11所示，超低功率ECM电路系统61可包括场效应晶体管(FET)44(诸如之前任 意图中的jFET等KFET 44的栅极端子45可连接至驻极体电容式传声器42的第一端子。FET 44的漏极端子46可经由负载网络47连接至被命名为V+的电源。阳T 44的漏极端子46也可连 接至输出端子48"FET 44的源极端子49可经由偏置网络63连接至参考端子50。驻极体电容 式传声器42的第二端子可经由受控电压源62连接至参考端子50。
[0187] 可理解的是，FET 44在零偏置（Idss)下具有相对较高的漏极电流，并且受控（调 节）电压源62可W相对于FET的源极端子迫使在FET的栅极端子处产生负电压。因此，W相对 低的功率消耗提供了相对高的SNR。
[0188] 现在参照图12,图12为根据一个可能实施例的包括详细的受控电压源65的超低功 率ECM电路系统64的简化示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察超低功率 ECM电路系统64。然而，当然可在任何所期望环境下来观察超低功率ECM电路系统64。另外， 前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0189] 如图12所示，超低功率ECM电路系统64为图11的超低功率ECM电路系统61的一个示 例性实施例。类似地，超低功率ECM电路系统64可包括场效应晶体管(FET)44(诸如之前任意 图中的jFET等）JET 44的栅极端子45可连接至驻极体电容式传声器42的第一端子。FET 44 的漏极端子46可经由负载网络47连接至受控电压源65。阳T 44的漏极端子46也可连接至输 出端子48"FET 44的源极端子49也可连接至受控电压源65。驻极体电容式传声器42的第二 端子也可连接至受控电压源65。
[0190] 受控电压源65可W包括运算放大器66,在n沟道FET的情况下，运算放大器由诸如 电池67和负电源68等电源供电，而在P沟道FET的情况下，运算放大器由诸如电池67和正电 源等电源供电。运算放大器66的一个输入连接至诸如电阻器Ra和Rb等电压分压器。运算放 大器66的另一个输入连接至FET 44的源极端子和诸如电阻器Rs等用于感测电流Id的电流 感测网络。运算放大器66的输出连接至驻极体电容式传声器42的第二端子。受控电压源65 可W包括经由负载网络47与FET 44的漏极端子46连接的电源69。
[0191] 超低功率ECM电路系统64通过供应所需的典型为IOOmV的Vbiasl使jFET缓冲器在 饱和区中操作。
[0192] 由子
且在饱和时，FET 44的增益为gmRL，因此化保持在其平常值Ik Q-IOkQ。根据公式23:[0193] 公式 23
[0194]
[01 巧]J …一j t 。, trn 又^^加乂的最小电压源。 因此，将Vbiasl设定成约IOOmV会确保Ql处于饱和中，所有之前公式继续有效，并且Ql的作 用类似于缓冲器/放大器。负Vgs使项Vgs-化降低。要做到运一点，设置用于生成KXVbiasW 用作运算放大器52的负操作电压的模块。在假定电压源53为1.5V至3V时，参数K可W为1至 3, W生成-3V至-4.5V。该负电压馈入运算放大器66的负电源端子，而运算放大器66的正电 源端子连接至Vbias或零。
[0196] 偏置电流被Rs = 2.化采样，其中扣A电流提供约llmV。因此，Ra和肺将运算放大器 66的"+"端子设定为llmV。在20MQ的范围内选定Ra,且计算肺，使得V+ = llmV。
[0197] 应当理解，能够在较高的电压下工作，并且通过图12进行证明。电流Is = IcK扣A 可W增加Vgs。换言之，如果电流大于扣A，则Vgs-化会增加，Id也会增加，然后OP输出变负 值，且Vgs-化降低。
[0198] 该方案假定32kHz振荡器用于开关降压DC-DC和负电压-3V至-4.5V。对于32kHz和 IpF的开关电容，开关Icc = O.0化A与约10个开关相乘。运表示开关的电流消耗为〇.4ii A。 假定振荡器消耗0.1扣A，且传声器Vbiasl导致0.化A (从1.5V)。运表示从1.5V电池的总传 声器消耗为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，通过使用IOOfF = O. IpF的开关、32k化开关振荡器和10个开关，电流 可W为1 = 0.04祉A，并假定Vbiasl为50mV，得到Id =扣A/30 = 0.16化A。另外，假定运算放 大器消耗0.0IyA，振荡器消耗0.1扣A，总传声器从1.5V电池的消耗为0.16化A +0.1化A + 0.04祉 A+0.OfSliA+0.(UtiA =0.37化 A。
[0200] 运是目前制作出的最低功耗传声器。该传声器依然具有相同的SNR和使用常规传 声器的增益性能。该传声器装置包括S个端子:MICout(由数字48表示）、用作接地的MIC-W 及用作1.5V电源MICbias。增加偏置电压会增加IcU并因此增加SNR。
[0201] 可理解的是，例如，超低功率ECM电路系统64可W使用任何类型电容式传声器工 作，其中，例如，连接有偏置电容式传声器(而不是驻极体电容器42)的网络。
[0202] 现在参照图13,图13为根据一个可能实施例的电容式传声器电路系统70的简化示 意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察电容式传声器电路系统70。然而，当然 可在任何所期望环境下来观察电容式传声器电路系统70。另外，前述定义可W同样地适用 于W下说明。
[0203] 如图13所示，电容式传声器电路系统70类似于图12的超低功率ECM电路系统64。然 而，电容式传声器电路系统70包括电容式传声器网络71，而非图12的驻极体传声器28。诸如 电容式传声器网络71等电路广泛用于微机电系统(MEMS)传声器。为了获取较低功耗，FET依 然通过电阻器RG接收负电源偏置。
[0204] 另外，电源电路72可包括额外的DC-D对莫块73,可使用本文示出并说明的开关电容 器技术来实现该DC-DC模块。DC-DC模块73可为电容式传声器网络71的电容式传声器产生操 作电压VB。
[0205] 可理解的是，上面参照图1-12、13,且特别是参照图11、12和13示出并说明的各种 传声器电路可W包括缓冲晶体管(例如，FET 44)，该缓冲晶体管的栅极端子连接至电容式 传声器(例如，ECM42)的第一端子或连接至图13的禪合电容器Ccop。缓冲晶体管(44)的漏极 端子可经由负载网络(例如，负载网络47)连接至电源(例如，电池67) W及连接至输出端子。 缓冲晶体管的源极端子可经由电阻器连接至参考端子。调节电压源(例如，图11的电压源62 和/或图12的电压源65和/或图13的电压源72)可连接在驻极体传声器的第二端子和参考端 子之间。缓冲晶体管可在零偏置（Idss)下具有相对高的漏极电流，并且相对于FET的源极端 子，在N沟道FET的情况下，调节电压源可迫使在FET的栅极端子处形成负电压，或在P沟道 FET的情况下，调节电压源可迫使在FET的栅极端子处形成正电压。电源72可包括比较器W 确定缓冲晶体管44的操作点。电源72也可包括用于如图13所示的电容式传声器网络71的电 容式传声器的DC-DC模块73。
[0206] 现在参照图14A、图14B和图14C，图14A为根据一个可能实施例的DC-DC分压器电路 74的简化电气示意图，图14B为根据一个可能实施例的DC-DC分压器74的简化符号表示，且 图14C为根据一个可能实施例的DC-DC电压源75的简化电气示意图。可选地，可在之前图中 的细节的背景下来观察DC-DC分压器74和/或DC-DC电压源75。然而，当然可在任何所期望环 境下来观察DC-DC分压器74和/或DC-DC电压源75。另外，前述定义可W同样地适用于W下说 明。
[0207] 图14A示出的DC-DC分压器电路74为减半开关电容器电路。DC-DC分压器电路74包 括两个开关76和两个电容器77。在时钟周期的前半部分中，两个开关76均在位置B处，从而 将电容器对充电至输入电压VIN。在时钟周期的后半部分中，两个开关76均在位置A处，每个 电容器具有一半的充电电压，即VIN/2,且两个电容器并联连接。图14B示出了包括四级的串 联连接的图14A所示的DC-DC分压器电路74的电路，并且形成了非常有效的DC-DC转换器。
[0208] 对于最后一级，在极低的VgsX=InF且Rds = 1000 Q的情况下的小面积开关在扣 A的电流时给出SmV的脉动(ripple)。假定Rl =化Q (运远小于Rload = O. 9375/扣A )。如果 在忍片上实施Vbiasl，贝化I为值为I.化F的外部电容器。运造成26iiV的脉动。
[0209] 现在参照图15,图15为根据一个可能实施例的输出滤波器电路系统78的简化示意 图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察输出滤波器电路系统78。然而，当然可在 任何所期望环境下来观察输出滤波器78。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0210] 可W在DC-DC电压源75的输出处增加输出滤波器电路系统78, W对输出电压源进 行额外滤波。如图15所示，输出滤波器电路系统78可W包括两个为图14C的Rl的一半值的电 阻器W及两个电容器。例如，使用R1/2 = 500Q和Cl/2 = 0.化F的输出滤波器电路系统78在 SmV时产生0.03]iV的脉动，运远低于传声器噪声。
[0211] 最后一级可包括1000 pF的电容器，运些电容器可W在忍片上实现。在放电时，电路 产生化A/1000pFX16e-6 = 8mV的输出电压，从而需要16mV来对两个电容器充电。因此，公 式24给出了开关的功耗。
[0212]公式 24
[0213]
[0214] 公式25给出了放电功率。
[0別引公式25 惦16] P开关畦職細 > 巧iiA/2) 21000 = 6nW
[0217] 第=级可W具有扣A的半电流，运表示即使对于较小电容器，在充电期间，功率可 W减半，并且在放电期间功率可W更小。例如，与扣AX0.IV = SOOnW相比，消耗20nW至 30nW。因此，所得效率为500/530 X 100 = 94。
[0218] 现在参照图16,图16为根据一个可能实施例的负电压源电路系统79的简化示意 图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察负电压源79。然而，当然可在任何所期望 环境下来观察负电压源79。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0219] 负电压源79可W与慢运算放大器一起使用。消耗约lOnA-5化A的运算放大器和/或 比较器与使用小电容器并高效率操作的负电压源79-起操作。例如，对于使用C= IOpF电容 器并提供I = SOnA的负电压源79,脉动电压为约8mV，使用例如图15的过滤器78可W根据需 要降低该脉动电压(电源仍然具有电源抑制）。
[0220] 现在参照图17,图17为根据一个可能实施例的ECM缓冲器集成电路（IC)SO的简化 示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察ECM缓冲器IC 80。然而，当然可在任 何所期望环境下来观察ECM缓冲器集成电路80。另外，前述定义可W同样地适用于W下说 明。
[0221] 如图17所示，ECM缓冲器IC 80可包括电压源的两个端子81、四个电容器的四个端 子82(电容器用于减少所生成的负电压上的脉动并降低操作电压）、诸如32Khz晶体等晶体 84的两个引脚83W及驻极体电容式传声器86的两个引脚85。
[0222] 可理解的是，功耗的唯一来源为来自1.5/16V(将1.5V分成16份所生成的Vbiasl) 的扣A。因此，来自1.5V的功耗应当为5/16 = 0.312化A。例如，如果图14的降压型DC-DC 75 具有五级，则来自1.5V电池的电流消耗可W为5/32 = 0.15化A sVbiasl和负电压源几乎不 消耗任何功率。因此，其它消耗源仅是IOnA-SOnA的运算放大器和0.15至0 .化A的32kHz晶 体振荡器。因此，ECM可W W约0.化A至0.化A的电流消耗而在全跨度(fUl 1 span)上工作。
[0223] 因此，可理解的是，上述电路和方法实现了在20化至20kHz下操作并具有约0.化 A-0.扣A电流消耗的超低功率传声器电路。与消耗约50化A的常用传声器相比，上述电路 和方法在功率效率方面比常用传声器提高千倍，并且比目前已知的最低功耗传声器好80至 100 倍。
[0224] 可理解的是，对于上述电路和方法的功耗，也可W通过使用采样/保持电路并在采 样之间将采样电路系统关断来进一步降低功耗。
[0225] 现在参照图18,图18为根据一个可能实施例的ECM采样/保持电路87的简化示意 图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察ECM采样/保持电路87。然而，当然可在任 何所期望环境下来观察ECM采样/保持电路87。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0226] 如图18所示，ECM采样/保持电路87可包括经由负载网络90连接并由电源91供电的 ECM电路88和采样/保持电路89dECM电路88可包括具有诸如上述示出的电源的ECM 92和ECM 缓冲器电路93,可选地，也可包括输出滤波器。特别地，ECM缓冲器电路93可使用上面参照图 1、2、5、6、7、8、9、10、11、12及13示出并说明的任何电路。
[0227] 采样/保持电路89包括具有晶体振荡器95的时钟94。时钟94控制电源开关96和采 样开关97的接通/断开操作。通过电容器98对ECM电路88的输出信号进行采样，并通过低通 滤波器99对其进行滤波。电源开关96W与采样开关97的采样操作同步的方式连接或断开 ECM电路88的电源。
[0。引根据一个可能实施例，在64曲Z采样频率的情况下在例如IOOns(周期T =~16iis) 的短时间内接通传声器电源。因此，根据50化A XO.化s/16iis =~化A，可W将典型的50化 A功耗降低至约化A。
[0229] 传声器通/断开关、采样/保持电路和低通滤波器消耗例如IiiA至1化A的非常低 的功率。
[0230] 使用较高Idss并如上所述地控制Vgs,可进一步降低化A的消耗。
[0231] 现在参照图19,图19为根据一个可能实施例的表示图18的ECM采样/保持电路87的 操作的简化时序图100。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察时序图100。然而，当 然可在任何所期望环境下来观察时序图100。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0232] 时序图100示出在采样/保持电路89的输入处(例如，MIC+)由图18的ECM采样/保持 电路87生成的信号101的时序图100。时序图100也示出如由图18的电源开关96提供的电源 接通/断开102。时序图100也示出如由图18的采样开关97执行的采样接通/断开103。时序图 100也示出如由图18的低通滤波器99的采样开关97提供的采样信号104。最后，时序图100示 出如在图18的低通滤波器99的输出处提供的输出信号105。
[0233] 如果传声器始终接通，则图19中的信号表示连续信号。来自漏极的脉冲表示由传 声器的电源的通/断切换引起的jFET的漏极的输出。在将传声器接通之后并经过一段设定 时间，使用采样时钟对信号进行采样。通过对信号进行滤波来复原原始信号。如从图19可W 看出，来自漏极的脉冲具有较高的电压摆动，运是因为传声器信号通常较低。
[0234] 然而，由于输出DC为约IV，因此运会产生一些失真，且可W通过使用图20的电路 107来消除该失真。
[0235] 现在参照图20,图20为根据一个可能实施例的偏置ECM采样/保持电路106的简化 示意图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察偏置ECM采样/保持电路106。然而，当 然可在任何所期望环境下来观察偏置ECM采样/保持电路106。另外，前述定义可同样地适用 于W下说明。
[0236] 偏置ECM采样/保持电路106类似于图18的增加有偏置电路107的采样/保持电路 89。如图20所示，包括电阻器108和电容器109的网络连接在低通滤波器99的输入与参考端 子(接地)之间。电阻器108与电容器109之间的点连接至运算放大器110的一个输入(正）。运 算放大器110的另一个输入（负）连接至运算放大器110的输出，该输出连接至采样电容器 98。运样，运算放大器110向采样电容器98提供DC偏置。因此，采样电容器98被加载至电压的 一小部分，并且失真被最小化。
[0237] 因此，本文示出并说明的方法和电路的各种组合实现了驻极体电容式传声器工作 在范围为20化-20曲Z、消耗超低功率并且电流消耗范围为0.化A -化A下的使用。
[0238] 通过降低经过负载网络（电阻器90)的电流Id会降低信噪比（SNR)。公式26给出了 输出处的噪声电压变化。
[0239] 公式 26
[0240]
[0241] 其中，在公式8、9和12中对Kn和gm进行了定义，并且R为负载网络（电阻器90)的电 阻。公式27给出了输出电压。
[0242] 公式 27
[0243]
[0244] 其中，如为ECM 42的驻极体中的永久极化电荷，且Ciss为输入网络到jFET缓冲器 的电容。
[0245] 如果忽略来自负载网络(电阻器90)的热噪声，则可W使用公式28来确定SNR。
[0246] 公式 28
[02'
[02 W」 共T，i日户」班化W執門巧、电阻瑜W "、」厕攸电挪，且i日S S为j F E T的漏极-源极电 流。
[0249]当图17的偏置ECM采样/保持电路106或图2的ECM 11使用较低的电压源(V< 1.5V) 时，图17的jFET 44或图2的jFET12可W工作在欧姆区。因此，假定电压源Vdd = V<|化I。可W 根据公式29或30来计算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被设定成n沟道阳T 的任意负值或P沟道FET的任意正值(如图10所示）。
[0巧日]可选地，根据公式31或32:
[0260]使用公式19并根据公式33和34能够针对给定Vgs来计算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] 将公巧32和34结合得剖公巧35，并接看巧得公巧36:
[0266] /入才 W [0%7]
[0%引
[0269]
[0270] 现在参照图21，图21为根据一个可能实施例的表示函数(6( K )的值的简化曲线 111。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察曲线111.然而，当然可在任何所期望环 境下来观察曲线111。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0271] 图21针对Vdd = O. IV且针对Vgs的S个值示出了作为R的函数於
曲线 112示出Vgs = O时的函数4。曲线113示出Vgs = O. 5化时的函数4，且曲线114示出Vgs = O. 9化 时的函数札 (衍\
[0272] 图21示出了针对￥邑3 = 0.9￥口，1?=12.51^给出柄--；^聲的最小值〇.4167，从而产 巧'讯 生-0.3的增益"777" 炉'。
[0273] 现在参照图22,图22为根据一个可能实施例的表示增益^的值的简化曲线115。 可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察曲线115。然而，当然可在任何所期望环境下 来观察曲线115。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。 辆权
[0274] 图22针对Vgs的多个值示出作为R的函数的增益曲线116示出了Vgs = O时的 。解。 增益。曲线114示出了Vgs = O.5化时的增益IK曲线118示出Vgs = O.9化时的增益。如可W从 图22看出，针对Vgs = 0.9化增益是最优，其值在R= 12.化Q时约为-0.3。
[0275] 可理解的是，有利地，Vdd的值应当设定成使得Vds低于Vgs-化。因此，将Vdd设定成 Vgs-Vp可W迫使j阳T处于欧姆区。
[0276] 接着，假定增益为公式37:
[0277] 公式 37
[0278
[0279
[0280
[0281
[0282
[0283
[0284
[0285] 然而，通过将Vdd设置成低于Vgs-化的电压会给出较低的增益值。
[0286] 可理解的是，只要Vdd = Vgs-化，增益就可W为约-0.4142，而与jFET无关。由于在 该区域中jFET表现为电阻器，因此可W通过公式40描述所产生的噪声。
[0287] /A 井40
[028引
[0289] 其中，Rch是j阳T沟道电阻值。
[0290] 然而，根据公式41:
[0296] 对于例如-0.4142的恒定增益，SNR与.! /}??关，因此，根据公式43:[0297] A 井/19
[0291] 公击 41
[0292]
[0293]
[0294]
[0295]
[029引
[0299] 囚化，駆嗽
选巧具巧灭Idss的jFET，W补偿Vgs-化的降低。
[0300] 常用的ECM通常具有Idss = O. 5mA和化= -lV的jFET。运表示在电容式传声器(如参 照图13示出并进行说明的电容式传声器，其中图13的C = Cmic)的情况下，Vdd=IV的电路系 统会迫使jFET处于欧姆区，并且会给出-0.4142的增益（忽略由Ciss引起的衰减，该衰减为
[0301] 因此，通过将Vgs-化的值降低M倍(诸如M= 100)并使用具有比0.5mA大M倍的Idss 的jFET可W获得相同的SN財生能。
[0302] 返回图12，可理解的是，只要Vdd = Vgs-Vp，就能够降低Vdd但依然保持-0.4142的 增益。通过降低Vdd会降低ECM缓冲器电路的功耗。运需要具有增加的Idss的jFET, W补偿 Vgs-化的降低(保持低的CiSS)。
[0303] 通过公式44给出图12的上述传声器的电路功耗：
[0304] 公式 44
[0305]
[0306] 表达式f巧!表示功率降低了M2倍。因此，例如，通过使用
将电流（参考化）降低M2倍至大约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阳T。
[0307] 返回图12W及图14A、14B和14C，通过使用Vbiasl = 46mV(其接近所需的31.6mV)， 来自电源的电流可W为约1化A，该电流可W由1.2-1.5V电池提供。
[0308] 因此，对于最后一级，假定具有非常小的Vgs ,Rds = 1000 Q且C= InF的小开关，那 么针对约扣A的电流消耗，脉动电压可W为约8mV。假定Rl = 300 Q (运远低于Rload = 0.046/15iiA)，则在忍片上实施Vbiasl，其中，Cl为值为0.15iiF的外部电容器。因此，将脉动 设定为约26iiV。
[0309] 图15的输出滤波器电路系统78可W用于额外滤波。通过使用Cl/2 = 50nF和R1/2 = 5000Q，8mV的输入脉动会产生约0.03iiV的输出脉动，运远低于传声器噪声。
[0310] 例如，最后一级可W使用能在忍片中实现的1000 pF电容器。在放电时，扣A的电流 会广生扣A / 1000 pF X 16e-6 = 8mV。因此,需要16mV W用于对两个电谷器进化充电。因此，由 公式45(充电）和公式46(放电）给出开关的能耗。
[0311]
[0312]
[031引公式46
[0；314] P开关畦職細 > 巧 iiA/2) 21000 = 6nW
[0315] 第=级可W具有值为扣A的一半的电流。因此，使用较小的电容器，可降低充电功 耗(例如，减半），并且对于放电也是类似的。与扣A X 0.1V = 500nW相比，粗略的估计是20nW 至30nW。因此，所得效率为(500/530) X 100 = 94%。
[0316] 返回图16,通过使用消耗约50nA的运算放大器/比较器和极小的电容器，可W获得 较高的效率。例如，使用C= IOpF电容器，I = 50nA，会产生SmV的脉动，可W使用图15的输出 滤波器电路系统78进一步降低该脉动。
[0317] 返回图16,上述电路系统可W在两种模式中使用。在第一模式中，ECM电路使用Vdd <Vgs-Vp，例如，Vdd = Q (Vgs-Vp))，因此根据公式 47:
[031引公式47
[0319]
[0320] 因此，由公式48给出了目(X)的值：
[0321] 公式少
因此，通过公式49给出了偏差：
[0322] 公式 49，
[0323]
[0324] 进而导出了公式50:
[03251 公立 50
[03
[0327] 该模式适用于常规ECM(Vgs = O)和比I化I低的低VdcL对于常规ECM(Vgs = O),增益 可W通过公式51给出：
[032引公式51
[0329]
[0330] 可理解的是，上述传声器电路，尤其是参照图18至图20示出并说明的传声器电路 包括采样/保持电路(例如，电路89)。采样/保持电路可W额外地控制将操作电压向传声器 缓冲器电路(例如，ECM电路)和/或缓冲晶体管(例如，FET 44)、电流源和电源的供应。采样/ 保持电路的操作可W与用于控制将操作电压向缓冲晶体管(例如，FET 44)和/或电流源和/ 或电压源供应的电路的操作同步。可理解的是，传声器电路可W额外地包括向采样/保持电 容器提供偏置电压的电压跟随电路(例如，电路107)。
[0331] 现在参照图23,图23为根据一个可能实施例的谐振ECM电路119的简化示意图。可 选地，可在之前图中的细节的背景下来观察谐振ECM电路119。然而，当然可在任何所期望环 境下来观察谐振ECM电路119。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0332] 如图23所示，谐振ECM电路119与图12的超低功率ECM电路系统64类似，但将图12的 超低功率ECM电路系统64的负载网络47替换为图23的谐振电路120。可理解的是，也可W设 想诸如本文说明的其它电路系统的使用等其它变形和补充。如图23所示，谐振电路120可W 包括例如并列连接的电容器121、扼流圈或电感器122和电阻器123。
[0333] 在DC模式中，电感器L将Vbiasl连接至j阳T。因此，公式30变为Vdd = VdcU而对于小 信号，公式29变成公式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] 运是典型的单调函数，并且可W近似成如下公式：[0349] 公式 57
[0350] 公式 5
[0351] 因此，

[0352] 运可W与公式39进行对比，在公式39中，增益固定在-0.4142。可理解的是，通过使 用谐振ECM电路119并通过选择适当的谐振电路120的电阻，可W实现较高增益值，进一步选 择具有较高Idss的j阳T，i、i
[0353] 较低Vdd给出了 与公式51对比，由3 面产生了 较高的增益。
[0354] 如由谐振ECM电路119所证明，当在欧姆区中工作时，该操作模式适用，其中传声器 用作超低功率传感器的接收器。通过电感器直接施加 VdcU可W实现增益增加。
[0355] 可理解的是，功耗的唯一来源为从1.5/16V抽取的扣A电流。运表示从1.5V电源的 消耗可W为5/16 = 0.312扣AnVbiasl和负电压源几乎不消耗功率。因此，唯一其它功率消 耗者为消耗50nA电流的运算放大器和消耗0.15-0.化A电流的2曲Z振荡器。因此，ECM电路 可W Wo.化A的电流消耗在全跨度上(20Hz至20曲Z)工作。
[0356]可理解的是，参考驻极体电容式传声器的上述方法、系统和电路系统也可W进行 必要修改从而应用至诸如MEMS传声器等其它类型电容器或电容式传声器。当声波击中MEMS 电容器薄膜时，会改变MEMS传声器的电容。
[0巧7] 因此，可W使用MEMS传声器，并且使用参照图11、12、18、20和/或23示出并说明的 电路系统或其组合对MEMS传声器进行必要修改。
[0358] 现在参照图24，图24为根据一个可能实施例的MEMS传声器电路124的简化框图。可 选地，可在之前图中的细节的背景下来观察MEMS传声器电路124。然而，当然可在任何所期 望环境下来观察MEMS传声器电路124。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0359] 假定MEMS传感器(传声器）的电容为Cmic,该电容充电有一些电荷，使得在无声压 的情况下Cmic上的电压为Vb。典型地，MEMS传感器连接至用作缓冲器的"拾取(pickup)"放 大器，W避免可变电容器上的任何负载。拾取放大器使Cmic上电压的变化反映在输出中。W 下公式58、59、60和61对Cmic的电容的变化和得到的Cmic上的电压变化之间的关系进行了
说明。
[0360]
[0361]
[0362]
[0363]
[0364] 因此，较大的Vb会引起大的信号输出。Vb对于消除因电压击穿而对MEMS传感器造成 的损耗是有限的。电容器厚度为几微米，并且空气中的击穿电压为3MV/m，运表示对于扣m- IOwii的间隙来说，最大偏置电压为15V-30V"Vb对于消除由电场力导致的薄膜的衍射也是有 限的，运可能导致失真。
[0365] 如图24所示，FET晶体管Ql W非常低的Vdd工作，运是因为其被偏置成W低的电流 工作。可理解的是，Ql为具有高的Idss值、大的宽度参数(W)和小的长度参数化)的FET晶体 管。因此，VGSop接近Vp，从而Ql在饱和区工作，Vds〉VGSop-Vp。因此，Vdd相当低且为几mV。
[0366] 电阻器R3与运算放大器COMPl -起使用W设定VR3 =化ef，从而设定Id =化ef/R3。 运算放大器COMPl的输出被包括电阻器R2和电容器C2的网络过滤。运算放大器COMPl的输出 电压VGSop经由大电阻器RG连接至Ql的栅极。电容器Cl为禪合电容器。考虑到电阻器RG的值 和阳T Ql的电容，电容器Cl可W不加载Cmic。
[0367] 现在参照图25,图25为根据一个可能实施例的无线传感器装置125的简化框图。可 选地，可在之前图中的细节的背景下来观察无线传感器装置125。然而，当然可在任何所期 望环境下来观察无线传感器装置125。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0368] 如图25所示，无线传感器装置125包括连接至传感器电路127的传感器126,传感器 电路127连接至无线电路128,无线电路128连接至天线129。电源130连接至能量管理电路 131，能量管理电路可连接至传感器电路127和无线电路128二者。电源130还连接至声触发 电路132,声触发电路连接至能量管理电路131。可选地，无线传感器装置125还包括连接至 存储装置134的处理器133且还包括软件程序135。软件程序135可W存储在存储装置134中， 并由处理器133执行。处理器133可连接至并控制传感器电路127、无线电路128和能量管理 电路131。
[0369] 声触发电路132可包括连接至声传感器缓冲器电路137的声传感器136,声传感器 缓冲器电路连接至可选的滤波器阵列138,滤波器阵列连接至判决电路139,判决电路连接 至能量管理电路131。可选地，判决电路139可包括处理器140、存储装置141和软件程序142， 典型地，软件程序存储在存储装置141中并由处理器140执行。可选地，声触发电路132连接 至处理器133。
[0370] 例如，传感器126可W是溫度传感器。例如，电源130可W是诸如CR2032等纽扣电 池。声传感器136可W是诸如驻极体电容式传声器巧CM)等传声器。传感器缓冲器电路137可 W为上述任何电路或其组合。例如，传感器缓冲器电路137可W W图23的谐振ECM电路119为 基础。无线电路128可W使用任何类型的通信技术，运些技术包括但不局限于蓝牙、Zigbee、 Wi-Fi等。无线电路128可W为发射器或收发器。
[0371] 传感器缓冲器电路137可W使用如上所述消耗约0.扣A的超低功率传声器。传感 器缓冲器电路137的输出可被提供至滤波器阵列138,滤波器阵列可包括一个或过个混频 器。滤波器阵列138的输出可被提供至判决电路139。当接收到特定声信号(标记、信标)时， 通过判决电路139生成接通/断开信号，并将该信号提供至能量管理电路131。此后，能量管 理电路131唤醒传感器电路127和无线电路128。
[0372] 接着，无线传感器装置125可执行诸如接通/断开、信号检测和数据传输等所需操 作。由判决电路检测的合适的声信号可W W接收到的至少一个音调（单频)为基础，或者穿 过滤波器阵列的频率组合为基础，或者W任何类型的声调制数据类扩频等为基础。
[0373] -旦判决电路139检测到声信号，可W通过判决电路139生成接通/断开触发，并将 其提供至能量管理电路131或无线传感器装置125的任何其它部分。例如，接通/断开触发可 W是被提供至CPU(例如，处理器133)的硬件触发，从而接通CPU,且接着CPU可接通无线电路 128。
[0374] 因此，无线电路128和/或传感器电路127和/或整个电路可W保持在休眠或断开模 式，并且仅当判决电路139检测到合适的声信号标记并生成中断时才被唤醒。声标记可W接 通电源或为传感器中的内部CPU产生中断，且接着接通并操作内部蓝牙收发器。该方法允许 RF收发器在待机模式下消耗更少的功率，因此可在使用相同电池的情况下W更长时间的进 行操作。
[0375] 例如，医疗蓝牙RF传感器被编程为响应于来自智能手机的请求而发送诸如屯、率等 存储数据。在一个可能方案中，医疗传感器的RF单元周期性地唤醒(典型地，每秒数次）W检 测来自智能手机的请求。运些唤醒消耗可观的电池电量。典型地，要求如同上述医疗RF传感 器的RF传感器在使用纽扣电池时需要操作至少一年。
[0376] 通过使用上述电路，RF收发器在大部分时间保持在休眠模式，而无需周期性地唤 醒，直至根据外部声信号生成了唤醒触发或中断。如上所述的声接收器触发电路的功耗比 RF接收器的功耗少得多。因此，仅周期性地唤醒声接收器。一旦智能手机需要接收来自蓝牙 传感器的数据，智能手机使用其内置扬声器生成音频信号。声接收器接收该音频信号，并生 成CPU的中断，从而接通蓝牙收发器。接着，蓝牙收发器会准备与智能手机进行数据通信。
[0377] 现在参照图26,图26为根据一个可能实施例的无线传感器装置125的软件程序143 的简化流程图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察软件程序143。然而，当然可在 任何所期望环境下来观察软件程序143。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0378] 软件程序143可W是诸如图25的无线传感器装置125等无线传感器装置的一部分。 软件程序143可W存储在无线传感器装置的诸如存储器134等存储装置中，并可W被无线传 感器装置的诸如图25的处理器133等处理器执行。
[0379] 如图26所示，软件程序143可从步骤144开始，在步骤144中，接收例如来自图25的 声触发电路132的唤醒信号。可理解的是，无线传感器装置处于休眠模式，直至接收到唤醒 信号。
[0380] 软件程序143可接着进入步骤145, W对诸如图25的无线电路128等无线收发器加 电（唤醒），例如，无线收发器可W是蓝牙收发器。可理解的是，无线收发器可使用各种类型 的通信技术，运些技术包括但不局限于任何类型的无线个人区域网络(WPAN)。软件程序143 可W接着进入步骤146，W将应答信号发送至智能手机。
[0381] 软件程序143可接着进入步骤147和148, W与智能手机(或类似装置)进行通信。当 通信结束时（步骤148)，软件程序143可接着进入步骤149, W关闭无线收发器，并接着进入 步骤150，W使(将无线传感器装置)返回休眠模式。
[0382] 可理解的是，软件程序143可在无线传感器装置的CPU的固件中执行，并且其是能 够在位于人体上并采集数据的由电池供电的医疗无线传感器中执行的算法的示例。如参照 图5示出并说明，软件程序143可W与混声RF无线传感器一起工作。可W使无线传感器的CPU 进入休眠模式，直至接收到来自声触发电路132的中断。通过使用适用如上示出并说明的任 意电路系统的超低功率传声器传感器硬件来生成中断。声硬件触发器可生成CPU的唤醒中 断。接着，CPU可接通蓝牙收发器，W与智能手机或类似装置进行通信。
[0383] 现在参照图27,图27为根据一个可能实施例的诸如智能手机等的无线终端装置的 软件程序151的简化流程图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察软件程序151。然 而，当然可在任何所期望环境下来观察软件程序151。另外，前述定义可W同样地适用于W 下说明。
[0384] 作为示例，无线终端与使用低功率蓝牙收发器的传感器装置通信。可理解的是，终 端装置和传感器可W使用任何类型的通信技术或RF收发器，诸如蓝牙、Zigbee、Wi-Fi等。软 件程序151可由智能手机的处理器执行和/或在智能手机(或任何类型终端装置）的存储器 中执行。
[0385] 混声RF传感器的示例可W是用于测量并发送人类屯、率的由电池供电的无线医疗 传感器。传感器可W位于人体中或人体上，并与智能手机或其它无线终端装置通信。一旦传 感器检测到特定声信号，传感器接通智能手机并使用蓝牙协议或类似通信技术与其通信。
[0386] 如图27所示，当使用者(手动地)或自动地(周期性地)调用软件程序151时，软件程 序151可从步骤152开始W从传感器装置采集数据。软件程序151可W接着进入步骤153, W 向传感器装置发送声信号。声信号可W为单频声信号(例如，15曲Z)、调制声信号、频率组合 (例如，1化化加16曲Z的音调）、DTMF码和扩频调制数据等。软件程序151可使用智能手机的 扬声器来生成声信号。软件程序151可接着进入步骤154, W激活智能手机(例如蓝牙或类似 WPAN技术)的WPAN装置。
[0387] 在接收到应答信号之后(步骤155)，软件程序151可接着进入步骤156, W与传感器 装置通信，并根据需要采集数据。在通信阶段结束之后(步骤157)，软件程序151可进入步骤 158, W使WPAN装置失效。
[0388] 可理解的是，特定传感器可使用作为唤醒信号的音调的特定组合。例如，声信号可 表示传感器序列号中的一些数位。在该方法中，通过生成合适的声信号仅会接通特定的传 感器，而非所有传感器。音调可W在不同的时间使用不同的频率，并且也可W使用不同的振 幅，W生成独特的音频码。
[0389] 现在参照图28和29,二者为根据一个可能实施例的两个S音调声信号159和160的 简化时序图。可选地，可在之前图中的细节的背景下来观察S音调声信号159和160。然而， 当然可在任何所期望环境下来观察=音调声信号159和160。另外，前述定义可W同样地适 用于W下说明。
[0390] S音调声信号159和160是用于唤醒特定传感器的声触发的示例。声触发使用S个 音调的组合W生成传感器的ID。在该示例中，S个音调为15kHz音调、1化化音调和17kHz音 调。根据如图28和图29所示的时间和振幅的特定模式来生成运=个音调。接着，可W由诸如 图25的滤波器阵列138等滤波器阵列检测S音调声信号159和160,并接着由判决电路139处 理。
[0391] 例如，图28的=个音调表示传感器的ID号28948,而图29的=个音调表示传感器的 ID号32564。
[0392] 现在参照图30,图30为根据一个可能实施例的滤波器阵列161的简化框图。可选 地，可在之前图中的细节的背景下来观察滤波器阵列161。然而，当然可在任何所期望环境 下来观察滤波器阵列161。另外，前述定义可W同样地适用于W下说明。
[0393] 如从图30可W看出，滤波器阵列161可W具有多个声频检测器162。声频检测器162 可W向判决电路163提供使其做出判决的信息，例如是否接通RF系统。如从图30可W看出， 可存在允许检测多个声信号的多个声频检测器162,例如，各声信号识别不同命令或不同装 置，诸如图28和29的传感器ID。
[0394] 为进一步降低功耗，滤波器阵列161可W具有第一级操作：仅一些声频检测器162 是可操作的，并且剩余的声频检测器被关断。例如，在图30中，两个频率检测器(在本示例 中，1化化检测器和1化化检测器)接通，而其它频率检测器关闭。当由1化化检测器和16kHz 检测器二者检测到标记信号时，VDD缓冲器向其它声频检测器162提供操作电压，并且滤波 器阵列在全面操作的第二级中操作。
[0%日]在运种情况下，由两个频率（1化化和16kHz)组合得到的初始标记传输将剩余的声 频检测器162和判决电路163接通，并允许检测更多的声信号。因此，会在待机期间降低功 耗。
[0396] 可理解的是，可W设想出该电路的许多不同组合W实现大量各种声标记和/或命 令。例如，提供两个W上的级别的操作，其中，不同级别使用声频检测器162的不同组合和/ 或一些级别使用大量的声频检测器162。
[0397] 如参照图28和图29所讨论，声频检测器162可检测输入标记传输输入的振幅、相 位、持续时间和其它方面，W提供大范围的命令、数据、传感器ID等。可理解的是，具有更高 复杂度的信号可W降低如由噪声导致的误差，运可W进一步降低整个触发电路的功耗。
[0398] 可理解的是，上述传声器电路可包括无线电单元，无线电单元包括无线电接收器、 无线电发射器和/或无线电收发器。传声器电路用于在检测到预定声信号时将无线电单元 从休眠模式中唤醒。传声器电路可额外地包括滤波器阵列，W用于检测一个或多个音调和/ 或频率。可W调制任意音调。调制可W包括不同开始时间、不同结束时间和不同振幅。
[0399] 可理解的是，不同实施例中的为清楚起见而说明的发明的某些特征也可W在单个 实施例中组合地提供。相反地，为简洁起见，单个实施例中的为简洁起见而说明的发明的各 种特征也可W单独地提供或W任何合适的子组合的方式提供。
[0400] 虽然结合本发明的具体实施例对其进行了说明，但是显然对本领域技术人员来说 许多替换、变形和变化时显而易见的。因此，其旨在涵盖落入随附权利要求的精神和宽泛范 围内的所有运种替换、变形和变化。本说明书提到的所有公开物、专利和专利申请W引用的 方式并入本说明书，就如同通过引用的方式结合至本文中的各单独公开物、专利和专利申 请具体地且单独地描述。此外，本说明书中任何参考的引用和标识均不能被被解释为允许 运些参考能够作为本发明的现有技术。
【主权项】
1. 一种装置，其包括： 电流源； 缓冲晶体管，所述缓冲晶体管的栅极端子连接至电容式声传感器的第一端子，所述缓 冲晶体管的漏极端子经由负载网络连接至电源，并且所述漏极端子连接到输出端子，且所 述缓冲晶体管的源极端子连接至所述调节电流源； 其中，所述调节电流源连接在所述缓冲晶体管的所述源极端子与参考端子之间，且 其中，所述参考端子能够连接至所述电容式声传感器的第二端子。2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述缓冲晶体管在零偏置(Idss)下具有相对较高 的漏极电流，并且其中，所述调节电流源迫使相对较低的漏极-源极电流经过所述缓冲晶体 管。3. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述电流源以电流镜像电路为基础。4. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述电流源包括比较器装置，以将所述缓冲器的 偏置电流设定成预定值。5. -种装置，其包括： 缓冲晶体管，所述缓冲晶体管的栅极端子连接至电容式声传感器的第一端子，所述缓 冲晶体管的漏极端子经由负载网络连接至电源并连接到输出端子，且所述缓冲晶体管的源 极端子经由电阻器连接至参考端子；以及 调节电压源，所述调节电压源连接在所述声传感器的第二端子与所述参考端子之间。6. 根据权利要求5所述的装置，其中，所述缓冲晶体管在零偏置(Idss)下具有相对较高 的漏极电流，并且其中，所述调节电压源提供以下电压中的至少一者： 在所述缓冲晶体管具有N沟道时，相对于所述缓冲晶体管的所述源极端子，所述缓冲晶 体管的所述栅极端子处的负电压；以及 在所述缓冲晶体管具有P沟道时，相对于所述缓冲晶体管的所述源极端子，所述缓冲晶 体管的所述栅极端子处的正电压。7. 根据权利要求5所述的装置，其中，所述电源包括比较器装置，以用于确定所述缓冲 晶体管的操作点。8. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其中，所述缓冲晶体管为场效应晶体管 (FET)、jFET和MOSFET中的至少一者。9. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其中，所述缓冲晶体管是根据最小长度L、 最大宽度W、通过所述装置的大电流以及最小输入电容中的至少一者来选定的。10. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其中，所述电容式声传感器为充当电容器 的声传感器、驻极体电容式传声器(ECM)以及微机电系统系统(MEMS)传声器中的至少一者， 所述电容器的电容响应于气压和空气振动中的至少一者而发生改变。11. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其中，所述缓冲晶体管在饱和区和欧姆区 中的至少一者中操作。12. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其还包括采样/保持电路，其中，所述采 样/保持电路额外地用于控制将操作电压向所述FET、电流源和电源中的至少一者的供应， 并且其中，所述采样/保持电路的操作与将所述操作电压向所述FET、所述电流源和所述电 源中的至少一者的所述供应的操作同步。13. 根据权利要求12所述的装置，其还包括用于向采样/保持电容器提供偏置电压的电 压跟随电路。14. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其中，用于连接所述缓冲晶体管的所述漏 极端子和所述电源的所述负载网络是电阻器和谐振电路中的至少一者。15. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其还包括无线电单元，所述无线电单元包 括无线电接收机、无线电发射机以及无线电收发机中的至少一者，并且根据权利要求1和5 中任一项所述的装置用于在检测到预定声信号时将所述无线电单元从休眠模式中唤醒。16. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其还包括用于检测多个音调的滤波器阵 列。17. 根据权利要求1和5中任一项所述的装置，其还包括： 无线电单元，所述无线电单元包括无线电接收机、无线电发射机以及无线电收发机中 的至少一者；以及 滤波器阵列，所述滤波器阵列用于检测多个音调， 其中，所述多个音调中的至少一者受到调制， 其中，根据权利要求1和5中任一项所述的装置用于在检测到预定声信号时将所述无线 电单元从休眠模式中唤醒。18. 根据权利要求17所述的装置，其中，所述调制包括不同起始时间、不同结束时间以 及不同振幅中的至少一者。19. 一种无线通信装置，其包括： 无线单元，所述无线单元包括接收器、发射器和收发器中的至少一者； 声传感器； 感测电路系统，所述感测电路系统耦接至所述无线单元和所述声传感器， 其中，所述感测电路系统用于检测由所述声传感器采集的预定声信号，并且 其中，所述感测电路系统用于提供启动所述无线单元的操作的信号。20. 根据权利要求19所述的装置，其还包括用于检测多个音调的滤波器阵列。21. 根据权利要求20所述的装置，其中，所述多个音调中的至少一者受到调制。22. 根据权利要求21所述的装置，其中，所述调制包括不同起始时间、不同结束时间以 及不同振幅中的至少一者。23. 根据权利要求19所述的装置，其还包括采样/保持电路， 其中，所述采样/保持电路额外地用于控制将操作电压向所述缓冲晶体管、用于所述缓 冲晶体管的电流源以及用于所述声传感器的电压源中的至少一者的供应，并且 其中，所述采样/保持电路的操作与将所述操作电压向所述缓冲晶体管、所述电流源和 所述电压源中的至少一者的所述供应的操作同步。24. 根据权利要求23所述的装置，其还包括用于向采样/保持电容器提供偏置电压的电 压跟随电路。25. -种方法，其包括： 将缓冲晶体管的栅极端子连接至电容式声传感器的第一端子； 将所述缓冲晶体管的漏极端子经由负载网络连接至电源，并将所述漏极端子连接至输 出端子;并且 将所述缓冲晶体管的源极端子连接至调节电流源， 其中，所述调节电流源连接在所述缓冲晶体管的所述源极端子与参考端子之间，并且 其中，所述参考端子能够连接至所述电容式声传感器的第二端子。26. 根据权利要求25所述的方法，其中，所述缓冲晶体管在零偏置(Idss)下具有相对较 高的漏极电流，并且其中，所述调节电流源迫使相对较低的漏极-源极电流经过所述缓冲晶 体管。27. 根据权利要求25所述的方法，其中，所述电流源以电流镜像电路为基础。28. 根据权利要求25所述的方法，其中，所述电流源包括比较器装置，以用于将所述缓 冲器的偏置电流设定成预定值。29. -种方法，其包括： 将缓冲晶体管的栅极端子第一端子连接至电容式声传感器的第一端子； 将所述缓冲晶体管的漏极端子经由负载网络连接至电源，并将所述漏极端子连接至输 出端子； 将所述缓冲晶体管的源极端子经由电阻器连接至参考端子;并且 将调节电压源连接在所述电容式声传感器的第二端子与所述参考端子之间。30. 根据权利要求29所述的方法，其中，所述缓冲晶体管在零偏置(Idss)下具有相对较 高的漏极电流，并且其中，所述调节电压源提供以下电压中的至少一者： 在所述缓冲晶体管具有N沟道时，相对于所述缓冲晶体管的所述源极端子，所述缓冲晶 体管的所述栅极端子处的负电压；以及 在所述缓冲晶体管具有P沟道时，相对于所述缓冲晶体管的所述源极端子，所述缓冲晶 体管的所述栅极端子处的正电压。31. 根据权利要求29所述的方法，其中，所述电源包括比较器装置，以用于确定所述缓 冲晶体管的操作点。32. 根据权利要求25和29所述的方法，其中，所述缓冲晶体管为场效应晶体管（FET)、 jFET和MOSFET中的至少一者。33. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其中，所述缓冲晶体管是根据最小长度 L、最大宽度W、通过所述装置的大电流以及最小输入电容中的至少一者来选定的。34. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其中，所述电容式声传感器为充当电容 器的声传感器、驻极体电容式传声器(ECM)以及微机电系统(MEMS)传声器中的至少一者，所 述电容器的电容响应于气压和空气振动中的至少一者而发生改变。35. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其中，所述缓冲晶体管在饱和区和欧姆 区中的至少一者中操作。36. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其还包括： 将采样/保持电路连接至所述缓冲晶体管的所述漏极端子， 其中，所述采样/保持电路额外地用于控制将操作电压向所述FET、电流源和电源中的 至少一者的供应，并且其中，所述采样/保持电路的操作与将所述操作电压向所述FET、所述 电流源和所述电源中的至少一者的所述供应的操作同步。37. 根据权利要求36所述的方法，其还包括： 将用于提供偏置电压的电压跟随电路连接至采样/保持电容器。38. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其中，用于连接所述缓冲晶体管的所述 漏极端子和所述电源的所述负载网络是电阻器和谐振电路中的至少一者。39. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其还包括： 将包括无线电接收机、无线电发射机以及无线电收发机中的至少一者的无线电单元连 接至根据权利要求1和5所述的方法的所述装置的输出， 其中，根据权利要求1和5中任一项所述的方法的所述装置用于在检测到预定声信号时 将所述无线电单元从休眠模式中唤醒。40. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其还包括： 将用于检测多个音调的滤波器阵列连接至根据权利要求1和5所述的方法的所述装置 的输出。41. 根据权利要求25和29中任一项所述的方法，其还包括： 将用于检测多个音调的滤波器阵列连接至根据权利要求1和5的方法的所述装置的输 出；并且 设置包括无线电接收机、无线电发射机以及无线电收发机中的至少一者的无线电单 元，所述无线电单元以通信的方式耦接至根据权利要求1和5的方法的所述装置， 其中，所述多个音调中的至少一者受到调制， 其中，根据权利要求1和5中任一项所述的所述装置用于在检测到预定声信号时将所述 无线电单元从休眠模式中唤醒。42. 根据权利要求41的方法，其中，所述调制包括不同起始时间、不同结束时间以及不 同振幅中的至少一者。43. -种将无线通信装置从休眠模式中唤醒的方法，其包括： 设置包括接收器、发射器和收发器中的至少一者的无线单元； 设置声传感器； 设置与所述无线单元和所述声传感器耦接的感测电路系统； 其中，所述感测电路系统用于检测由所述声传感器采集的预定声信号，并且 其中，所述感测电路用于提供启动所述无线单元的操作的信号。44. 根据权利要求43所述的方法，其还包括： 设置用于检测多个音调的滤波器阵列。45. 根据权利要求44所述的方法，其中，所述多个音调中的至少一者受到调制。46. 根据权利要求45所述的方法，其中，所述调制包括不同起始时间、不同结束时间以 及不同振幅中的至少一者。47. 根据权利要求43所述的方法，其还包括： 设置采样/保持电路， 其中，所述采样/保持电路额外地用于控制将操作电压向所述缓冲晶体管、用于所述缓 冲晶体管的电流源以及用于所述声传感器的电压源中的至少一者的供应，并且 其中，所述采样/保持电路的操作与将所述操作电压向所述缓冲晶体管、所述电流源和 所述电压源中的至少一者的所述供应的操作同步。48. 根据权利要求47所述的装置，其还包括： 设置用于向采样/保持电容器提供偏置电压的电压跟随电路。
【文档编号】H04R3/00GK105981405SQ201480075367
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年12月25日
【发明人】厄兹·加拜, 哈伊姆·普里莫
【申请人】怀斯迪斯匹有限公司