專利名稱：不受電池極性影響的集成電路放大器的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及將由單個(gè)低電壓電池供電的小型集成電路放大器，尤其是適合用于在耳通道中使用的小型高性能助聽器。
而且，理想的是使許多與健康有關(guān)聯(lián)的電子儀器小型化，比如在監(jiān)視心率或其它生命功能的病人醫(yī)學(xué)的監(jiān)視裝置方面。
然而，微型電池存在很多技術(shù)的難題。隨著電池體積減小，在一節(jié)電池中的總的儲(chǔ)存能量降低。電池的串聯(lián)電阻也隨著電池尺寸(直徑)的縮減而增加。而且，微型電池典型情況下只是包含一個(gè)電解電池。單個(gè)電解電池具有一特有的最大源電壓。典型情況下，微型電池的電壓，在它的有用的壽命期間，只是稍微大于1伏(特)，取決于電池的“充滿”程度。
一節(jié)微型電池的高串聯(lián)電阻和低源電壓使電路設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)適合這些情況下工作的有效率的電路中面對(duì)一些難題。通常，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路，例如微處理器，是被設(shè)計(jì)用于根據(jù)極性不變的五伏(特)電源工作的。某些高性能微處理器被設(shè)計(jì)為根據(jù)三伏(特)電源工作。然而，具有單個(gè)電解電池的一節(jié)微型電池具有的源電壓實(shí)質(zhì)上從不超過(guò)1.6伏(特)，即使當(dāng)這節(jié)電池是最新的也是如此。因此，許多通用CMOS電路不能直接地由一節(jié)微型電池供電。通常，低壓CMOS電路設(shè)計(jì)與常規(guī)的CMOS電路設(shè)計(jì)相比需要不同的設(shè)計(jì)考慮。
助聽器是需要電路設(shè)計(jì)師使用單個(gè)微型電池使器件的總尺寸小型化的電子器件的一個(gè)例子。一種新產(chǎn)生的所謂的“美容合意的”微型助聽器是很受歡迎的。這些微型的助聽器包括在耳朵中，在耳朵通道中，完全地在通道助聽器內(nèi)。微型的助聽器是其他人很大程度上或完全地注意不到的。此外，微型的助聽器在耳通路內(nèi)部的安置提供了一些潛在的性能優(yōu)勢(shì)，例如在失真和噪音方面的減少；提高保真度；以及用戶舒適性方面。微型的助聽器是助聽器市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)的區(qū)域中的一個(gè)。
微型助聽器設(shè)計(jì)師在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)于分配有限空間的使用和對(duì)聲音放大有效的電池供電給予了很大的權(quán)重。許多將以2V到3V的源電壓應(yīng)用的電路設(shè)計(jì)是不可能以1.1V電池實(shí)現(xiàn)的。例如，以防止電池的錯(cuò)誤的插入的通用二極管防護(hù)電路對(duì)于微型的助聽器電池來(lái)說(shuō)是不可行的。二極管防護(hù)電路通常被使用于許多CMOS應(yīng)用中以防止不合適的電池插入。一個(gè)二極管典型情況下具有0.5-0.6伏(特)的正向?qū)妷?，并且在到反向偏置擊穿電?例如10伏)之前的反向情況下實(shí)質(zhì)上是不導(dǎo)通的。當(dāng)電池以適當(dāng)?shù)臉O性插入時(shí)二極管保護(hù)電路允許電流流動(dòng)，但是如果電池錯(cuò)誤地插入則二極管保護(hù)電路阻止電流流動(dòng)。然而，對(duì)于微型的助聽器，由二極管保護(hù)電路產(chǎn)生的0.6V電壓降可能使得CMOS電路的剩余部分不能工作，因?yàn)殡娐饭ぷ麟妷?例如1.1V-0.6V=0.5V)至多剛超過(guò)單個(gè)CMOS晶體管的門限值電壓。在最壞情況下，二極管保護(hù)電路將造成一個(gè)嚴(yán)重的電壓降，即電路工作電壓將在單個(gè)晶體管的閾值電壓以下，使得不可能設(shè)計(jì)出直接由電池供電的功能晶體管電路。
低電壓CMOS電路設(shè)計(jì)包括很多的權(quán)衡，其與這樣一個(gè)事實(shí)相關(guān)，即可提供的電壓太低以致不能驅(qū)動(dòng)MOSFET晶體管阱進(jìn)入飽和區(qū)。如果有效供電電壓比閾電壓高很多，MOSFET晶體管開關(guān)只可進(jìn)入高電導(dǎo)率歐姆狀態(tài)。正如熟知的，MOSFET晶體管具有好幾個(gè)不同的工作狀態(tài)。有線性的區(qū)域，對(duì)應(yīng)于低消耗漏-源極電壓和/或低柵極電壓。在線性區(qū)域漏極電流通常被表示為數(shù)學(xué)的公式Id=2k[VGS-VT)VDS-0.5VDS2]，在此Id是漏極電流，VGS是柵極電源電壓，VT是閾電壓，VDS是漏-源電壓，k是常數(shù)。在飽和狀態(tài)，通常相應(yīng)于更高的漏極-源極電壓和柵極-源極電壓，漏極電流被表示為數(shù)學(xué)的公式Id=k[(VGS-VT)2]。這個(gè)飽和狀態(tài)有時(shí)也視為歐姆區(qū)域。通常，使用不足二伏(特)的電壓源驅(qū)動(dòng)CMOS晶體管進(jìn)入歐姆區(qū)域是困難的。特別是，不足1.1伏(特)的柵極-源極電壓與強(qiáng)的增強(qiáng)工作模式是不一致的，因?yàn)閂GS-VT的量值太小。
設(shè)計(jì)由1.1V助聽器電池供電的CMOS電路的電路設(shè)計(jì)師實(shí)質(zhì)上必須重新設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的CMOS電路以便最小化在電池和功率放大電路之間的電壓降。低壓CMOS晶體管典型情況下具有大致0.4到0.6伏(特)的閾電壓。漏極-源極電壓較好是在閾電壓之上大于100mV，以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的反相溝道。因此，多于兩個(gè)串聯(lián)反相晶體管是很難利用1.1V電池工作的，因?yàn)榭商峁┑碾姵仉妷?1.1V)只是僅夠給兩個(gè)晶體管加偏壓到強(qiáng)反相溝道狀態(tài)(因?yàn)?×0.5V=1.0V)。在某些情況下，對(duì)于較強(qiáng)的反相溝道區(qū)域，即使兩個(gè)晶體管串聯(lián)，也是沒有足夠的電壓驅(qū)動(dòng)它們。通常，對(duì)于低電池電壓，要達(dá)到足夠大的柵極-源極電壓以將MOSFET晶體管從完全地導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到完全地?cái)嚅_狀態(tài)是困難的。
微型助聽器也是昂貴的，典型情況下成本計(jì)算相當(dāng)于兩千美元，這限制了它們的普及使用。現(xiàn)有微型助聽器高成本是這樣一個(gè)事實(shí)的結(jié)果，即典型的在耳助聽器電路之后的各種的零組件不能直接集成在一起，例如輸入濾波器、模擬放大器、數(shù)字電子元件、濾波電路和電源保護(hù)電路，主要是因?yàn)椴患嫒菪?例如，尺寸限制、電壓降以及達(dá)到自身一致的CMOS設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的問題)。結(jié)果，混合的制造工藝典型情況下被用于合并不同的集成電路和分立電路元件的功能在一起。混合的技術(shù)，例如將不同的分立零組件例如分立的電容器、濾波、放大器和電源防護(hù)電路引線接合或焊接在一起需要?jiǎng)趧?dòng)集中和空間消耗過(guò)程，例如以彼此緊密的接近的安裝零組件以及引線接合或焊接在零組件之間的電的接線。
微型電池的低電池電壓也使得它難以實(shí)現(xiàn)高電平的聲音放大。放大信號(hào)的功率取決于放大信號(hào)的矩形脈沖電壓。因此，如果可用的電源電壓是低的話，很難設(shè)計(jì)大功率放大器，因?yàn)檫@限制了放大器的最大潛在的輸出電壓值擺幅。另外，最大的電壓擺幅可以由其它影響所限制，比如噪聲和失真原因。例如，如果使用于助聽器的線性的聲頻放大器是在沿著放大器的諧波失真可接受地低的負(fù)載線的電壓狀態(tài)內(nèi)工作，則它們?cè)谕ǔＧ闆r下具有差的功率轉(zhuǎn)換效率。
丁類放大器與線性放大器相比具有許多潛在的性能優(yōu)勢(shì)，例如，具有潛在的較高功率轉(zhuǎn)換效率和更高的功率輸出。丁類操作典型情況下是通過(guò)在電壓開關(guān)工作方式中配置四個(gè)晶體管工作的，在其中對(duì)角線配對(duì)的晶體管是交替地轉(zhuǎn)換開和關(guān)的。丁類放大器典型情況下使用互補(bǔ)晶體管對(duì)構(gòu)成四個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其中兩個(gè)具有相等的反相輸入，這取決于晶體管類型中的變化。
在丁類放大器技術(shù)中，線性信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換成脈沖寬度調(diào)制的(PWM)信號(hào)以使輸入信號(hào)強(qiáng)度正比于脈沖寬度。PWM輸入信號(hào)較好的是在相應(yīng)于正的和負(fù)的電池電位的范圍兩端放大(所謂的“干線(電壓)到干線(電壓)”放大)。例如PWM信號(hào)可以被分開以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)反相器電路。PWM信號(hào)和反向的PWM信號(hào)可以被使用作為包含互補(bǔ)n溝道和P溝道晶體管的H-5橋式放大器的輸入。當(dāng)PWM信號(hào)是“高”時(shí)，一組互補(bǔ)晶體管接通以致輸出電壓被提升到正的干線電壓。當(dāng)PWM信號(hào)是“低”時(shí)，另外一組互補(bǔ)晶體管被接通以致輸出電壓被轉(zhuǎn)換到負(fù)的干線電壓。在理論上，干線到干線方式的放大能夠按照系數(shù)四增加助聽器的最大輸出功率，因?yàn)榉糯笃魇强缭皆趯?duì)應(yīng)于兩倍電池電壓的電壓范圍工作(即，±Vb，在此Vb是電池電壓)。然后使用積分電路技術(shù)，放大的PWM信號(hào)可以被轉(zhuǎn)換回到線性信號(hào)(典型情況下使用助聽器受話器線圈作為積分電路以消除高頻率PWM信號(hào)成分)。
不幸地是，在集成助聽器電路中是很難有效地使用丁類放大器電路的。使用丁類放大器的有效率的“干線到干線”放大要求晶體管開關(guān)具有低的導(dǎo)通電阻。在理論上，如果開關(guān)的有效導(dǎo)通電阻是十分低的，那么超過(guò)90％的電源轉(zhuǎn)換效率是可能的。然而，標(biāo)稱電池電壓(1.1V)僅僅是稍微高于n溝道和P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓(例如，大約0.5V)。正如熟知的，在閾電壓之上僅僅被弱驅(qū)動(dòng)的MOSFET電路每單位柵極寬度具有實(shí)質(zhì)性的電阻。因此，在H橋式放大器的尺寸和它的功率轉(zhuǎn)換效率之間有一重要的權(quán)衡。典型情況下，對(duì)于由低電壓電池供電的H橋式放大器，是很難同時(shí)地實(shí)現(xiàn)緊湊的尺寸和高功率轉(zhuǎn)換效率的。
聲音放大的低效率和小的電池尺寸限制了助聽器電池的壽命。助聽器電池通常具有超過(guò)一百小時(shí)的使用壽命。短的電池壽命部分地是小的電池尺寸的結(jié)果，其降低儲(chǔ)存能量最大值和增加了電池電阻。短的電池壽命的問題更進(jìn)一步是由可以用通用的線性放大器實(shí)現(xiàn)的相對(duì)地低效率的聲音放大形成，因?yàn)槲⑿碗姵氐牡偷碾娫措妷?典型情況下不足1.1伏(特))和高的電池電阻。
小型助聽器中頻繁的電池替換對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是昂貴的和不便的。頻繁的電池更換還可以使用戶感到灰心，因?yàn)槭褂糜谖⑿偷闹犉鞯碾姵厥悄敲吹男?，以致使用戶容易以錯(cuò)誤的極性插入電池。這是因?yàn)檫@樣的助聽器的用戶具有較差的視覺接近、差的手協(xié)調(diào)或差勁的手指靈巧造成的一個(gè)問題。即使電子設(shè)備沒有被錯(cuò)誤地插入電池所損害，用戶仍然受挫于不得不時(shí)常重新插入一節(jié)小的電池以獲得正確的極性。此外，電池的頻繁的重新插入增加了電池盒部分例如塑料唇狀構(gòu)造區(qū)域可能被損壞的可能性。
如果小型電池極性校正電路可以與其它電子設(shè)備集成以使助聽器不管插入電池的方向而能操作，因此微型的助聽器是更方便使用的。另外，電池極性校正電路可以潛在地增加電池壽命。微型助聽器電池的尺寸是那么小，以致電池必須被給與形狀和/或給以標(biāo)記以便幫助用戶在視覺上區(qū)別電池的極性。通用的方法是，例如將電池的一端成型以及在電池的電極上標(biāo)記“+”和“-”以便有助于正確的電池插入，使用了達(dá)到可用的電池體積的20％，并且與具有相同的最大直徑和最大高度的真柱體成形的電池相比降低了電池容量。而且，制造微型電池的成本的一個(gè)重要的部分是與機(jī)加工成形端部相關(guān)的。低電阻電池極性校正電路將容許價(jià)格比較低廉，空白平面的電池具有有效的更長(zhǎng)使用壽命。
具有電池極性調(diào)整功能的高效微型助聽器將使得電池更換對(duì)于助聽器用戶來(lái)說(shuō)累贅較少和雜事更少。非常理想的微型助聽器將把電池極性調(diào)整電路、高效丁類放大器和其它重要的電子功能集成到一個(gè)小型電路中，以便容許更長(zhǎng)的電池壽命、增加功能性、降低制造成本以及使得助聽器更便于用戶使用。
不幸地是，與低壓電池結(jié)合的小尺寸微型助聽器使得它很難將電壓極性調(diào)整功能、高效放大器和其它助聽器電子設(shè)備集成為一個(gè)微型的助聽器。理想的是助聽器放大器和受話器被設(shè)計(jì)為適合于進(jìn)入耳道，以便實(shí)現(xiàn)從助聽器發(fā)送進(jìn)入耳蝸的聲音的適當(dāng)?shù)穆曬詈?。雖然在尺寸和形狀中有各別的變化，但是人類耳道通常是S形并且具有第一彎曲區(qū)域和第二彎曲區(qū)域。人類耳通道的橫斷面的直徑也沿著它的長(zhǎng)度而變化。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是，設(shè)計(jì)的適合接近于耳鼓(即，離耳鼓大約0.100英寸)的電子設(shè)備組件應(yīng)該是不大于0.090英寸厚、0.110英寸寬和0.200英寸長(zhǎng)的一個(gè)矩形的組件。這個(gè)空間限制使得很難實(shí)現(xiàn)這樣的電路，即，在這樣的電路中，當(dāng)由1.1V電池驅(qū)動(dòng)時(shí)，要使單個(gè)晶體管足夠?qū)捯缘玫降碗娮枋欠浅＠щy的。正如本領(lǐng)域中熟練者所熟知的，只是由稍微高于閾值的電壓偏置的CMOS晶體管每單位柵極寬度具有不可忽略的電阻。因此，在丁類放大器中和在極性校正電壓源中的晶體管必須做的非常的寬以便為集成電路實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻和保持足夠高的工作電壓。雖然先前知道的H橋放大器的電路面積有點(diǎn)變化，美國(guó)專利4,592,087中描述了受1.2-1.5V電池驅(qū)動(dòng)的CMOS丁類放大器，它具有0.075英寸×0.090英寸(具有相應(yīng)的厚度0.009英寸)的電路面積。先前知道的電池極性調(diào)整電路通常利用四個(gè)晶體管橋接型電路。然而，為了實(shí)現(xiàn)低串聯(lián)電阻的極性校正電路，晶體管典型情況下是相當(dāng)大的。例如，商業(yè)上可提供的電池極性調(diào)整電路典型情況下具有0.140英寸×0.100英寸(具有0.010英寸的模制厚度)的電路面積，以便實(shí)現(xiàn)3.5歐姆的串聯(lián)電阻。
直接地將電壓極性調(diào)整功能與丁類放大器集成的另一障礙是由直接地集成驅(qū)動(dòng)所有的助聽器電子線路的電源調(diào)整電路所產(chǎn)生的潛在的噪聲問題。例如，如果丁類放大器被用于驅(qū)動(dòng)微型助聽器的揚(yáng)聲器，與其他電子零組件如小信號(hào)線性前置放大器相比，放大部分將消耗大的脈動(dòng)的電流。與其它離開共電式電池的部分相比，丁類放大器的負(fù)載電流中的大差值將產(chǎn)生尖峰噪聲，它可能嚴(yán)重的降低所有的前面的放大器的性能或需要復(fù)雜的電路技術(shù)以便處理這個(gè)影響。另外，在放大器結(jié)構(gòu)中通常還有更進(jìn)一步擴(kuò)大尖峰噪聲問題的其它寄生電流。給出有限的可用的空間以便合并足夠大的集成的或分立的電容器，比如5-10pF電容器，以便有效地濾波來(lái)自尖峰噪聲的小信號(hào)負(fù)荷是困難的。另外，電池極性校正電路的串聯(lián)電阻是有利于尖峰噪聲問題的。如上面描述的，即使相當(dāng)大的調(diào)整電路也具有3.5歐姆的串聯(lián)電阻。這是可以與微型電池的電阻比較的。如果丁類放大器與極性校正電壓源分開驅(qū)動(dòng)的，等效電壓源的有效串聯(lián)電阻至少被加一倍，其造成尖峰噪音的相應(yīng)的增加。
直接地集成電壓極性調(diào)整功能和丁類放大器的另一障礙是由基片偏置電壓?jiǎn)栴}引起的。CMOS晶體管電路要求不只是為每個(gè)晶體管的源極和漏極接點(diǎn)保持正確的極性，而且還對(duì)于整個(gè)基片觸點(diǎn)保持正確的極性。CMOS電池極性調(diào)整電路具有兩個(gè)蓄電池電極作為電路輸入并且還有連接到基片的一個(gè)蓄電池電極。相應(yīng)的，電池極性校正電路產(chǎn)生一個(gè)“高”端輸出和一個(gè)“低”端輸出，低端輸出的極性是恒定的與插入助聽器的電池方向無(wú)關(guān)。如在美國(guó)專利5,661,420中透露的，通過(guò)裝備極性校正電路以致使它的兩個(gè)輸出端形成對(duì)另一基片上后續(xù)放大器的輸入，在第一集成電路芯片上電池極性校正電路的兩個(gè)輸出端可以被用于驅(qū)動(dòng)在第二集成電路芯片上的放大部分，然而，由于這樣一個(gè)事實(shí)，即因?yàn)殡娐饭灿靡粋€(gè)共同的基片，所以基片電壓仍然是由電池極性確定的，這樣的在同一集成電路芯片上具有基于CMOS放大器的電池極性校正電路的直接的集成是失敗的。即使從電池極性校正電路到放大器的高和低輸入電壓保持恒定而與電池極性無(wú)關(guān)，CMOS電路的許多放大器將不能正常地工作。
如在CMOS電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域所熟知的，基片偏壓極性中的變化可能偏移CMOS晶體管的閾電壓，這在關(guān)鍵晶體管只是可能由稍高于閾值的電壓驅(qū)動(dòng)的低電壓應(yīng)用中是一個(gè)尤其重要的問題。通常使用的第一排序近似是閾電壓按照基片源極偏壓VBS的平方根移位。然而，對(duì)于VBS相當(dāng)?shù)氐偷那闆r，使用在該技術(shù)領(lǐng)域中熟知的那些常規(guī)的技術(shù)的公式。閾電壓將取決于MOSFET摻雜并且也取決于源極到漏極的距離。發(fā)明者的計(jì)算指出通用MOSFET摻雜選擇，即0.9-1.6V基片偏壓產(chǎn)生大約0.13-0.15V的閾值偏移。如果MOSFET晶體管剛好偏壓到歐姆狀態(tài)，偏移是顯著的。然而，即使晶體管被偏壓進(jìn)入歐姆狀態(tài)，仍然可能出現(xiàn)晶體管電流和電阻的顯著的變化。具有低漏極-源極電壓的MOSFET晶體管的漏極-源極電阻可以被近似為反比于VGS-VT，如果柵極源極電壓是低的(例如，不足1.1伏(特))，那么對(duì)于通常具有大約0.5伏(特)的閾電壓，在基片偏置極性中的變化可以產(chǎn)生在MOSFET的電阻上的超過(guò)25％的變化。
理想的是微型助聽器集成電路將小型的高效丁類放大器、電池極性調(diào)整功能以及其它重要的電子線路集成到適合于微型助聽器應(yīng)用的一個(gè)電路中。然而，利用已知的設(shè)計(jì)方法，直接地將電壓極性調(diào)整功能與適合于微型的助聽器應(yīng)用的丁類放大器集成存在一內(nèi)在的矛盾。低電壓電源賦予了一組重要的設(shè)計(jì)約束條件。以前的CMOS低電壓設(shè)計(jì)方法利用相當(dāng)大地晶體管以減少電阻的電壓降。然而，電路尺寸是另一重要的限制?？傠娐窇?yīng)該不比用于耳道設(shè)計(jì)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大，并且較好是實(shí)質(zhì)上更小一些以便降低成本并且容許其它重要的電子功能將被包容在同一集成電路芯片上。另外，順利地將小型電壓極性調(diào)整功能與在同一集成電路芯片上的其它電路集成的問題在以前的設(shè)計(jì)方法中沒有提出。
當(dāng)前對(duì)于微型助聽器的許多重要的問題對(duì)于其它消費(fèi)電子儀器也是相關(guān)的。例如，許多傳呼機(jī)具有產(chǎn)生可聽的噪音或振動(dòng)的換能器。隨著傳呼機(jī)繼續(xù)小型化，最后它們將包括一節(jié)微型的電池、低周波的換能器以及CMOS控制電路。便攜的立體聲系統(tǒng)可能很快構(gòu)成設(shè)計(jì)為放入耳朵中的助聽器單元。通常，有多種多樣的使用單個(gè)微型的電池，將需要更進(jìn)一步小型化的電子儀器。設(shè)計(jì)由單個(gè)低壓電池驅(qū)動(dòng)的小型、高效、大功率放大器電路的相同的常規(guī)問題，對(duì)于各種這樣的應(yīng)用是共同的。而且，如果可以使用微型的空白平面電池，其在用戶方便、電池成本以及電池壽命方面提供重要的優(yōu)勢(shì)，各種的消費(fèi)電子儀器將受益。
所要求的是一種新的集成電路設(shè)計(jì)方法，其容許高效丁類放大器具有不受電池極性影響性，將實(shí)現(xiàn)由微型1伏(特)電池供電的一個(gè)小型電路。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種電源管理方法，其在與常規(guī)的極性調(diào)整方法相比允許實(shí)際尺寸減少的同時(shí)，獲得不受極性影響的受益。小電流極性校正電壓源被集成到功能塊中以便給小電流非雙向性元件供電和向CMOS電路基片提供恒定極性偏壓。另外，極性校正電壓源被用于提供極性檢測(cè)操作。來(lái)自極性校正電壓源的基準(zhǔn)信號(hào)由極性控制電路使用，以達(dá)到對(duì)于其它電路的極性檢測(cè)和調(diào)整功能。在一個(gè)實(shí)施例中，極性控制電路向高導(dǎo)電性極性可調(diào)的電壓源提供控制信號(hào)，以使極性可調(diào)的電壓源調(diào)整它的工作模式，以提供與實(shí)際的電池極性無(wú)關(guān)的恒定的極性輸出。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，極性可調(diào)的電壓源包括四個(gè)高導(dǎo)電性n溝道MOSFET晶體管，而極性控制電路包括倍壓器以便對(duì)n溝道晶體管增加?xùn)艍骸?br> 本發(fā)明的另一方面是一種與電源兼容的小型高效丁類放大器，其適合使用包括可變極性的額定1.1伏(特)電池。在一個(gè)實(shí)施例中，丁類放大器輸出級(jí)包括按照H橋接結(jié)構(gòu)設(shè)置的四個(gè)n溝道MOSFET晶體管。使用附加的驅(qū)動(dòng)電路以增加到MOSFET晶體管的脈沖寬度調(diào)制的輸入信號(hào)的電壓。驅(qū)動(dòng)電路還要執(zhí)行脈沖整形作用，其降低在放大器輸出級(jí)中的寄生的放電電流。
本發(fā)明的另一方面是一種小型高效倍壓器，其被設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)實(shí)際低電壓源的倍壓。倍壓器電路的電容器每單位面積具有高的電容量和低的寄生電容，允許被用于實(shí)現(xiàn)倍壓功能的電路尺寸實(shí)質(zhì)的減小。在優(yōu)選的實(shí)施例中，電容器至少包括在厚度上小于200埃的一層超薄的二氧化硅層，以便實(shí)現(xiàn)每單位面積的高電容量。
本發(fā)明另一方面的放大器是將本發(fā)明電源管理方法、高效丁類放大器和驅(qū)動(dòng)電路與小型高效倍壓器電路結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)非常小型、高效并且已經(jīng)提高抗尖峰噪聲能力的一種不受極性影響集成電路放大器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，選擇電源管理電路、丁類放大器和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，以獲得在總電路尺寸上比常規(guī)的由微型的電池供電的丁類放大器顯著減小的不受電池極性影響的丁類放大器。
簡(jiǎn)短的附圖描述

圖1是在先技術(shù)的助聽器的一個(gè)透視圖。
圖2是使用在電池和其余的助聽器電子線路之間使用單個(gè)電源電路的常規(guī)的方法的助聽器的功能電路方塊圖。
圖3是本發(fā)明的助聽器的功能電路方塊圖，在其中每個(gè)主要功能塊具有它自己的電源校正電路。
圖4是組合極性校正電壓源、極性控制電路、極性可調(diào)的電壓源和雙向性元件的集成電路的功能電路方塊圖。
圖5A是包含極性校正電壓源、極性控制電路和極性可調(diào)的電壓源的一個(gè)電路的實(shí)施例的電路示意圖。
圖5B是具有兩個(gè)獨(dú)立電壓輸出的一個(gè)極性可調(diào)的電壓源的替換實(shí)施例的一個(gè)電路實(shí)施例。
圖5C示出圖5B的可調(diào)的電壓源，其作為包含極性校正電壓源和極性控制電路的大的電路的一部分。
圖5D是包含為協(xié)助保持基片偏壓的附加的極性可調(diào)的電壓源的圖5C的電路的另一實(shí)施例。
圖6是丁類放大器的方塊圖。
圖7是丁類放大器的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的方塊圖，在其中輸出級(jí)的功率晶體管是由電池直接地供電。
圖8示出圖7的方塊圖，作為具有附加的極性調(diào)整的電壓源的大的電路的一部分，以對(duì)脈沖寬度調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)器電路的要求供電。
圖9是具有倍壓驅(qū)動(dòng)電路和n溝道H橋接輸出級(jí)的丁類放大器的一實(shí)施例的原理電路示圖。
圖10是具有倍壓驅(qū)動(dòng)電路和n溝道H橋接輸出級(jí)的丁類放大器的一優(yōu)選實(shí)施例的原理電路示圖。
圖11是本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)的一側(cè)視圖。
圖12A是被設(shè)計(jì)為利用本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效倍壓的一個(gè)倍壓器的電路示意圖。
圖12B是作為包括振蕩器和整流器元件的大的電荷泵源電路的一部分的倍壓器的電路示意圖。
圖13是脈沖整形電路的電路示意圖。
發(fā)明的詳細(xì)的描述發(fā)明者已經(jīng)驗(yàn)證，利用已知的技術(shù)不能輕易地將常規(guī)的丁類放大器、電壓極性調(diào)整電路和其它重要的集成的電路功能集成在一起，以獲得由額定的1V助聽器電池供電的小型集成電路。發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到新的設(shè)計(jì)方法，其需要利于重要的電路功能與電路操作適當(dāng)?shù)匾恢碌慕Y(jié)合，而與微型的1V助聽器電池的極性無(wú)關(guān)。
本發(fā)明者的設(shè)計(jì)方法通常包括1)改良的電源管理結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)小型極性調(diào)整功能；2)改進(jìn)的不受極性影響的丁類輸出級(jí)放大器，它允許丁類放大器和極性調(diào)整電路的尺寸減?。?)利用特殊的電容器結(jié)構(gòu)的改良的驅(qū)動(dòng)電路以在小型電路中實(shí)現(xiàn)高效的倍壓功能；以及4)在上面描述的元件的協(xié)同的組合，以實(shí)現(xiàn)不受極性影響的丁類放大器，該丁類放大器比缺少極性調(diào)整功能的已有技術(shù)的常規(guī)的情況的丁類放大器小很多。
由本發(fā)明解決的常規(guī)問題如圖1-2所示出。圖1是設(shè)計(jì)的裝配在耳朵中的小型已有技術(shù)的助聽器的透視視。參照?qǐng)D1，該助聽器包括電池2、傳聲器4、放大器電子線路6和揚(yáng)聲器8。并且還有機(jī)殼10、電池間12以及蓋14，以便為助聽器的所有的元件提供空間。先進(jìn)的助聽器也可能具有改進(jìn)放大器電子線路的響應(yīng)的數(shù)字控制和數(shù)字信號(hào)處理部件。正如圖1所示，新式的微型助聽器的零組件典型情況下事實(shí)上填滿了助聽器組合體中的所有的的可用的空間，以致助聽器設(shè)計(jì)師必須做出電池尺寸、電路尺寸、功率消耗和功能性之間的權(quán)衡。
在助聽器中，具有允許助聽器與電池極性無(wú)關(guān)地正常地操作的電池極性調(diào)整功能是非常令人想要的。如圖2所示，對(duì)這個(gè)問題的一個(gè)解決辦法是在主要的電源電路16中使用標(biāo)準(zhǔn)交流到直流電源的設(shè)計(jì)方法，執(zhí)行電壓調(diào)整功能?？梢允褂门c多路的轉(zhuǎn)換開關(guān)的橋接型電路以與輸入電壓的極性無(wú)關(guān)地保持輸出電壓的極性不變。用于獲得極性調(diào)整功能的橋接電路開關(guān)的類型是電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的熟練者所熟知的，僅僅包括具有二極管和晶體管開關(guān)的橋接電路。然而，如圖2所示，這樣的電路作為極性校正電路的使用降低了負(fù)載可用的有效電壓Veff，其低于電池電壓Vo。這是因?yàn)闃O性調(diào)整電路典型情況下包括橋接電路，在其中對(duì)于一給定的電池極性，電流流過(guò)四個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)中的兩個(gè)。每個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)具有一串聯(lián)電阻，其降低負(fù)載可用的電壓。按照集成電路技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換開關(guān)典型情況下必須制作的相當(dāng)大，以便具有低的串聯(lián)電阻。負(fù)載可用的有效電壓Veff保持足夠高，對(duì)于低電壓CMOS電路正常地工作是必須的。
主要的電源電路16也存在問題，如圖2所示，即所有的負(fù)載是脫離開與電源電路關(guān)聯(lián)的相同平滑電容器的，附加的小信號(hào)放大器18和數(shù)字電子功能塊20并聯(lián)連接到電源。因此，在主功率放大器6中的電流脈沖可能引入真實(shí)的尖峰噪聲到小信號(hào)放大器18并且破壞其他電子元件的操作，除非一相當(dāng)大的平滑電容器(未示出)被并接在電源電路16的輸出端上。然而，大容量的分立的或集成的電容器與小型、經(jīng)濟(jì)的助聽器設(shè)計(jì)是矛盾的。
根據(jù)上述的問題，發(fā)明者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了新的電源管理結(jié)構(gòu)，其需要利用集成電路技術(shù)的全電位。如圖3所示，本發(fā)明的一個(gè)方面是使用在集成電路芯片中各處集成的多個(gè)較小電壓電源電路16，對(duì)單個(gè)的各個(gè)功能電路塊提供電流需要。如圖3所示，在助聽器中的每個(gè)主要功能的電子電路元件，例如模擬小信號(hào)放大器18、主功率放大器6和數(shù)字電子功能塊20，可以具有它們各自擁有的集成的電源電路16。這與由單一公共的電源電路16驅(qū)動(dòng)所有的元件相比，減少了瞬變電壓變化和尖峰噪聲。
本發(fā)明的另一方面包括重新設(shè)計(jì)某些高電流電路元件將是既可以雙向的(不受極性影響的)或可調(diào)的，以致他們可以直接地由電池驅(qū)動(dòng)。這與在其中高電流元件直接地由電壓極性校正電路驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法相比，減少了在電池和負(fù)載之間的串聯(lián)電阻。
如圖4所示，在本發(fā)明中，每個(gè)功能元件可以包括雙向的(不受極性影響的)電路元件22，可調(diào)的極性電壓源元件24，極性控制電路30，以及極性校正電壓源28。雙向電路元件22是不受極性影響的，即它們可以與電池2分開被直接地驅(qū)動(dòng)，而與電池極性無(wú)關(guān)。例如，不受極性影響電路元件22可以包括簡(jiǎn)單的電阻性負(fù)載或具有源-漏反轉(zhuǎn)能力的晶體管。如圖4所示，電壓極性校正電路28可用于提供一個(gè)極性校正電壓VDC到其它低電流電路元件，例如極性控制電路30。
圖4的本發(fā)明的電源管理方法的一個(gè)方面是當(dāng)電路接通時(shí)，極性校正電壓源28設(shè)定基片偏壓Vss。由可變極性的電池直接地操作常規(guī)的CMOS電路的一個(gè)障礙是基片偏壓通常與電池引線連接相關(guān)的，以致基片偏壓也與電池極性有關(guān)。因?yàn)镸OSFET晶體管的閾電壓是基片偏壓的極性的一個(gè)函數(shù)，這使得難于設(shè)計(jì)高效的電路，特別是當(dāng)可用的電壓是低的時(shí)候。圖4的電源管理設(shè)計(jì)通過(guò)使用極性校正電壓源28以設(shè)定基片偏壓，解決這問題。
此外，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到極性校正電壓源28可用于幫助其它電路元件以比單個(gè)極性校正電壓源28驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路塊更多空間和能量效率的方式，檢測(cè)和調(diào)整可變電池極性。發(fā)明人已經(jīng)確認(rèn)電壓極性校正電路28可以向控制電路30提供電壓基準(zhǔn)信號(hào)PA和PB，極性控制電路30提供相對(duì)于校正的電池極性的實(shí)際的電池極性信息。例如，如果PA對(duì)應(yīng)于極性校正的“高”電壓而PB對(duì)應(yīng)于極性校正的“低”電壓，那么PA以及/或者PB與電池的實(shí)際的極性的比較可以用來(lái)“檢測(cè)”與所要求的極性相比的電池的實(shí)際的極性。因此，電壓極性校正電路28可以提供信號(hào)，這些信號(hào)可以由其它電路使用以檢測(cè)實(shí)際的電池極性。
如圖4所示，電壓基準(zhǔn)信號(hào)PA和PB被輸入到極性控制電路30。相應(yīng)的，極性控制電路30提供輸出電壓控制信號(hào)CA和CB。輸出控制信號(hào)CA和CB提供幫助其它電路以適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)實(shí)際的電池極性的控制信息。輸出電壓控制信號(hào)CA和CB可以以各種的方式使用以便改變極性可調(diào)的電壓源24的操作。例如，控制信號(hào)CA和CB在極性可調(diào)的電壓源24中觸發(fā)不同的轉(zhuǎn)換開關(guān)方式，適合實(shí)際的電池極性，以致輸出電壓VDD與電池極性無(wú)關(guān)的保持恒定的極性。然而，控制信號(hào)CA和CB還可以被用于執(zhí)行其它功能，比如電壓再調(diào)整功能(例如，履行柵偏壓電壓控制功能)以協(xié)助其它電路元件適應(yīng)可變的電池極性)。
按照?qǐng)D4所示的方式，合并極性可調(diào)的電壓源24有許多優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)益處是可以實(shí)現(xiàn)極性調(diào)整功能塊尺寸的減小。先前知道的極性校正電壓源電路通常利用沒有如所要求電導(dǎo)率那么大的電導(dǎo)率的晶體管設(shè)計(jì)。尤其是，適合于低電壓應(yīng)用的常規(guī)的極性調(diào)整電路20利用按照橋接型結(jié)構(gòu)安排的兩個(gè)P型晶體管和兩個(gè)n型晶體管。然而，P型晶體管具有比較低的導(dǎo)電率。而且，因?yàn)闁艍罕辉O(shè)置在電池電壓，溝道增強(qiáng)是較差的。因此，要實(shí)現(xiàn)低串聯(lián)電阻，需要非常大的晶體管。
極性校正電壓源28、極性控制電路30以及一個(gè)或更多極性可調(diào)的電壓源24的組合可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)非常有效的極性調(diào)整功能。尤其是，極性可調(diào)的電壓源24可以設(shè)計(jì)為在具有低串聯(lián)電阻的緊湊的電路中，利用高導(dǎo)電性晶體管配置以實(shí)現(xiàn)校正功能。集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普通的熟練者對(duì)于高導(dǎo)電性晶體管是熟悉的。高導(dǎo)電性晶體管包括n溝道MOSFET晶體管，但是這并不是限制。最近，硅-鍺晶體管已經(jīng)證明了高導(dǎo)電性。圖4的設(shè)計(jì)方法允許功能塊的分離。極性可調(diào)的電壓源24可以具有選定的改進(jìn)串聯(lián)電阻的電路設(shè)計(jì)，而可以選擇極性校正電壓源28以利用適當(dāng)?shù)幕珘禾峁┮粋€(gè)軟起動(dòng)響應(yīng)。
發(fā)明人已經(jīng)確定使用電壓極性校正電路28設(shè)定基片偏壓大大地簡(jiǎn)化了其它電路元件的設(shè)計(jì)，這些電路元件相對(duì)于與集成電路的表面觸點(diǎn)電源連接的其它電路元件是不受極性影響的(例如，驅(qū)動(dòng)晶體管的源-漏反轉(zhuǎn)能力)。這是事實(shí)的結(jié)果，即一旦基片偏壓是固定的，MOSFET晶體管的閾電壓實(shí)質(zhì)上保持恒定。如圖4所示，按照本發(fā)明的觀點(diǎn)，理想的是在集成電路基片的所有的電路元件之間建立公共接地參考Vss。正如在下面更詳細(xì)地描述的，一旦極性校正電壓源28初始建立了理想的基片偏壓，其它電路元件被連接到基片以致它們隨后增強(qiáng)這個(gè)偏壓。這有助于在電路操作的時(shí)候保持基片偏置的實(shí)質(zhì)上的恒定的極性。特別是，理想的是極性校正電壓源經(jīng)常為其他電路元件提供軟起動(dòng)，而且其后基片偏置被充分地強(qiáng)化，以避免潛在的引入的問題，例如阻塞。
相信半導(dǎo)體工藝過(guò)程領(lǐng)域的熟練者熟悉于用各種方式做出集成電壓極性校正電路28和基片接地偏置之間物理連接。一個(gè)方法是使用金屬橋接，比如作為短條的鋁金屬化層。其它電路元件應(yīng)該設(shè)計(jì)為與由極性校正電壓源28建立的基片接地偏置一致的工作。也相信CMOS設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熟練者熟練于與特定的基片偏置相符地制作電路元件，以避免可控硅整流器(SCR)鎖住。
在圖5A和5B中示出了極性校正電壓源28、極性控制電路30和極性可調(diào)的電壓源24的電路實(shí)施例。圖5A是相應(yīng)于圖4方塊圖的一部分的原理電路示圖。如圖5A所示，極性校正電壓源28包括一個(gè)四晶體管橋接電路，其將不確定極性的輸入電池電壓輸入VBA和VBB轉(zhuǎn)換成為與電池極性無(wú)關(guān)的恒定極性的的輸出VDD和VSS。對(duì)本領(lǐng)域的普通的技術(shù)熟練者來(lái)說(shuō)，已知有多種四晶體管橋接電路，它們以與圖5A所示電路類似的物理原理工作，例如美國(guó)專利4,423,456“電池反向保護(hù)”。通常，這樣的橋接電路的四個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)被配置為以致有相應(yīng)于兩個(gè)電池極性的兩個(gè)電流模式。由晶體管調(diào)整橋接電路中的電流通路以致負(fù)載電壓的極性保持恒定。
然而，根據(jù)本發(fā)明的原理，理想的是極性校正電壓源28是相當(dāng)小型的。本發(fā)明的極性校正電路28的橋接電路具有可識(shí)別性，即它被設(shè)計(jì)為作為低電流電壓源，其提供比助聽器通常使用的大信號(hào)放大器小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的峰值電流。例如，類似于美國(guó)專利No.5,661,420的極性校正電路，如果它用于提供使用于助聽器的通用大信號(hào)放大器的電流需要，它應(yīng)該設(shè)計(jì)為提供大約10mA的電流。因此，它的兩個(gè)n溝道晶體管將有大約41,000微米的寬度而它的兩個(gè)P溝道晶體管具有大約110,000微米的寬度。然而，在本發(fā)明中，極性校正電壓源28被設(shè)計(jì)為提供低100倍的電流。例如，在本發(fā)明中，圖5A的電壓極性校正電路28需要只是提供50到100微安的電流以偏置基片和對(duì)其它小電流負(fù)載供電。因此，它的晶體管可以具有非常小的寬度(例如，幾百微米)同時(shí)仍然消耗相對(duì)低的功率并且產(chǎn)生可以接受的電壓降(例如小于約0.05伏)。
圖5A所示的極性校正電路28具有兩個(gè)n溝道和兩個(gè)P溝道MOSFET晶體管，具有1.5微米的柵極長(zhǎng)度，而且柵極寬度如圖5A表示的對(duì)于P晶體管不足2000微米和對(duì)于n晶體管不足1000微米，以致它是非常小型的并且在本發(fā)明中的其它晶體管元件的處理是一致的。該電路提供類似于全波橋式整流器的極性校正功能。在晶體管MN2和MP2的柵極的電壓設(shè)定為VBA，晶體管MN1和MP1的柵極電壓被設(shè)定為VBB。然而，晶體管MN1和MN2是n-MOS晶體管，然而晶體管MP1和MP2是p-MOS晶體管。因此，四晶體管中只有兩個(gè)對(duì)于一個(gè)給出的電池極性導(dǎo)通。例如如果電池極性符合相對(duì)于VBB的一個(gè)正的電壓VBA，那么晶體管MN2和MP1將導(dǎo)通。模擬MN2和MP1作為理想的轉(zhuǎn)換開關(guān)沒有漏-源電壓降，VSS=VBB和VDD=VBA。相反地，如果電池組極性符合相對(duì)于VBB具有負(fù)的電壓VBA，那么晶體管MN1和MP2將導(dǎo)通。模擬MN1和MP2作為理想的轉(zhuǎn)換開關(guān)，VSS=VBB和VDD=VBA。設(shè)定本領(lǐng)域普通的熟練者熟悉分析的技術(shù)，以計(jì)算包括所有的晶體管的電阻的，作為可變電池極性的函數(shù)的輸出電壓。然而，通常如果來(lái)自晶體管配對(duì)的門的信號(hào)使用作為輸出，相對(duì)于負(fù)的輸出電壓VSS，他們中之一總是高電位的另外一個(gè)是低電位的。
圖5A的極性校正電路28是一個(gè)小型極性校正電壓源。那里有一些設(shè)計(jì)中的折衷方案。特別是，理想的是極性校正電壓源是大的功率管理體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分。參照?qǐng)D4，極性校正電壓源28較好能夠提供足夠的電流以驅(qū)動(dòng)極性控制電路30。
如圖5A所示，極性控制電路30可以包含由極性校正電壓源28的輸出驅(qū)動(dòng)的振蕩器和靜態(tài)的倍壓整流器29。振蕩器29可以被用于其它電路功能塊，比如其他數(shù)字或脈沖形成功能塊。振蕩器、靜態(tài)的倍壓器和電平轉(zhuǎn)換器的常規(guī)原理是CMOS設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普通的熟練者所熟知的。振蕩器和倍壓器29的輸出驅(qū)動(dòng)電平轉(zhuǎn)移電路電路32，用于響應(yīng)電池輸入PA和PB對(duì)可調(diào)的極性電壓電路24提供控制信號(hào)CA和CB。控制信號(hào)CA和CB被使用于可調(diào)的極性電壓電路24，以調(diào)整以雙重的圖騰極性還原結(jié)構(gòu)設(shè)置的四個(gè)n溝道晶體管的電流通路。圖5A所示的可調(diào)的極性電壓電路24有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它僅僅利用n溝道MOSFET晶體管，n溝道MOSFET晶體管具有約為p溝道晶體管的三倍高的電導(dǎo)率。而且，因?yàn)闃O性控制電路30可以具有倍壓整流器29以將控制信號(hào)CA和CB的電壓大體上增加到超出電池電壓，所以極性可調(diào)的電壓電路24的n溝道晶體管可以被驅(qū)動(dòng)的進(jìn)入歐姆區(qū)域。因此，可調(diào)的極性電壓電路24可以是相對(duì)地小型的仍然具有比較低的串聯(lián)電阻。特別是，圖5A整個(gè)極性校正電路的尺寸實(shí)質(zhì)上可以是比提供相同的等效電阻的單個(gè)極性校正電壓源28更小(例如，至少四倍)。因此，圖5A的電源管理電路，如果被用于對(duì)助聽器供電，與達(dá)到恒定的有效串聯(lián)電阻的電壓源的常規(guī)的極性調(diào)整電路相比，在極性校正電路的尺寸上至少容許縮小到四分之一。
發(fā)明人已經(jīng)也承認(rèn)圖5A的電路可以更進(jìn)一步修改，以便提供對(duì)于不同的電子功能塊，比如小信號(hào)模擬級(jí)和對(duì)于丁類放大器的驅(qū)動(dòng)器電路，實(shí)質(zhì)上電隔離的極性校正電壓源。圖5B是具有類似于圖5A的電路元件的極化可調(diào)的電壓源的電路示意圖。然而，如圖5B所示，極性控制電路信號(hào)CA和CB被用于控制兩個(gè)獨(dú)立的可調(diào)的極性可調(diào)的電壓源電路25、26，它們具有兩個(gè)相應(yīng)的極性校正輸出電壓VDA和VDIG。第一可調(diào)的極性校正電路25是由晶體管MN3、MN4、MN5和MN6形成的。第二可調(diào)的極性校正電路26是由晶體管MNL3、MN14、MN15、MNI6形成的。圖5C是合并到包括極性校正電壓源28和極性控制電路30的電源管理電路中的圖5B的極性可調(diào)的電壓源的電路圖。圖5D是圖5A電路的另一實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，極性可調(diào)的電壓源具有對(duì)模擬放大器和丁級(jí)驅(qū)動(dòng)器提供分開的電壓源的兩個(gè)部分。另外第三部分27被用于更進(jìn)一步加強(qiáng)接地偏置VSS。
因此圖5B、5C和5D的電源管理處理容許用于提供大信號(hào)放大器電流需要的極性校正電路的尺寸至少縮小到四分之一，同時(shí)也大大地減低尖峰噪聲問題。圖5B、5C和5D的電路執(zhí)行圖3的功能，即它提供一種分隔的高效裝置，以對(duì)分開的電子功能塊元件提供分開的極性校正電壓源24。這個(gè)提供了一些重要的優(yōu)點(diǎn)，比如很大地免除了不同的電路元件之間的尖峰噪聲。因此它是一種實(shí)現(xiàn)圖4的電路圖的實(shí)用的裝置，從而大大地增加了將由可變極性的微型電池供電的微型助聽器或其他電子設(shè)備的性能。
本發(fā)明的電源管理結(jié)構(gòu)適用于由可變極性的微型電池供電的各種的集成電路。這些包括數(shù)字信號(hào)處理部件、線性放大器、振蕩器和時(shí)鐘電路。然而，本發(fā)明的電源管理結(jié)構(gòu)特別地適用于與包含丁類放大器的集成放大器30配合中的使用。如圖6所示，丁類放大器包含脈沖寬度調(diào)制器42、驅(qū)動(dòng)電路44和輸出級(jí)46。
放大器具有作為輸入聽覺的信號(hào)34的函數(shù)改變振蕩器脈沖33的脈沖寬度的脈沖寬度調(diào)制器42；驅(qū)動(dòng)電路44，其增加PWM信號(hào)35的電壓并且較好地產(chǎn)生兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)36和37；以及輸出級(jí)46，其提供對(duì)應(yīng)于PWM信號(hào)35的驅(qū)動(dòng)信號(hào)36和37的功率放大量。振蕩器和比較器電路是本領(lǐng)域熟練者熟知的。然而，提供振蕩器信號(hào)33的振蕩器較好是一個(gè)低頻噪聲振蕩器，例如具有孤立的時(shí)鐘脈沖和小的電壓起伏的阻容振蕩器。在脈沖寬度調(diào)制器42中的比較器功能可以如已有技術(shù)丁類放大器那樣即可以是一個(gè)也可以是二個(gè)比較器部分。脈沖寬度調(diào)制器42將來(lái)自小信號(hào)放大器(未示出)的音頻信號(hào)34轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)35。脈沖寬度調(diào)制器42的輸出較好是脈沖串，其寬度隨音頻輸入信號(hào)的強(qiáng)度變化，占空比從最小10％變化到最大90％。圖6的驅(qū)動(dòng)電路44可以包含各種的常規(guī)的驅(qū)動(dòng)器電路。然而，如在下面更詳細(xì)地描述的，驅(qū)動(dòng)器44較好也包含倍壓功能，以致使來(lái)自脈沖寬度調(diào)制器42中的比較器的PWM信號(hào)在被饋送進(jìn)入輸出級(jí)46之前充分地增加。
如圖6所示，常規(guī)的方法提供D級(jí)助聽器的功能元件所有的功率需要是要將所有的功能塊并聯(lián)連接到一個(gè)共同的電源。對(duì)于由可變極性的微型電池供電的丁類放大器的情況，圖6處理將要求所有的的電路塊由電池極性校正電路供電。圖5A、5B、5C和5D的本發(fā)明的恒定的極性電壓源可用于驅(qū)動(dòng)常規(guī)的丁類放大器。然而，發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在助聽器中，丁類放大器的H電橋輸出級(jí)消耗相當(dāng)于90％的電流。通過(guò)重新設(shè)計(jì)不受極性影響的H跨接輸出級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)電路的顯著的減少，所以它可以直接地由電池供電。如圖7所示，脈沖寬度調(diào)制器42和驅(qū)動(dòng)器44可以具有極性校正電壓輸入VDD和VSS。如圖8所示，極性校正電壓輸入VDD和VSS較好是從極性校正電壓源28、極性控制電路30和極性可調(diào)的電壓源24中產(chǎn)生的。然而，如圖7和8所示，在輸出級(jí)46中的高電流元件(未示出)可能直接地受電池輸入電壓VBA和VBB的約束。
如圖7和8所示，輸出級(jí)46較好是被設(shè)計(jì)為以致它的主要功率晶體管具有源-漏極反轉(zhuǎn)能力，以使放大器電路的輸出級(jí)46與電池極性無(wú)關(guān)的操作。正如先前討論的，極性校正電壓源28被用于最初建立對(duì)于整個(gè)電路的基片偏置，它有助于設(shè)計(jì)輸出級(jí)46相對(duì)于對(duì)內(nèi)部的開關(guān)晶體管做出的電池接線的極性將是不受極性影響的(例如，晶體管漏極-源極反相能力)。在本發(fā)明的優(yōu)選的形式中，輸出級(jí)146包含以H橋接結(jié)構(gòu)安排的四個(gè)n溝道晶體管用于丁類功率放大。這個(gè)在圖9和10的輸出級(jí)146中示出，它們示出了具有倍壓驅(qū)動(dòng)電路72的兩個(gè)不同的實(shí)施例。輸出級(jí)146包含配置成兩圖騰極性還原結(jié)構(gòu)的四個(gè)n溝道晶體管50-A、50-B、50-C和50-D。兩個(gè)圖騰極性還原晶體管結(jié)構(gòu)的柵極是交叉耦合的以致建立H橋接器的兩個(gè)輸入而源極-漏極接點(diǎn)是交叉耦合的以產(chǎn)生H-橋接器的兩個(gè)輸出端。當(dāng)信號(hào)80是高電位而信號(hào)78是低電位時(shí)，晶體管50-C和50-D導(dǎo)通，同時(shí)晶體管50-A和50-B截止。因此，輸出信號(hào)OUT1將是高的和OUT2將是低的。反過(guò)來(lái)，當(dāng)信號(hào)78是高電位而信號(hào)80是低電位時(shí)，晶體管50-A和50-B導(dǎo)通，同時(shí)晶體管50-C和50-D將截止。圖9和10的整個(gè)n溝道H橋接輸出級(jí)146允許通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路44饋送的PWM輸入信號(hào)的干線到干線的放大。
n溝道丁類放大器輸出級(jí)46具有除常規(guī)的互補(bǔ)對(duì)丁類放大器外的不同的柵極驅(qū)動(dòng)電壓要求。常規(guī)的互補(bǔ)對(duì)丁類放大器將利用比較低的柵壓工作。驅(qū)動(dòng)器不是必須提供實(shí)質(zhì)上的倍壓，以便用于由微型電池驅(qū)動(dòng)的互補(bǔ)對(duì)H橋式放大器。然而，正如CMOS電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域所熟知的，當(dāng)柵壓超過(guò)閾電壓時(shí)，n溝道增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管晶體管被驅(qū)動(dòng)到歐姆區(qū)域(高電導(dǎo)性)。在整個(gè)的n溝道結(jié)構(gòu)中，晶體管工作在返回零位方式，在其中柵偏壓在低和高值之間交替。然而，如果電壓振幅不是足夠高，晶體管將沒有完全地導(dǎo)通(例如，完全地進(jìn)入歐姆區(qū)域)。想要的柵極-源極電壓可以從熟知的MOSFET公式中估算出。為了單個(gè)n溝道晶體管將被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入歐姆區(qū)，漏極-源極電壓將應(yīng)至少為高電位，如VT+kVBS’在此k是與基片偏置效果有關(guān)聯(lián)的常數(shù)。因此柵-源電壓較好的是增加到至少兩倍于閾電壓，以便能夠?qū)⒚恳籲溝道晶體管驅(qū)動(dòng)到歐姆區(qū)域。
在整個(gè)n溝道H橋接輸出級(jí)的一個(gè)首選的實(shí)施例中，漏極連接到正的干線而源極連接到輸出端的高端n溝道MOSFET晶體管(例如，晶體管50-A和50-C)較好是被驅(qū)動(dòng)到大約1.7到2.2V的電壓，以像一個(gè)真實(shí)的開關(guān)那樣工作(驅(qū)動(dòng)進(jìn)入歐姆區(qū)域)。因此較好的是驅(qū)動(dòng)電路能夠至少加倍微型電池的電壓。脈沖信號(hào)78、80的上升時(shí)間加下降較好是不足最小脈沖寬度值的10％而最大電壓變化值較好是小于10％。圖9和10的整個(gè)的n溝道H橋接輸出級(jí)與常規(guī)的H橋接輸出級(jí)相比提供了潛在地更小的尺寸的優(yōu)勢(shì)。典型情況下，為具有與n溝道晶體管相同的導(dǎo)電性，P溝道晶體管不得不制作的按照兩到三倍的那么大。
然而，發(fā)明者相信充分利用整個(gè)的n溝道晶體管H橋式放大器的潛在的優(yōu)勢(shì)，操作n溝道H橋式放大器需要的驅(qū)動(dòng)電路44應(yīng)該是小型并且能夠提供電壓倍增的。較好的是，倍壓器加倍或三倍對(duì)柵極的電壓。需要高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓(即，超出閾電壓的電壓)以驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入歐姆區(qū)域。
多種的常規(guī)的電荷泵電路能夠增加驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓大體上超過(guò)1.7伏?？梢允褂檬熘暮喜⒍鄠€(gè)電容器的各種的電路，以增加電路中的脈沖的有效電壓。典型情況下，，這樣的電路周期性地對(duì)一個(gè)或多個(gè)電容器充電，電容器通常被用于增加輸入信號(hào)的電流以及/或者電壓。然而，許多常規(guī)的電荷泵電路需要相對(duì)大的電容器，以便存儲(chǔ)足夠的電荷以驅(qū)動(dòng)通用H橋接電路的柵極。而且，許多常規(guī)的電荷泵電路利用漏電以及/或者具有大的寄生電容的電容器。在某些情況中的，漏泄和寄生電容使得很難有效率地利用一些電容器實(shí)質(zhì)地增加來(lái)自低壓源的電壓。典型情況下，常規(guī)的電荷泵的總尺寸比較大，特別是如果電荷泵的電容器有足夠的尺寸以對(duì)具有比較大地柵極電容的晶體管提供足夠的電荷，以迅速地調(diào)整電壓的情況。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器利用非常小型的電荷泵電容器。多種新型材料結(jié)構(gòu)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)小型電容器。如熟知的，平行板極電容的電容量是與被有效板極間隔除的介電常數(shù)成比例的。增加電荷泵電容器的電容量的一種方法是利用具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)材料。多種具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)材料是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域的普通的熟練者所熟知的。然而，在大多數(shù)情況下，利用非常高的介電常數(shù)材料制作小型電荷泵電容器是與高產(chǎn)率CMOS制造處理過(guò)程矛盾的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，通過(guò)使用包含類似于作為可編程序存儲(chǔ)器元件的一部分的在可擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)中使用的超薄的氧化物材料的電容器，電荷泵電容器的每單位面積的電容量與典型的電荷泵相比是按照四倍增加的。通常所說(shuō)的隧道效應(yīng)氧化物，超薄的氧化物是CMOS設(shè)計(jì)領(lǐng)域普通的熟練者所熟知的。隧道效應(yīng)氧化物典型情況下在厚度上不足200埃，以致電子隧道效應(yīng)出現(xiàn)在比較低的電壓下。然而，這樣的超薄的氧化物結(jié)構(gòu)未使用于制作大面積電容器。這樣的隧道效應(yīng)氧化物結(jié)構(gòu)未使用作為大面積電容器的一個(gè)原因是因?yàn)殡娮铀淼佬?yīng)發(fā)生在比較低電壓處，特別是當(dāng)氧化物層降低到不足一百埃時(shí)，以致每單位面積的有效電容量是高的。因此，如果包含隧道效應(yīng)氧化物分層結(jié)構(gòu)的電容器在通用CMOS電路電壓下工作時(shí)，它將有很大的漏電。為什么隧道效應(yīng)氧化物結(jié)構(gòu)未使用作為大面積電容器的另一原因是在大面積之上實(shí)現(xiàn)可重現(xiàn)的超薄氧化物結(jié)構(gòu)具有技術(shù)上的障礙。直到比較近的一段時(shí)間，制作使用超薄的氧化物的大面積電容器是不可能的，因?yàn)槿毕菝芏忍?。合并超薄氧化物的大面積結(jié)構(gòu)是短命的。然而，近來(lái)，缺陷密度已經(jīng)極大降低，所以大面積電容器可以使用超薄氧化物產(chǎn)生而不會(huì)由缺陷引起短路。本發(fā)明人在作為測(cè)試結(jié)構(gòu)制作的電容器的實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)使得由它們可以推斷出，在技術(shù)上新近的進(jìn)步，允許利用超薄氧化物的大面積電容器結(jié)構(gòu)將被制造出來(lái)，而不會(huì)電氣的短路以及具有大體上一致的氧化物層。
發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于低電壓CMOS應(yīng)用，合并隧道效應(yīng)氧化物層的電容器可以用來(lái)制作具有每單位面積高的電容量的電容器，只要每一電容元件兩端電壓保持低到足夠防止電子隧道效應(yīng)的發(fā)生即可。而且，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到技術(shù)方面新近的進(jìn)步允許比較地大面積的電容器結(jié)構(gòu)將是以大體上一致的氧化物層和高的制造產(chǎn)量制作。因此，包含插入傳導(dǎo)性的層(例如，多晶硅)之間的一層或多層薄的氧化物層的多層的分層結(jié)構(gòu)可以用來(lái)制作大面積電容器。因?yàn)橐粚踊蚨鄬友趸飳涌梢允欠浅５乇〉?例如，不足兩百埃并且較好是不足一百埃)，每單位面積的電容量可以是很大的。在夾層結(jié)構(gòu)中到每一傳導(dǎo)層的分開的電接點(diǎn)可以使用類似于EEPROM器件的那些處理步驟制作。
發(fā)明人已經(jīng)設(shè)計(jì)出合并隧道效應(yīng)氧化物層的一種電容器結(jié)構(gòu)，其具有每單位面積特別高的電容量，其可以支持大于差不多四伏特的電壓。在多晶硅層或金屬層之上直接地生長(zhǎng)一致的超薄氧化物是困難的。因此，本發(fā)明人相信最薄的氧化物層應(yīng)該較好地直接地生長(zhǎng)在硅襯底之上。如圖11所示，優(yōu)選的電容結(jié)構(gòu)包括1)P基片50；2)N+埋置層51；3)隧道效應(yīng)硅氧化物層52，它不足大約一百埃厚并且較好是八十埃厚；4)大約三百埃厚的第一多晶硅層53；大約三百埃厚的第二二氧化硅層54；第二多晶硅層55；幾百埃厚的第三二氧化碳層56；第一金屬化層57；幾百埃厚的第四二氧化硅層58；以及第二金屬化層59。如圖11所示，第一金屬化層57接觸第一多晶硅層53，然而第二金屬化層59接觸N+層51和第二多晶硅層55。圖11的電容器結(jié)構(gòu)起到一系列交錯(cuò)電容器的作用。
發(fā)明人已經(jīng)確定，只要在電容器上的總電壓保持足夠低以致避免超薄氧化物52中的隧道效應(yīng)，這個(gè)隧道效應(yīng)氧化物電容器結(jié)構(gòu)就具有非常低的泄漏電流。然而，因?yàn)槿Q于電池的新舊的微型電池電壓至少是低于隧道效應(yīng)電壓的兩到三倍，這是可以通過(guò)設(shè)計(jì)電荷泵以致每一電容器兩端的電壓不超過(guò)電池電壓而實(shí)現(xiàn)?？傠娙萘靠梢在吔恳黄椒轿⒚椎碾娙萜髅娣e4毫微微法拉。這是由于薄的氧化物層52造成的大部分，其估計(jì)每一平方微米的電容器面積大約3毫微微法拉。然而，在夾層結(jié)構(gòu)中的其它氧化物層54、56也有助于總電容量，即使他們使用實(shí)質(zhì)上厚的氧化物層以促進(jìn)一致的生長(zhǎng)(例如，大于大約三百埃)，它們的個(gè)自對(duì)總電容量的貢獻(xiàn)實(shí)質(zhì)上是較小的。
本發(fā)明的電容器也具有低的寄生電容，其對(duì)利用多個(gè)電容器獲得實(shí)質(zhì)上的電壓倍增是特別地重要的。在與N+層和P基片之間電容量相關(guān)的本發(fā)明的電容器中有寄生電容。然而，本發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到只要基片偏置電勢(shì)Vss和N+區(qū)域51接點(diǎn)金屬偏置被保持在致使對(duì)基片50的等效可變?nèi)荻?jí)管電容量61是具有比較地大的有效電容器板極間隔的反向偏置的二極管，那么等效可變?nèi)荻O管結(jié)構(gòu)就具有非常地低的寄生電容。相對(duì)于每一平方微米電容器面積大約0.08毫微微法拉的基片50，圖11的本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)具有非常地低的寄生電容61,Cs。上面描述的這個(gè)電容器結(jié)構(gòu)的屬性使得它特別適合于用在小型倍壓器中，以加倍或三倍額定1.1伏的電池的有效電壓。
優(yōu)選的本發(fā)明的電容量夾層結(jié)構(gòu)在被設(shè)計(jì)為增加低壓電池的有效電壓的電荷泵電路中具有廣泛的應(yīng)用。
電荷泵倍壓器電路的常規(guī)原則是本技術(shù)領(lǐng)域的普通的熟練者所熟知的。典型情況下，一個(gè)或多個(gè)電容器由提供的電壓周期性地充電。附加的轉(zhuǎn)換開關(guān)允許從一個(gè)或多個(gè)電容器串聯(lián)中提取電壓，有時(shí)也與供電電壓串聯(lián)。然而，典型的CMOS電荷泵電路使用集成的電容器，每單位面積具有比較低的電容量以及每單位面積具有比較大地寄生電容。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到隧道效應(yīng)氧化物電容器結(jié)構(gòu)允許倍壓器電路性能方面的實(shí)質(zhì)的改善。因?yàn)殡娙萜鞯某叽缈梢越档停员秹浩鞯目偝叽缈梢越档?。而且，在低電壓情況下隧道效應(yīng)氧化物電容器結(jié)構(gòu)的低的寄生電容和低的漏泄電流提高了倍壓器的效率。然而，有一些設(shè)計(jì)折衷方案。特別是，應(yīng)該設(shè)計(jì)使用EEPROM氧化物結(jié)構(gòu)的倍壓器電路，以使跨接每一電容器結(jié)構(gòu)的隧道效應(yīng)氧化物層52的電壓保持足夠低以防止很顯著的電子隧道效應(yīng)。另外，為保持寄生的變?nèi)荻O管電容低，應(yīng)該保持基片50相對(duì)于N+層51的偏置的適當(dāng)?shù)臉O性。此外，理想的是電荷泵電容器被連接到節(jié)點(diǎn)電壓以使寄生的變?nèi)荻O管電容保持低(即，電容器的寄生的變?nèi)荻O管被牢固地反相偏置)。此外，理想的是選擇變?nèi)荻O管的摻雜分布以降低變?nèi)荻O管電容。向改變變?nèi)荻O管特性的控制摻雜擴(kuò)散/注入分布的物理原理是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的普通的熟練者所熟知的。通常，N+層51可以包含n型表面區(qū)域(通常所說(shuō)的n阱)，其具有作為與表面間的距離的函數(shù)的摻雜分布。特別是，理想的是選擇N4層51的摻雜分布，以形成具有P-基片的n+/n-/p-變?nèi)荻O管，因?yàn)檫@更進(jìn)一步降低了寄生電容。
在圖12A中示出了由本發(fā)明人設(shè)計(jì)的高效率瞬變倍壓器電荷泵電路，并且合并有這樣的一個(gè)電容結(jié)構(gòu)。那電路使用3個(gè)n溝道MOSFET晶體管，5個(gè)p溝道MOSFET晶體管和兩個(gè)電容器。參照?qǐng)D12A，當(dāng)三個(gè)n溝道晶體管用一個(gè)正的柵壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，晶體管MN1、MN2、MN3、MP3和MP5導(dǎo)通，晶體管MP1、MP2和MP3截止。然后電容器充電以提供電壓，該電壓大體上低于電子隧道效應(yīng)電壓。反過(guò)來(lái)，當(dāng)三個(gè)n溝道晶體管具有低柵極輸入時(shí)，電容器是串聯(lián)連接到正的電源線上，結(jié)果造成大約為提供的電壓的三倍的一個(gè)電壓。圖12A的電路導(dǎo)致的是一個(gè)瞬變倍壓器，它大大地增加了PWM脈沖的電壓。電路被專門地設(shè)計(jì)為使用被用于制作電容器C1和C2的優(yōu)選的電容器結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D12A，在電路中布置電容器C1和C2，以致優(yōu)選的電容器結(jié)構(gòu)是1)沒有偏置在超出極性校正電壓VDD(它大體上在大約五伏的隧道效應(yīng)電壓之下)，2)這些電容器被連接為以使寄生的變?nèi)荻O管電容最小化。在電容器C1和C2的節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)1之間的節(jié)點(diǎn)電壓中的差值總是非零位的和正的，它保持寄生的變?nèi)荻O管電容61在反向偏置模式。而且，電容器被連接到電路的節(jié)點(diǎn)電壓，以使變?nèi)荻O管為反向的偏置盡可能給出可用的限制電壓。
倍壓器電路通常也使用阻容振蕩器電路并且有時(shí)使用整流器電路。圖12B是圖12A的倍壓器與另外的具有附加的整流器元件的常規(guī)的阻容振蕩器電路。通常，圖12A的倍壓器可以與其它熟知的電荷泵電路元件結(jié)合以執(zhí)行瞬變電壓脈沖倍壓功能。
圖12A的倍壓器具有一些優(yōu)點(diǎn)。隧道效應(yīng)氧化物電容器結(jié)構(gòu)的使用允許相關(guān)的電容器尺寸本質(zhì)上的減小，從而導(dǎo)致倍壓器相關(guān)的尺寸減小。隧道效應(yīng)氧化物電容器的低的寄生電容降低了寄生的損耗。通常，圖12A的倍壓器可以被擴(kuò)展為包括附加的電荷泵級(jí)，因?yàn)槊恳粋€(gè)別的EEPROM電容器被保持在電子隧道效應(yīng)顯著作用的一電壓以下。本發(fā)明人做實(shí)驗(yàn)表明，多個(gè)類似于圖12A的倍壓器電路可以串聯(lián)連接在一起，以輸出電壓大體上在12.5伏之上的脈沖，以致本發(fā)明的電荷泵可以具有其它應(yīng)用，例如編程EEPROM存儲(chǔ)單元。作為比較，本發(fā)明人的使用常規(guī)的“浮動(dòng)”多元電容器結(jié)構(gòu)的其它實(shí)驗(yàn)只能實(shí)現(xiàn)大約七伏特的最大電壓倍增。本發(fā)明人相信本發(fā)明的倍壓器使得能夠在非常小型高效的電路中獲得實(shí)質(zhì)上的電壓倍增，這是因?yàn)樵撾娐酚行У乩昧吮景l(fā)明的電容器的低的寄生電容。
如圖10所示，驅(qū)動(dòng)器44較好是包括兩個(gè)類似于圖12A的倍壓器72。來(lái)自比較電路級(jí)的PWM被放大并且分成兩個(gè)信號(hào)，PWM信號(hào)的正常形式74和反相形式76。在分開的瞬變倍壓器中被升壓之前，被分開的信號(hào)在前置驅(qū)動(dòng)器中更進(jìn)一步被放大并且反相。因此圖10的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的輸出包括PWM信號(hào)的倍壓的復(fù)制品78和PWM信號(hào)的倍壓的反相的復(fù)制品80，被用于驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)146的n溝道晶體管50-A、50-B、50-C并且50-D。
發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)適當(dāng)?shù)恼芜M(jìn)入H橋接晶體管的脈沖，提高了低壓電池驅(qū)動(dòng)的H橋式放大器的效率。正如先前討論的，常規(guī)的H橋式放大器被設(shè)計(jì)成將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成為倍壓為干線到干線電壓的原始的PWM信號(hào)的復(fù)制品。通常，H橋式放大器被形成為包含具有兩種電流形態(tài)的理想的轉(zhuǎn)換開關(guān)。然而，本發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)由低壓電池供電的H橋式放大器更接近地做成包含弱的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換開關(guān)。在通用的使用n溝道和p溝道晶體管的H橋接設(shè)計(jì)中，由于晶體管開關(guān)沒有立即地導(dǎo)通和截止，存在著寄生的瞬變開關(guān)電流。在部分轉(zhuǎn)換周期中，兩組晶體管對(duì)于脈沖周期的某些部分導(dǎo)通。這產(chǎn)生了寄生電流，發(fā)明人描述為“短路”電流。這個(gè)短路電流降低了H橋式放大器的效率。
發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到短路電流在適合于由低電壓電池供電的助聽器的低電壓H橋式放大器中是一特別嚴(yán)重的問題。一個(gè)原因是，與常規(guī)的CMOS電路相比，對(duì)于低電壓CMOS電路，其脈沖的上升時(shí)間通常情況下大約慢10-100倍。慢的上升時(shí)間是在低電壓情況下較高柵極電容和通常降低的充電電容元件可用的電流造成的。慢的上升時(shí)間，反過(guò)來(lái)導(dǎo)致低壓CMOS電路在短路方式下工作，持續(xù)比較大的時(shí)鐘脈沖或振蕩器周期時(shí)間的比例。而且，在低壓H橋式放大器操作中，在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期中出現(xiàn)短路電流，更進(jìn)一步增加了與實(shí)際應(yīng)用(比如數(shù)字邏輯電路)相比的短路電流的相對(duì)的幅值，在此只有有限的統(tǒng)計(jì)概率，即所有的輸入電壓將是有效的以致使他們對(duì)于時(shí)鐘脈沖周期的某些重疊部分導(dǎo)通。
短路電流浪費(fèi)寶貴的電源和能量。然而，本發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到因?yàn)橄嚓P(guān)的噪聲問題，短路電流在H橋式放大器應(yīng)用中是特別不受歡迎的。寄生的短路電流有助于增加助聽器中的噪聲電平。正如所熟知的，寄生的電流可以附加各種的形式的噪聲到放大器中。另外，在H橋式放大器的情況下，寄生的電流增加放大器的總電流需求。因此，可能需要比較大的濾波電容器以通過(guò)其它電路元件對(duì)H橋式放大器濾波，例如低噪聲前置放大電路。
本發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)n溝道H橋式放大器輸出級(jí)設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步修改以降低寄生短路電流。通過(guò)使用發(fā)明人描述為“脈沖整形”(在做出轉(zhuǎn)換之前中止)的工作方式，整個(gè)的n溝道H橋式放大器的效率可以改善。脈沖整形需要一電路，其適當(dāng)?shù)卣{(diào)整到輸出級(jí)的信號(hào)波形的上升和下降時(shí)間以降低以及/或者消除短路電流。雖然脈沖整形還可以使用于常規(guī)的丁類放大器，本發(fā)明的n溝道H橋式放大器允許脈沖整形電路的比較簡(jiǎn)單的實(shí)施。常規(guī)的丁類放大器將需要相當(dāng)復(fù)雜的電路以完全地獲得脈沖整形的受益。特別是，使用n型和P型MOSFET的常規(guī)的丁類放大器將需要一脈沖整形驅(qū)動(dòng)電路，其對(duì)于兩種不同的類型的晶體管，對(duì)修整脈沖和適當(dāng)?shù)卣{(diào)整信號(hào)執(zhí)行一個(gè)復(fù)雜的電壓調(diào)整功能。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到整個(gè)的n溝道晶體管H橋接放大器容許一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的脈沖整形電路70，其被用于實(shí)現(xiàn)同相和反相脈沖，它們是彼此相關(guān)地被整形。本發(fā)明的n溝道H橋接晶體管輸出級(jí)146具有歸零響應(yīng)。它利用第一組放大的(同相)脈沖和第二組(反相)脈沖以驅(qū)動(dòng)它的柵極。反相的脈沖具有與同相脈沖中相同的幅值和極性，但是當(dāng)同相脈沖“斷開”時(shí)它是“接通”，類似于傳送通過(guò)反相門的數(shù)字脈沖。本發(fā)明的H橋接設(shè)計(jì)允許相當(dāng)?shù)睾?jiǎn)單的電路，其通過(guò)稍微改變兩組脈沖的上升和下降時(shí)間調(diào)整同相脈沖和反相脈沖的脈沖寬度。而且，本發(fā)明人相信整個(gè)的n溝道晶體管輸出級(jí)是特別地適合用于脈沖整形工作方式的。整個(gè)的n溝道H橋式放大器具有的優(yōu)點(diǎn)為，高端晶體管趨向于比低端晶體管導(dǎo)通稍微快一些自然地截止。n溝道H橋式放大器的晶體管的這個(gè)自然響應(yīng)更進(jìn)一步有利于脈沖整形的使用。
在圖10示出的一完整的n溝道H橋式放大器輸出級(jí)46具有施加到它的晶體管的信號(hào)PWM78和反相的PWM80。通過(guò)使用包括在做出響應(yīng)之前中斷的一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，以致使進(jìn)入橋式放大器輸出級(jí)146的PWM脈沖78和反相PWM脈沖80彼此相關(guān)地在寬度上略作整形，可能降低短路電流。
根據(jù)本發(fā)明，使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路可以降低短路電流，在該驅(qū)動(dòng)電路中，當(dāng)正的PWM信號(hào)78是關(guān)斷時(shí)，反相的PWM信號(hào)80在較好是5到10毫微秒的一個(gè)期間不被接通。然而，當(dāng)十毫微秒是發(fā)明人首選的對(duì)于助聽器應(yīng)用的脈沖整形時(shí)間時(shí)，在脈沖整形周期中的可考慮的變化可以為不同的應(yīng)用提供有利之處。假定電子學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的普通的熟練者能夠計(jì)算電壓上升和下降反應(yīng)，以致使可以對(duì)于不同的脈沖整形周期，分析和計(jì)算在脈沖整形和短路電流之間的折衷方案。對(duì)于低壓應(yīng)用，上升時(shí)間是相當(dāng)?shù)卮蟮模灾挛宓绞廖⒚朊}沖整形周期提供實(shí)質(zhì)的性能上的受益。
改變輸入脈沖的上升和下降時(shí)間的各種的電路可以被用來(lái)進(jìn)行脈沖整形。圖13中示出了一個(gè)包含非重疊相位分流器的脈沖整形電路70。電路接受一輸入脈沖調(diào)寬信號(hào)并且作為輸出產(chǎn)生一個(gè)正常信號(hào)74和該P(yáng)WM信號(hào)的反相形式的信號(hào)76，它們是彼此相關(guān)地進(jìn)行脈沖整形的。脈沖整形電路70的某些方面是與設(shè)計(jì)為調(diào)整脈沖的上升和下降時(shí)間以防止數(shù)字電路閉鎖的電路相類似。
圖9和圖10示出了驅(qū)動(dòng)電路44部分的兩個(gè)不同的實(shí)施例，具有脈沖整形元件70，使用本發(fā)明的電容器結(jié)構(gòu)的倍壓器72被用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)的n溝道H橋接輸出級(jí)146。圖9示出了一實(shí)施例，在其中輸出級(jí)146的N溝道晶體管被由輸入VDD和VSS供電的。因此圖9的實(shí)施例是符合從極性校正源或從知道極性的電池對(duì)整個(gè)輸出級(jí)供電的。圖10示出了使用可變極性電池的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。如圖10所示，輸出級(jí)146的晶體管50-A、50-B、50-C和50-D具有直接地對(duì)電池連接點(diǎn)VBA和VBB的它們的源極/漏極電源連接點(diǎn)。利用整個(gè)的n溝道晶體管設(shè)計(jì)為晶體管提供使它們不受主電源連接的影響。特別是，因?yàn)樗械膎溝道晶體管是相同的類型，它們的閾電壓是相等的，這有助于使它們相對(duì)于主電源連接不受影響。本發(fā)明人相信，做出相對(duì)于主電源連接不受極性影響的常規(guī)的丁類放大器實(shí)質(zhì)上是更困難的，這是因?yàn)閚型和p型晶體管的響應(yīng)和潛在的SCR閉鎖問題。
圖10的優(yōu)選的實(shí)施例產(chǎn)生提出的丁類放大器具有低的導(dǎo)通電阻。這通過(guò)減低有效電阻的損耗改善了丁類放大器的效率，有效電阻包括電池、在特定的瞬時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)n溝道晶體管的串聯(lián)電阻、以及與放大器串聯(lián)的任何其它電路元件的串聯(lián)電阻。圖10的實(shí)施例還具有更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即它縮減了極性校正電路系統(tǒng)的尺寸。在助聽器中，丁類放大器輸出級(jí)通常消耗相當(dāng)于電流的90％(例如，10mA)，同時(shí)其它電路元件，例如線性放大器、振蕩器和驅(qū)動(dòng)器只是消耗總電流需求的小的百分比。改進(jìn)不受極性影響的輸出級(jí)允許極性校正電路尺寸減小，在圖10的實(shí)施例中，它將需要定標(biāo)為只是對(duì)相當(dāng)?shù)厝蹼娏髫?fù)載供電(即，負(fù)載實(shí)質(zhì)上需要小于1mA的總電流)。例如，與輸出級(jí)的近似10到20mA的電流相比，驅(qū)動(dòng)電路44僅僅需要總數(shù)為30到60微安的驅(qū)動(dòng)電流。
圖10的實(shí)施例也具有上好的尖峰噪聲表現(xiàn)。從電池直接地對(duì)n溝道H橋接輸出級(jí)146供電容許更有效率的放大器并且也降低了到其它電子電路的尖峰噪聲。這允許在集成的助聽器電路中，濾波電容器尺寸本質(zhì)上的縮減以及/或者小信號(hào)線性放大器響應(yīng)曲線的改善。
本發(fā)明圍繞能單獨(dú)或組合使用以改進(jìn)放大器電路性能的許多元件。然而，本發(fā)明者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到較好的是所有的這些元件配合使用以實(shí)現(xiàn)對(duì)不受電池極性影響的的集成放大器的總的尺寸的實(shí)質(zhì)上的縮減。這對(duì)于成本和獲得可以適配到耳道中的小型助聽器電路兩方面都是重要的。
根據(jù)本發(fā)明的原理，集成的不受電池極性影響的放大器的總尺寸可以實(shí)質(zhì)上的降低，條件是1)本發(fā)明的電源管理結(jié)構(gòu)被用于提供小電流元件比如振蕩器和驅(qū)動(dòng)器的電流；2)使用完整的n溝道圖騰極性還原輸出級(jí)，其中晶體管是由電池直接地供電的；3)輸出級(jí)的n溝道圖騰極性還原晶體管被設(shè)計(jì)為必須被充電的小的柵極電容(例如，晶體管具有小的總的柵極面積)；4)使用電荷泵以實(shí)質(zhì)上地將輸出級(jí)晶體管的柵壓增加到高于干線電壓；以及5)電荷泵利用每單位面積具有高電容量的電容器(例如，使用超薄的EEPROM氧化物)。所有的這些因素合起來(lái)使得集成放大器在尺寸上將比耳道助聽器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)顯著的減小，同時(shí)也為其它重要的電子功能塊留下了空間。
本發(fā)明人相信上面描述的五個(gè)因素導(dǎo)致一設(shè)計(jì)思路窗口，在其中電路的總的尺寸可以極大地降低。減小極性校正功能塊尺寸是實(shí)現(xiàn)小型集成電路的一個(gè)關(guān)鍵方面。這部分地是從電池直接地對(duì)n溝道輸出級(jí)晶體管供電的結(jié)果，其去掉了向輸出級(jí)晶體管供電需要的大的極性校正電路。然而，它也是使用相當(dāng)高電導(dǎo)率n溝道晶體管極性調(diào)整電壓源對(duì)其它電子功能塊，比如驅(qū)動(dòng)電路，供電的結(jié)果。在極性調(diào)整電壓源中n溝道晶體管的比較高的導(dǎo)電性與來(lái)自常規(guī)的極性校正電路的驅(qū)動(dòng)小的電流負(fù)載相比，允許在面積上至少縮小到四分之一的改進(jìn)。本發(fā)明的電源管理方法通過(guò)與助聽器使用的以前的極性校正方法相比至少為縮小到九分之一，縮減了實(shí)現(xiàn)助聽器極性校正功能需要的電路系統(tǒng)的尺寸。
另一關(guān)鍵的方面是相互作用的設(shè)計(jì)輸出級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)，以使驅(qū)動(dòng)器和輸出級(jí)的總尺寸縮減。n溝道晶體管的每單位寬度的導(dǎo)電率是正比于(VGS-VT)-VDS。A增加n溝道MOSFET的柵極-源極電壓的電荷泵增加了每單位寬度的導(dǎo)電率。對(duì)于電阻常數(shù)，增加?xùn)艠O-源極電壓允許n溝道晶體管的寬度將被縮減。隨著增加?xùn)艍?，晶體管尺寸非常迅速地減小。然而，電荷泵必須具有面積足夠大的電容器，以便在與增加的柵-源電壓相關(guān)的柵極上提供電荷。此外，電荷泵電容器必須是足夠大的以便在需要的上升時(shí)間提供電荷。要實(shí)現(xiàn)電阻恒定的總電路尺寸可以增加、保持相同、或減小，這取決于電荷泵電路和n溝道晶體管的尺寸。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于晶體管和電荷泵參數(shù)的某些選擇，可以實(shí)現(xiàn)總電路尺寸的顯著的縮減。例如，如果n溝道晶體管每單位柵極寬度具有比較大的電容(即，寬的柵極)以及電荷泵是無(wú)效率的以及/或者使用了每單位面積具有相當(dāng)?shù)偷碾娙萘康碾娙萜?，電荷泵的使用不?huì)導(dǎo)致電路尺寸的顯著的縮減。然而，發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)上縮減電路的總尺寸的一些設(shè)計(jì)選擇。這些設(shè)計(jì)選擇，在與使用每單位面積具有比較高的電容量的相對(duì)高效率的電壓加倍或電壓三倍的電荷泵的組合中，對(duì)應(yīng)于每單位柵極寬度具有比較低的電容量的n溝道晶體管。
假定半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域的普通的熟練者能夠經(jīng)分解計(jì)算驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)和輸出級(jí)性能之間的折衷方案。然而，一階能被使用示范一些折衷方案。正如先前討論的，在低的柵極-源極電壓情況下，MOSFET具有與(VGS-VT)項(xiàng)成正比的微分電導(dǎo)?；驌Q言之，n溝道晶體管區(qū)域的恒定的電阻將反比于VGS-VT。柵-源電壓的小的增加直接地增加了正比于電壓增加ΔVGS的MOSFET的每單位寬度導(dǎo)電率。根據(jù)基本的半導(dǎo)體物理學(xué)，柵極電容上必須存儲(chǔ)相應(yīng)的不同的電荷，或ΔVGS=ΔQG/(CGSWG)，在此ΔQG是在柵極上存放的微分的電荷，CGS是柵極每單位寬度的柵極電容，WG是柵極寬度。由電荷泵提供的微分的電荷可以近似為ΔQP=ΔVCPCPAP，在此ΔQP是電荷泵電容器上的微分的電荷，ΔVCP是在電荷泵電容器上電壓的實(shí)際微分的變化，CP是電荷泵電容器的每單位面積的有效電容量，AP是電荷泵的面積。平衡在柵極獲得的微分的電荷與電荷泵提供的電荷導(dǎo)致表達(dá)式ΔVGS=ΔVCPCPAP/(CGSWG)。
n溝道晶體管的區(qū)域可以與ΔVGS的增加成正比例的縮減，ΔVGS增加了晶體管電導(dǎo)率。這可以表示成ΔAo=-kΔVCPCPAP/(CGSWG)，在此k是與晶體管設(shè)計(jì)有關(guān)聯(lián)的常數(shù)，ΔAo是通過(guò)柵-源電壓增加在輸出級(jí)區(qū)域中可能的微分的減小。然而，驅(qū)動(dòng)電路的面積由于電荷泵電容器的面積AP而增加。因此驅(qū)動(dòng)器和輸出級(jí)的微分的面積是ΔAc=ΔAo+AP=AP(1-kΔVCP/CGSWG)。如果邊緣場(chǎng)對(duì)柵極電容的作用被忽略，每單位柵極寬度的柵極電容量等于每單位柵極面積的等效柵極電容乘柵極長(zhǎng)度，或CGS=C′GSL，在此L是柵極寬度，C′GS是每單位柵極面積的柵極電容。因此，微分的面積可以表示成ΔAc=AP(1-kΔVCPCP/(C′GSL)。從上面的公式中，減少驅(qū)動(dòng)極和輸出級(jí)的總面積的有用的準(zhǔn)則是比例CP/C′GSL大，其具有支持驅(qū)動(dòng)器和輸出級(jí)的總面積降低的效果。因此理想的是使用具有比較窄柵極長(zhǎng)度的n溝道晶體管以及/或者設(shè)計(jì)電荷泵電容器的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)以使電荷泵電容器具有每單位面積比輸出級(jí)晶體管的柵極電容器更高的電容。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，通過(guò)使用一到兩微米器柵極長(zhǎng)度CMOS處理與不足2000微米的柵極寬度，選擇丁類放大器的n溝道晶體管50的柵極電容。而且，理想的是選擇MOSFET結(jié)構(gòu)的其它方面，比如氧化物厚度以及/或者摻雜以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)偷碾娙?。例如，本發(fā)明人使用的CMOS處理導(dǎo)致每一平方微米的柵極面積大約0.08毫微微法拉的柵極-源極電容。假定在CMOS設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域中的普通的熟練者熟悉MOSFET性能和影響MOSFET晶體管的柵極電容的設(shè)計(jì)選擇之間的權(quán)衡。本發(fā)明的電容器與輸出級(jí)晶體管的柵極-源極電容的電容量比例是大約50，其使得使用電荷泵是非常地有利的，特別是如果柵極寬度不足兩微米并且較好的是不足1.5微米。然而，如果使用每一平方微米3毫微微法拉的電荷泵電容量和每一平方微米0.12毫微微法拉的柵極-源極電容量，將出現(xiàn)尺寸上的實(shí)質(zhì)上的縮小。而且，即使對(duì)于使用每一平方微米2毫微微法拉的電荷泵電容量和每一平方微米0.15毫微微法拉的柵極-源極電容量，也將出現(xiàn)尺寸上的顯著的縮小。
本發(fā)明特征的組合容許助聽器與電池極性無(wú)關(guān)地正常地操作，同時(shí)也導(dǎo)致助聽器電路尺寸實(shí)質(zhì)上的縮小和助聽器電路效率的提高。不同的放大器結(jié)構(gòu)的總電路尺寸取決于許多的設(shè)計(jì)選擇，比如MOSFET摻雜分布和柵極長(zhǎng)度。而且，特定的設(shè)計(jì)選擇的不同的設(shè)計(jì)反映對(duì)于丁類放大器的導(dǎo)通電阻的有點(diǎn)區(qū)別的選擇。發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行了計(jì)算，以估算與假定現(xiàn)代的一微米CMOS MOSFET設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法相關(guān)的尺寸縮減，以及與丁類工作狀態(tài)導(dǎo)通電阻恒定相一致的電路設(shè)計(jì)選擇。比較的目的，與給出的電路元件相關(guān)的面積可以用許多的晶胞來(lái)描述。對(duì)于常規(guī)的丁類放大器，輸出級(jí)需要120個(gè)晶胞，并且另外的54個(gè)晶胞用于相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器電路系統(tǒng)，總數(shù)為174個(gè)晶胞。對(duì)于在本發(fā)明的整個(gè)的n溝道丁類放大器，輸出級(jí)需要32個(gè)晶胞的面積，驅(qū)動(dòng)器電路需要12個(gè)晶胞的面積，另外的32個(gè)晶胞是用于電荷泵的電容器需要的，總數(shù)為76個(gè)晶胞面積。因此合并優(yōu)選電容器結(jié)構(gòu)的整個(gè)的n溝道丁類放大器僅僅需要大約常規(guī)的丁類放大器的44％的面積。在發(fā)明的n溝道丁類放大器中實(shí)現(xiàn)了尺寸的實(shí)質(zhì)上的縮小，這是因?yàn)榕c使用于倍壓器的電容器相關(guān)的尺寸的額外的增加大于輸出級(jí)實(shí)現(xiàn)的尺寸縮減產(chǎn)生的補(bǔ)償。然而，常規(guī)的電容器結(jié)構(gòu)，比如具有每單位面積電容量為在本發(fā)明的四分之一的那些電容器結(jié)構(gòu)，將需要相當(dāng)大的電容器以致使將導(dǎo)致總電路尺寸只是稍微地減小。通過(guò)本發(fā)明人的計(jì)算，表明本發(fā)明的丁類放大器的總尺寸的實(shí)質(zhì)上的縮減是倍壓器中使用的優(yōu)選的電容器的每單位面積比較高的電容量和MOSFET晶體管的比較低的柵極電容結(jié)合的結(jié)果，柵極電容是與比較小的柵極長(zhǎng)度相關(guān)的(即，大約一個(gè)微米)。例如，在上面描述的例子中，如果使用常規(guī)的電容器結(jié)構(gòu)(其需要大約四倍的面積以獲得可比較的電容量)，將只是導(dǎo)致總電路尺寸大約1％的減小。
本發(fā)明的電源管理處理方法導(dǎo)致對(duì)不受電池極性影響的的丁類放大器的范圍內(nèi)尺寸更進(jìn)一步縮減。本發(fā)明人已經(jīng)計(jì)算出對(duì)于一個(gè)常規(guī)的丁類放大器的以晶胞表示的總尺寸，假設(shè)該常規(guī)的丁類放大器與具有足夠的尺寸以便從低壓電池對(duì)丁類放大器供電的常規(guī)的極性校正電路順利地集成在相同的芯片上。正如前面的例子，設(shè)定一不變的一微米柵極長(zhǎng)度CMOS處理。常規(guī)的丁類放大器和常規(guī)的極性校正電路的直接集成在集成的電路中造成需要輸出級(jí)120晶胞，驅(qū)動(dòng)級(jí)54晶胞，極性校正電路系統(tǒng)300晶胞，總數(shù)為474晶胞的面積。作為比較，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的設(shè)計(jì)方法需要32晶胞的輸出級(jí)，驅(qū)動(dòng)電路12晶胞，倍壓器電容器32晶胞，電壓極性調(diào)整電路需要36晶胞，總數(shù)為112晶胞。
上面的計(jì)算表明，本發(fā)明的不受極性影響丁類放大器的總尺寸只是大約為常規(guī)的丁類放大器和常規(guī)的極性調(diào)整電路被直接地集成在一起將達(dá)到的總尺寸的24％。此外，本發(fā)明的具有極性校正的丁類放大器的尺寸是沒有極性校正功能的常規(guī)的丁類放大器的64％。因?yàn)榧呻娐返膬r(jià)格正比于它的芯片面積，所以這個(gè)裝置，本發(fā)明的丁類放大器高效率，具有出色的噪聲特性，并且它是不受極性影響的，比常規(guī)的缺少極性調(diào)整功能的丁類放大器制造成本可能更便宜。
本發(fā)明提供的尺寸縮減在微型助聽器范圍內(nèi)是特別地重要的，因?yàn)樗试S與電池極性無(wú)關(guān)的正常地起作用的H橋式放大器將與其它有價(jià)值的電子線路集成，以致使電子組件適合插入耳道。作為比較，將H橋式放大器和極性校正功能集成到相同的空間的唯一的已知的其它方法是“堆疊”幾個(gè)分立的芯片到同一空間作為混合電路的部分。然而，這個(gè)方法是昂貴的，具有低的生產(chǎn)量，并且具有其它先前描述過(guò)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的助聽器與助聽器使用的常規(guī)的丁類放大器相比還具有許多的其它性能優(yōu)勢(shì)。與由低電壓電池供電的常規(guī)的丁類放大器相比，功率耗損減少了一半。提高了音質(zhì)，發(fā)明人歸因于H橋式放大器對(duì)其它電路元件的尖峰噪聲的隔離，以及撬棒電流的降低。制造產(chǎn)量是高的，即使有更多晶體管，因?yàn)榫w管尺寸與CMOS助聽器設(shè)計(jì)的情況相比減少了大致75％。發(fā)明人相信產(chǎn)量高的一個(gè)原因是優(yōu)選的EEPROM電容器結(jié)構(gòu)每單位面積的產(chǎn)品產(chǎn)量，如n溝道MOSFET或比它更高。因此，即使本發(fā)明合并電荷泵以降低n溝道晶體管的尺寸，產(chǎn)量仍然是高的。
因?yàn)榫o湊的尺寸和高產(chǎn)量，本發(fā)明也是符合于將助聽器與其它重要的電子功能集成在相同的芯片上。通常，本發(fā)明的電源管理方法可以擴(kuò)展到集成電路內(nèi)部的其它電路。例如，本發(fā)明符合于將信號(hào)處理元件，比如數(shù)字信號(hào)處理(DSP)元件，合并到相同的芯片中。
當(dāng)本發(fā)明特別地針對(duì)微型助聽器的問題的同時(shí)，本發(fā)明人相信還有適用于本發(fā)明的原理的其它集成電路應(yīng)用。特別是，具有全面的趨勢(shì)以使各種的音頻裝置比如立體聲系統(tǒng)和記錄設(shè)備小型化。而且，很多的其它結(jié)構(gòu)，比如壓電的微電機(jī)，也正在小型化。更進(jìn)一步小型化此類裝置的許多妨礙是與助聽器相同的有效率地節(jié)約有限的電池電壓和電源，以及將電路設(shè)計(jì)為與微型電池的極性無(wú)關(guān)的正常地操作。一種集成電路設(shè)計(jì)方法容許1伏的空白平面微型電池將有利方便地使用于各種的電路，因此具有許多的應(yīng)用。而且，許多的音頻裝置，比如小型便推式立體聲系統(tǒng)，將也獲益于合并本發(fā)明的有效率的丁類放大器。而且，本發(fā)明的倍壓器可以應(yīng)用于編程EEPROM存儲(chǔ)單元。特別是，這發(fā)明的倍壓器，它可以將一個(gè)標(biāo)稱一伏特的電源倍壓到12.5伏特，它產(chǎn)生十分高的電壓以編程各種的EEPROM裝置。
總之，本發(fā)明包含電池極性電源管理方法和有效率的丁類放大器設(shè)計(jì)，該丁類放大器相對(duì)于對(duì)它的晶體管開關(guān)的源極-漏極接點(diǎn)做出的供電連接在極性上是不受影響的。本發(fā)明的電池極性反向電源管理方法容許電池極性校正功能塊尺寸上實(shí)質(zhì)性的縮減。小型極性校正電壓源被用于初始偏置基片。這避免了與可變的基片極性相關(guān)的主體控制的問題，例如CMOS閾電壓變化。極性校正電壓源也被用于提供電源和參考信號(hào)到其它電路元件，例如極性控制電路。極性控制電路響應(yīng)來(lái)自極性校正電壓源的參考信號(hào)動(dòng)作，提供用于校正極性可調(diào)的電壓源的極性的控制信號(hào)。極性可調(diào)的電壓源較好是包含具有低串聯(lián)電阻的一個(gè)電路，例如完整的n溝道MOSFET橋接電路。本發(fā)明的丁類放大器包含四個(gè)晶體管開關(guān)，較好的是相同的晶體管類型，設(shè)置為H橋接結(jié)構(gòu)。通過(guò)在與倍壓電荷泵電路組合中使用高導(dǎo)電性n溝道晶體管以將柵壓控制在歐姆區(qū)域，減小了放大器電路的總尺寸。通過(guò)同時(shí)減低晶體管的電容及利用每單位面積具有比較大的電容量的電荷泵電路，實(shí)現(xiàn)電路尺寸的實(shí)質(zhì)性的縮減。對(duì)于低壓應(yīng)用的特別有用的電容器結(jié)構(gòu)包含至少具有一超薄氧化物層的夾層結(jié)構(gòu)，比如八十埃的氧化物層。通過(guò)整形到晶體管的信號(hào)的脈沖寬度以降低寄生的短路電流，實(shí)現(xiàn)了低壓丁類放大器性能的另外的改善。
雖然在此處已經(jīng)詳細(xì)描寫了本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例和它的改進(jìn)，應(yīng)該理解這個(gè)發(fā)明并不限制為那些明確的實(shí)施例和改進(jìn)，對(duì)于本領(lǐng)域的普通的熟練者來(lái)說(shuō)，在沒有偏離所附權(quán)利要求所定義的發(fā)明精神和范圍的情況下，是能夠做出其它修改和變化的。
權(quán)利要求
1．在由任意極性的微型電池供電的共用的基片上的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路，其中包括電壓極性校正電路，其由所述電池供電的并且在其兩個(gè)輸出端之間產(chǎn)生恒定極性的輸出電壓；由電壓極性校正電路的輸出電壓供電的一電路元件；以及在所述電池極性校正電路的一個(gè)端子到集成電路共用基片之間的電氣的連接接線。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其特征在于還包括可調(diào)的電路，其由電池供電并且具有從電壓極性校正電路的一個(gè)端子輸入的參考信號(hào)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路，其特征在于還包括一個(gè)極性控制電路，其響應(yīng)電池輸入和來(lái)自所述極性校正電壓源的至少一個(gè)終端的參考信號(hào)工作以產(chǎn)生控制信號(hào)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成電路，其特征在于還包括由所述電池供電的至少一個(gè)極性可調(diào)的電壓源，所述極性可調(diào)的電壓源響應(yīng)來(lái)自所述極性控制電路的控制信號(hào)工作以產(chǎn)生調(diào)整了極性的電壓輸出。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成電路，其特征在于兩個(gè)極性可調(diào)的電壓源被用于提供兩個(gè)分開的電路元件的電流需求。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成電路，其特征在于所述分開的電路元件中的一個(gè)包含用于丁類放大器的一驅(qū)動(dòng)器，而另外一個(gè)電路元件包括小信號(hào)電路元件。
7．根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成電路，其特征在于極性可調(diào)的電壓源包括具有相應(yīng)于兩個(gè)可能的電池極性的兩個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)工作方式的四個(gè)MOSFET晶體管。
8．根據(jù)要求7所述的所述集成電路，其特征在于極性控制電路包括倍壓器，用于將到所述極性可調(diào)的電壓源的晶體管的柵極的控制信號(hào)的電壓增加到實(shí)質(zhì)上高于電池電壓。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成電路，其特征在于所述金屬氧化物半導(dǎo)體(MOSFET)晶體管是n型MOSFET晶體管。
10．由電壓源供電的丁類放大器電路，其中包括脈沖寬度調(diào)制控制驅(qū)動(dòng)電路，用于提供倍壓的同相和反相的脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)；以及具有按照H橋接結(jié)構(gòu)排列的柵極節(jié)點(diǎn)的四個(gè)n溝道MOSFET晶體管開關(guān)；其中，H橋接的晶體管的柵極節(jié)點(diǎn)被互連，以致使它們響應(yīng)所述同相信號(hào)和所述反相的脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)動(dòng)作，以產(chǎn)生放大的脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的電路，其特征在于驅(qū)動(dòng)電路減小彼此相關(guān)的同相和反相脈寬調(diào)制的信號(hào)的寬度，以使在同相和反相的脈寬放大的信號(hào)之間實(shí)質(zhì)上沒有任何時(shí)間重疊。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其特征在于驅(qū)動(dòng)電路將脈沖的寬度彼此相對(duì)地縮減了至少五毫微秒。
13．根據(jù)權(quán)利要求10所述的放大器，其特征在于驅(qū)動(dòng)電路包括瞬變電壓脈沖倍壓器，其用于將脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)的有效電壓增加到至少為源電壓的兩倍。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的放大器，其特征在于瞬變電壓脈沖倍壓器包括利用具有二氧化硅夾層結(jié)構(gòu)的電容器的電荷泵電路，該二氧化硅夾層結(jié)構(gòu)中至少一個(gè)二氧化硅層厚度小于200埃，并且在每個(gè)所述電容器上的電壓實(shí)質(zhì)上保持在該最薄的二氧化硅層的電子隧道效應(yīng)電壓之下。
15．根據(jù)權(quán)利要求13所述的放大器，其特征在于瞬變電壓脈沖倍壓器包括電荷泵電路，該電荷泵電路使用包含夾在一多晶硅層和布置在p基片層中的傳導(dǎo)性的n型表面層之間的厚度小于100埃的二氧化硅層，并且該電容器被偏壓以降低在n型表面層和p基片之間的寄生變?nèi)荻O管電容。
16．根據(jù)權(quán)利要求13所述的放大器，其特征在于瞬變電壓脈沖倍壓器包括具有每單位面積電容量實(shí)質(zhì)上大于所述n溝道晶體管開關(guān)的柵極的電容量的電容器。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的放大器，其特征在于電容器的每單位面積的電容量大于每一平方微米2毫微微法拉，n溝道晶體管開關(guān)的柵極的每單位面積的電容量小于每一平方微米0.15毫微微法拉，所述晶體管的柵極長(zhǎng)度小于2.0微米。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的放大器，其特征在于電容器的每單位面積的電容量每一平方微米約四毫微微法拉，n溝道晶體管開關(guān)的柵極的每單位面積的電容量約為每一平方微米0.08毫微微法拉，柵極長(zhǎng)度小于約1.5微米。
19．一種小型集成電路瞬變倍壓器，用于增加輸入脈沖的電壓，其中包括多個(gè)開關(guān)晶體管；至少一個(gè)電容器，其包括夾在傳導(dǎo)性的多晶硅層和布置在傳導(dǎo)性的p基片區(qū)域中的n型摻雜表面區(qū)域之間的厚度小于200埃的二氧化硅電介質(zhì)層；以及，在所述晶體管和所述電容器之間的電氣的接線；其中，所述開關(guān)晶體管將所述電容器充電到實(shí)質(zhì)上在所述電介質(zhì)層的隧道效應(yīng)電壓之下的一電壓值，并且所述電容器被加偏壓，以使所述n型摻雜表面區(qū)域形成與p基片反向偏壓的變?nèi)荻O管，所述開關(guān)晶體管動(dòng)作，以使輸入脈沖的電壓由來(lái)自每個(gè)所述電容器的電壓貢獻(xiàn)所增加。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的倍壓器，其特征在于所述電容器的電介質(zhì)區(qū)域的厚度小于大約一百埃。
21．根據(jù)權(quán)利要求19所述的倍壓器，其特征在于所述電容器還包含布置在所述多晶硅層上的二氧化硅和傳導(dǎo)性的多晶硅層的交互的層，所述傳導(dǎo)性的層與所述n型摻雜區(qū)域和所述多晶硅層互連，以致形成單個(gè)電容器。
22．根據(jù)權(quán)利要求19所述的倍壓器，其特征在于所述n型表面區(qū)域的摻雜分布隨著與基片表面的距離產(chǎn)生變化，以致由所述基片形成n+/n-/p-變?nèi)荻O管。
23．一種由任意極性的微型電池供電的集成電路丁類放大器，其中包括一恒定極性電壓源，其包含由所述電池供電的電壓極性校正電路，并且在兩個(gè)輸出端間產(chǎn)生恒定極性的輸出電壓；極性控制電路，其響應(yīng)電池輸入和來(lái)自所述極性校正電壓源的至少一個(gè)輸出端參考信號(hào)動(dòng)作，以產(chǎn)生控制信號(hào)；以及由所述電池供電的至少一個(gè)極性可調(diào)的電壓源；所述極性可調(diào)的電壓源響應(yīng)來(lái)自所述極性控制電路的控制信號(hào)動(dòng)作以產(chǎn)生調(diào)整了極性的電壓輸出；脈沖寬度調(diào)制電路，用于從輸入音頻信號(hào)中產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制脈沖，所述脈沖寬度調(diào)制電路由所述恒定極性的電壓源供電；控制驅(qū)動(dòng)電路，其用于提供倍壓的同相和反相的脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路包含瞬變倍壓器，以將脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)的電壓增加到源電壓的至少兩倍，所述脈沖寬度調(diào)制控制驅(qū)動(dòng)電路由所述恒定極性電壓源供電；具有柵極節(jié)點(diǎn)的四個(gè)n溝道MOSFET晶體管開關(guān)，所述晶體管開關(guān)由所述電池組供電并且按照H橋接結(jié)構(gòu)排列；其中，H橋接的晶體管的柵極節(jié)點(diǎn)被互連，致使它們響應(yīng)所述同相信號(hào)和所述反相的脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)動(dòng)作，以產(chǎn)生放大的脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)。
24．根據(jù)權(quán)利要求23所述的丁類放大器，其特征在于瞬變電壓脈沖倍壓器包括利用具有二氧化硅夾層結(jié)構(gòu)的電容器的電荷泵電路，該二氧化硅夾層結(jié)構(gòu)中至少一個(gè)二氧化硅層厚度小于200埃，并且在每個(gè)所述電容器上的電壓實(shí)質(zhì)上保持在該最薄的二氧化硅層的電子隧道效應(yīng)電壓之下。
25．根據(jù)權(quán)利要求23所述的丁類放大器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電路的瞬變電壓脈沖倍壓器包括使用至少一個(gè)電容器的電荷泵電路，所述電容器包括夾在至少一個(gè)多晶硅層和布置在p基片層中的傳導(dǎo)性的n型表面層之間的厚度小于100埃的二氧化硅層，并且所述的電容器被偏置以降低在n型表面層和該基片之間的寄生的變?nèi)荻O管電容。
26．根據(jù)權(quán)利要求23所述的丁類放大器，其特征在于瞬變電壓脈沖倍壓器包括使用至少一個(gè)電容器的電荷泵電路，在其中所述驅(qū)動(dòng)電路的所述瞬變電壓脈沖倍壓器的電容器的每單位面積的電容量實(shí)質(zhì)上大于所述n溝道晶體管開關(guān)的柵極的每單位面積的電容量。
27．根據(jù)權(quán)利要求26所述的放大器，其特征在于電容器的每單位面積的電容量大于每一平方微米3毫微微法拉，所述n溝道晶體管開關(guān)的柵極的每單位面積的電容量小于每一平方微米0.12毫微微法拉，所述n溝道晶體管開關(guān)的柵極長(zhǎng)度小于2.0微米。
28．根據(jù)權(quán)利要求26所述的放大器，其特征在于電容器的每單位面積的電容量大于每一平方微米四毫微微法拉，所述n溝道晶體管開關(guān)的柵極的每單位面積的電容量小于每一平方微米0.08毫微微法拉，所述n溝道晶體管開關(guān)的柵極長(zhǎng)度小于1.5微米。
29．根據(jù)權(quán)利要求23所述的集成電路，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的所述第一信號(hào)的脈沖和所述驅(qū)動(dòng)器的所述第二信號(hào)的所述脈沖在寬度上彼此相對(duì)減少了至少5毫微秒，以致在所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)的脈沖之間至少有十毫微秒延遲。
30．根據(jù)權(quán)利要求24所述的集成電路，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的所述第一信號(hào)的脈沖和所述驅(qū)動(dòng)器的所述第二信號(hào)的所述脈沖在寬度上彼此相對(duì)減少了至少5毫微秒，以致在所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)的脈沖之間至少有十毫微秒延遲。
31．根據(jù)權(quán)利要求25所述的集成電路，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的所述第一信號(hào)的脈沖和所述驅(qū)動(dòng)器的所述第二信號(hào)的所述脈沖在寬度上彼此相對(duì)減少了至少5毫微秒，以致在所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)的脈沖之間至少有十毫微秒延遲。
32．根據(jù)權(quán)利要求24所述的集成電路，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的所述第一信號(hào)的脈沖和所述驅(qū)動(dòng)器的所述第二信號(hào)的所述脈沖在寬度上彼此相對(duì)減少了至少5毫微秒，以致在所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)的脈沖之間至少有十毫微秒延遲。
33．根據(jù)權(quán)利要求27所述的集成電路，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的所述第一信號(hào)的脈沖和所述驅(qū)動(dòng)器的所述第二信號(hào)的所述脈沖在寬度上彼此相對(duì)減少了至少5毫微秒，以致在所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)的脈沖之間至少有十毫微秒延遲。
34．根據(jù)權(quán)利要求28所述的集成電路，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)器的所述第一信號(hào)的脈沖和所述驅(qū)動(dòng)器的所述第二信號(hào)的所述脈沖在寬度上彼此相對(duì)減少了至少5毫微秒，以致在所述第一信號(hào)和所述第二信號(hào)的脈沖之間至少有十毫微秒延遲。
全文摘要
一種不受電池極性影響的放大器,使用電源管理結(jié)構(gòu)以縮減用于完成極性校正功能的電路系統(tǒng)的尺寸。高效的丁類放大器和小型倍壓驅(qū)動(dòng)電路減小了不受電池極性影響的放大器電路的尺寸。
文檔編號(hào)H03F3/30GK1325560SQ99813081
公開日2001年12月5日 申請(qǐng)日期1999年9月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月9日
發(fā)明者詹姆斯·巴克利·康普頓, 小克萊德·M·布朗 申請(qǐng)人:工程技術(shù)合作公司