電容式MEMS麥克風(fēng)讀出電路設(shè)計(jì)

1 引言

與傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風(fēng)相比，電容式MEMS麥克風(fēng)具有以下優(yōu)勢(shì):1)性能穩(wěn)定，溫度系數(shù)低，受濕度和機(jī)械振動(dòng)的影響小;2)成本低廉;3)體積小巧，電容式MEMS麥克風(fēng)的背極板和振膜僅有最小的駐極體電容式麥克風(fēng)的1/10左右;4)功耗更低。以上幾方面的優(yōu)勢(shì)使電容式MEMS麥克風(fēng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

然而，電容式MEMS麥克風(fēng)也給設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn):1)麥克風(fēng)在聲壓作用下產(chǎn)生的小信號(hào)幅度非常微小，要求讀出電路的噪聲極低;2)電容式MEMS麥克風(fēng)的靜態(tài)電容是pF量級(jí)，讀出電路需要GΩ量級(jí)的輸入電阻才能實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)頻率低于20Hz的高通濾波器，因此，高阻值電阻的實(shí)現(xiàn)是讀出電路的又一挑戰(zhàn);3)電容式MEMS麥克風(fēng)通常應(yīng)用于電池供電的產(chǎn)品，因此低功耗設(shè)計(jì)也是讀出電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的約束。

基于以上考慮，在分析電容式MEMS麥克風(fēng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種低功耗、低噪聲、高分辨率的電容式MEMS麥克風(fēng)讀出電路。

2 電容式MEMS麥克風(fēng)

2.1 工作原理

電容式MEMS麥克風(fēng)的主要結(jié)構(gòu)包括一個(gè)薄而有彈性的聲學(xué)振膜及一個(gè)剛性的背極板。振膜、背極板以及它們之間的空氣隙共同組成一個(gè)平行板電容器，故有:

V=Q/C，C=εS/x (1)

式中，C 為電容量，S 為極板的面積，Q 是極板間的電壓為V 時(shí)存儲(chǔ)的電荷量，ε是極板間介質(zhì)(空氣)的介電常數(shù)，x 為兩極板間的距離。當(dāng)dP 大小的聲壓變化作用于振膜時(shí)，將引起兩極板間的電壓變化:

因?yàn)閐x∝dP，所以輸出電壓dV∝dP。這就是電容式MEMS麥克風(fēng)的聲電轉(zhuǎn)換工作原理。

這一原理成立的條件是:在聲電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，必需保持麥克風(fēng)電容所儲(chǔ)電荷量Q 不變，因此需要外加一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓給電容充電，使之保持恒定的充電狀態(tài)。這一功能由電荷泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 麥克風(fēng)讀出電路結(jié)構(gòu)

電容式MEMS麥克風(fēng)及其讀出電路組成的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 麥克風(fēng)及其讀出電路結(jié)構(gòu)

電荷泵為麥克風(fēng)提供穩(wěn)定的直流電壓，以保持麥克風(fēng)電容所儲(chǔ)電荷量不變。在此基礎(chǔ)上，聲壓作用于振膜時(shí)，將引起麥克風(fēng)兩極板間電壓的變化，這個(gè)音頻范圍內(nèi)的電壓小信號(hào)Vmic通過(guò)麥克風(fēng)電容Cmic和讀出電路的高阻值輸入電阻組成的高通濾波器讀出。

需要特別指出，背靠背的二極管有三個(gè)作用:1)提供高阻值輸入電阻，與麥克風(fēng)電容一起實(shí)現(xiàn)低極點(diǎn)頻率的高通濾波器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)小信號(hào)的讀出;2)為單位增益緩沖器提供直流偏置電壓;3)起靜電保護(hù)作用，在讀出電路遭受靜電襲擊時(shí)為其提供低阻直流通路。單位增益緩沖器的作用一是屏蔽麥克風(fēng)與后續(xù)信號(hào)處理電路，避免兩者之間相互影響，二是提高讀出電路的驅(qū)動(dòng)能力。

3 讀出電路設(shè)計(jì)

3.1 低極點(diǎn)頻率高通濾波器

背靠背二極管的實(shí)際電路如圖2所示。背靠背二極管可實(shí)現(xiàn)虛擬電阻。二極管連接的PMOS管Ma，Mb的襯底與柵極相接，這種連接方式不會(huì)產(chǎn)生寄生三極管，可以保證兩個(gè)二極管串始終只有一組導(dǎo)通(飽和導(dǎo)通或亞閾值導(dǎo)通)。在正常工作狀態(tài)下，Ma1，Ma2亞閾值導(dǎo)通。仿真結(jié)果表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)IN與節(jié)點(diǎn)A之間的電壓差絕對(duì)值小于0.2V時(shí)，背靠背二極管可以實(shí)現(xiàn)GΩ量級(jí)的電阻，如圖3所示。

圖2 背靠背二極管的電路

圖3 背靠背二極管的電阻-電壓特性

背靠背二極管還可以為單位增益緩沖器提供直流偏置電壓。電流源Ib的電流流過(guò)電阻Rb，從而在節(jié)點(diǎn)A形成固定的電壓，單位增益緩沖器的輸入直流偏置也就被固定于IbRb。

背靠背二極管具有ESD保護(hù)作用，在讀出電路遭受靜電襲擊時(shí)為其提供低阻直流通路。需要注意的是，因?yàn)樽x出電路對(duì)輸入阻抗要求很高，所以在設(shè)計(jì)中使用了ESD保護(hù)電路與讀出電路內(nèi)部功能性電路復(fù)用的電路，這樣可以避免在設(shè)計(jì)完功能性電路后再加上ESD保護(hù)電路而對(duì)電路性能產(chǎn)生重大影響。

3.2 低噪聲低功耗單位增益緩沖器

較之開環(huán)運(yùn)算放大器，使用單位增益緩沖器可得到比開環(huán)運(yùn)放更大的輸入阻抗和更小的輸出阻抗，從而可以更好地屏蔽麥克風(fēng)與后續(xù)信號(hào)處理電路，以避免兩者之間的相互影響;同時(shí)，還可以更容易地驅(qū)動(dòng)后續(xù)信號(hào)處理電路。

只需將運(yùn)算放大器輸出端與反相輸入端短接，即可實(shí)現(xiàn)單位增益緩沖器，如圖4所示。與套筒式結(jié)構(gòu)相比，使用折疊結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器最大的優(yōu)點(diǎn)在于易于使運(yùn)放的輸出與輸入短接，共模電平的選取也更加容易。

圖4 運(yùn)算放大器

輸入管使用尺寸較大的PMOS管，其原因主要有兩個(gè):一是與NMOS管相比，PMOS管的1/f噪聲更小;二是輸入管直流偏置點(diǎn)可以設(shè)置得更低，從而使電荷泵輸出電壓大部分降落在麥克風(fēng)上。

采用不對(duì)稱的輸入管，反相輸入管尺寸更大，其優(yōu)點(diǎn)在于可以消除輸入失調(diào)電壓的影響，提高分辨率。假如設(shè)置運(yùn)放反相輸入端的直流偏壓比正相輸入端高50mV，那么，當(dāng)麥克風(fēng)小信號(hào)的幅值小于50mV 時(shí)，讀出電路分辨率將不受失調(diào)電壓的影響。而且，反相輸入管面積越大，閃爍噪聲越小，進(jìn)而減小了單位增益緩沖器的等效輸入噪聲。

工作在飽和區(qū)的MOS管的跨導(dǎo)與其漏極電流的平方根成正比。但是，工作在亞閾值區(qū)的MOS管的跨導(dǎo)與其漏極電流成正比。所以，為了在降低噪聲和功耗的同時(shí)保持運(yùn)放的開環(huán)增益，設(shè)計(jì)中采用工作在亞閾值區(qū)的輸入管。忽略運(yùn)放第二級(jí)對(duì)輸入噪聲的影響，音頻范圍內(nèi)二級(jí)運(yùn)放的等效輸入噪聲電壓為:

(3) 式主要考慮了閃爍噪聲的影響。從(3)式可以看出，增大M1~M6的尺寸可以增大M1和M2的跨導(dǎo)，減小M3~M6的跨導(dǎo)可以減小閃爍噪聲。需要說(shuō)明的是，在設(shè)計(jì)低功耗的二級(jí)運(yùn)放時(shí)，為了降低功耗，可以讓運(yùn)放中的一些管子工作在亞閾值區(qū)，但這是以增大管子面積、降低運(yùn)放速度為代價(jià)的。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往需要考慮多方面的因素來(lái)進(jìn)行折中優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 電路仿真結(jié)果與分析

基于X-FAB 0.35 μm CMOS 工藝，使用Cadence軟件，對(duì)MEMS麥克風(fēng)讀出電路進(jìn)行仿真。設(shè)電荷泵輸出電壓為11V，麥克風(fēng)靜態(tài)電容為1pF，設(shè)定單位增益緩沖器輸入直流電平為200mV，負(fù)載為100pF電容和100kΩ電阻的最差負(fù)載情況。輸入管不對(duì)稱的運(yùn)放的性能參數(shù)如表1所示。

表1 開環(huán)運(yùn)算放大器的性能參數(shù)

電路仿真結(jié)果顯示，電源電壓在1.2~3.6V時(shí)，讀出電路均可正常工作(當(dāng)電源電壓低于1.2V時(shí)，基準(zhǔn)電流源無(wú)法正常工作，基準(zhǔn)電流會(huì)迅速下降并趨于 0，此時(shí)，讀出電路因得不到合適的偏置而無(wú)法正常工作;當(dāng)電源電壓高于3.6V時(shí)，超過(guò)了工藝耐壓的極限，極有可能對(duì)芯片造成毀滅性的損壞);讀出電路靜態(tài)電流小于60μA，在20Hz~20kHz的音頻范圍內(nèi)，等效輸入噪聲為5.2μV，信號(hào)讀出效率大于83.6%(-1.56dB)。

電源電壓為1.2V時(shí)，讀出電路的幅頻響應(yīng)曲線如圖5所示，低頻的極點(diǎn)頻率為8.6Hz。

圖5 讀出電路頻率響應(yīng)

由于運(yùn)放失調(diào)電壓的影響被不對(duì)稱輸入管消除，且電荷泵的等效輸出噪聲是nV量級(jí)(可以忽略不計(jì))，所以讀出電路可以處理的小信號(hào)幅度范圍是50μV~200mV。本文讀出電路與文獻(xiàn)[9]讀出電路的各項(xiàng)性能比較結(jié)果如表2所示。

表2 讀出電路性能比較

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新穎的電容式MEMS麥克風(fēng)讀出電路，該電路包含低極點(diǎn)頻率的高通濾波器和低噪聲的單位增益緩沖器兩個(gè)部分。采用二極管連接的MOS管實(shí)現(xiàn)了高阻值的輸入電阻，與電容式MEMS麥克風(fēng)的靜態(tài)電容一起組成低極點(diǎn)頻率的高通濾波器，可讀出麥克風(fēng)在聲壓作用下產(chǎn)生的小信號(hào)。另外，采用兩種辦法來(lái)提高讀出電路的分辨率:一是運(yùn)放采用不對(duì)稱輸入管來(lái)消除失調(diào)電壓的影響，二是通過(guò)增大輸入管的尺寸等方法來(lái)降低運(yùn)放的輸入噪聲。在讀出電路的設(shè)計(jì)中，為了降低讀出電路的功耗，使用了工作在亞閾值區(qū)的MOS管。

本文提供的讀出電路設(shè)計(jì)方案具有噪聲小、可以處理的小信號(hào)幅度范圍廣、功耗低等特點(diǎn)，可延長(zhǎng)電池供電的便攜式設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。

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