電容式MEMS麥克風也給設計人員提出了挑戰:1)麥克風在聲壓作用下產生的小信號幅度非常微小，要求讀出電路的噪聲極低;2)電容式MEMS麥克風的靜態電容是pF量級，讀出電路需要GΩ量級的輸入電阻才能實現極點頻率低於20Hz的高通濾波器，因此，高阻值電阻的實現是讀出電路的又一挑戰;3)電容式MEMS麥克風通常應用於電池供電的產品，因此低功耗設計也是讀出電路設計時必須考慮的約束。

基於以上考慮，在分析電容式MEMS麥克風工作原理的基礎上，提出了一種低功耗、低噪聲
、高分辨率的電容式MEMS麥克風讀出電路。

1 電容式MEMS麥克風

1.1 工作原理

電容式MEMS麥克風的主要結構包括一個薄而有彈性的聲學振膜及一個剛性的背極板。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 為極板的麵積，Q 是極板間的電壓為V 時存儲的電荷量
，ε是極板間介質(空氣)的介電常數，x 為兩極板間的距離。當dP 大小的聲壓變化作用於振膜時
，將引起兩極板間的電壓變化:

因為dx∝dP，所以輸出電壓dV∝dP。這就是電容式MEMS麥克風的聲電轉換工作原理。

這一原理成立的條件是:在聲電轉換過程中
，必需保持麥克風電容所儲電荷量Q 不變，因此需要外加一個穩定的直流電壓給電容充電
，使之保持恒定的充電狀態。這一功能由電荷泵來實現。

1.2 麥克風讀出電路結構

電容式MEMS麥克風及其讀出電路組成的係統如圖1所示。


電dian荷he泵beng為wei麥mai克ke風feng提ti供gong穩wen定ding的de直zhi流liu電dian壓ya，以yi保bao持chi麥mai克ke風feng電dian容rong所suo儲chu電dian荷he量liang不bu變bian。在zai此ci基ji礎chu上shang，聲sheng壓ya作zuo用yong於yu振zhen膜mo時shi，將jiang引yin起qi麥mai克ke風feng兩liang極ji板ban間jian電dian壓ya的de變bian化hua，這zhe個ge音yin頻pin範fan圍wei內nei的de電dian壓ya小xiao信xin號haoVmic通過麥克風電容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作用:1)提供高阻值輸入電阻，與麥克風電容一起實現低極點頻率的高通濾波器
，進而實現麥克風小信號的讀出;2)為單位增益緩衝器提供直流偏置電壓;3)起(qi)靜(jing)電(dian)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)，在(zai)讀(du)出(chu)電(dian)路(lu)遭(zao)受(shou)靜(jing)電(dian)襲(xi)擊(ji)時(shi)為(wei)其(qi)提(ti)供(gong)低(di)阻(zu)直(zhi)流(liu)通(tong)路(lu)。單(dan)位(wei)增(zeng)益(yi)緩(huan)衝(chong)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)一(yi)是(shi)屏(ping)蔽(bi)麥(mai)克(ke)風(feng)與(yu)後(hou)續(xu)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)，避(bi)免(mian)兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)相(xiang)互(hu)影(ying)響(xiang)

，二(er)是(shi)提(ti)高(gao)讀(du)出(chu)電(dian)路(lu)的(de)驅(qu)動(dong)能(neng)力(li)。

2 讀出電路設計

2.1 低極點頻率高通濾波器

背靠背二極管的實際電路如圖2所示。背靠背二極管可實現虛擬電阻。二極管連接的PMOS管Ma
，Mb的襯底與柵極相接，這種連接方式不會產生寄生三極管，可以保證兩個二極管串始終隻有一組導通(飽和導通或亞閾值導通)。在正常工作狀態下
，Ma1

，Ma2亞閾值導通。仿真結果表明
，當節點IN與節點A之間的電壓差絕對值小於0.2V時，背靠背二極管可以實現GΩ量級的電阻，如圖3所示。


背靠背二極管還可以為單位增益緩衝器提供直流偏置電壓。電流源Ib的電流流過電阻Rb，從而在節點A形成固定的電壓
，單位增益緩衝器的輸入直流偏置也就被固定於IbRb。

背靠背二極管具有ESDbaohuzuoyong
，zaiduchudianluzaoshoujingdianxijishiweiqitigongdizuzhiliutonglu。xuyaozhuyideshi

，yinweiduchudianluduishuruzukangyaoqiuhengao
，suoyizaishejizhongshiyongleESD保護電路與讀出電路內部功能性電路複用的電路，這樣可以避免在設計完功能性電路後再加上ESD保護電路而對電路性能產生重大影響。
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2.2 低噪聲低功耗單位增益緩衝器

較(jiao)之(zhi)開(kai)環(huan)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)
，使(shi)用(yong)單(dan)位(wei)增(zeng)益(yi)緩(huan)衝(chong)器(qi)可(ke)得(de)到(dao)比(bi)開(kai)環(huan)運(yun)放(fang)更(geng)大(da)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)和(he)更(geng)小(xiao)的(de)輸(shu)出(chu)阻(zu)抗(kang)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)屏(ping)蔽(bi)麥(mai)克(ke)風(feng)與(yu)後(hou)續(xu)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)，以(yi)避(bi)免(mian)兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)互(hu)影(ying)響(xiang);同時，還可以更容易地驅動後續信號處理電路。

隻需將運算放大器輸出端與反相輸入端短接，即可實現單位增益緩衝器
，如圖4所示。與套筒式結構相比，使用折疊結構的運算放大器最大的優點在於易於使運放的輸出與輸入短接，共模電平的選取也更加容易。


輸入管使用尺寸較大的PMOS管，其原因主要有兩個: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可以設置得更低
，從而使電荷泵輸出電壓大部分降落在麥克風上。

采cai用yong不bu對dui稱cheng的de輸shu入ru管guan，反fan相xiang輸shu入ru管guan尺chi寸cun更geng大da，其qi優you點dian在zai於yu可ke以yi消xiao除chu輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya的de影ying響xiang，提ti高gao分fen辨bian率lv。假jia如ru設she置zhi運yun放fang反fan相xiang輸shu入ru端duan的de直zhi流liu偏pian壓ya比bi正zheng相xiang輸shu入ru端duan高gao50mV，那麼，當麥克風小信號的幅值小於50mV 時shi，讀du出chu電dian路lu分fen辨bian率lv將jiang不bu受shou失shi調tiao電dian壓ya的de影ying響xiang。而er且qie，反fan相xiang輸shu入ru管guan麵mian積ji越yue大da，閃shan爍shuo噪zao聲sheng越yue小xiao

，進jin而er減jian小xiao了le單dan位wei增zeng益yi緩huan衝chong器qi的de等deng效xiao輸shu入ru噪zao聲sheng。

工作在飽和區的MOS管的跨導與其漏極電流的平方根成正比。但是
，工作在亞閾值區的MOS管(guan)的(de)跨(kua)導(dao)與(yu)其(qi)漏(lou)極(ji)電(dian)流(liu)成(cheng)正(zheng)比(bi)。所(suo)以(yi)
，為(wei)了(le)在(zai)降(jiang)低(di)噪(zao)聲(sheng)和(he)功(gong)耗(hao)的(de)同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)運(yun)放(fang)的(de)開(kai)環(huan)增(zeng)益(yi)
，設(she)計(ji)中(zhong)采(cai)用(yong)工(gong)作(zuo)在(zai)亞(ya)閾(yu)值(zhi)區(qu)的(de)輸(shu)入(ru)管(guan)。忽(hu)略(lve)運(yun)放(fang)第(di)二(er)級(ji)對(dui)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)，音(yin)頻(pin)範(fan)圍(wei)內(nei)二(er)級(ji)運(yun)放(fang)的(de)等(deng)效(xiao)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)電(dian)壓(ya)為(wei):

(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，減小M3~M6的de跨kua導dao可ke以yi減jian小xiao閃shan爍shuo噪zao聲sheng。需xu要yao說shuo明ming的de是shi

，在zai設she計ji低di功gong耗hao的de二er級ji運yun放fang時shi，為wei了le降jiang低di功gong耗hao
，可ke以yi讓rang運yun放fang中zhong的de一yi些xie管guan子zi工gong作zuo在zai亞ya閾yu值zhi區qu，但dan這zhe是shi以yi增zeng大da管guan子zi麵mian積ji、降低運放速度為代價的。在電路設計過程中，往往需要考慮多方麵的因素來進行折中優化設計。

3 電路仿真結果與分析

基於X-FAB 0.35 μm CMOS 工藝，使用Cadence軟件

，對MEMS麥克風讀出電路進行仿真。設電荷泵輸出電壓為11V
，麥克風靜態電容為1pF
，設定單位增益緩衝器輸入直流電平為200mV，負載為100pF電容和100kΩ電阻的最差負載情況。

電路仿真結果顯示，電源電壓在1.2~3.6V時，讀出電路均可正常工作(當電源電壓低於1.2V時，基準電流源無法正常工作，基準電流會迅速下降並趨於0
，此時
，讀出電路因得不到合適的偏置而無法正常工作;當電源電壓高於3.6V時，超過了工藝耐壓的極限，極有可能對芯片造成毀滅性的損壞);讀出電路靜態電流小於60μA

，在20Hz~20kHz的音頻範圍內，等效輸入噪聲為5.2μV，信號讀出效率大於83.6%(-1.56dB)。

電源電壓為1.2V時

，讀出電路的幅頻響應曲線如圖5所示，低頻的極點頻率為8.6Hz。


由於運放失調電壓的影響被不對稱輸入管消除，且電荷泵的等效輸出噪聲是nV量級(可以忽略不計)，所以讀出電路可以處理的小信號幅度範圍是50μV~200mV。

結語

設計了一種新穎的電容式MEMS麥克風讀出電路
，該電路包含低極點頻率的高通濾波器和低噪聲的單位增益緩衝器兩個部分。采用二極管連接的MOS管實現了高阻值的輸入電阻，與電容式MEMSmaikefengdejingtaidianrongyiqizuchengdijidianpinlvdegaotonglvboqi，keduchumaikefengzaishengyazuoyongxiachanshengdexiaoxinhao。lingwai，caiyongliangzhongbanfalaitigaoduchudianludefenbianlv:一(yi)是(shi)運(yun)放(fang)采(cai)用(yong)不(bu)對(dui)稱(cheng)輸(shu)入(ru)管(guan)來(lai)消(xiao)除(chu)失(shi)調(tiao)電(dian)壓(ya)的(de)影(ying)響(xiang)，二(er)是(shi)通(tong)過(guo)增(zeng)大(da)輸(shu)入(ru)管(guan)的(de)尺(chi)寸(cun)等(deng)方(fang)法(fa)來(lai)降(jiang)低(di)運(yun)放(fang)的(de)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)。在(zai)讀(du)出(chu)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)，為(wei)了(le)降(jiang)低(di)讀(du)出(chu)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)耗(hao)
，使(shi)用(yong)了(le)工(gong)作(zuo)在(zai)亞(ya)閾(yu)值(zhi)區(qu)的(de)MOS管。本文提供的讀出電路設計方案具有噪聲小、可以處理的小信號幅度範圍廣、功耗低等特點

，可延長電池供電的便攜式設備的待機時間。

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