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。