電容式MEMS麥克風(fēng)讀出電路設(shè)計(jì)

　　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)過程中，往往需要考慮多方面的因素來進(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 0.35μm 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法正常工作;當(dāng)電源電壓高于3.6V時(shí)，超過了工藝耐壓的極限，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)稱輸入管來消除失調(diào)電壓的影響，二是通過增大輸入管的尺寸等方法來降低運(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。