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(多图)电容式MEMS麦克风读出电路设计

周锋?? 李富华?? 乔东海?? 徐栋?? 吕爽?? 陈伟庆?? 苏州大学?? 中国科学院声学研究所 微电子学?? 2015年05月15日 ?? 收藏3
1 引言

与传统的驻极体电容式麦克风相比,电容式MEMS麦克风具有以下优势:1)性能稳定,温度系数低,受湿度和机械振动的影响小;2)成本低廉;3)体积小巧,电容式MEMS麦克风的背极板和振膜仅有最小的驻极体电容式麦克风的1/10左右;4)功耗更低。以上几方面的优势使电容式MEMS麦克风得到越来越广泛的应用。

然而,电容式MEMS麦克风也给设计人员提出了挑战:1)麦克风在声压作用下产生的小信号幅度非常微小,要求读出电路的噪声极低;2)电容式MEMS麦克风的静态电容是pF量级,读出电路需要GΩ量级的输入电阻才能实现极点频率低于20Hz的高通滤波器,因此,高阻值电阻的实现是读出电路的又一挑战;3)电容式MEMS麦克风通常应用于电池供电的产品,因此低功耗设计也是读出电路设计时必须考虑的约束。

基于以上考虑,在分析电容式MEMS麦克风工作原理的基础上,提出了一种低功耗、低噪声、高分辨率的电容式MEMS麦克风读出电路。

2 电容式MEMS麦克风

2.1 工作原理

电容式MEMS麦克风的主要结构包括一个薄而有弹性的声学振膜及一个刚性的背极板。振膜、背极板以及它们之间的空气隙共同组成一个平行板电容器,故有:

V=Q/C,C=εS/x (1)

式中,C 为电容量,S 为极板的面积,Q 是极板间的电压为V 时存储的电荷量,ε是极板间介质(空气)的介电常数,x 为两极板间的距离。当dP 大小的声压变化作用于振膜时,将引起两极板间的电压变化:

电容式MEMS麦克风

因为dx∝dP,所以输出电压dV∝dP。这就是电容式MEMS麦克风的声电转换工作原理。

这一原理成立的条件是:在声电转换过程中,必需保持麦克风电容所储电荷量Q 不变,因此需要外加一个稳定的直流电压给电容充电,使之保持恒定的充电状态。这一功能由电荷泵来实现。

2.2 麦克风读出电路结构

电容式MEMS麦克风及其读出电路组成的系统如图1所示。

图1 麦克风及其读出电路结构
图1 麦克风及其读出电路结构

电荷泵为麦克风提供稳定的直流电压,以保持麦克风电容所储电荷量不变。在此基础上,声压作用于振膜时,将引起麦克风两极板间电压的变化,这个音频范围内的电压小信号Vmic通过麦克风电容Cmic和读出电路的高阻值输入电阻组成的高通滤波器读出。

需要特别指出,背靠背的二极管有三个作用:1)提供高阻值输入电阻,与麦克风电容一起实现低极点频率的高通滤波器,进而实现麦克风小信号的读出;2)为单位增益缓冲器提供直流偏置电压;3)起静电保护作用,在读出电路遭受静电袭击时为其提供低阻直流通路。单位增益缓冲器的作用一是屏蔽麦克风与后续信号处理电路,避免两者之间相互影响,二是提高读出电路的驱动能力。

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电容式MEMS麦克风? 读出电路? 失调电压消除?

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