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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

4 电路仿真结果与分析

基于X-FAB 0.35 μm CMOS 工艺,使用Cadence软件,对MEMS麦克风读出电路进行仿真。设电荷泵输出电压为11V,麦克风静态电容为1pF,设定单位增益缓冲器输入直流电平为200mV,负载为100pF电容和100kΩ电阻的最差负载情况。输入管不对称的运放的性能参数如表1所示。

表1 开环运算放大器的性能参数

表1 开环运算放大器的性能参数

电路仿真结果显示,电源电压在1.2~3.6V时,读出电路均可正常工作(当电源电压低于1.2V时,基准电流源无法正常工作,基准电流会迅速下降并趋于0,此时,读出电路因得不到合适的偏置而无法正常工作;当电源电压高于3.6V时,超过了工艺耐压的极限,极有可能对芯片造成毁灭性的损坏);读出电路静态电流小于60μA,在20Hz~20kHz的音频范围内,等效输入噪声为5.2μV,信号读出效率大于83.6%(-1.56dB)。

电源电压为1.2V时,读出电路的幅频响应曲线如图5所示,低频的极点频率为8.6Hz。

图5 读出电路频率响应
图5 读出电路频率响应

由于运放失调电压的影响被不对称输入管消除,且电荷泵的等效输出噪声是nV量级(可以忽略不计),所以读出电路可以处理的小信号幅度范围是50μV~200mV。本文读出电路与文献[9]读出电路的各项性能比较结果如表2所示。

表2 读出电路性能比较

表2 读出电路性能比较

5 结论

设计了一种新颖的电容式MEMS麦克风读出电路,该电路包含低极点频率的高通滤波器和低噪声的单位增益缓冲器两个部分。采用二极管连接的MOS管实现了高阻值的输入电阻,与电容式MEMS麦克风的静态电容一起组成低极点频率的高通滤波器,可读出麦克风在声压作用下产生的小信号。另外,采用两种办法来提高读出电路的分辨率:一是运放采用不对称输入管来消除失调电压的影响,二是通过增大输入管的尺寸等方法来降低运放的输入噪声。在读出电路的设计中,为了降低读出电路的功耗,使用了工作在亚阈值区的MOS管。

本文提供的读出电路设计方案具有噪声小、可以处理的小信号幅度范围广、功耗低等特点,可延长电池供电的便携式设备的待机时间。

参考文献:

[1] JAWED S A,NIELSEN J H,GOTTARDI M,et al.A multifunction low-power preamplifier for MEMScapacitive microphones[C]//Proc 35th Europ Sol StaCirc Conf.Athens,Greece.2009:292-295.

[2] HELM R.MEMS麦克风的应用优势加速取代传统驻极体麦克风[J].电子与电脑,2008(3):26-29.

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[6] HARRISON R R,CHARLES C.A low-power lownoise CMOS amplifier for neural recording applications[J].IEEE J Sol Sta Circ,2003,38(6):958-965.

[7] 陈铖颖,黑勇,胡晓宇.一种适用于传感器信号检测的斩波运算放大器[J].微电子学,2012,42(1):17-20.

[8] RAZAVI B.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿,程军,张瑞智,等,译.西安:西安交通大学出版社,2003:166-196.[9] HUA S, LIU Y,ZHANG J,et al. A novelpreamplifier for MEMS microphone[C]//IEEE 8thInt Conf ASIC.Changsha,China.2009:636-638.

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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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