電容式MEMS麥克風讀出電路設計

　　1引言

　　與傳統的駐極體電容式麥克風相比，電容式MEMS麥克風具有以下優勢：1)性能穩定，溫度系數低，受濕度和機械振動的影響小;2)成本低廉;3)體積小巧，電容式MEMS麥克風的背極板和振膜僅有最小的駐極體電容式麥克風的1/10左右;4)功耗更低。以上幾方面的優勢使電容式MEMS麥克風得到越來越廣泛的應用。

　　然而，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于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麥克風通常應用于電池供電的產品，因此低功耗設計也是讀出電路設計時必須考慮的約束。

　　基于以上考慮，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。

　　2電容式MEMS麥克風

　　2.1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為極板的面積，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于振膜時，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。

　　2.2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系統如圖1所示。

　　圖1麥克風及其讀出電路結構

　　電荷泵為麥克風提供穩定的直流電壓，以保持麥克風電容所儲電荷量不變。在此基礎上，聲壓作用于振膜時，將引起麥克風兩極板間電壓的變化，這個音頻范圍內的電壓小信號Vmic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)為單位增益緩沖器提供直流偏置電壓;3)起靜電保護作用，在讀出電路遭受靜電襲擊時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與后續信號處理電路，避免兩者之間相互影響，二是提高讀出電路的驅動能力。

　　3讀出電路設計

　　3.1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只有一組導通(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于0.2V時，背靠背二極管可以實現GΩ量級的電阻，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，從而在節點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保護作用，在讀出電路遭受靜電襲擊時為其提供低阻直流通路。需要注意的是，因為讀出電路對輸入阻抗要求很高，所以在設計中使用了ESD保護電路與讀出電路內部功能性電路復用的電路，這樣可以避免在設計完功能性電路后再加上ESD保護電路而對電路性能產生重大影響。