电容式MEMS麦克风读出电路设计 麦克风, 驻极体, 机械, 成本, 影响

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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：

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

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。

3读出电路设计

3.1低极点频率高通滤波器

背靠背二极管的实际电路如图2所示。背靠背二极管可实现虚拟电阻。二极管连接的PMOS管Ma，Mb的衬底与栅极相接，这种连接方式不会产生寄生三极管，可以保证两个二极管串始终只有一组导通（饱和导通或亚阈值导通）。在正常工作状态下，Ma1，Ma2亚阈值导通。仿真结果表明，当节点IN与节点A之间的电压差绝对值小于0.2V时，背靠背二极管可以实现GΩ量级的电阻，如图3所示。


图2背靠背二极管的电路

图3背靠背二极管的电阻-电压特性

背靠背二极管还可以为单位增益缓冲器提供直流偏置电压。电流源Ib的电流流过电阻Rb，从而在节点A形成固定的电压，单位增益缓冲器的输入直流偏置也就被固定于IbRb.

背靠背二极管具有ESD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。需要注意的是，因为读出电路对输入阻抗要求很高，所以在设计中使用了ESD保护电路与读出电路内部功能性电路复用的电路，这样可以避免在设计完功能性电路后再加上ESD保护电路而对电路性能产生重大影响。