电容式MEMS麦克风调理电路研究与设计

摘要

消费类电子产品的小型化、集成化发展趋势，对其声学部分的设计也提出了类似的要求。相比传统的驻极体式麦克风，MEMS麦克风具有尺寸更小、成本更低、工作性能更好的特点。MEMS麦克风的巨大优势使其必将得到更加广泛的应用。
　　 电容式MEMS麦克风芯片需要一个偏置电路为其提供10V～12V的输出电压驱动其正常工作和一个低噪声高输入阻抗的读出电路读出其在声压作用下产生的小信号，因此，它需要特别定制的调理电路，主要包括一个偏置电路和一个低噪声读出电路。通常一个电容式MEMS麦克风封装里包括一块电容式MEMS麦克风芯片和一块调理电路芯片。
　　 论文共六章，主要研究思路如下：第一章，介绍电容式MEMS麦克风调理电路的研究背景及意义；第二章，讲述电容式MEMS麦克风工作原理及其简化电路模型；第三章，基于课题约束和相关文献，研究和确定电容式MEMS麦克风调理电路的结构；第四章，根据性能要求，完成调理电路的晶体管级设计与仿真；第五章，讨论版图设计与验证；第六章，分析和总结不足之处，提出下一步研究内容。
　　 整个电路采用XFAB0.35μmCMOS工艺进行设计。仿真结果显示，电源电压在1.6V～3.6V之间时调理电路都可以正常工作。当电源电压为3.6V时，偏置电路输出电压为10.66V，输出噪声为0.14nV；读出电路的等效输入噪声是5.2μV;调理电路可处理的小信号幅度范围是50μV～200mV；整个调理电路的静态功耗低于0.45mW。
　　 论文提供的调理电路设计方案具有噪声小、DC/DC转换效率高、功耗低的特点。目前，关于电容式MEMS麦克风调理电路的相关文献较少，相信论文可以给相关领域提供一定的参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容及结构

1.3.1 论文研究内容

1.3.2 章节安排

第二章 电容式MEMS麦克风调理电路设计基础

2.1 电容式MEMS麦克风的结构与工作原理

2.2 电容式MEMS麦克风的主要参数

2.2.1 灵敏度

2.2.2 噪声

2.2.3 频率特性

2.2.4 静态电容

2.2.5 等效电阻

2.3 电容式MEMS麦克风及其调理电路的简化电路模型

2.3.1 电容式MEMS麦克风的等效电路模型

2.3.2 电容式MEMS麦克风调理电路的等效电路模型

2.3.3 电容式MEMS麦克风调理电路的设计重难点

2.4 总结

第三章 调理电路结构设计

3.1 结构设计的制约因素

3.1.1 偏置电压的稳定性

3.1.2 读出电路的低噪声设计

3.1.3 读出电路的输入阻抗

3.2 电容式MEMS麦克风偏置电路结构设计

3.3 电容式MEMS麦克风读出电路结构设计

3.4 其他电路

3.4.1 静电保护电路

3.4.2 电压检测电路

3.5 总结

第四章 电容式MEMS麦克风调理电路设计与仿真

4.1 偏置电路的设计与仿真

4.1.1 Dickson电荷泵

4.1.2 时钟

4.1.3 基准电压源

4.1.4 基准电流源

4.1.5 低通滤波器

4.1.6 偏置电路整体仿真与小结

4.2 读出电路的设计与仿真

4.2.1 高通滤波电路

4.2.2 单位增益缓冲器

4.2.3 读出电路整体仿真与小结

4.3 静电保护电路

4.3.1 人体模型

4.3.2 机器模型

4.3.3 电源引脚与输出引脚的静电保护

4.3.4 输入引脚的静电保护

4.4 电压检测电路

4.5 小结

第五章 版图设计与验证

5.1 版图设计流程及使用的工艺

5.1.1 版图设计流程

5.1.2 版图设计使用的工艺

5.2 版图设计使用的工具介绍

5.2.1 版图设计工具Virtuoso Layout Editor

5.2.2 版图验证工具Calibre

5.3 版图设计需要考虑的因素

5.3.1 平面布局

5.3.2 匹配

5.3.3 噪声问题

5.3.4 寄生效应

5.4 总结

第六章 总结与展望

参考文献

硕士期间发表论文

致谢