MEMS麦克风读出电路设计

摘要

本论文针对MEMS电容式麦克风（MCM）传感器的读出接口电路，提出两种芯片设计方案：模拟麦克风系统、数字麦克风系统。目前，基于语音进行人机交互的智能设备，如传统的智能手机和新兴的智能音响等都在快速地发展，使得对于语音拾取芯片的需求也在成倍地增长，MCM作为一种新型的声学传感器，微型化、高可靠及易于集成的优势使其对驻极体麦克风（ECM）形成不可逆转的替代趋势，因此为其设计专用集成电路（ASIC）变得很重要且有意义。 论文对MCM的基本特性进行分析和研究，MCM传感器感应声压引起微弱的电容变化形成输出信号，通过读出接口电路将MCM传感器的输出转换成电学信号（模拟或者数字）。由于信号很微弱，要实现较高的信噪比，就对读出电路设计中的噪声处理提出很高的要求。本文对两种设计方案中的具体电路进行详细地介绍，并重点对电路中噪声处理和低噪声的实现做细致地分析。 模拟麦克风系统将MCM传感器输出的微弱电信号读出，并通过前置放大器进行放大，最后输出放大的模拟信号。系统设计为宽电源电压适应范围（1.5-5V），本文对各主要子模块的低压结构实现方法、接口偏置方案的实现、信号链电路噪声处理等设计细节进行详尽地介绍和仿真分析。设计方案已采用Dongbu HiTek0.18μm BCD工艺流片并测试通过，测试结果为：（1）在声压1pa频率1KHz的条件下，信噪比典型值为62dB；（2）芯片输出阻抗的最大值小于50Ω；（3）灵敏度范围：-20~-24dB@1KHz，Preamp set20dB；（4）THD+N（总谐波失真加噪声）小于0.5%；（5）电源电压适应范围（1.5-5V），功耗为210μA。 数字麦克风系统采用全差分结构，读出MCM微弱信号的变化并进行放大，对放大的信号使用Sigma-Delta ADC进行模数转换，输出信号为脉冲密度调制（PDM）的数据流。系统电源电压适应范围为2.8-3.6V，本文对其全差分读出接口偏置方法、低噪声前置放大器、四阶高精度Sigma-Delta ADC的具体设计实现进行详细地介绍和仿真分析。

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