基于三重采样Δ-Σ ADC的数字电容式MEMS麦克风,可有效提高信噪比

时间:2022-11-03来源:麦姆斯咨询

据麦姆斯咨询报道,近期,韩国首尔国立大学(Seoul National University)开发了一种基于三重采样Δ-Σ ADC的数字电容式MEMS麦克风,其中的读出电路采用0.18μm CMOS工艺制造,面积为0.98mm²,在94dBSPL、520μA电流消耗下,A加权信噪比(SNR)为62.1dBA,三重采样可提高4.5dBA的信噪比。


MEMS麦克风已经成为智能手机和平板电脑的标配,也广泛应用于汽车和医疗设备中。与驻极体电容式麦克风(ECM)相比,MEMS麦克风更易于集成、更可保证性能一致性且尺寸更小。电容式MEMS麦克风由于其具有低噪声性能、更高的灵敏度和更平坦的频率响应,比压电式MEMS麦克风更受青睐。具有差分MEMS换能器的MEMS麦克风可提供更大的动态范围,与单端MEMS换能器相比,往往更昂贵,也更难制造。


噪声和灵敏度是MEMS麦克风设计中的巨大挑战。为了提高灵敏度,需要更高的直流(DC)偏置电压、更小的寄生电容、更大的MEMS电容变化和前置放大增益。然而,提高驱动换能器的电荷泵的MEMS DC偏置电压会降低失真性能,并且不可能无限地提高DC偏置电压。而MEMS换能器电容变化和寄生电容超出了读出集成电路(ROIC)设计者的控制范围。在ADC之前引入前置放大器是提高灵敏度的简单方法,但前置放大器需要额外的功耗和噪声预算。可编程增益嵌入式Δ-Σ ADC可以降低前置放大器的功耗及其产生的噪声量,但这种ADC需要额外的采样电容器和驱动能力。


在本项工作中,研究人员使用三重采样Δ-Σ ADC,在不改变采样和积分阶段时间的情况下,有效满足了电容器和其它元件的要求。此外,结合现有方法,这种三重采样ADC具有任何有理数的嵌入式增益,因此可编程增益放大器(PGA)是可去除的。基于此,研究人员设计了一种基于三重采样Δ-Σ ADC而非PGA的数字电容式MEMS麦克风。


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本项研究工作开发的MEMS麦克风架构


研究人员开发的MEMS麦克风读出电路采用0.18μm CMOS工艺制造。在性能测试实验中,通过一个参考麦克风(持续输出94dBSPL的1kHz信号)设置扬声器和MEMS麦克风之间的距离,使用Audio Precision AP2722分析仪进行测试。Audio Precision AP2722分析仪向扬声器提供1kHz正弦波,使扬声器在麦克风处产生1Pa(或94dBSPL)的声压。在电荷泵电压设置为约8V的情况下,不采用三重采样时,MEMS麦克风的灵敏度为-40.5dBFS,信噪比为57.6dBA。采用三重采样时,其灵敏度为-28.4dBFS,信噪比为62.1dBA。虽然热噪声增加,但是信号功率增加更大,使得信噪比提高4.5dB。


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MEMS麦克风的显微照片和测试装置


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对于94dBSPL 1kHz正弦波输入,在(a)不使用三重采样ADC和(b)使用三重采样ADC的情况下测量MEMS麦克风的功率谱密度


简而言之,研究人员提出了一种基于三重采样Δ-Σ ADC而非PGA的数字电容式MEMS麦克风。这种设计提高了信号增幅,并有效使用了采样电容器和DAC电容器,从而提高了信噪比。所开发的MEMS麦克风信噪比为62.1dBA,读出电路面积为0.98mm²,在1.8V下消耗电流为520μA。

关键词: MEMS 麦克风

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