基于三重采樣Δ-Σ ADC的數(shù)字電容式MEMS麥克風(fēng)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)（Seoul National University）開發(fā)了一種基于三重采樣Δ-Σ ADC的數(shù)字電容式MEMS麥克風(fēng)，其中的讀出電路采用0.18μm CMOS工藝制造，面積為0.98mm2，在94dBSPL、520μA電流消耗下，A加權(quán)信噪比（SNR）為62.1dBA，三重采樣可提高4.5dBA的信噪比。

MEMS麥克風(fēng)已經(jīng)成為智能手機(jī)和平板電腦的標(biāo)配，也廣泛應(yīng)用于汽車和醫(yī)療設(shè)備中。與駐極體電容式麥克風(fēng)（ECM）相比，MEMS麥克風(fēng)更易于集成、更可保證性能一致性且尺寸更小。電容式MEMS麥克風(fēng)由于其具有低噪聲性能、更高的靈敏度和更平坦的頻率響應(yīng)，比壓電式MEMS麥克風(fēng)更受青睞。具有差分MEMS換能器的MEMS麥克風(fēng)可提供更大的動(dòng)態(tài)范圍，與單端MEMS換能器相比，往往更昂貴，也更難制造。

噪聲和靈敏度是MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)中的巨大挑戰(zhàn)。為了提高靈敏度，需要更高的直流（DC）偏置電壓、更小的寄生電容、更大的MEMS電容變化和前置放大增益。然而，提高驅(qū)動(dòng)換能器的電荷泵的MEMS DC偏置電壓會(huì)降低失真性能，并且不可能無限地提高DC偏置電壓。而MEMS換能器電容變化和寄生電容超出了讀出集成電路（ROIC）設(shè)計(jì)者的控制范圍。在ADC之前引入前置放大器是提高靈敏度的簡(jiǎn)單方法，但前置放大器需要額外的功耗和噪聲預(yù)算?？?a target="_blank">編程增益嵌入式Δ-Σ ADC可以降低前置放大器的功耗及其產(chǎn)生的噪聲量，但這種ADC需要額外的采樣電容器和驅(qū)動(dòng)能力。

在本項(xiàng)工作中，研究人員使用三重采樣Δ-Σ ADC，在不改變采樣和積分階段時(shí)間的情況下，有效滿足了電容器和其它元件的要求。此外，結(jié)合現(xiàn)有方法，這種三重采樣ADC具有任何有理數(shù)的嵌入式增益，因此可編程增益放大器（PGA）是可去除的?；诖?，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于三重采樣Δ-Σ ADC而非PGA的數(shù)字電容式MEMS麥克風(fēng)。

本項(xiàng)研究工作開發(fā)的MEMS麥克風(fēng)架構(gòu)

研究人員開發(fā)的MEMS麥克風(fēng)讀出電路采用0.18μm CMOS工藝制造。在性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通過一個(gè)參考麥克風(fēng)（持續(xù)輸出94dBSPL的1kHz信號(hào)）設(shè)置揚(yáng)聲器和MEMS麥克風(fēng)之間的距離，使用Audio Precision AP2722分析儀進(jìn)行測(cè)試。Audio Precision AP2722分析儀向揚(yáng)聲器提供1kHz正弦波，使揚(yáng)聲器在麥克風(fēng)處產(chǎn)生1Pa（或94dBSPL）的聲壓。在電荷泵電壓設(shè)置為約8V的情況下，不采用三重采樣時(shí)，MEMS麥克風(fēng)的靈敏度為-40.5dBFS，信噪比為57.6dBA。采用三重采樣時(shí)，其靈敏度為-28.4dBFS，信噪比為62.1dBA。雖然熱噪聲增加，但是信號(hào)功率增加更大，使得信噪比提高4.5dB。

MEMS麥克風(fēng)的顯微照片和測(cè)試裝置

對(duì)于94dBSPL 1kHz正弦波輸入，在（a）不使用三重采樣ADC和（b）使用三重采樣ADC的情況下測(cè)量MEMS麥克風(fēng)的功率譜密度

簡(jiǎn)而言之，研究人員提出了一種基于三重采樣Δ-Σ ADC而非PGA的數(shù)字電容式MEMS麥克風(fēng)。這種設(shè)計(jì)提高了信號(hào)增幅，并有效使用了采樣電容器和DAC電容器，從而提高了信噪比。所開發(fā)的MEMS麥克風(fēng)信噪比為62.1dBA，讀出電路面積為0.98mm2，在1.8V下消耗電流為520μA。