電容式MEMS麥克風(fēng)讀出電路設計

　　3.2低噪聲低功耗單位增益緩沖器

　　較之開(kāi)環(huán)運算放大器，使用單位增益緩沖器可得到比開(kāi)環(huán)運放更大的輸入阻抗和更小的輸出阻抗，從而可以更好地屏蔽麥克風(fēng)與后續信號處理電路，以避免兩者之間的相互影響;同時(shí)，還可以更容易地驅動(dòng)后續信號處理電路。

　　只需將運算放大器輸出端與反相輸入端短接，即可實(shí)現單位增益緩沖器，如圖4所示。與套筒式結構相比，使用折疊結構的運算放大器最大的優(yōu)點(diǎn)在于易于使運放的輸出與輸入短接，共模電平的選取也更加容易。

　　圖4運算放大器

　　輸入管使用尺寸較大的PMOS管，其原因主要有兩個(gè)：一是與NMOS管相比，PMOS管的1/f噪聲更小;二是輸入管直流偏置點(diǎn)可以設置得更低，從而使電荷泵輸出電壓大部分降落在麥克風(fēng)上。

　　采用不對稱(chēng)的輸入管，反相輸入管尺寸更大，其優(yōu)點(diǎn)在于可以消除輸入失調電壓的影響，提高分辨率。假如設置運放反相輸入端的直流偏壓比正相輸入端高50mV，那么，當麥克風(fēng)小信號的幅值小于50mV時(shí)，讀出電路分辨率將不受失調電壓的影響。而且，反相輸入管面積越大，閃爍噪聲越小，進(jìn)而減小了單位增益緩沖器的等效輸入噪聲。

　　工作在飽和區的MOS管的跨導與其漏極電流的平方根成正比。但是，工作在亞閾值區的MOS管的跨導與其漏極電流成正比。所以，為了在降低噪聲和功耗的同時(shí)保持運放的開(kāi)環(huán)增益，設計中采用工作在亞閾值區的輸入管。忽略運放第二級對輸入噪聲的影響，音頻范圍內二級運放的等效輸入噪聲電壓為：

　　(3)式主要考慮了閃爍噪聲的影響。從(3)式可以看出，增大M1~M6的尺寸可以增大M1和M2的跨導，減小M3~M6的跨導可以減小閃爍噪聲。需要說(shuō)明的是，在設計低功耗的二級運放時(shí)，為了降低功耗，可以讓運放中的一些管子工作在亞閾值區，但這是以增大管子面積、降低運放速度為代價(jià)的。在電路設計過(guò)程中，往往需要考慮多方面的因素來(lái)進(jìn)行折中優(yōu)化設計。

　　4電路仿真結果與分析

　　基于X-FAB 0.35μm CMOS工藝，使用Cadence軟件，對MEMS麥克風(fēng)讀出電路進(jìn)行仿真。設電荷泵輸出電壓為11V，麥克風(fēng)靜態(tài)電容為1pF，設定單位增益緩沖器輸入直流電平為200mV，負載為100pF電容和100kΩ電阻的最差負載情況。輸入管不對稱(chēng)的運放的性能參數如表1所示。

　　表1開(kāi)環(huán)運算放大器的性能參數

　　電路仿真結果顯示，電源電壓在1.2~3.6V時(shí)，讀出電路均可正常工作(當電源電壓低于1.2V時(shí)，基準電流源無(wú)法正常工作，基準電流會(huì )迅速下降并趨于0，此時(shí)，讀出電路因得不到合適的偏置而無(wú)法正常工作;當電源電壓高于3.6V時(shí)，超過(guò)了工藝耐壓的極限，極有可能對芯片造成毀滅性的損壞);讀出電路靜態(tài)電流小于60μA，在20Hz~20kHz的音頻范圍內，等效輸入噪聲為5.2μV，信號讀出效率大于83.6%(-1.56dB)。

　　電源電壓為1.2V時(shí)，讀出電路的幅頻響應曲線(xiàn)如圖5所示，低頻的極點(diǎn)頻率為8.6Hz.

　　圖5讀出電路頻率響應

　　由于運放失調電壓的影響被不對稱(chēng)輸入管消除，且電荷泵的等效輸出噪聲是nV量級(可以忽略不計)，所以讀出電路可以處理的小信號幅度范圍是50μV~200mV.本文讀出電路與文獻[9]讀出電路的各項性能比較結果如表2所示。

　　表2讀出電路性能比較

　　5結論

　　設計了一種新穎的電容式MEMS麥克風(fēng)讀出電路，該電路包含低極點(diǎn)頻率的高通濾波器和低噪聲的單位增益緩沖器兩個(gè)部分。采用二極管連接的MOS管實(shí)現了高阻值的輸入電阻，與電容式MEMS麥克風(fēng)的靜態(tài)電容一起組成低極點(diǎn)頻率的高通濾波器，可讀出麥克風(fēng)在聲壓作用下產(chǎn)生的小信號。另外，采用兩種辦法來(lái)提高讀出電路的分辨率：一是運放采用不對稱(chēng)輸入管來(lái)消除失調電壓的影響，二是通過(guò)增大輸入管的尺寸等方法來(lái)降低運放的輸入噪聲。在讀出電路的設計中，為了降低讀出電路的功耗，使用了工作在亞閾值區的MOS管。

　　本文提供的讀出電路設計方案具有噪聲小、可以處理的小信號幅度范圍廣、功耗低等特點(diǎn)，可延長(cháng)電池供電的便攜式設備的待機時(shí)間。