详解：电容式MEMS麦克风读出电路设计

　　1 引言

　　与传统的驻极体电容式麦克风相比，电容式MEMS麦克风具有以下优势：1）性能稳定，温度系数低，受湿度和机械振动的影响小;2）成本低廉;3）体积小巧，电容式MEMS麦克风的背极板和振膜仅有最小的驻极体电容式麦克风的1/10左右;4）功耗更低。以上几方面的优势使电容式MEMS麦克风得到越来越广泛的应用。

　　然而，电容式MEMS麦克风也给设计人员提出了挑战：1）麦克风在声压作用下产生的小信号幅度非常微小，要求读出电路的噪声极低;2）电容式MEMS麦克风的静态电容是pF量级，读出电路需要GΩ量级的输入电阻才能实现极点频率低于20Hz的高通滤波器，因此，高阻值电阻的实现是读出电路的又一挑战;3）电容式MEMS麦克风通常应用于电池供电的产品，因此低功耗设计也是读出电路设计时必须考虑的约束。

　　基于以上考虑，在分析电容式MEMS麦克风工作原理的基础上，提出了一种低功耗、低噪声、高分辨率的电容式MEMS麦克风读出电路。

　　2 电容式MEMS麦克风

　　2.1 工作原理

　　电容式MEMS麦克风的主要结构包括一个薄而有d性的声学振膜及一个刚性的背极板。振膜、背极板以及它们之间的空气隙共同组成一个平行板电容器，故有：

　　V=Q/C，C=εS/x （1）

　　式中，C 为电容量，S 为极板的面积，Q 是极板间的电压为V 时存储的电荷量，ε是极板间介质（空气）的介电常数，x 为两极板间的距离。当dP 大小的声压变化作用于振膜时，将引起两极板间的电压变化：

　　因为dx∝dP，所以输出电压dV∝dP。这就是电容式MEMS麦克风的声电转换工作原理。

　　这一原理成立的条件是：在声电转换过程中，必需保持麦克风电容所储电荷量Q 不变，因此需要外加一个稳定的直流电压给电容充电，使之保持恒定的充电状态。这一功能由电荷泵来实现。

　　2.2 麦克风读出电路结构

　　电容式MEMS麦克风及其读出电路组成的系统如图1所示。

　　电荷泵为麦克风提供稳定的直流电压，以保持麦克风电容所储电荷量不变。在此基础上，声压作用于振膜时，将引起麦克风两极板间电压的变化，这个音频范围内的电压小信号Vmic通过麦克风电容Cmic和读出电路的高阻值输入电阻组成的高通滤波器读出。

　　需要特别指出，背靠背的二极管有三个作用：1）提供高阻值输入电阻，与麦克风电容一起实现低极点频率的高通滤波器，进而实现麦克风小信号的读出;2）为单位增益缓冲器提供直流偏置电压;3）起静电保护作用，在读出电路遭受静电袭击时为其提供低阻直流通路。单位增益缓冲器的作用一是屏蔽麦克风与后续信号处理电路，避免两者之间相互影响，二是提高读出电路的驱动能力。