详解:电容式MEMS麦克风读出电路设计

详解:电容式MEMS麦克风读出电路设计,第1张

  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:

  详解:电容式MEMS麦克风读出电路设计,第2张

  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。

  详解:电容式MEMS麦克风读出电路设计,第3张

  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。

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