電容式MEMS麥克風讀出電路設計

　　3.2低噪聲低功耗單位增益緩沖器

　　較之開環(huán)運算放大器，使用單位增益緩沖器可得到比開環(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與后續(xù)信號處理電路，以避免兩者之間的相互影響;同時，還可以更容易地驅動后續(xù)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，即可實現(xiàn)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：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上。

　　采用不對稱的輸入管，反相輸入管尺寸更大，其優(yōu)點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，當麥克風小信號的幅值小于50mV時，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，進而減小了單位增益緩沖器的等效輸入噪聲。

　　工作在飽和區(qū)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(qū)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保持運放的開環(huán)增益，設計中采用工作在亞閾值區(qū)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。需要說明的是，在設計低功耗的二級運放時，為了降低功耗，可以讓運放中的一些管子工作在亞閾值區(qū)，但這是以增大管子面積、降低運放速度為代價的。在電路設計過程中，往往需要考慮多方面的因素來進行折中優(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麥克風讀出電路進行仿真。設電荷泵輸出電壓為11V，麥克風靜態(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。輸入管不對稱的運放的性能參數(shù)如表1所示。

　　表1開環(huán)運算放大器的性能參數(shù)

　　電路仿真結果顯示，電源電壓在1.2~3.6V時，讀出電路均可正常工作(當電源電壓低于1.2V時，基準電流源無法正常工作，基準電流會迅速下降并趨于0，此時，讀出電路因得不到合適的偏置而無法正常工作;當電源電壓高于3.6V時，超過了工藝耐壓的極限，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，讀出電路的幅頻響應曲線如圖5所示，低頻的極點頻率為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麥克風讀出電路，該電路包含低極點頻率的高通濾波器和低噪聲的單位增益緩沖器兩個部分。采用二極管連接的MOS管實現(xiàn)了高阻值的輸入電阻，與電容式MEMS麥克風的靜態(tài)電容一起組成低極點頻率的高通濾波器，可讀出麥克風在聲壓作用下產生的小信號。另外，采用兩種辦法來提高讀出電路的分辨率：一是運放采用不對稱輸入管來消除失調電壓的影響，二是通過增大輸入管的尺寸等方法來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(qū)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，可延長電池供電的便攜式設備的待機時間。