基于三重采样Δ-Σ ADC的数字电容式MEMS麦克风
据麦姆斯咨询报道，近期，韩国首尔国立大学（seoul national university）开发了一种基于三重采样δ-σ adc的数字电容式mems麦克风，其中的读出电路采用0.18μm cmos工艺制造，面积为0.98mm²，在94dbspl、520μa电流消耗下，a加权信噪比（snr）为62.1dba，三重采样可提高4.5dba的信噪比。
mems麦克风已经成为智能手机和平板电脑的标配，也广泛应用于汽车和医疗设备中。与驻极体电容式麦克风（ecm）相比，mems麦克风更易于集成、更可保证性能一致性且尺寸更小。电容式mems麦克风由于其具有低噪声性能、更高的灵敏度和更平坦的频率响应，比压电式mems麦克风更受青睐。具有差分mems换能器的mems麦克风可提供更大的动态范围，与单端mems换能器相比，往往更昂贵，也更难制造。
噪声和灵敏度是mems麦克风设计中的巨大挑战。为了提高灵敏度，需要更高的直流（dc）偏置电压、更小的寄生电容、更大的mems电容变化和前置放大增益。然而，提高驱动换能器的电荷泵的mems dc偏置电压会降低失真性能，并且不可能无限地提高dc偏置电压。而mems换能器电容变化和寄生电容超出了读出集成电路（roic）设计者的控制范围。在adc之前引入前置放大器是提高灵敏度的简单方法，但前置放大器需要额外的功耗和噪声预算。可编程增益嵌入式δ-σ adc可以降低前置放大器的功耗及其产生的噪声量，但这种adc需要额外的采样电容器和驱动能力。
在本项工作中，研究人员使用三重采样δ-σ adc，在不改变采样和积分阶段时间的情况下，有效满足了电容器和其它元件的要求。此外，结合现有方法，这种三重采样adc具有任何有理数的嵌入式增益，因此可编程增益放大器（pga）是可去除的。基于此，研究人员设计了一种基于三重采样δ-σ adc而非pga的数字电容式mems麦克风。
本项研究工作开发的mems麦克风架构
研究人员开发的mems麦克风读出电路采用0.18μm cmos工艺制造。在性能测试实验中，通过一个参考麦克风（持续输出94dbspl的1khz信号）设置扬声器和mems麦克风之间的距离，使用audio precision ap2722分析仪进行测试。audio precision ap2722分析仪向扬声器提供1khz正弦波，使扬声器在麦克风处产生1pa（或94dbspl）的声压。在电荷泵电压设置为约8v的情况下，不采用三重采样时，mems麦克风的灵敏度为-40.5dbfs，信噪比为57.6dba。采用三重采样时，其灵敏度为-28.4dbfs，信噪比为62.1dba。虽然热噪声增加，但是信号功率增加更大，使得信噪比提高4.5db。
mems麦克风的显微照片和测试装置
对于94dbspl 1khz正弦波输入，在（a）不使用三重采样adc和（b）使用三重采样adc的情况下测量mems麦克风的功率谱密度
简而言之，研究人员提出了一种基于三重采样δ-σ adc而非pga的数字电容式mems麦克风。这种设计提高了信号增幅，并有效使用了采样电容器和dac电容器，从而提高了信噪比。所开发的mems麦克风信噪比为62.1dba，读出电路面积为0.98mm²，在1.8v下消耗电流为520μa。
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