电容式MEMS麦克风读出电路设计

　　3.2低噪声低功耗单位增益缓冲器

　　较之开环运算放大器，使用单位增益缓冲器可得到比开环运放更大的输入阻抗和更小的输出阻抗，从而可以更好地屏蔽麦克风与后续信号处理电路，以避免两者之间的相互影响;同时，还可以更容易地驱动后续信号处理电路。

　　只需将运算放大器输出端与反相输入端短接，即可实现单位增益缓冲器，如图4所示。与套筒式结构相比，使用折叠结构的运算放大器最大的优点在于易于使运放的输出与输入短接，共模电平的选取也更加容易。

　　图4运算放大器

　　输入管使用尺寸较大的PMOS管，其原因主要有两个：一是与NMOS管相比，PMOS管的1/f噪声更小;二是输入管直流偏置点可以设置得更低，从而使电荷泵输出电压大部分降落在麦克风上。

　　采用不对称的输入管，反相输入管尺寸更大，其优点在于可以消除输入失调电压的影响，提高分辨率。假如设置运放反相输入端的直流偏压比正相输入端高50mV，那么，当麦克风小信号的幅值小于50mV时，读出电路分辨率将不受失调电压的影响。而且，反相输入管面积越大，闪烁噪声越小，进而减小了单位增益缓冲器的等效输入噪声。

　　工作在饱和区的MOS管的跨导与其漏极电流的平方根成正比。但是，工作在亚阈值区的MOS管的跨导与其漏极电流成正比。所以，为了在降低噪声和功耗的同时保持运放的开环增益，设计中采用工作在亚阈值区的输入管。忽略运放第二级对输入噪声的影响，音频范围内二级运放的等效输入噪声电压为：

　　(3)式主要考虑了闪烁噪声的影响。从(3)式可以看出，增大M1~M6的尺寸可以增大M1和M2的跨导，减小M3~M6的跨导可以减小闪烁噪声。需要说明的是，在设计低功耗的二级运放时，为了降低功耗，可以让运放中的一些管子工作在亚阈值区，但这是以增大管子面积、降低运放速度为代价的。在电路设计过程中，往往需要考虑多方面的因素来进行折中优化设计。

　　4电路仿真结果与分析

　　基于X-FAB 0.35μm CMOS工艺，使用Cadence软件，对MEMS麦克风读出电路进行仿真。设电荷泵输出电压为11V，麦克风静态电容为1pF，设定单位增益缓冲器输入直流电平为200mV，负载为100pF电容和100kΩ电阻的最差负载情况。输入管不对称的运放的性能参数如表1所示。

　　表1开环运算放大器的性能参数

　　电路仿真结果显示，电源电压在1.2~3.6V时，读出电路均可正常工作(当电源电压低于1.2V时，基准电流源无法正常工作，基准电流会迅速下降并趋于0，此时，读出电路因得不到合适的偏置而无法正常工作;当电源电压高于3.6V时，超过了工艺耐压的极限，极有可能对芯片造成毁灭性的损坏);读出电路静态电流小于60μA，在20Hz~20kHz的音频范围内，等效输入噪声为5.2μV，信号读出效率大于83.6%(-1.56dB)。

　　电源电压为1.2V时，读出电路的幅频响应曲线如图5所示，低频的极点频率为8.6Hz.

　　图5读出电路频率响应

　　由于运放失调电压的影响被不对称输入管消除，且电荷泵的等效输出噪声是nV量级(可以忽略不计)，所以读出电路可以处理的小信号幅度范围是50μV~200mV.本文读出电路与文献[9]读出电路的各项性能比较结果如表2所示。

　　表2读出电路性能比较

　　5结论

　　设计了一种新颖的电容式MEMS麦克风读出电路，该电路包含低极点频率的高通滤波器和低噪声的单位增益缓冲器两个部分。采用二极管连接的MOS管实现了高阻值的输入电阻，与电容式MEMS麦克风的静态电容一起组成低极点频率的高通滤波器，可读出麦克风在声压作用下产生的小信号。另外，采用两种办法来提高读出电路的分辨率：一是运放采用不对称输入管来消除失调电压的影响，二是通过增大输入管的尺寸等方法来降低运放的输入噪声。在读出电路的设计中，为了降低读出电路的功耗，使用了工作在亚阈值区的MOS管。

　　本文提供的读出电路设计方案具有噪声小、可以处理的小信号幅度范围广、功耗低等特点，可延长电池供电的便携式设备的待机时间。