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。