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高精度数字麦克风读出技术研究

高精度数字麦克风读出技术研究

作者：肖健西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着半导体及MEMS技术的发展与成熟,消费类电子产品呈小型化、智能化趋势发展,对拾声单元要求也逐步提高。数字MEMS麦克风以其集成度高、成本低、抗干扰性强、稳定性高等特点正在逐步取代驻极体麦克风。本论文紧跟发展趋势,对数字MEMS... 详细信息

随着半导体及MEMS技术的发展与成熟,消费类电子产品呈小型化、智能化趋势发展,对拾声单元要求也逐步提高。数字MEMS麦克风以其集成度高、成本低、抗干扰性强、稳定性高等特点正在逐步取代驻极体麦克风。本论文紧跟发展趋势,对数字MEMS麦克风读出技术进行了系统性研究,并重点关注影响麦克风精度的两个关键性指标。数字MEMS麦克风读出技术主要体现在三个方面:1.为MCM传感器提供偏置高压;2.读取并预放大传感器输出信号;3.完成模数转换实现数字输出。论文根据研究内容设计了一款高精度数字输出MEMS麦克风读出芯片,验证了研究内容,论述了设计中的考虑因素。本文研究工作如下:1.在麦克风读出技术中着重考虑了非线性指标,摒弃了传统读出电路中只重视噪声的方式。随着MCM灵敏度的提高,电路的非线性愈加严重,谐波失真对音质的影响力将和噪声一样。前置放大器采用高线性度结构,通过高负反馈系数稳定输入管三端间电压,5mV正弦输入谐波失真为0.001572%。2.带隙基准采用了低噪声结构,1kHz附近等效输出噪声为Hz248.1nV/;对前置放大器进行了噪声与线性度的折中,折中后的等效输入噪声在1kHz附近为（?）。3.电荷泵采用改进的四相时钟电荷泵,有效防止了电荷逆流,减小了输出电压纹波峰峰值,有效降低了MCM传感器因偏置电压不稳定而产生的噪声。4.采用四阶Sigma-delta ADC进行过采样与噪声整形,提高了SQNR;采用全前馈结构降低了电路非线性对信号的影响;采用一个内部反馈节点优化NTF（Z）零点,进一步降低了带内量化噪声。5.积分器中的OTA直流增益高达94dB,单位增益带宽高达109MHz,有效降低了非理想因素对Sigma-delta ADC的影响。读出电路采用Dongbu Hitek 0.18μm BCD工艺进行设计,使用Cadence IC和Matlab进行仿真验证,并进行版图布局设计。整体电路SINAD达到103.2dB,折合ENOB达到16.85Bit,满足高精度设计要求。

关键词：数字麦克风线性度低噪声 Sigma-Delta模数转换器全前馈结构

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基于PPA分析与优化的数字麦克风IC设计

基于PPA分析与优化的数字麦克风IC设计

作者：李思源西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,移动智能终端设备普及,不仅智能手机已成为现代人的标配,可穿戴智能设备也日渐受到消费者的青睐。触控操作体验和应用已经不足以满足消费者的需求和要求,语音控制拍照、语音导航、语音唤醒系统等功能已经风靡各种终端。语音识别... 详细信息

近年来,移动智能终端设备普及,不仅智能手机已成为现代人的标配,可穿戴智能设备也日渐受到消费者的青睐。触控操作体验和应用已经不足以满足消费者的需求和要求,语音控制拍照、语音导航、语音唤醒系统等功能已经风靡各种终端。语音识别、语音控制技术的发展为智能手机、可穿戴设备以及通信领域带来了新的发展机遇和挑战。然而,长时间采集语音流所带来的高能耗已成为移动终端尤其是可穿戴设备应用推广所面临的重大难题。本文研究可穿戴设备中语音控制模块数字麦克风IC(Digital Microphone Integrated Circuit,DMIC)的低功耗设计。DMIC主要功能是源源不断接收外界声音信号,处理并缓存20ms语音数据并与数字处理器完成数据交互通信。本文系统研究了现有低功耗设计方法,深入分析了数字麦克风芯片的功耗来源。在此基础上介绍了数字麦克风的背景设计芯片:系统级芯片(System on Chip,So C)和电源管理芯片(Power Management IC,PMIC)。鉴于可穿戴设备对芯片功耗的严格要求,区别于传统的将DMIC集成入So C的设计方式,本文提出将DMIC集成在电源管理芯片中的设计方案。采用区分电压域、时钟门控技术以及20ms分时唤醒DSP的设计思想,定义DMIC顶层结构,将DMIC划分为语音数据存储模块、DMIC控制器和外部通信接口三大部分。并使用硬件描述语言完成各个子模块的RTL设计。然后根据UVM验证方法学,搭建验证平台,编写测试激励。采用Qusetasim仿真工具对DMIC做功能验证。然后,基于Intel 65nm工艺的标准单元库,利用Design Complier工具对RTL设计做综合,预估芯片功耗和面积。根据综合结果定制SRAM进一步优化存储模块面积和DMIC功耗,最终得到功能正确无误,性能、功耗、面积三者折衷的DMIC优化设计。本文一方面在DMIC系统级设计中,将DMIC集成在PMIC中,利用PMIC的常开时钟域和常开电源域维持DMIC的工作,大幅降低了传统设计中So C时钟空翻和电源常开带来的动态功耗;采用20ms计数器分时唤醒数字处理器,使处理器在不接收数据时处于睡眠状态,降低其功耗。另一方面,在RTL设计阶段,根据DMIC传数性能要求定制设计SPI外部接口逻辑;定制SRAM及格雷码作地址编码对异步存储模块进行低功耗设计。本文通过在系统级和RTL级设计中综合使用低功耗技术,最终使DMIC的功耗从250mW降低至25mW。

关键词：数字麦克风电源管理芯片低功耗设计 UVM验证综合

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基于嵌入式系统的数字麦克风

基于嵌入式系统的数字麦克风

作者：徐宇亮苏州大学

学位级别：硕士

本文研究基于嵌入式系统的数字麦克风。这种数字麦克风集成了前置放大处理、模数转换、AES3编码器，以数字信号方式进行传输，避免了干扰。在应用了微控制器的基础上，很方便地实现了数字麦克风和数字音频控制台之间的双向控制通信。 ... 详细信息

本文研究基于嵌入式系统的数字麦克风。这种数字麦克风集成了前置放大处理、模数转换、AES3编码器，以数字信号方式进行传输，避免了干扰。在应用了微控制器的基础上，很方便地实现了数字麦克风和数字音频控制台之间的双向控制通信。论文分析了国内外数字麦克风的发展现状，实现了数字麦克风的硬件设计，研制了符合实际应用需求的数字麦克风双向控制通信协议，并对双向控制通信协议进行初步验证。文中详细论述了数字麦克风系统的架构，设计了新的数字麦克风接口、电源管理、通信传输方式等，详细描述了每个功能块的电路原理，对某些部分的电路进行了仿真。论文重点论述了双向控制通信协议的详细内容，包括：数字麦克风系统主从关系的设定、时间片的定义、通信数据的结构、各种通信的状态、麦克风的详细设置参数等。最后基于嵌入式系统平台，对数字麦克风双向控制通信协议进行了初步的验证，各项功能达到了预计的目标。本文所设计的数字麦克风，基于微控制器的应用，很方便地实现了双向控制通信，而根据实际需求制定的双向控制通信协议体现了实用性、完整性和扩展性。

关键词：数字麦克风 AES3 微控制器串行通信

数字麦克风将使基于互连网的语音通信更加普及

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电子产品世界 2006年第12期 26-27页

在美国硅谷由Globalpress举办的全球电子峰会(ElectronicsSummit2006)上,Akustica公司总裁兼CEOJamesRock就基于MEMS技术的数字麦克风解决方案介绍了Akustica公司最新进展,以及对于基于互连网的语音通信的影响,以下是部分内容。

关键词：数字麦克风 MEMS 语音通信互连网计算机通信网

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基于数字麦克风的WIFI语音发射机

电子测试 2018年第23期29卷 11-12页

作者：张天予蔡希昌舒浪罗一夫张浩鞠浩然张敏敏北方工业大学北京100144

相比于传统的模拟麦克风,数字麦克风具有抗干扰能力强、成本低以及小型化等优点。WIFI网络具有速度快、布线方便等优点,适用于局域网内传输音频数据。本项目由此出发,研制一种基于数字麦克风的WIFI语音发射机。

关键词：数字麦克风 WIFI STM32 语音发射机

A2B技术和数字麦克风如何在新兴汽车应用中实现出色的性能

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世界电子元器件 2022年第1期 23-29页

作者： Ken Waurin Dietmar Ruwisch Yu Du 不详

这篇关于Automotive Audio Bus®(A2B®,汽车音频总线)技术的文章介绍数字麦克风和连接技术的最新进展。这些创新正在促使支持新世代汽车信息娱乐系统的变革性应用得到迅速采用。市场和应用概况在汽车座舱电子市场,随着汽车制造商努力实... 详细信息

这篇关于Automotive Audio Bus®(A2B®,汽车音频总线)技术的文章介绍数字麦克风和连接技术的最新进展。这些创新正在促使支持新世代汽车信息娱乐系统的变革性应用得到迅速采用。市场和应用概况在汽车座舱电子市场,随着汽车制造商努力实现车辆差异化以区别于竞争对手,一个越来越明显的趋势是音频、语音和声学相关应用正在迅速扩张。

关键词：电子市场变革性数字麦克风差异化新世代

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一种用于数字麦克风的低功耗低压LDO

一种用于数字麦克风的低功耗低压LDO

第十届中国科协年会

作者：华斯亮刘岩王东辉侯朝焕中国科学院声学研究所

数字麦克风具有抗干扰能力强,集成度高,易于使用等优点,用于对功耗、体积敏感的便携式设备。本文研究用于数字麦克风的低压差线性稳压器(LDO)。该LDO除了具有稳压功能,为系统提供稳定和确定的电压外,还能在时钟频率低于休眠频率时,使数... 详细信息

数字麦克风具有抗干扰能力强,集成度高,易于使用等优点,用于对功耗、体积敏感的便携式设备。本文研究用于数字麦克风的低压差线性稳压器(LDO)。该LDO除了具有稳压功能,为系统提供稳定和确定的电压外,还能在时钟频率低于休眠频率时,使数字麦克风进入休眠状态。流片测试表明,LDO电压调节范围为1.6～3.5V,休眠频率为40～60kHz,芯片待机电流为9μA。

关键词：低压差线性稳压器 LDO 数字麦克风频率

来源： cnki会议评论

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一种用于驻极体麦克风的数字前置放大器设计

一种用于驻极体麦克风的数字前置放大器设计

第十届中国科协年会

作者：刘岩华斯亮王东辉侯朝焕中国科学院声学所

传统的模拟麦克风由于自身抗干扰能力差,很难满足新一代音频系统对输入端的要求,本文提出了一种数字前置放大器技术,可以与驻极体麦克风进行无缝连接,能够将麦克风产生的微弱的电信号直接转换成后续数字设计平台所需的数字信号,能够对... 详细信息

传统的模拟麦克风由于自身抗干扰能力差,很难满足新一代音频系统对输入端的要求,本文提出了一种数字前置放大器技术,可以与驻极体麦克风进行无缝连接,能够将麦克风产生的微弱的电信号直接转换成后续数字设计平台所需的数字信号,能够对信号进行可编程增益放大,具有面向便携式应用的宽电压摆动和低功耗设计。测试结果表明数字前置放大器动态范围达到88dB,等效输入参考噪声为5μVrms,正常工作功耗为720μW,休眠模式下消耗电流不超过10μA,与传统模拟麦克风相比,数字前置放大器构成的数字麦克风可以提供更好的信噪比、更高的集成度、更低的功耗和更强的抗干扰能力。

关键词：数字麦克风连续时间积分器低压差线性稳压器驻极体电容麦克风

来源： cnki会议评论

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MEMS麦克风读出电路设计

MEMS麦克风读出电路设计

作者：陈庆南西安电子科技大学

学位级别：硕士

本论文针对MEMS电容式麦克风(MCM)传感器的读出接口电路,提出两种芯片设计方案:模拟麦克风系统、数字麦克风系统。目前,基于语音进行人机交互的智能设备,如传统的智能手机和新兴的智能音响等都在快速地发展,使得对于语音拾取芯片的需求... 详细信息

本论文针对MEMS电容式麦克风(MCM)传感器的读出接口电路,提出两种芯片设计方案:模拟麦克风系统、数字麦克风系统。目前,基于语音进行人机交互的智能设备,如传统的智能手机和新兴的智能音响等都在快速地发展,使得对于语音拾取芯片的需求也在成倍地增长,MCM作为一种新型的声学传感器,微型化、高可靠及易于集成的优势使其对驻极体麦克风(ECM)形成不可逆转的替代趋势,因此为其设计专用集成电路(ASIC)变得很重要且有意义。论文对MCM的基本特性进行分析和研究,MCM传感器感应声压引起微弱的电容变化形成输出信号,通过读出接口电路将MCM传感器的输出转换成电学信号(模拟或者数字)。由于信号很微弱,要实现较高的信噪比,就对读出电路设计中的噪声处理提出很高的要求。本文对两种设计方案中的具体电路进行详细地介绍,并重点对电路中噪声处理和低噪声的实现做细致地分析。模拟麦克风系统将MCM传感器输出的微弱电信号读出,并通过前置放大器进行放大,最后输出放大的模拟信号。系统设计为宽电源电压适应范围(1.5-5V),本文对各主要子模块的低压结构实现方法、接口偏置方案的实现、信号链电路噪声处理等设计细节进行详尽地介绍和仿真分析。设计方案已采用Dongbu HiTek 0.18μm BCD工艺流片并测试通过,测试结果为:(1)在声压1pa频率1KHz的条件下,信噪比典型值为62dB;(2)芯片输出阻抗的最大值小于50Ω;(3)灵敏度范围:-2024dB@1KHz,Preamp set 20dB;(4)THD+N(总谐波失真加噪声)小于0.5%;(5)电源电压适应范围(1.5-5V),功耗为210μA。数字麦克风系统采用全差分结构,读出MCM微弱信号的变化并进行放大,对放大的信号使用Sigma-Delta ADC进行模数转换,输出信号为脉冲密度调制(PDM)的数据流。系统电源电压适应范围为2.8-3.6V,本文对其全差分读出接口偏置方法、低噪声前置放大器、四阶高精度Sigma-Delta ADC的具体设计实现进行详细地介绍和仿真分析。

关键词： MCM 低噪声模拟麦克风数字麦克风 Sigma-Delta ADC