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MEMS麦克风读出电路设计

MEMS麦克风读出电路设计

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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

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