基于三重采樣Δ-Σ ADC的數(shù)字電容式MEMS麥克風，可有效提高信噪比

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，韓國首爾國立大學（Seoul National University）開發(fā)了一種基于三重采樣Δ-Σ ADC的數(shù)字電容式MEMS麥克風，其中的讀出電路采用0.18μm CMOS工藝制造，面積為0.98mm2，在94dBSPL、520μA電流消耗下，A加權(quán)信噪比（SNR）為62.1dBA，三重采樣可提高4.5dBA的信噪比。

MEMS麥克風已經(jīng)成為智能手機和平板電腦的標配，也廣泛應(yīng)用于汽車和醫(yī)療設(shè)備中。與駐極體電容式麥克風（ECM）相比，MEMS麥克風更易于集成、更可保證性能一致性且尺寸更小。電容式MEMS麥克風由于其具有低噪聲性能、更高的靈敏度和更平坦的頻率響應(yīng)，比壓電式MEMS麥克風更受青睞。具有差分MEMS換能器的MEMS麥克風可提供更大的動態(tài)范圍，與單端MEMS換能器相比，往往更昂貴，也更難制造。

噪聲和靈敏度是MEMS麥克風設(shè)計中的巨大挑戰(zhàn)。為了提高靈敏度，需要更高的直流（DC）偏置電壓、更小的寄生電容、更大的MEMS電容變化和前置放大增益。然而，提高驅(qū)動換能器的電荷泵的MEMS DC偏置電壓會降低失真性能，并且不可能無限地提高DC偏置電壓。而MEMS換能器電容變化和寄生電容超出了讀出集成電路（ROIC）設(shè)計者的控制范圍。在ADC之前引入前置放大器是提高靈敏度的簡單方法，但前置放大器需要額外的功耗和噪聲預算?？删幊淘鲆媲度胧溅?Σ ADC可以降低前置放大器的功耗及其產(chǎn)生的噪聲量，但這種ADC需要額外的采樣電容器和驅(qū)動能力。

在本項工作中，研究人員使用三重采樣Δ-Σ ADC，在不改變采樣和積分階段時間的情況下，有效滿足了電容器和其它元件的要求。此外，結(jié)合現(xiàn)有方法，這種三重采樣ADC具有任何有理數(shù)的嵌入式增益，因此可編程增益放大器（PGA）是可去除的?；诖耍芯咳藛T設(shè)計了一種基于三重采樣Δ-Σ ADC而非PGA的數(shù)字電容式MEMS麥克風。

本項研究工作開發(fā)的MEMS麥克風架構(gòu)

研究人員開發(fā)的MEMS麥克風讀出電路采用0.18μm CMOS工藝制造。在性能測試實驗中，通過一個參考麥克風（持續(xù)輸出94dBSPL的1kHz信號）設(shè)置揚聲器和MEMS麥克風之間的距離，使用Audio Precision AP2722分析儀進行測試。Audio Precision AP2722分析儀向揚聲器提供1kHz正弦波，使揚聲器在麥克風處產(chǎn)生1Pa（或94dBSPL）的聲壓。在電荷泵電壓設(shè)置為約8V的情況下，不采用三重采樣時，MEMS麥克風的靈敏度為-40.5dBFS，信噪比為57.6dBA。采用三重采樣時，其靈敏度為-28.4dBFS，信噪比為62.1dBA。雖然熱噪聲增加，但是信號功率增加更大，使得信噪比提高4.5dB。

MEMS麥克風的顯微照片和測試裝置

對于94dBSPL 1kHz正弦波輸入，在（a）不使用三重采樣ADC和（b）使用三重采樣ADC的情況下測量MEMS麥克風的功率譜密度

簡而言之，研究人員提出了一種基于三重采樣Δ-Σ ADC而非PGA的數(shù)字電容式MEMS麥克風。這種設(shè)計提高了信號增幅，并有效使用了采樣電容器和DAC電容器，從而提高了信噪比。所開發(fā)的MEMS麥克風信噪比為62.1dBA，讀出電路面積為0.98mm2，在1.8V下消耗電流為520μA。