邁向更緊湊的數字麥克風

作者：Jannik Hammel Nielsen and Claus Fürst

每年售出超過 900 億個麥克風，麥克風市場因其數量而備受關注。大約一半的市場是玩具市場和其他尺寸和性能不是關鍵參數的應用的非常便宜的低檔麥克風。其余的體積是便攜式高端應用，如手機、耳機、數碼相機、筆記本電腦等。該市場最大的參與者是手機制造商，他們每年使用約10億臺設備。預計年增長率為<>%，手機是麥克風市場中增長最快的部分。移動電話越來越小，同時集成了更多的功能，因此需要能夠提高性能的下一代麥克風。

多年來，電信應用中使用的麥克風一直是駐極體電容（ECM）類型。麥克風包括膜、背板和駐極體層?；顒幽ず凸潭ū嘲迨强勺?a target="_blank">電容器的板。駐極體層存儲對應于大約 100 V 的電容器電壓的固定電荷.聲壓會導致膜移動，從而改變麥克風的電容。由于電容器上的電荷是恒定的，因此電容器兩端的電壓將隨著電容的變化而變化，具體取決于電容器上的電荷公式：

Q 是電荷，單位為庫侖，C 是電容，單位為法拉，V 是電壓，單位為伏特。隨著聲壓，電容ΔC的微小增加和減少會導致電壓ΔV成比例的減小和增加。

用于移動應用的麥克風非常小，通常直徑為 3 mm 至 4 mm，厚度為 1 mm 至 1.5 mm。因此，它們的電容也相對較小。典型值約為3 pF至5 pF，在某些情況下低至1 pF。

電容式麥克風產生的信號沒有驅動強度，在進一步處理之前需要緩沖器/放大器。傳統上，該麥克風前置放大器是使用簡單的結型場效應晶體管（JFET）實現的。圖1顯示了基于JFET封裝的ECM的橫截面。

圖1.基于JFET的傳聲器橫截面。

隨著駐極體傳聲器的微加工改進，傳聲器變得更小，元件電容也減小了。標準JFET已不再足夠，因為它們相對較大的輸入電容會顯著衰減來自麥克風盒元件的信號。幸運的是，CMOS工藝技術的改進導致了放大器電路的改進。用CMOS模擬和數字電路取代基于JFET的放大器可以獲得很多好處。采用現代亞微米CMOS工藝的前置放大器已經實現并將進一步實現對傳統JFET的廣泛改進：

更低的諧波失真

增益設置更輕松

多種功能模式，包括低功耗的休眠模式

模數轉換，使麥克風具有直接數字輸出

大幅提升音質

更高的抗噪性

數字輸出麥克風前置放大器

基于JFET的簡單放大器具有固有的低功耗，但它們的線性度差，精度低。因此，改進麥克風設計的主要目標是將前置放大與數字技術相結合，通過改進線性度和降低噪聲來增加動態范圍，同時保持非常低的功耗。

手機呈現出一種固有的嘈雜環境。傳統JFET（以及任何純模擬）解決方案的一個缺點是，模擬麥克風輸出信號很容易被放大器和模數轉換器之間的干擾信號破壞。因此，將模數轉換集成到麥克風本身中可提供數字輸出，其固有性不易受到干擾源的損壞。

系統說明

集成數字輸出前置放大器及其接口的框圖如圖2所示。麥克風元件信號首先被放大，然后通過模數轉換器轉換為數字信號。這些模塊從內部穩壓電源接收電源，確保良好的電源抑制和器件模擬部分的獨立電源。

圖2.采用ADAU1301麥克風前置放大器的數字麥克風系統圖。

前置放大器內置于CMOS中，使用儀表放大器配置中的兩個操作跨導放大器（OTA），其中增益使用匹配的電容設置。這種配置及其MOS輸入晶體管為容性信號源提供了非常理想的接近零的輸入導納。使用電容器進行增益設置可實現高增益精度（僅受工藝光刻技術的限制）以及聚聚電容器固有的高線性度。放大器的增益可通過金屬掩模編程輕松設置，增益高達20 dB。模數轉換器是一種四階、單環路、單位Σ-Δ調制器，其數字輸出為單位過采樣信號。使用 Σ-Δ 調制器進行模數轉換具有以下幾個優點：

噪聲整形將量化噪聲向上移動，將大部分噪聲推到目標頻帶之外。因此，可以獲得高精度，而不會對電路提出嚴格的匹配要求。

模數轉換器使用一位單位Σ-Δ調制器，因此具有固有的線性特性。

單比特、單環路調制器中只有一個積分器需要嚴格的設計約束。內環路積分器的輸出為噪聲形狀，設計要求寬松。這樣可以降低功耗。

高階Σ-Δ調制器的一個潛在問題是，當輸入超過最大穩定幅度（MSA）時，它們容易出現不穩定。高階調制器（>2）在因過載而變得不穩定時無法恢復穩定工作，即使輸入降低到MSA以下也是如此。為了應對潛在的不穩定性，數字控制的反饋系統改變了Σ-Δ噪聲傳遞函數，迫使調制器恢復穩定工作。

通過允許系統輸入時鐘頻率降至1 kHz以下而進入省電模式，將系統消耗的電流從400 μA降低到大約50 μA，允許用戶在不需要麥克風時節省功耗。斷電啟動時間僅為10 ms。

作為故障分析功能，特殊的測試模式允許訪問電路中的各種內部節點。啟動期間 DATA 引腳上的特殊前導碼允許故障分析工程師將這些節點切換到 DATA 引腳進行訪問。

噪聲注意事項

電容式麥克風CMOS前置放大器中的三個主要噪聲源是閃爍（1/f）噪聲、來自輸入晶體管的寬帶白噪聲和來自輸入偏置電阻的低通濾波白噪聲R偏見，用于設置放大器的直流工作點。應用A加權以考慮人耳對低頻的不敏感。

閃爍噪聲頻譜密度與晶體管面積呈反比關系;它的大小，參考輸入，由下式給出

哪里Kf是一個過程相關常數，f 是頻率，W 是 MOS 寬度，L 是長度和C牛是每單位面積的柵極電容。1/f噪聲幅度可以通過增加輸入晶體管的尺寸來減小。折合到輸入端的白噪聲與跨導成反比，gm，金屬氧化物半導體晶體管（MOST）

其中k是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度。對于強反轉的 MOST，gm≈ 2Id/V伊芙哪里我d是漏極電流和有效電壓，V伊芙 = VGS– V千，柵源電壓減去MOST閾值電壓，V千.通過將輸入對設計得非常寬，當MOST進入弱反轉工作模式時，對MOST施加一種類似雙極性的工作模式。這里gm = 我d/(內華達州T），其中 n 是斜率因子（通常為 1.5），并且VT是熱電壓。因此，通過最大化MOST縱橫比可以實現最佳的白噪聲性能。

輸入偏置電阻連接到容性源，因此其噪聲將被低通濾除。假設噪聲為低通濾波白噪聲，截止頻率遠小于音頻頻段頻率，可以證明總噪聲功率為kT/C，其中C是連接到節點的電容。

由于麥克風盒電容更小的趨勢，該噪聲源將隨著麥克風盒電容的減小而增加。但是，偏置電阻產生的音頻帶噪聲功率也將取決于低通濾波器的截止頻率。截止頻率越低，音頻范圍內剩余的總噪聲功率越小。為了保持低噪聲，麥克風電容每減半，偏置電阻的值必須增加四倍。對于 3pF 至 5 pF 麥克風電容器，電阻器的最小值應約為 10 GHz 歐姆。

在片上實現如此大值電阻的一個很好的解決方案是一對反并聯二極管，其在平衡附近具有非常大的電阻，通常為1 太歐至10太歐。對于較大的信號，電阻減小，確保過載情況后快速穩定。圖3顯示了帶內噪聲與R的函數關系偏見.

圖3.偏置電阻的噪聲。

前置放大器的輸入晶體管面積必須相對于麥克風電容進行優化。雖然如前所述，如果輸入器件做得非常大，1/f噪聲會降低，但信號源的容性負載會增加，從而衰減信號并降低寬帶信噪比（SNR）。這就提出了一個權衡：如果輸入器件做得非常小，信號源的容性負載變得微不足道，但1/f噪聲急劇增加，從而降低了低頻SNR。當輸入器件的柵源電容等于麥克風電容加上寄生電容時，相對于1/f噪聲最大化SNR的最佳方法。當輸入器件的柵源電容等于麥克風電容加上寄生效應的三分之一時，白噪聲的最佳選擇。實際上，最好的折衷方案是柵極電容介于兩個值之間。

自舉將輸入焊盤對整體芯片輸入電容的貢獻降至最低。由于輸出參考白噪聲與gm，所有電流源MOST均偏置在強反轉區域，確保噪聲貢獻最小。

表1顯示了麥克風前置放大器ADAU1301的主要特性和性能。

表 1.ADAU1301的典型特性和性能（除非另有說明）

邁向完全集成的數字麥克風

這種數字輸出放大器滿足了ECM元件的需求，但這種組合并不完全適合新興的MEMS麥克風市場，這將需要更高的集成度。由于固態MEMS元件中不存在相當于駐極體層的等效物，因此電容元件需要一個集成的高壓源進行偏置。由于麥克風元件構成純容性負載，不從偏置基準吸收電流，因此該放大器系統的擴展版本將包括一個低功耗片內電荷泵，從而消除了對存儲電荷源的需求。

結論

為移動麥克風市場打造的麥克風前置放大器能夠并自然而然地導致數字輸出麥克風。徹底的噪聲分析可產生具有低噪聲的儀表前置放大器，從而達到所需的動態范圍。低功耗Σ-Δ模數轉換器可實現高分辨率，而不會施加嚴格的設計限制。省電模式可在不需要麥克風時節省電量，從而提供最長的電池壽命。一種特殊的測試模式，旨在使制造商能夠輕松訪問其他無法訪問的節點進行測試，其額外的好處是使前置放大器的模擬輸出可用于檢查。

審核編輯：郭婷