迈向更紧凑的数字麦克风

作者：Jannik Hammel Nielsen and Claus Fürst

每年售出超过 900 亿个麦克风，麦克风市场因其数量而备受关注。大约一半的市场是玩具市场和其他尺寸和性能不是关键参数的应用的非常便宜的低档麦克风。其余的体积是便携式高端应用，如手机、耳机、数码相机、笔记本电脑等。该市场最大的参与者是手机制造商，他们每年使用约10亿台设备。预计年增长率为<>%，手机是麦克风市场中增长最快的部分。移动电话越来越小，同时集成了更多的功能，因此需要能够提高性能的下一代麦克风。

多年来，电信应用中使用的麦克风一直是驻极体电容（ECM）类型。麦克风包括膜、背板和驻极体层。活动膜和固定背板是可变电容器的板。驻极体层存储对应于大约 100 V 的电容器电压的固定电荷.声压会导致膜移动，从而改变麦克风的电容。由于电容器上的电荷是恒定的，因此电容器两端的电压将随着电容的变化而变化，具体取决于电容器上的电荷公式：

Q 是电荷，单位为库仑，C 是电容，单位为法拉，V 是电压，单位为伏特。随着声压，电容ΔC的微小增加和减少会导致电压ΔV成比例的减小和增加。

用于移动应用的麦克风非常小，通常直径为 3 mm 至 4 mm，厚度为 1 mm 至 1.5 mm。因此，它们的电容也相对较小。典型值约为3 pF至5 pF，在某些情况下低至1 pF。

电容式麦克风产生的信号没有驱动强度，在进一步处理之前需要缓冲器/放大器。传统上，该麦克风前置放大器是使用简单的结型场效应晶体管（JFET）实现的。图1显示了基于JFET封装的ECM的横截面。

图1.基于JFET的传声器横截面。

随着驻极体传声器的微加工改进，传声器变得更小，元件电容也减小了。标准JFET已不再足够，因为它们相对较大的输入电容会显著衰减来自麦克风盒元件的信号。幸运的是，CMOS工艺技术的改进导致了放大器电路的改进。用CMOS模拟和数字电路取代基于JFET的放大器可以获得很多好处。采用现代亚微米CMOS工艺的前置放大器已经实现并将进一步实现对传统JFET的广泛改进：

更低的谐波失真

增益设置更轻松

多种功能模式，包括低功耗的休眠模式

模数转换，使麦克风具有直接数字输出

大幅提升音质

更高的抗噪性

数字输出麦克风前置放大器

基于JFET的简单放大器具有固有的低功耗，但它们的线性度差，精度低。因此，改进麦克风设计的主要目标是将前置放大与数字技术相结合，通过改进线性度和降低噪声来增加动态范围，同时保持非常低的功耗。

手机呈现出一种固有的嘈杂环境。传统JFET（以及任何纯模拟）解决方案的一个缺点是，模拟麦克风输出信号很容易被放大器和模数转换器之间的干扰信号破坏。因此，将模数转换集成到麦克风本身中可提供数字输出，其固有性不易受到干扰源的损坏。

系统说明

集成数字输出前置放大器及其接口的框图如图2所示。麦克风元件信号首先被放大，然后通过模数转换器转换为数字信号。这些模块从内部稳压电源接收电源，确保良好的电源抑制和器件模拟部分的独立电源。

图2.采用ADAU1301麦克风前置放大器的数字麦克风系统图。

前置放大器内置于CMOS中，使用仪表放大器配置中的两个操作跨导放大器（OTA），其中增益使用匹配的电容设置。这种配置及其MOS输入晶体管为容性信号源提供了非常理想的接近零的输入导纳。使用电容器进行增益设置可实现高增益精度（仅受工艺光刻技术的限制）以及聚聚电容器固有的高线性度。放大器的增益可通过金属掩模编程轻松设置，增益高达20 dB。模数转换器是一种四阶、单环路、单位Σ-Δ调制器，其数字输出为单位过采样信号。使用 Σ-Δ 调制器进行模数转换具有以下几个优点：

噪声整形将量化噪声向上移动，将大部分噪声推到目标频带之外。因此，可以获得高精度，而不会对电路提出严格的匹配要求。

模数转换器使用一位单位Σ-Δ调制器，因此具有固有的线性特性。

单比特、单环路调制器中只有一个积分器需要严格的设计约束。内环路积分器的输出为噪声形状，设计要求宽松。这样可以降低功耗。

高阶Σ-Δ调制器的一个潜在问题是，当输入超过最大稳定幅度（MSA）时，它们容易出现不稳定。高阶调制器（>2）在因过载而变得不稳定时无法恢复稳定工作，即使输入降低到MSA以下也是如此。为了应对潜在的不稳定性，数字控制的反馈系统改变了Σ-Δ噪声传递函数，迫使调制器恢复稳定工作。

通过允许系统输入时钟频率降至1 kHz以下而进入省电模式，将系统消耗的电流从400 μA降低到大约50 μA，允许用户在不需要麦克风时节省功耗。断电启动时间仅为10 ms。

作为故障分析功能，特殊的测试模式允许访问电路中的各种内部节点。启动期间 DATA 引脚上的特殊前导码允许故障分析工程师将这些节点切换到 DATA 引脚进行访问。

噪声注意事项

电容式麦克风CMOS前置放大器中的三个主要噪声源是闪烁（1/f）噪声、来自输入晶体管的宽带白噪声和来自输入偏置电阻的低通滤波白噪声R偏见，用于设置放大器的直流工作点。应用A加权以考虑人耳对低频的不敏感。

闪烁噪声频谱密度与晶体管面积呈反比关系;它的大小，参考输入，由下式给出

哪里Kf是一个过程相关常数，f 是频率，W 是 MOS 宽度，L 是长度和C牛是每单位面积的栅极电容。1/f噪声幅度可以通过增加输入晶体管的尺寸来减小。折合到输入端的白噪声与跨导成反比，gm，金属氧化物半导体晶体管（MOST）

其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。对于强反转的 MOST，gm≈ 2Id/V伊芙哪里我d是漏极电流和有效电压，V伊芙 = VGS– V千，栅源电压减去MOST阈值电压，V千.通过将输入对设计得非常宽，当MOST进入弱反转工作模式时，对MOST施加一种类似双极性的工作模式。这里gm = 我d/(内华达州T），其中 n 是斜率因子（通常为 1.5），并且VT是热电压。因此，通过最大化MOST纵横比可以实现最佳的白噪声性能。

输入偏置电阻连接到容性源，因此其噪声将被低通滤除。假设噪声为低通滤波白噪声，截止频率远小于音频频段频率，可以证明总噪声功率为kT/C，其中C是连接到节点的电容。

由于麦克风盒电容更小的趋势，该噪声源将随着麦克风盒电容的减小而增加。但是，偏置电阻产生的音频带噪声功率也将取决于低通滤波器的截止频率。截止频率越低，音频范围内剩余的总噪声功率越小。为了保持低噪声，麦克风电容每减半，偏置电阻的值必须增加四倍。对于 3pF 至 5 pF 麦克风电容器，电阻器的最小值应约为 10 GHz 欧姆。

在片上实现如此大值电阻的一个很好的解决方案是一对反并联二极管，其在平衡附近具有非常大的电阻，通常为1 太欧至10太欧。对于较大的信号，电阻减小，确保过载情况后快速稳定。图3显示了带内噪声与R的函数关系偏见.

图3.偏置电阻的噪声。

前置放大器的输入晶体管面积必须相对于麦克风电容进行优化。虽然如前所述，如果输入器件做得非常大，1/f噪声会降低，但信号源的容性负载会增加，从而衰减信号并降低宽带信噪比（SNR）。这就提出了一个权衡：如果输入器件做得非常小，信号源的容性负载变得微不足道，但1/f噪声急剧增加，从而降低了低频SNR。当输入器件的栅源电容等于麦克风电容加上寄生电容时，相对于1/f噪声最大化SNR的最佳方法。当输入器件的栅源电容等于麦克风电容加上寄生效应的三分之一时，白噪声的最佳选择。实际上，最好的折衷方案是栅极电容介于两个值之间。

自举将输入焊盘对整体芯片输入电容的贡献降至最低。由于输出参考白噪声与gm，所有电流源MOST均偏置在强反转区域，确保噪声贡献最小。

表1显示了麦克风前置放大器ADAU1301的主要特性和性能。

表 1.ADAU1301的典型特性和性能（除非另有说明）

 

参数	价值	评论
电源	1.64 V 至 3.65 V	在整个范围内工作，但额定性能为1.8 V
电源电流	400 微安	@ VDD= 1.8 V
最大增益变化	X ± 0.4 分贝/V峰	X 是指定的增益
最大信号带宽下限	25赫兹
最小信号带宽上限	20千赫
参考输入的等效噪声电平	5 μV 有效值	A 加权
信噪比	60.6分贝	在 –27 dBFS/Pa 麦克风灵敏度下计算得出
动态范围	>86分贝	@ THD = 10%，取决于增益
输入电容	0.1 pF
最小输入电阻	15 千兆欧
启动期	500 毫秒	从VDD变为1.8 V时到ASIC增益在其最终建立值的1 dB以内建立的时间测量
最长唤醒时间	10 毫秒
时钟频率	1兆赫至 4兆赫	标称 F时钟= 2.4兆赫
时钟占空比 f直流	40% 至 60%

 

迈向完全集成的数字麦克风

这种数字输出放大器满足了ECM元件的需求，但这种组合并不完全适合新兴的MEMS麦克风市场，这将需要更高的集成度。由于固态MEMS元件中不存在相当于驻极体层的等效物，因此电容元件需要一个集成的高压源进行偏置。由于麦克风元件构成纯容性负载，不从偏置基准吸收电流，因此该放大器系统的扩展版本将包括一个低功耗片内电荷泵，从而消除了对存储电荷源的需求。

结论

为移动麦克风市场打造的麦克风前置放大器能够并自然而然地导致数字输出麦克风。彻底的噪声分析可产生具有低噪声的仪表前置放大器，从而达到所需的动态范围。低功耗Σ-Δ模数转换器可实现高分辨率，而不会施加严格的设计限制。省电模式可在不需要麦克风时节省电量，从而提供最长的电池寿命。一种特殊的测试模式，旨在使制造商能够轻松访问其他无法访问的节点进行测试，其额外的好处是使前置放大器的模拟输出可用于检查。

审核编辑：郭婷