CN101640829A - 一种用于mems麦克风的数字前置放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于MEMS麦克风的数字前置放大器，所述前置放大器包括：Sigma Delta调制器和MEMS极化电压生成模块；所述Sigma Delta调制器的第一级积分器采用连续时间积分器结构，第二级以后的各级积分器采用开关电容积分器结构；该连续时间积分器的输入端采用栅极差分输入电路；所述栅极差分输入电路的尾流源分别与连续时间积分器的积分电阻和反馈电流相连。该发明解决了新一代先进音频系统对输入端的要求，大大提升传统模拟信号传输路径上的抗干扰能力，提高模拟信号的传输质量，降低物理空间和设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS音频传感器领域，特别涉及一种用于MEMS麦克风的数字前置放大器。
背景技术
音频传感器(又称麦克风)是一种将外界音频信号转换成微弱的电信号的装置。传统的麦克风在设计上是模拟的，通过一系列模拟器件完成电信号的放大、调制与合成，多数情况最终通过模数转换将模拟信号转换成数字信号进行后续处理。在模拟技术中，由于模拟信号自身抗干扰能力差，不可避免的受到射频、电磁干扰和电源噪声的影响，使得信号在传输路径上质量下降，为了保证合格的信号质量，需要大量额外的设计成本、物理空间和设计时间。
目前音频传感器的技术演变正在从传统的驻极体电容传感器(ECM)过渡到CMOS MEMS技术的新一代电容传感器。驻极体电容传感器电容极板供有永久电荷，当外界音频信号使带电荷的振动模板振动时，极板间的电压改变，从而产生表示音频信号的模拟电信号。CMOS MEMS电容传感器与驻极体电容传感器相比更像一个模拟IC而非ECM，它采用类似于IC的供电分式，直接连接到电源，电源输入和系统其余部分之间的片上隔离为元件增加了电源抑制比，使CMOS MEMS电容传感器本质上比ECM具有更强的抗电源噪声能力；其次不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS音频传感器中，由于是片上放大级，隔膜和前置放大器的间距极短，输入输出隔离更好，几乎没有可能会把电磁场耦合到传感器里，同时CMOS MEMS音频传感器还解决了使用ECM所遇到的许多机械设计和制造方面的挑战。
而新一代CMOS MEMS音频传感器技术，要求将MEMS电容传感器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，对新一代先进音频系统输入端的要求比较高。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服新一代CMOS MEMS音频传感器技术对输入端的要求，从而提供一种用于MEMS麦克风的数字前置放大器，所述数字前置放大器完成和MEMS麦克风的阻抗匹配、可变增益放大和模数转换功能。
所述前置放大器包括：Sigma Delta调制器和MEMS极化电压生成模块。
其中，所述Sigma Delta调制器是结合连续时间积分器和开关电容积分器结构的多级单环单比特Sigma Delta调制器；该多级单环单比特Sigma Delta调制器的第一级积分器采用连续时间积分器结构，第二级以后的各级积分器采用开关电容积分器结构；所述第一级连续时间积分器的输入端采用栅极差分输入电路；所述栅极差分输入电路的尾流源分别与连续时间积分器的积分电阻和反馈电流相连。
其中，所述MEMS极化电压生成模块包括：一无源低通滤波器，一电荷泵，一低压差线性稳压器和一带隙基准。
其中，所述电荷泵是由WU氏NCP-1电荷泵和Dickson电荷泵级联结构组成，并将级联结合部分重叠的元件合并。
其中，所述低压差线性稳压器由时钟频率开关控制，在关闭时钟或低于一定时钟频率时，稳压器将关闭内部工作电压和工作时钟，进入到休眠模式。
本发明的优点在于：
1、本发明提供的MEMS麦克风的数字前置放大器，其CMOS栅极的输入阻抗可以达到上G欧姆，并具有较小的输入电容，具有和MEMS电容传感器输出很好的匹配特性，可以直接与MEMS麦克风无缝连接，栅输入差分电路的尾流源和积分电阻、反馈电流相连接，积分电阻值决定了音频信号的增益放大倍数，通过选择不同阻值的积分电阻可以设计不同增益的放大倍数。
2、本发明提供的MEMS麦克风的数字前置放大器采用WU氏NCP-1电荷泵和Dickson电荷泵级联结构的电荷泵，克服了Dickson电荷泵升压慢和WU氏NCP-1电荷泵在深亚微米工艺下栅极电压容易击穿的风险。
3、在便携式应用中，由于电池电压随着使用时间和条件发生变动，本发明提供的MEMS麦克风的数字前置放大器，采用带有时钟频率开关的低压差线性稳压器，可以将外部宽摆动电压调制到一个稳定的内部工作电压，同时当外部时钟关闭或者低于一个时钟频率时，稳压器将关闭内部工作电压和工作时钟，进入到休眠模式。
4、本发明提供的MEMS麦克风的数字前置，面向新一代CMOS MEMS音频传感器技术，将MEMS电容传感器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，克服新一代CMOS MEMS音频传感器技术对输入端的要求，大大提升传统模拟信号传输路径上的抗干扰能力，提高模拟信号的传输质量，降低物理空间和设计成本。
附图说明
图1现有技术开关电容积分器结构图；
图2本发明具有栅极差分输入电路和可变增益的第一级连续时间积分器结构图；
图3本发明MEMS麦克风的数字前置放大器整体框图；
图4本发明改进电荷泵的电路图。
具体实施方式
根据本发明提供一种用于MEMS麦克风的数字前置放大器，包括：一个结合CT/SC积分器结构的单环单比特Sigma Delta调制器；一个包括带隙基准、低压差线性稳压器、电荷泵、无源低通滤波器的MEMS极化电压生成模块；为了面向便携式应用，数字前置放大器支持宽电压摆动，具有休眠模式，采用时钟频率开关的低压差线性稳压器。
数字前置放大器需要完成和MEMS麦克风的阻抗匹配、可变增益放大和模数转换功能，本发明修改了传统的单环单比特Sigma Delta调制器开关电容(SC)积分器结构，用连续时间(CT)积分器替换第一级SC积分器，将SC积分器中的电压反馈替换成CT积分器的电流反馈，SC积分器中的反馈电压和反馈系数反映到CT积分器中的反馈电流，接下来在CT积分器的输入端采用栅极差分输入电路。
开关电容(SC)积分器(switched-capacitor integrator)和连续时间(CT)积分器(continuous-time integrator)是Sigma Delta调制器设计中两种选择之一。
SC积分器的结构，如图1所示，包括采样电容Cs和积分电容Ci，输入电压Vinp、Vinn，反馈电压Vrefp、Vrefn，输出电压Voutp、Voutn，输入共模电平Vcmi，输出共模电平Vcmo，互不重叠时钟S1、S2，反馈开关P1、N1。输入和反馈电压通过采样电容完成电压到电荷的转换，采样电容和积分电容在互不重叠时钟和运算放大器控制下完成输入和反馈信号的积分。
SC积分器的优点：具有很高的稳定性；反馈电压可以直接联到积分器中；对电容匹配误差等非理想参数变化敏感度低。
SC积分器的缺点：SC积分器的输入端需要缓冲器来驱动采样电容；运算放大器为了驱动积分电容需要较大的增益带宽积(GBW)，即需要较大的功耗；反馈电压同样需要缓冲器驱动采样电容；
本发明CT积分器的结构，如图2所示，麦克风的单端输入信号IN连接到PMOS器件的栅极上，使用PMOS器件差分对的栅极作为输入端是因为它具有很高的输入阻抗，并且具有低于地400mV左右的输入电压范围，完全可以满足麦克风的需求。差分对M1和M2将输入IN的电压信号转换成电流信号，映射到电阻Rs上，同时积分器的反馈电流Ifb通过运放积分到反馈电容Cf上。
CT积分器的优点：可以设计成高输入阻抗的结构；具有低噪声带宽；相同情况下，与SC积分器比较，CT积分器中运算放大器的GBW不需要太大，降低了功耗；反馈采用电流源，不需要驱动电路；可以单独输入等优势。
CT积分器的缺点：对非理想参赛较为敏感、匹配性要求高。
本发明中，MEMS麦克风一端和数字前置放大器直接连接，麦克风有很高的输出阻抗，产生微伏级的小信号，因此第一级采用具有高输入阻抗、低噪声的CT积分器，后续级采用稳定性高、低敏感的SC积分器的Sigma Delta调制器是数字前置放大器设计的最佳方案。
CMOS栅极的输入阻抗可以达到上G欧姆，并具有较小的输入电容，具有和MEMS电容传感器输出很好的匹配特性，可以直接与MEMS麦克风无缝连接，栅输入差分电路的尾流源和积分电阻、反馈电流相连接，积分电阻值决定了音频信号的增益放大倍数，通过选择不同阻值的积分电阻可以设计不同增益的放大倍数。
为了保证MEMS麦克风正常工作，本发明包括MEMS极化电压生成模块，该模块包括一个与温度无关的带隙基准，一个低压差线性稳压器，一个改进的电荷泵和无源低通滤波器。改进的电荷泵采用WU氏NCP-1电荷泵和Dickson电荷泵级联结构，克服了Dickson电荷泵升压慢和WU氏NCP-1电荷泵在深亚微米工艺下栅极电压容易击穿的风险。
在便携式应用中，由于电池电压随着使用时间和条件发生变动，本发明采用带有时钟频率开关的低压差线性稳压器，可以将外部宽摆动电压调制到一个稳定的内部工作电压，同时当外部时钟关闭或者低于一个时钟频率时，稳压器将关闭内部工作电压和工作时钟，进入到休眠模式。
在优先实施例中，数字前置放大器采用3阶单环单比特Sigma Delta调制器结构，第一级采用连续时间积分器结构，第二、三级采用开关电容积分器结构；第一级连续时间积分器具有3.5倍增益放大；改进电荷泵采用6级WU氏NCP-1电荷泵和4级Dickson电荷泵级联结构，MEMS极化电压为7.5V。
图3是MEMS麦克风的数字前置放大器整体框图，其中带隙基准和低压差线性稳压器共用在Sigma Delta调制器和极化电压生成模块，在外部电源电压宽摆幅情况下，两者配合产生放大器内部所需的稳定的工作电压和参考电压，低压差线性稳压器由时钟频率控制，当外部时钟关闭或者低于一个时钟频率时，稳压器将关闭内部工作电压和工作时钟，放大器进入到休眠模式；Sigma Delta调制器由CT积分器和SC积分器构成，其中第一级CT积分器完成了传统音频路径上单位缓冲、增益放大和调制器第一积分的功能。
具有栅极差分输入电路和可变增益的第一级连续时间积分器，CT积分器的电流反馈替代了SC积分器的电压反馈，反馈电流Ifb由SC积分器的反馈电压和采用电容决定；CT积分器的栅极差分输入电路(M1/M2)很好的匹配了MEMS麦克风的阻抗特性；积分电阻Rs决定了CT积分器增益放大倍数；MOS开关Ms和非重叠时钟phi1、phi2控制反馈的正负极性；负载电阻Rd决定运算放大器的输入电平；平衡时钟Rclk用来调节反馈电流。
图4是改进电荷泵的电路图，Wu氏NCP-1电荷泵与Dickson电荷泵相级联，并在级联结合部分对重叠的元件相合并。
Claims (4)
1、一种用于MEMS麦克风的数字前置放大器，所述前置放大器包括：Sigma Delta调制器和MEMS极化电压生成模块，其特征在于，
所述Sigma Delta调制器是结合连续时间积分器和开关电容积分器结构的多级单环单比特Sigma Delta调制器；该多级单环单比特Sigma Delta调制器的第一级积分器采用连续时间积分器结构，第二级及以后的各级积分器采用开关电容积分器结构；所述第一级的连续时间积分器的输入端采用栅极差分输入电路；所述栅极差分输入电路的尾流源分别与连续时间积分器的积分电阻和反馈电流相连。
2、根据权利要求1所述的数字前置放大器，其特征在于，所述MEMS极化电压生成模块包括：一无源低通滤波器，一电荷泵，一低压差线性稳压器和一带隙基准。
3、根据权利要求2所述的数字前置放大器，其特征在于，所述电荷泵是由WU氏NCP-1电荷泵和Dickson电荷泵级联结构组成，并将级联结合部分重叠的元件合并。
4、根据权利要求1所述的数字前置放大器，其特征在于，所述低压差线性稳压器由时钟频率开关控制，在关闭时钟或低于一定时钟频率时，稳压器将关闭内部工作电压和工作时钟，进入到休眠模式。
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