麦克风每年的销量超过20亿，麦克风市场因其庞大的销量而备受关注。大约一半的市场是非常便宜的，低等级的麦克风用于玩具市场和其他应用，尺寸和性能不是关键参数。其余部分是便携式高端应用，如手机、耳机、数码相机、笔记本电脑等。这个市场最大的参与者是手机制造商，他们每年使用大约9亿部手机。预计年增长率为10%，手机是麦克风市场中增长最快的部分。手机体积越来越小，但功能越来越多，这就要求下一代麦克风的性能得到提高。

多年来，在电信应用中使用的麦克风一直是驻极体电容器(ECM)型。所述传声器包括膜、背板和驻极体层。活动膜和固定背板是可变电容器的极板。驻极体层存储固定电荷，对应于约100 V的电容电压。声压会使薄膜移动，改变麦克风的电容。由于电容器上的电荷是恒定的，因此电容器上的电压将随着电容的变化而变化，根据电容器上的电荷公式:

Q是电荷，单位是库仑，C是电容，单位是法拉，V是电压，单位是伏特。电容得尔塔 C随声压的微小增减会导致电压得尔塔 V成比例的增减。

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

由于没有驱动强度，电容式传声器产生的信号在进一步处理之前需要一个缓冲器/放大器。传统上，这种麦克风前置放大器是使用一个简单的结场效应晶体管(JFET)来实现的。图1显示了一个封装的基于jfet的ECM的横截面。

随着驻极体麦克风微细加工技术的进步，麦克风的尺寸越来越小，元件电容也越来越小。标准的jfet已经不够用了，因为它们相对较大的输入电容会显著地衰减来自话筒盒元件的信号。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和数字电路代替基于jfet的放大器可以获得很多好处。在现代亚微米CMOS工艺中实现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:

• 低谐波失真

• 更容易设置增益

• 多种功能模式，包括低功耗睡眠模式

• 数字转换，使麦克风与直接数字输出

• 音质大幅提升

• 更高的抗噪性

数字输出麦克风前置放大器

简单的基于jfet的放大器具有固有的低功耗，但线性度差，精度低。因此，改进麦克风设计的主要目标是将预放大与数字技术相结合，通过提高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。

手机本身就是一个嘈杂的环境。传统的JFET(实际上是任何纯粹的)解决方案的缺点是麦克风输出信号很容易被放大器和数字转换器之间的干扰信号所破坏。因此，将数字转换集成到麦克风本身提供的数字输出本质上不太容易受到干扰。

系统描述

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，然后由数字转换器转换为数字。这些模块从内部稳压电源接收其电源，确保良好的电源抑制和设备部分的独立电源。

前置放大器内置在CMOS中，在仪器放大器配置中使用两个操作跨导放大器(ota)，其中使用匹配的电容器设置增益。这种配置及其MOS输入晶体管，为电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以实现高增益精度(仅受工艺光刻的限制)和多晶硅电容器固有的高线性。放大器的增益很容易通过金属掩模编程设置，允许增益高达20 dB。数字转换器是一个四阶，单回路，单比特西格马-得尔塔调制器，其数字输出是一个单比特过采样信号。使用西格马-得尔塔调制器进行数字转换有几个优点:

• 噪声整形将量化噪声向上移动，将大部分噪声推到感兴趣的频带之外。因此，无需对电路施加严格的匹配要求即可获得高精度。

• 数字转换器使用一个单比特西格马-得尔塔调制器，因此使其固有线性。

• 单位单环调制器中只有一个积分器需要严格的设计约束。内环积分器的输出呈噪声形状，因此设计要求比较宽松。这将导致更低的功耗。

高阶西格马-得尔塔调制器的一个潜在问题是，当输入超过最大稳定幅度(MSA)时，它们容易不稳定。当高阶调制器(>2)由于过载而变得不稳定时，即使输入降低到MSA以下，也不能恢复稳定运行。为了对抗潜在的不稳定性，一个数字控制的反馈系统改变西格马-得尔塔噪声传递函数，迫使调制器回到稳定运行。

通过允许系统输入时钟频率降至1khz以下进入的下电模式，将系统所消耗的电流从400 μA降低到大约50 μA，允许用户在不需要麦克风时节省电源。从断电开始的启动时间只有10毫秒。

作为故障分析功能，特殊的测试模式可以访问电路中的各个内部节点。在启动期间，DATA引脚处有一个特殊的序言，允许故障分析工程师通过将这些节点切换到DATA引脚来访问。

噪音问题

电容式麦克风CMOS前置放大器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设置放大器直流工作点所需的输入偏置电阻R(bias)的低通滤波白噪声。a加权是为了考虑到人耳对低频的不敏感。

闪烁噪声谱密度与晶体管面积呈反比关系;它的大小，与输入有关，由

式中，K(f)为工艺相关常数，f为频率，W为MOS宽度，L为MOS长度，C(ox)为单位面积栅电容。可以通过增大输入晶体管的尺寸来减小1/ f噪声幅度。输入参考白噪声与金属氧化物半导体晶体管(MOST)的跨导g(m)成反比。

k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。对于强反转的MOST, g(m)≈2 I(d) / V(eff)，其中I(d)为漏极电流，有效电压V(eff) = V(gs) - V(th)，栅源电压减去MOST阈值电压V(th)。通过将输入对设计得非常宽，当MOST进入弱反转工作模式时，将双极类工作模式强加于其上。这里，g(m) = I(d)/ (nV(T))，其中n为斜率因子(通常为1.5)，V(T)为热电压。因此，最佳的白噪声性能是通过最大化MOST宽高比来实现的。

输入偏置电阻连接到电容源，因此其噪声将被低通滤波。假设噪声为低通滤波后的白噪声，截止频率远小于音频频带频率，则可以得到总噪声功率为kT/C，其中C为连接节点的电容。

由于趋向于更小的话筒盒和更低的话筒盒电容，这个噪声源将随着话筒盒电容的减小而增加。然而，偏置电阻产生的音频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，每将麦克风电容减半，偏置电阻的值就必须增加四倍。对于一个3-pF到5-pF的传声器电容，电阻器的最小值应该是大约10千兆赫。

在芯片上实现这种大值电阻的一个很好的解决方案是一对反平行二极管，其在平衡附近具有非常大的电阻，通常为1太欧姆至10太欧姆。对于较大的信号，电阻减小，确保在过载情况下快速稳定。图3显示了带内噪声作为R(BIAS)的函数。

前置放大器的输入晶体管的面积必须根据传声器电容进行优化。虽然，如前所述，如果输入器件做得很大，1/f噪声会降低，但信号源的电容损耗会增加，从而使信号衰减，降低宽带信噪比(SNR)。这就提出了一种权衡:如果输入器件非常小，信号源的电容损耗就变得微不足道，但1/ f噪声会急剧增加，从而降低低频信噪比。当输入器件的栅极-源电容等于传声器电容加寄生电容时，相对于1/ f噪声，最大信噪比的最佳值存在。当输入器件的栅极-源电容等于传声器电容加寄生的三分之一时，存在对白噪声的最佳抑制。在实践中，最好的折衷是栅极电容落在这两个值之间。

自引导使输入垫对整个芯片输入电容的贡献最小化。由于输出参考白噪声与g(m)成正比，因此所有电流源most都偏置在强反转区域，从而确保噪声贡献最小。

表1显示了ADAU1301麦克风前置放大器的主要特性和性能。

表1。ADAU1301的典型(除非特别说明)特性和性能

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，这将要求更高的集成度。由于在固态MEMS元件中不存在等效驻极体层，因此电容元件需要集成高压源来消除偏置。由于麦克风元件构成一个纯电容负载，不从偏置基准中吸取电流，因此该放大器系统的扩展版本将包括一个低功率片上电荷泵，从而避免了对存储电荷源的需要。

结论

为移动麦克风市场创建的麦克风前置放大器使数字输出麦克风成为可能。彻底的噪声分析产生具有低噪声的仪表前置放大器，达到所需的动态范围。低功耗西格马-得尔塔数字转换器实现了高分辨率，没有强加严格的设计约束。当不需要麦克风时，关机模式可以节省电量，从而最大限度地延长电池寿命。一个特殊的测试模式，设计给制造商方便访问，否则无法到达的节点进行测试，有一个额外的好处，使前置放大器的输出可用于检查。