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研究?jī)?nèi)容

近日，浙江大學(xué)集成電路學(xué)院羅宇軒研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《IEEE固態(tài)電路雜志》（IEEE Journal of Solid-State Circuits，簡(jiǎn)稱JSSC）上發(fā)表題為“A 430uA 68.2-dB-SNR 133-dBSPL-AOP CMOS-MEMS Digital Microphone based on Electrostatic Force Feedback Control” 的論文，該工作為頂級(jí)會(huì)議VLSI 2024會(huì)議特邀論文。該論文的共同第一作者為博士研究生董佳奇和碩士研究生張棋，通訊作者為羅宇軒研究員。

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研究背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，消費(fèi)類電子產(chǎn)品對(duì)低功耗、高精度、小體積的麥克風(fēng)的需求激增。微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 麥克風(fēng)因其高靈敏度、優(yōu)異的信噪比和適合集成的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于高性能音頻采集領(lǐng)域。作為語(yǔ)音信號(hào)的核心采集部件，數(shù)字麥克風(fēng)需要在低功耗的同時(shí)，滿足高動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range, DR)、高信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)、和高聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)(Acoustic Overload Point, AOP)等要求。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，提升信噪比和擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍往往需要更高的功耗支持，而低功耗設(shè)計(jì)則會(huì)因供電電壓的降低而壓縮動(dòng)態(tài)范圍。因此，如何在低壓供電的條件下實(shí)現(xiàn)高信噪比和寬動(dòng)態(tài)范圍，成為麥克風(fēng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵難題。為此，課題組提出了一種基于靜電力反饋控制(Electrostatic Force Feedback Control, EFFC)技術(shù)的CMOS-MEMS數(shù)字麥克風(fēng)，突破了傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，顯著提高了其聲學(xué)動(dòng)態(tài)范圍。

數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)示意圖

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課題亮點(diǎn)

本研究提出的靜電力反饋技術(shù)，充分利用了電容式MEMS麥克風(fēng)的物理特性，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的幅度進(jìn)行快速檢測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)器件的偏置電壓，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整MEMS麥克風(fēng)的靈敏度，拓展了系統(tǒng)的聲學(xué)動(dòng)態(tài)范圍。這種機(jī)制不僅能夠有效保證系統(tǒng)的信噪比性能，還可以顯著降低前端讀出電路的噪聲要求。相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，該技術(shù)利用機(jī)械增益代替部分電學(xué)增益，減少了對(duì)低噪聲放大器的依賴，降低了系統(tǒng)能耗。

數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)框圖

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研究成果

基于上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)，課題組通過(guò)CMOS工藝流片了一款數(shù)字麥克風(fēng)ASIC芯片，芯片面積為1x1mm2，通過(guò)MEMS集成封裝技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了 3x4 mm2的微型封裝規(guī)格。在1.8V供電電壓、3.072MHz時(shí)鐘頻率的條件下，設(shè)計(jì)的數(shù)字麥克風(fēng)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)聲壓輸入下實(shí)現(xiàn)了68.2 dB的信噪比，聲學(xué)過(guò)載點(diǎn)為133 dBSPL，并且僅消耗430μA的供電電流。該數(shù)字麥克風(fēng)芯片在聲學(xué)性能相當(dāng)?shù)那闆r下，使芯片功耗下降了47%。

數(shù)字麥克風(fēng)性能對(duì)照表

數(shù)字麥克風(fēng)測(cè)試柔性板

數(shù)字麥克風(fēng)MEMS-ASIC打線顯微照片

文章信息

標(biāo)題：A 430uA 68.2-dB-SNR 133-dBSPL-AOP CMOS-MEMS Digital Microphone based on Electrostatic Force Feedback Control

作者：Qi Zhang，Jiaqi Dong，Xinwen Zhang，Yekan Chen，Zipeng Cheng，Bo Zhao，Yuxuan Luo

DOI: 10.1109/VLSITechnologyandCir46783.2024.10631490

期刊：IEEE Journal of Solid-State Circuits

原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10631490

研究團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

羅宇軒

浙江大學(xué)集成電路學(xué)院百人計(jì)劃研究員

長(zhǎng)期從事模擬/混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)和傳感器ASIC芯片的研究與開(kāi)發(fā)工作，主持多項(xiàng)國(guó)家項(xiàng)目，發(fā)表的學(xué)術(shù)論文包括集成電路領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE JSSC以及頂級(jí)會(huì)議ISSCC、VLSI，并獲得由新加坡工程協(xié)會(huì)（The Institution of Engineers, Singapore）頒發(fā)的2018年度IES Prestigious Engineering Achievement Awards，任IEEE Senior Member，任《微納電子與智能制造》期刊編委，任IEEE ICTA技術(shù)委員會(huì)成員及IEEE APCCAS會(huì)議分會(huì)主席。