引言
傳聲器每年的銷售量超過二十億只，鑒于如此巨大的銷量引起傳聲器市場的關(guān)注。在傳聲器市場中，大約一半是非常廉價的低檔傳聲器，面向玩具市場以及對尺寸和性能參數(shù)要求不太嚴(yán)格的其它應(yīng)用。另一半是便攜式、高端應(yīng)用市場，例如移動電話、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等。這個市場中的巨擘是移動電話制造商，他們每年使用九億只傳聲器。按照預(yù)測的10%年增長率，移動電話被視為傳聲器市場中增速最快的部分。移動電話的體積越來越小，而功能越來越多，因此對下一代傳聲器性能的要求不斷提高。
多年以來，通信應(yīng)用中所采用的傳聲器一直是駐極體電容式傳聲器（ECM）。這種傳聲器由振膜、背板和駐極體層構(gòu)成。可移動的振膜和固定的背板構(gòu)成了可變電容器的兩個極板。駐極體層存儲著相當(dāng)于大約100 V電容器電壓的固定電荷。聲壓引起振膜振動，從而改變傳聲器的電容。由于分布在電容器上的電荷數(shù)是恒定的，所以電容器兩端的電壓隨著電容的改變而變化，根據(jù)下面的電容器電荷公式：
其中，Q是電荷，單位是庫侖；C是電容，單位是法拉；V是電壓，單位是伏特。隨著聲壓的變化，電容微量增加或減少，記為ΔC，由此引起電壓成比例地減少或增加，記為ΔV。
移動應(yīng)用中的傳聲器體積非常小，通常直徑為3 mm ~ 4 mm、厚度為1mm ~ 1.5 mm。因此它們的電容也相當(dāng)小，典型值為3 pF ~ 5 pF，在某些情況下，甚至小到1 pF。
如果電容式傳聲器所產(chǎn)生的信號驅(qū)動能力不夠，那么在對信號做進(jìn)一步處理之前需要一只緩沖器或放大器。按照傳統(tǒng)方法，一直使用一只簡單的結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）輸入放大器實(shí)現(xiàn)這種傳聲器的前置放大。圖1示出了封裝的基于JFET放大器ECM的截面圖。
圖1. 基于JFET放大器的傳聲器截面圖
隨著ECM微機(jī)械工藝的改進(jìn)，傳聲器體積越來越小，電容也不斷減小。由于標(biāo)準(zhǔn)的JFET放大器具有相當(dāng)大的輸入電容，對來自傳聲單元的信號造成顯著的衰耗，因此JFET放大器不再適合傳聲器的 要求。
幸運(yùn)的是，CMOS制造工藝的改進(jìn)推動了放大器電路的改進(jìn)。采用CMOS模擬和數(shù)字電路取代JFET放大器有很多好處。與傳統(tǒng)的JFET放大器相比，采用現(xiàn)代亞微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的前置放大器有多種優(yōu)點(diǎn)：
• 降低諧波失真
• 更容易增益設(shè)置
• 多功能模式，包括低功耗休眠模式
• 模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，能使傳聲器直接輸出數(shù)字信號
• 極大地提高了聲音的質(zhì)量
• 提高了抗干擾能力
數(shù)字輸出傳聲器的前置放大器
雖然簡單的基于JFET放大器的功耗很低，但是其線性度差而且精度低。因此，改進(jìn)傳聲器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)就是將前置放大器和數(shù)字技術(shù)結(jié)合起來，在保持極低功耗的同時，通過提高線性度和降低噪聲來增加動態(tài)范圍。
移動電話處于固有的噪聲環(huán)境。傳統(tǒng)的JFET放大器（以及任何純模擬）方案的問題是，模擬傳聲器的輸出信號很容易受到潛伏在放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之間的噪聲信號的干擾。因此，將ADC集成到傳聲器中，使傳聲器自身能夠提供數(shù)字輸出，以減小噪聲干擾。
系統(tǒng)描述
集成的數(shù)字輸出前置放大器及其接口的框圖如圖2所示。傳聲單元的信號首先經(jīng)放大器放大，然后經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。內(nèi)部穩(wěn)壓電源向放大器和ADC供電，既確保了良好的電源電壓抑制能力，又為 模擬部分提供了獨(dú)立的電源。
圖2. 采用ADAU1301傳聲器前置放大器的數(shù)字傳聲器系統(tǒng)框圖
T按照儀表放大器結(jié)構(gòu)中利用匹配電容器設(shè)置增益的方法使用兩只運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA) 采用CMOS工藝制造前置放大器。這種帶有MOS輸入晶體管的結(jié)構(gòu)，對于容性信號源具有接近零輸入導(dǎo)納的非常理想特性。由于使用電容進(jìn)行增益設(shè)置，所以確保了高增益精度（只受光刻工藝限制）和多層-多層（poly-poly）電容器固有的高線性度。通過金屬掩模編程很容易設(shè)置該放大器的增益， 其增益可達(dá)到20 dB。
該ADC是一個四階、單回路、單bit Σ-Δ調(diào)制器，其數(shù)字輸出是單bit過采樣信號。使用Σ-Δ調(diào)制器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
• 噪聲整形將量化噪聲的頻譜移到高頻段，移到有用頻帶之外很遠(yuǎn)之處。因此，該電路系統(tǒng)無需嚴(yán)格的匹配要求就能達(dá)到高精度。
• ADC采用單bit Σ-Δ調(diào)制器，因此使其具備固有高線性度。
• 在單bit、單回路調(diào)制器中，只有一個積分器有要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制。內(nèi)回路積分器的輸出都經(jīng)過噪聲整形處理，因此放寬了對它們的設(shè)計(jì)要求。這樣就降低了功耗。
高階Σ-Δ調(diào)制器的潛在問題是，當(dāng)輸入超過最大穩(wěn)定幅度（MSA）時，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定。 當(dāng)高階Σ-Δ調(diào)制器（>2）由于過載變得不穩(wěn)定時，即使輸入降到最大穩(wěn)定幅度以下，也不能夠恢復(fù)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。為了解決這個潛在的不穩(wěn)定問題，數(shù)字控制反饋系統(tǒng)改變了Σ-Δ噪聲傳遞函數(shù)，強(qiáng)迫制調(diào)制器回到穩(wěn)定工作狀態(tài)。
當(dāng)系統(tǒng)輸入時鐘降到1 kHz以下時系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠模式。這時， 系統(tǒng)消耗的電流從400 µA 降到約50 µA， 這樣當(dāng)不需要傳聲器時允許用戶節(jié)省電能。從低功耗休眠模式回到正常工作狀態(tài)只需要10 ms的啟動時間。
因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有失效分析功能，所以一種特殊的測試模式允許工程師訪問該電路的內(nèi)部不同節(jié)點(diǎn)。在啟動期間通過把這些內(nèi)部節(jié)點(diǎn)切換到DATA引腳，這樣允許工程師訪問加在DATA引腳上的特殊前導(dǎo)碼進(jìn)行失效分析。
噪聲考慮
電容式傳聲器的CMOS 前置放大器的三個主要噪聲源是閃爍噪聲（1/f噪聲）、輸入晶體管的寬帶白噪聲以及（用于設(shè)置該放大器的直流工作點(diǎn)的）輸入偏置電阻器RBIAS產(chǎn)生的經(jīng)低通濾波的白噪聲。考慮到人耳對低頻成分的不敏感性，使用了A加權(quán)。
1/f噪聲的功率頻譜密度與晶體管的管芯面積成反比。折合到輸入端，1/f噪聲的幅度由下面公式給出
式中，Kf是與工藝有關(guān)的常數(shù)， f是頻率，W和L分別是該MOS芯片的寬度和長度，Cox是單位面積的柵極電容。因此，通過增加輸入晶體管的面積就可以降低1/f噪聲的幅度。折合到輸入端的的白噪聲與金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（MOST）的跨導(dǎo)值gm成反比
式中，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。當(dāng) MOST進(jìn)入強(qiáng)反轉(zhuǎn)工作模式時, gm≈ 2Id/Veff ，其中Id是漏電流，有效電壓Veff = Vgs – Vth，即柵源電壓減去 MOST 閾值電壓Vth。通過把輸入對管設(shè)計(jì)得非常寬，以便當(dāng)它進(jìn)入弱反轉(zhuǎn)工作模式時，強(qiáng)制 MOST工作在類雙極型模式。這時，gm = Id/（nVT），其中n是斜坡因子（MOST管的長寬比，典型值為1.5），VT是熱電壓。因此，通過最大化MOST管的長寬比可以優(yōu)化白噪聲性能。
將輸入偏置電阻連接到容性源，因此其噪聲是經(jīng)過低通濾波后的噪聲。假設(shè)噪聲是低通濾波后的白噪聲，低通濾波器的截止頻率比音頻段的頻率小很多，可以得到總噪聲功率是kT/C，其中C是該節(jié)點(diǎn)的電容值。
當(dāng)今的趨勢是傳聲單元越來越小，導(dǎo)致其電容越來越小，而噪聲則隨著傳聲單元電容的減小而增加。不過，由偏置電阻引起的音頻段噪聲的功率還取決于低通濾波器的截止頻率。截止頻率越低，在音頻段范圍內(nèi)保留的總噪聲功率就越小。為了將噪聲壓低，偏置電阻的阻值必須增加到傳聲電容值每一半的四倍。因此，對于 3 ~ 5 pF的傳聲器電容，電阻最小值約為10 GΩ。
在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)如此大的阻值，一個好的解決方案是使用一對反向并聯(lián)、在平衡點(diǎn)附近具有極大阻值（通常為 1 TΩ ~ 10 TΩ）的二極管。對于大信號，阻值降低，假設(shè)在過載后具有快速建立時間。 圖3示出帶內(nèi)噪聲是輸入偏置電阻 RBIAS的函數(shù)。
圖3. 偏置電阻器噪聲
必須相對傳聲器電容優(yōu)化前置放大器的輸入晶體管面積。如前所述，盡管如果輸入晶體管做得很大，那么1/f噪聲將會降低，但是信號源的容性負(fù)載也會增加，從而衰減了信號幅度并降低了有用寬帶內(nèi)的信噪比（SNR）。這里需要折衷考慮：如果輸入晶體管做得很小，那么信號源的容性負(fù)載就變得很小，但是1/f噪聲卻顯著增強(qiáng)，從而降低了低頻的信噪比。對于1/f噪聲，使信噪比達(dá)到最佳的方法是輸入晶體管的柵源電容等于傳聲器電容加寄生電容。對白噪聲，最佳化信噪比的方法是輸入晶體管的柵源電容等于傳聲器電容加寄生電容的三分之一。在實(shí)際中，最好的折衷方法是柵電容落在這兩個值之間。
自舉電路可以將輸入引腳對整片芯片輸入電容的影響降到最低。由于折合到輸出端的白噪聲與gm成正比，所有電流源MOST都被偏置在強(qiáng)反轉(zhuǎn)區(qū)域，從而將噪聲的影響降到最低。
表1列出了ADAU1301傳聲器前置放大器的關(guān)鍵參數(shù)和性能。
表1. ADAU1301的典型參數(shù)和性能（除非另外說明）
| 參數(shù) | 數(shù)值 | Comments |
| 電源電壓 | 1.64 V ~ 3.65 V | 在整個電源電壓范圍能夠工作，但在1.8 V條件下達(dá)到規(guī)定性能指標(biāo) |
| 電源電流 | 400 µA | @ VDD = 1.8 V |
| 最大增益偏差 | X ± 0.4 dBFS/VPeak | X是具體增益 |
| 信號帶寬下限 | 25 Hz |
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| 信號帶寬上限 | 20 kHz |
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| 折合到輸入的噪聲有效值 | 5 µV rms | A加權(quán) |
| 信噪比 | 60.6 dBFS | 在–27 dBFS/Pa傳聲器靈敏度條件下計(jì)算 |
| 動態(tài)范圍 | >86 dB | @ THD = 10%, 取決于增益 |
| 輸入電容 | 0.1 pF |
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| 最小輸入電阻 | 15 GΩ |
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| 啟動時間 | 500 ms | 從VDD達(dá)到1.8 V 開始到ASIC 增益達(dá)到1 dB最終穩(wěn)定值的時間 |
| 最大喚醒時間 | 10 ms |
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| 時鐘頻率 | 1 MHz ~ 4 MHz | 標(biāo)稱值Fclk = 2.4 MHz |
| 時鐘占空比fDC | 40% ~ 60% |
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全集成數(shù)字傳聲器
這種數(shù)字輸出放大器雖然完全滿足ECM的要求，但它不能完全適合于新興的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）傳聲器市場，它要求更高的集成度。固態(tài)MEMS元件中沒有駐極體層的等效物，因此容性元件需要一個集成的高壓偏置源。因?yàn)閭髀晢卧獦?gòu)成了一個純?nèi)菪载?fù)載，沒有電流從偏置參考源流出，因此這個擴(kuò)展版本的放大器系統(tǒng)可能會包括一個低功耗的內(nèi)置電荷泵，從而無需存儲電荷源的問題。
結(jié)束語
專為移動電話市場設(shè)計(jì)的傳聲器前置放大器自然推動了數(shù)字輸出傳聲器的興起。通過噪聲分析產(chǎn)生了達(dá)到要求動態(tài)范圍的低噪聲儀表放大器。低功耗Σ-Δ ADC不受嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制能達(dá)到高分辨率。低功耗休眠模式，當(dāng)不需要傳聲器時進(jìn)入節(jié)電模式，可以延長電池工作壽命。特殊測試模式，為制造商提供便于訪問其它內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試的方法，為檢測前置放大器的模擬輸出提供了便利條件。