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研究内容
近日，浙江大学集成电路学院罗宇轩研究团队在国际顶级期刊《IEEE固态电路杂志》（IEEE Journal of Solid-State Circuits，简称JSSC）上发表题为“A 430uA 68.2-dB-SNR 133-dBSPL-AOP CMOS-MEMS Digital Microphone based on Electrostatic Force Feedback Control” 的论文，该工作为顶级会议VLSI 2024会议特邀论文。该论文的共同第一作者为博士研究生董佳奇和硕士研究生张棋，通讯作者为罗宇轩研究员。
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研究背景
随着物联网等新兴技术的发展与应用，消费类电子产品对低功耗、高精度、小体积的麦克风的需求激增。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 麦克风因其高灵敏度、优异的信噪比和适合集成的优势，广泛应用于高性能音频采集领域。作为语音信号的核心采集部件，数字麦克风需要在低功耗的同时，满足高动态范围(Dynamic Range, DR)、高信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)、和高声学过载点(Acoustic Overload Point, AOP)等要求。
在实际设计中，提升信噪比和扩大动态范围往往需要更高的功耗支持，而低功耗设计则会因供电电压的降低而压缩动态范围。因此，如何在低压供电的条件下实现高信噪比和宽动态范围，成为麦克风设计中的关键难题。为此，课题组提出了一种基于静电力反馈控制(Electrostatic Force Feedback Control, EFFC)技术的CMOS-MEMS数字麦克风，突破了传统技术瓶颈，显著提高了其声学动态范围。
数字麦克风系统示意图
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课题亮点
本研究提出的静电力反馈技术，充分利用了电容式MEMS麦克风的物理特性，通过对输入信号的幅度进行快速检测，实时调节器件的偏置电压，从而动态调整MEMS麦克风的灵敏度，拓展了系统的声学动态范围。这种机制不仅能够有效保证系统的信噪比性能，还可以显著降低前端读出电路的噪声要求。相比传统设计，该技术利用机械增益代替部分电学增益，减少了对低噪声放大器的依赖，降低了系统能耗。
数字麦克风系统框图
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研究成果
基于上述创新设计，课题组通过CMOS工艺流片了一款数字麦克风ASIC芯片，芯片面积为1x1mm2，通过MEMS集成封装技术成功实现了 3x4 mm2的微型封装规格。在1.8V供电电压、3.072MHz时钟频率的条件下，设计的数字麦克风系统在标准声压输入下实现了68.2 dB的信噪比，声学过载点为133 dBSPL，并且仅消耗430μA的供电电流。该数字麦克风芯片在声学性能相当的情况下，使芯片功耗下降了47%。
数字麦克风性能对照表
数字麦克风测试柔性板
数字麦克风MEMS-ASIC打线显微照片
文章信息
标题：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
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10631490
研究团队简介
罗宇轩
浙江大学集成电路学院百人计划研究员
长期从事模拟/混合信号集成电路设计和传感器ASIC芯片的研究与开发工作，主持多项国家项目，发表的学术论文包括集成电路领域顶级期刊IEEE JSSC以及顶级会议ISSCC、VLSI，并获得由新加坡工程协会（The Institution of Engineers, Singapore）颁发的2018年度IES Prestigious Engineering Achievement Awards，任IEEE Senior Member，任《微纳电子与智能制造》期刊编委，任IEEE ICTA技术委员会成员及IEEE APCCAS会议分会主席。
