静電容量MEMSマイク用のVCOベースのCMOSリードアウト回路

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）マイクセンサーは過去数年間で大幅に改善されましたが、読み出し電子は主にスイッチ型キャパシタテクノロジーを使用して実装されています。新しいバッテリー駆動の「常にオン」アプリケーションの開発には、低消費電力がますます必要になります。この論文では、主にデジタルシグマデルタ（σδ）アナログからデジタルコンバーター（ADC）に基づいた新しい読み出し回路アプローチを示します。読み出し回路の動作原理は、MEMSセンサーを積み重ねられたリング発振器の周波数を変調するインピーダンスコンバーターに結合することで構成されています。。次に、周波数コード化された信号がサンプリングされ、デジタルコンバーター（TDC）によってノイズ型のデジタルシーケンスに変換されます。時間効率の良い設計方法論を使用して、1 / Fおよび熱ノイズによって誘導される位相ノイズと組み合わせた発振器の感度を最適化するために使用されています。回路は130 nmのCMOSプロセスでプロトタイプ化されており、標準のMEMSマイクに直接接着されています。提案されているVCOベースのアナログからデジタルへのコンバーター（VCO-ADC）は、電気的および音響的に特徴付けられています。測定から得られたピーク信号対雑音と歪み比（SNDR）は77.9 dB-Aで、ダイナミックレンジ（DR）は100 dB-Aです。現在の消費量は1.8 Vで750μAで、有効な面積は0.12 mm 2です。この新しい読み出し回路は、低コストのデジタルMEMSマイクの有効化の進歩を表している可能性があります。

Microelectromechanical systems (MEMS) microphone sensors have significantly improved in the past years, while the readout electronic is mainly implemented using switched-capacitor technology. The development of new battery powered "always-on" applications increasingly requires a low power consumption. In this paper, we show a new readout circuit approach which is based on a mostly digital Sigma Delta ( Σ Δ ) analog-to-digital converter (ADC). The operating principle of the readout circuit consists of coupling the MEMS sensor to an impedance converter that modulates the frequency of a stacked-ring oscillator-a new voltage-controlled oscillator (VCO) circuit featuring a good trade-off between phase noise and power consumption. The frequency coded signal is then sampled and converted into a noise-shaped digital sequence by a time-to-digital converter (TDC). A time-efficient design methodology has been used to optimize the sensitivity of the oscillator combined with the phase noise induced by 1 / f and thermal noise. The circuit has been prototyped in a 130 nm CMOS process and directly bonded to a standard MEMS microphone. The proposed VCO-based analog-to-digital converter (VCO-ADC) has been characterized electrically and acoustically. The peak signal-to-noise and distortion ratio (SNDR) obtained from measurements is 77.9 dB-A and the dynamic range (DR) is 100 dB-A. The current consumption is 750 μ A at 1.8 V and the effective area is 0.12 mm 2 . This new readout circuit may represent an enabling advance for low-cost digital MEMS microphones.