Vorverstärker mit Digitaltechnik kombinieren Kompaktere Mikrofone entwickeln

ECM-Mikrofone werden in vielen Mobiltelefonen eingesetzt. Durch verbesserte mikromechanische Verfahren lassen sich die Abmessungen eines ECM-Mikrofons deutlich verringern. Hier sind Standard-JFETs aufgrund ihrer Dämpfungseigenschaften nicht mehr geeignet. Als Vorverstärker werden analoge und digitale CMOS-Schaltkreise eingesetzt, mit denen sich eine Reihe von Verbesserungen erzielen lässt.

Anbieter zum Thema

ISH Ingenieursozietät GmbH

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

Derzeit werden pro Jahr über zwei Milliarden Mikrofone verkauft – was diesen Markt allein aufgrund seines Umsatzvolumens für viele interessant macht. Etwa die Hälfte des Marktvolumens machen besonders preiswerte Mikrofone für Spielzeuge oder andere Anwendungen mit geringen Leistungs- und Platzanforderungen aus. Die andere Hälfte des Marktvolumens wird in tragbaren High-End-Anwendungen wie Mobiltelefone, Kopfhörer, Digitalkameras und Notebooks eingesetzt.

Die größten Abnehmer im Markt sind mit rund 900 Millionen Mikrofonen pro Jahr die Hersteller von Mobiltelefonen. Mit einer prognostizierten Wachstumsrate von jährlich 10% bilden Mobiltelefone damit das am schnellsten wachsende Segment des Mikrofonmarktes.

Mobiltelefone werden ständig kleiner, während sie mehr Funktionen als ihre Vorgänger enthalten und erfordern Mikrofone der nächsten Generation mit höherer Leistung.

In Telekommunikationsanwendungen wurden viele Jahre sogenannte ECM-Mikrofone (Elektret-Kondensator) eingesetzt. Diese Mikrofone bestehen aus einer Membran, einer „Backplate“ und einem Elektret-Layer. Die bewegliche Membran und die feste Backplate bilden die Platten eines variablen Kondensators. Der Elektret-Layer speichert eine feste Ladung, die einer Kondensatorspannung von etwa 100 V entspricht. Beim Auftreffen von Schallwellen auf die Membran beginnt diese zu schwingen. Bei diesem Vorgang verändert sich die Kapazität des Mikrofons. Da die Ladung im Kondensator konstant ist, ändert sich bei einer Kapazitätsänderung die Spannung über dem Kondensator. Dabei gilt Gleichung 1.

Gleichung 2 gilt für die Spannungsänderung ΔV. Mikrofone für Mobilgeräte sind mit 3 bis 4 mm Durchmesser und einer Stärke von 1 bis 1,5 mm relativ klein. Aufgrund dieser kleinen Abmessungen ergeben sich relativ kleine Kapazitäten von 3 bis 5 pF. In einigen Fällen liegt die Kapazität des Mikrofons bei lediglich 1 pF.

Das relativ schwache Signal eines kapazitiven Mikrofons muss vor der weiteren Verarbeitung mit einem Verstärker verstärkt werden. Bisher wurde dieser Mikrofon-Vorverstärker mit einem einfachen JFET (Junction Field-Effect Transistor) implementiert. Bild 1 zeigt den Querschnitt eines ECM-Mikrofons mit JFET.

Durch verbesserte mikromechanische Verfahren ist es gelungen, kleinere ECM-Mikrofone als bisher herzustellen. Da diese Mikrofone jedoch geringere Kapazitäten als herkömmliche Modelle aufweisen, sind Standard-JFETs aufgrund ihrer relativ hohen Eingangskapazitäten, die das Signal dämpfen, nicht mehr geeignet.

Durch Verbesserungen bei CMOS-Prozesstechnologien konnten jedoch auch Verbesserungen bei den Verstärkerschaltkreisen erzielt werden. Analoge und digitale CMOS-Schaltkreise werden daher als leistungsfähigere Alternativen zu bisherigen JFET-Verstärkern eingesetzt. Mit Vorverstärkern, die in modernen Sub-Mikrometer-CMOS-Prozessen hergestellt werden, lassen sich gegenüber Lösungen mit herkömmlichen JFETs eine Reihe von Verbesserungen erreichen. Dazu gehören geringere harmonische Verzerrungen, einfachere Verstärkungseinstellung, mehrere Betriebsarten einschließlich Sleep Mode für geringen Stromverbrauch, wesentlich verbesserte Klangqualität und höhere Rauschimmunität. Die Analog/Digital-Wandlung ermöglicht Mikrofone mit direktem Digitalausgang.

Mikrofon-Vorverstärker mit Digitalausgang

Einfache JFET-Verstärker verbrauchen zwar wenig Strom, weisen jedoch eine geringe Linearität sowie eine niedrige Genauigkeit auf. Das Hauptziel bei der Entwicklung eines Mikrofons mit verbesserten Eigenschaften besteht in der Kombination der Vorverstärkung mit digitaler Technologie. Aufgrund einer höheren Linearität und des geringeren Rauschens lässt sich somit ein höherer Dynamikbereich erzielen und zugleich ein sehr geringer Stromverbrauch beibehalten.

Mobiltelefone arbeiten von Grund auf in einer Umgebung mit hohem Rauschanteil. Ein Nachteil der herkömmlichen JFET-Lösung (und anderen rein analogen Lösungen) besteht darin, dass die analogen Ausgangssignale des Mikrofons leicht durch Interferenzsignale zwischen Verstärker und A/D-Wandler beeinträchtigt werden. Durch die Integration der Analog/Digital-Wandlung direkt in das Mikrofon lassen sich digitale Ausgangssignale erzeugen, die gegenüber Interferenzen weniger empfindlich sind.

System mit integriertem Vorverstärker im Mikrofon

Das Bild zeigt das Blockdiagramm eines integrierten Vorverstärkers mit Digitalausgang. In dieser Schaltung wird das Signal des Mikrofon-Elements zunächst verstärkt und anschließend mit dem A/D-Wandler digitalisiert. Die einzelnen Funktionsblöcke einschließlich der analogen Schaltungsbereiche werden von einer internen, geregelten Spannung versorgt.

Der Vorverstärker ist in CMOS-Technologie realisiert. Dabei werden zwei OTAs (Operational Transconductance Amplifiers) in einer Instrumentenverstärker-Konfiguration verwendet, bei der die Verstärkung mit optimal aufeinander abgestimmten Kondensatoren eingestellt wird. Diese Konfiguration mit ihren MOS-Eingangstransistoren stellt für die kapazitive Signalquelle eine erwünschte Eingangskapazität von fast Null dar.

Durch den Einsatz von Kondensatoren zur Verstärkungseinstellung lässt sich eine hohe Verstärkungsgenauigkeit erzielen – die lediglich durch die Prozesslithografie beeinträchtigt wird – und die hohe Linearität von Poly-Poly-Kondensatoren nutzt. Die Verstärkung des Verstärkers lässt sich auf einfache Weise über die Programmierung der Metall-Masken einstellen. Dies ermöglicht Verstärkungen von bis zu 20 dB.

Bei dem hier verwendeten A/D-Wandler handelt es sich um einen Single-Bit-Σ-Δ-Modulator (vierte Ordnung, Single-Loop), dessen Digitalausgang ein Oversampled Single-Bit-Signal liefert. Der Einsatz eines Σ-Δ-Modulators für die A/D-Wandlung bietet mehrere Vorteile:

• Noise Shaping verlagert das Quantisierungsrauschen außerhalb des interessierenden Frequenzbandes. Auf diese Art lässt sich eine hohe Genauigkeit erzielen, ohne dass dazu anspruchsvolle Anpassungen vorgenommen werden müssen.
• Der Analog/Digital-Wandler nutzt einen Single-Bit-Σ-Δ-Modulator und zeigt somit lineares Verhalten.
• Lediglich einer der Integratoren in einem Single-Bit, Single-Loop-Modulator erfordert ernsthafte Überlegungen hinsichtlich der Entwicklung. Die Integratoren in der inneren Schleife weisen auf Rauscheinflüsse optimierte Ausgänge auf und lassen sich problemlos handhaben. Dies führt zu einem geringeren Stromverbrauch.

Ein mögliches Problem bei Σ-Δ-Modulatoren höherer Ordnung besteht in ihrer Empfindlichkeit gegenüber Instabilitäten, die auftritt, sobald am Eingang die maximale stabile Amplitude (MSA) überschritten wird. Modulatoren höherer Ordnung (>2) gelangen nicht mehr in den stabilen Betrieb, sobald sie aufgrund einer Überlastung instabil geworden sind. Auch nach dem Absenken des Eingangssignals unter die MSA gelingt dies nicht mehr. Um möglichen Instabilitäten entgegenzuwirken, verändert ein digital gesteuertes Rückkopplungssystem die Σ-Δ-Rauschübertragungsfunktion und zwingt den Modulator zurück in den stabilen Betrieb.

Ein Power-Down Mode, in den das System gelangt, sobald die Eingangsfrequenz unter 1 kHz sinkt, reduziert die Stromaufnahme von 400 auf etwa 50 μA. Somit spart der Anwender Strom, wenn das Mikrofon nicht benötigt wird. Innerhalb von 10 ms gelangt das System vom Power-Down-Mode zurück in den normalen Betrieb.

Ein spezieller Test-Mode ermöglicht den Zugang zu verschiedenen internen Schaltungsknoten und kann zur Fehleranalyse verwendet werden. Eine spezielle Steuerinformation (Preamble), die während des Startups am DATA-Pin anliegt, ermöglicht dem für die Fehleranalyse verantwortlichen Ingenieur den Zugang, indem die relevanten Schaltungsknoten auf den DATA-Pin geschaltet werden.

Überlegungen zum Rauschen

Drei dominante Rauschquellen bei CMOS-Vorverstärkern für kapazitive Mikrofone sind Flicker-Rauschen (1/f ), Breitbandrauschen der Eingangstransistoren und über einen Tiefpass gefiltertes Weißes Rauschen eines Eingangs-Bias-Widerstands (RBIAS), der zur Einstellung des DC-Betriebspunktes des Verstärkers erforderlich ist. Um die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs gegenüber niedrigen Frequenzen zu berücksichtigen, wird mit einer Gewichtung gearbeitet.

Die spektrale Dichte des Flicker-Rauschens weist eine umgekehrte Abhängigkeit von der Transistorfläche auf. Ihre Größe, bezogen auf den Eingang, berechnet sich mit Gleichung 3.

Die Amplitude des 1/f-Rauschens lässt sich verkleinern, indem man die Abmessungen des Eingangstransistors erhöht. Das auf den Eingang bezogene Weiße Rauschen ist umgekehrt proportional zum Leitwert gm (Transkonduktanz) des MOST (Metal-Oxide-Semiconductor Transistor). Es gilt Gleichung 4.

Für einen MOST in starker Invertierung (gm ≈ 2Id/Veff ) mit Id als Drain-Strom und der Effektivspannung Veff = Vgs – Vth und der Gate/Source-Spannung minus der MOST-Schwellspannung Vth. Indem man das Eingangspaar sehr breit entwickelt, gelangt der MOST in eine bipolar-ähnliche Betriebsart, sobald er sich in die „Weak-Inversion“-Betriebsart bewegt. Dafür gilt: gm = Id/(nVT) mit n als Anstieg (typisch 1,5) und VT als thermische Spannung. Die optimale „White-Noise Performance“ wird erreicht, indem man das MOST-Seitenverhältnis maximiert.

Der Eingangs-Bias-Widerstand ist mit einer kapazitiven Quelle verbunden. Somit wird sein Rauschen tiefpassgefiltert. Angenommen, das Rauschen ist tiefpassgefiltertes Weißes Rauschen und die Cutoff-Frequenz wesentlich kleiner als die Frequenzen des Audiobandes, dann lässt sich zeigen, dass die gesamte Rauschleistung kT/C wird. Darin ist C die mit dem Schaltungsknoten verbundene Kapazität.

Als Folge des Trends hin zu kleineren Mikrofonen mit geringeren Kapazitäten, wird sich der Einfluss dieser Rauschquelle erhöhen. Allerdings hängt die Rauschleistung im Audioband, welche durch den Bias-Widerstand erzeugt wird, auch von der Cutoff-Frequenz des Tiefpassfilters ab. Je niedriger die Cutoff-Frequenz ist, desto kleiner wird der Anteil der gesamten Rauschleistung im Audiofrequenzbereich. Um das Rauschen gering zu halten, muss der Wert des Bias-Widerstands bei jeder Halbierung der Mikrofonkapazität um den Faktor 4 erhöht werden. Bei einer Mikrofonkapazität von 3 bis 5 pF sollte der Widerstand mindestens einen Wert von etwa 10 GΩ aufweisen.

Eine gute Lösung zum Implementieren derart großer Widerstände auf einem Chip sind antiparallel geschaltete Dioden, die mit typischen 1 bis 10 TΩ einen sehr großen Widerstand aufweisen. Bei größeren Signalen sinkt ihr Widerstand. Damit wird nach einer Überlastsituation ein schnelles Settling sichergestellt. Das Bild zeigt das In-Band-Rauschen als Funktion von RBIAS.

Die Fläche des Eingangstransistors im Vorverstärker muss in Bezug auf die Mikrofon-Kapazität optimiert werden. Obwohl das 1/f-Rauschen bei sehr großen Eingangsbauteilen sinkt, erhöht sich die kapazitive Belastung der Signalquelle. Somit wird das Signal gedämpft und das Breitband-SNR (Signal/Rausch-Verhältnis) gesenkt. Dies stellt einen Kompromiss dar: Falls das Eingangsbauteil sehr klein gemacht wird, wird die kapazitive Belastung der Signalquelle unbedeutend. Allerdings steigt das 1/f-Rauschen wesentlich an und reduziert das SNR bei niedrigen Frequenzen.

Das Optimum, mit dem sich das SNR in Bezug auf das 1/f-Rauschen maximieren lässt, ist vorhanden, wenn die Gate/Source-Kapazität des Eingangsbauteils genau so groß ist wie die Mikrofon-Kapazität plus parasitäre Kapazitäten. Das Optimum in Bezug auf das Weiße Rauschen ist an der Stelle vorhanden, an der die Gate/Source-Kapazität des Eingangsbauteils ein Drittel so groß ist wie die Mikrofon-Kapazität plus parasitäre Kapazitäten. In der Praxis ist der beste Kompromiss gefunden, wenn die Gate-Kapazität zwischen die beiden Werte fällt.

Durch Bootstrapping lässt sich der Beitrag der Eingangs-Pads zur gesamten Chip-Eingangskapazität minimieren. Da das auf den Ausgang bezogene Weiße Rauschen proportional zu gm ist, sind alle Current-Source-MOSTs in den Bereich der starken Invertierung vorgespannt. Dies gewährleistet einen möglichst minimalen Beitrag zum Rauschen.

Trend zu komplett integrierten Digital-Mikrofonen

Dieser Verstärker mit Digitalausgang erfüllt die Anforderungen von ECM-Elementen. Allerdings ist die Kombination nicht komplett geeignet für den aufkommenden MEMS-Mikrofon-Markt, der eine höhere Integrationsdichte verlangt. Da es bei MEMS-Elementen auf Halbleiterbasis keinen Elektret-Layer gibt, verlangt das kapazitive Element eine integrierte Hochvolt-Quelle als Bias. Das Mikrofon-Element ist eine rein kapazitive Last, die aus der Bias-Referenz keinen Strom zieht. Eine erweiterte Version dieses Verstärkersystems würde eine auf dem Chip integrierte Ladungspumpe mit geringem Stromverbrauch enthalten und eine Ladungsquelle überflüssig machen.

Ein Mikrofon-Vorverstärker, der für Mobilgeräte entwickelt wurde, ermöglicht und führt automatisch zu einem Mikrofon mit Digitalausgang. Eine sorgfältige Rauschanalyse ergibt einen Präzisions-Vorverstärker mit geringem Rauschen, der den gewünschten Dynamikbereich erzielt. Der Σ-Δ-A/D-Wandler mit geringem Stromverbrauch erzielt ohne großen Entwicklungsaufwand eine hohe Auflösung. Ein Power-Down-Mode spart Energie, wenn das Mikrofon nicht benötigt wird und ermöglicht somit die maximale Batterielaufzeit. Ein spezieller Test-Mode ermöglicht Herstellern den einfachen Zugang zu internen Schaltungsknoten für Testzwecke und bietet zusätzlich den Vorteil, dass der Analog-Ausgang des Vorverstärkers für Wartungszwecke zur Verfügung steht.

*Jannik Hammel Nielsen ist Senior ASIC-Designer in der Gruppe Digital Audio Products bei Analog Devices. Claus Fürst ist Chefingenieur bei der Gruppe Digital Audio Products bei Analog Devices.

(ID:232639)