MEMS麦克风设计

MEMS麦克风市场在过去几年中增长迅速。和移动设备一样,麦克风现在也越来越多地被消费电子产品所采用。智能设备现在使用两个或更多的MEMS麦克风来提高方向灵敏度,并采用有源噪声消除来获得更好的音质。麦克风阵列也被用于其他基于消费者的产品(如Amazon Echo和谷歌Home),具有多向功能,以提高性能。bob娱乐官网入口

大多数现代MEMS麦克风都是基于带有一个固定背板和可移动膜的气隙电容器。更复杂的配置可以支持双背板或双膜。最近,人们对利用压电效应作为一种转换机制将声波转换为电信号也越来越感兴趣。

MEMS麦克风设计的挑战

从概念设计到优化和性能提升,b0b体育投注 可以模拟与成功的MEMS麦克风设计相关的广泛关键问题。这些包括

  • 单背板、双背板或双膜结构的电容式(或PZE传感)
  • 带有流体载荷的模态频率
  • 牢固的拉入,接触拉链和起飞
  • 灵敏度,前后接触
  • 瞬态压力过载
  • 传感元件中的阻尼和相关热声噪声分析以预测信噪比(SNR)
  • 在一个集成电路设计平台上使用Cadence Virtuoso进行仿真®或VerilogA兼容的模拟器
  • 总谐波失真(THD)使用Cadence Virtuoso

在电容式麦克风中,吸音电压是设计回路中需要优化的关键参数。通常,高度的间隙非线性,结合接触和应力,使其难以模拟拉入和接触后行为(压缩)使用标准的直流扫描算法。为了解决这个问题,Coventor国会议员®提供了一种鲁棒的延续算法,可以找到稳定和不稳定的条件,具有电压驱动的拉入和起飞模拟能力。

四分之一电容MEMS麦克风模型触发接触。为了清晰,模型按Z比例缩放20倍,接触保险杠隐藏。左边的图显示电容作为电压的函数,使用连续算法模拟确定稳定和不稳定状态。右图显示了在1 KHz偏压下灵敏度的变化。

四分之一电容MEMS麦克风模型触发接触。为了清晰,模型按Z比例缩放20倍,接触保险杠隐藏。左边的图显示电容作为电压的函数,使用连续算法模拟确定稳定和不稳定状态。右图显示了在1 KHz偏压下灵敏度的变化。

麦克风的另一个关键设计考虑因素是信噪比。建立信噪比模型的一种常用方法是利用网络模拟器(Spice-like)中的集总组件建立等效的电模型。这种方法通常需要专业的设计知识和大量的时间来建立一个完整的等效模型。作为一种选择,Coventor国会议员提供了直接从多物理单元模型模拟灵敏度和噪声的能力,从而可以计算信噪比。

四分之一麦克风模型查看挤压膜阻尼元件,后腔(缩放清晰度)和排气阻力。灵敏度在左手图中显示,输出电容噪声在右手图中显示

四分之一麦克风模型查看挤压膜阻尼元件,后腔(缩放清晰度)和排气阻力。灵敏度在左手图中显示,输出电容噪声在右手图中显示

与电路的联合仿真

实际上,相同的信噪比模拟可以通过加载多物理模型来实现直接《Cadence Virtuoso》在这里,优点是寄生负载的影响,实际上任何电路元件或偏置方案的响应,可以直接使用Cadence Spectre模拟®.所有的非线性物理,包括用于噪声分析的阻尼模型,都是默认包含的。此外,由于MEMS+模型本质上是非线性的,因此可以模拟THD以及时域性能,例如模拟启动效应。

电容麦克风模型在Cadence Virtuoso偏置恒定电荷。寄生电容和泄漏电阻负载输出。为了计算a加权信噪比,还引入了a加权滤波器。插入的图像显示了Spectre仿真结果,并对计算的灵敏度、信噪比和THD进行了后处理

电容麦克风模型在Cadence Virtuoso偏置恒定电荷。寄生电容和泄漏电阻负载输出。为了计算a加权信噪比,还引入了a加权滤波器。插入的图像显示了Spectre仿真结果,并对计算的灵敏度、信噪比和THD进行了后处理

总之,Coventor国会议员使设计师能够模拟MEMS麦克风的关键问题,从拉入到灵敏度和噪声计算,包括直接将模型导出到Cadence Virtuoso或VerilogA的电路联合仿真。

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