3중 샘플링 방식 델타-시그마 ADC를 이용한 디지털 Capacitive MEMS 마이크로폰

Abstract

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022. 8. 김수환.본 논문에서는 트리플 샘플링 적분기를 사용한 Capacitive 방식의 MEMS 마이크로폰이 제시되었다. 트리플 샘플링은 델타-시그마 방식의 아날로그-디지털 변환기의 첫 번째 적분기에 사용되었고 크게 두 가지의 동작으로 구분된다. 첫 번째로 적분기의 입력에서 반주기 지연 차동 입력을 빼서 신호 크기를 2배로 만들는 방식. 두 번째로 DAC의 피드백 커패시터를 샘플링 커패시터로 사용하여 입력 전압을 추가로 증가시키는 방식이다. 추가적으로 기존에서 샘플링 커패시터를 증가시켜 신호의 크기를 증폭시키는 방식과 결합하여 실수배의 이득을 얻을 수 있다. 또한 추가적인 커패시터, 타이밍, 전류 소모 없이 구조 변경만으로 이를 달성하였기 때문에 별다른 trade-off 없이 신호의 크기를 증폭시킬 수 있었다. 추가적으로 트리플 샘플링 방식의 적분기 신호 전달 함수 및 잡음 분석 또한 포함하였다. 우리의 readout 회로는 공급 전압이 1.8V인 0.18 m CMOS 공정으로 구현하였고 single-ended capacitive MEMS 트랜스듀서를 사용하여 측정하였다. 전류 소모량은 520 μA 이다. 마이크로폰은 A-weighted 신호 대 잡음 비는 62.1 dBA, 음향 과부하 지점은 115 dB SPL을 달성하였고 칩의 die size는 0.98〖"mm" 〗^2 이다.A triple-sampling ΔΣ ADC can replace the programmable-gain amplifier commonly used in the readout circuit for a digital capacitive MEMS microphone. The input voltage can then be multiplied by subtracting a further half-period delayed differential input and using the feedback capacitor of the DAC as a sampling capacitor. This triple-sampling technique results in a readout circuit with sensitivity and noise performance comparable to recent designs, but with a reduced power requirement. CMRR improvement is achieved by subtracting differential inputs and superior noise performance compare to conventional structure, as amplifier noise and DAC kT/C noise is not amplified by triple-sampling structure while the signal is increased by its gain. Triple-sampling also can be operated as a single-to-differential circuit. A MEMS microphone incorporating this readout circuit, fabricated in a 0.18μm CMOS process, achieved an A-weighted SNR of 62.1 dBA at 94 dB SPL with 520 μA current consumption, to which triple-sampling was shown to contribute 4.5 dBA.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.1.1 MEMS MICROPHONE TRENDS 1 1.1.2 TYPE OF MEMS MICROPHONES 4 1.1.3 PREVIOUS WORKS 7 1.2 MEMS MICROPHONE BASIC TERMS 9 1.3 THESIS ORGANIZATION 12 CHAPTER 2 SYSTEM OVERVIEW 13 2.1 SYSTEM ARCHITECTURE 13 CHAPTER 3 INTERFACE CIRCUITS AND POWER MANAGEMENT CIRCUITS 16 3.1 PSEUDO-DIFFERENTIAL SOURCE FOLLOWER 17 3.2 CHARGE PUMP 19 3.3 LOW DROPOUT REGULATOR 22 3.3.1 DESIGN CONSIDERATION OF LOW DROPOUT REGULATOR 22 3.3.2 IMPLEMENTATION OF LOW DROPOUT REGULATOR 26 CHAPTER 4 TRIPLE-SAMPLING DELTA-SIGMA ADC 31 4.1 BASIC OF DELTA-SIGMA ADC 31 4.2 IMPLEMENTATION OF TRIPLE-SAMPLING DELTA-SIGMA MODULATOR 37 4.2.1 CONVENTIONAL 1ST INTEGRATOR STRUCTURE 37 4.2.2 CROSS-SAMPLING 1ST INTEGRATOR 40 4.2.3 TRIPLE-SAMPLING 1ST INTEGRATOR 43 4.2.4 STF ANALYSIS OF TRIPLE-SAMPLING 1ST INTEGRATOR 47 4.2.5 THERMAL NOISE ANALYSIS OF TRIPLE-SAMPLING 1ST INTEGRATOR 51 4.2 CIRCUIT IMPLEMENTATION OF DELTA-SIGMA ADC 57 CHAPTER 5 MEASUREMENT RESULTS 64 5.1 MEASUREMENT ENVIRONMENT 64 5.2 MEASUREMENT RESULTS 67 5.3 PERFORMANCE SUMMARY 72 CHAPTER 6 CONCLUSION 74 BIBLIOGRAPHY 76 한글초록 79박