Design of MEMS microphone front-ends in deep sub-micron CMOS technologies

Microphone systems are extremely widespread in today's consumer electronics, the urge of a more natural interaction with our devices has heavily pushed voice recognition even in portable devices, forcing industry to create suitable products. This thesis describes the development of a new digital read-out ASIC that paired with Infineon Technologies latest sealed-dual membrane (SDM) MEMS transducer forms a prototype for a new high-end microphone product. State-of-the-art noise performance is achieved thanks to significant optimizations both on the MEMS as well as on the ASIC side. The ASIC features an unconventional read-out amplifier based on a power-scalable current-feedback architecture as well as a reconfigurable ΔΣ modulator allowing to trade-off signal-to-noise ratio (SNR) versus power consumption. The microphone system achieves an SNR of 72dB(A) supporting an acoustical overload point (AOP) of 130dB SPL. This represents a significant improvement to current state-of-the-art digital microphones.

I microfoni sono sempre piu' diffusi nei dispositivi elettronici che utilizziamo quotidianamente. L'importanza di una interazione piu' naturale ed immediata ha spinto l'utilizzo del riconoscimento vocale anche in prodotti a basso costo e di larghissima diffusione. Di conseguenza e' aumentata la richiesta di microfoni sempre piu' performanti, con package miniaturizzati e costi ridotti. Questa tesi, svolta presso Infineon Technologies, illustra il processo di sviluppo di un microfono ad elevate prestazioni capace di ottenere un rapporto segnale/rumore (SNR) di 72dB(A) con un livello di saturazione acustica (AOP) di 130dB SPL. Il sistema si basa su un sensore MEMS di ultima generazione unito ad un circuito di interfaccia (ASIC) riprogettato per sfruttare le peculiarita' del trasduttore. L'ASIC e' caratterizzato da un amplificatore d'ingresso di tipo current-feedback che permette di minimizzare il rapporto segnale/rumore e da un convertirore analogico/digitale riconfigurabile per adattare il consumo di potenza alle prestazioni richieste dal sistema.