A Design of Ultra-low Noise LDO Regulator for Low Voltage MEMS Microphones

저전압 MEMS 마이크로폰용 초저잡음 LDO 레귤레이터 설계

Microphones can convert received voice signals to electric signals. They have been widely used in various industries such as radios, smart devices and vehicles. Recently, the demands for small size and high sensitive microphones are increased according to the minimization of wireless earphone with the development of smart phone. A MEMS system is a good candidate for an ultra-small size microphone of a next generation and a read out IC for high sensitive MEMS sensor is researched from many industries and academies. Since the microphone system has a high sensitivity from environment noise and electric system noise, the system requires a low noise power supply and some low noise design techniques. In this paper, a low noise LDO is presented for small size MEMS microphone systems. The input supply voltage of the LDO is 1.5-3.6V, and the output voltage is 1.3V. Then, it can support to 5mA in the light load condition. The integrated output noise of proposed LDO form 20Hz to 20kHz is about 1.9uV. These post layout simulation results are performed with TSMC 0.18um CMOS technology and the size of layout is 325㎛ × 165㎛.

전달받은 음성신호를 전기신호로 바꾸어주는 마이크로폰은 라디오, 스마트 기기, 차량 등의 다양한 산업 분야에 널리 사용되어왔다. 최근 스마트폰 기술의 발달과 무선이어폰의 소형화에 따라 초소형 고감도 마이크로폰에 대한 요구가 증가하고 있다. 차세대 초소형 마이크로폰 시스템의 후보로 MEMS 센서가 개발되고 있으며 이를 지원하는 ROIC 대한 개발 또한 활발하다. 마이크로폰 시스템은 주변의 잡음뿐만 아니라, 함께 사용되는 전자회로의 잡음에 대해서도 민감하므로, 낮은 노이즈를 갖는 전원을 공급할 수 있는 전원장치와 노이즈를 최소화할 수 있는 설계 방법들이 필요하다. 이에 본 논문은 MEMS 마이크로폰 센서 모듈에 사용 가능한 낮은 전원 노이즈를 갖는 LDO(low drop output) 레귤레이터 IC 구조를 제안한다. 제안한 회로는 2.0~3.6V를 공급받아 1.3V의 출력을 내보낼 수 있으며 라이트 로드에서 10mA까지 드라이브할 수 있다. 제안하는 LDO는 1.2mV/V의 line regulation, 0.63mV/mA의 load regulation 특성을 가지며 20Hz~20kHz까지 누적 적분 출력 잡음은 13uV 이하의 특성을 가진다. TSMC 180nm 공정으로 post layout simulation을 진행하였으며 설계한 칩의 면적은 325㎛ × 165㎛다.