MEMS-mikrofongränssnitt: Analoga kontra digitala utgångar

Användningen av MEMS-mikrofoner (mikroelektromekaniska system) ger möjlighet att integrera sofistikerade kommunikations- och övervakningsfunktioner i en mängd olika apparater. Digitala assistenter för hemmet och röststyrda navigationsenheter är populära exempel som för närvarande driver på en betydande tillväxt inom röststyrd elektronik. MEMS-tekniken blir alltmer dominerande på mikrofonområdet och det är därför lämpligt att titta närmare på de olika elektriska gränssnitten för MEMS-mikrofoner och hur dessa används. Artikeln jämför tre av de mest populära alternativen: analog, digital PDM och digital ^I2S, och överväger deras för- och nackdelar samt implementering.

Grundläggande konstruktion av MEMS-mikrofoner

Den typiska konfigurationen av MEMS-mikrofoner innebär att två halvledarkretsar integreras i en enda kapsling. Den första halvledarkretsen består av ett MEMS-membran som omvandlar ljudvågor till en elektrisk signal, medan den andra kretsen består av en förstärkare som kan innehålla en analog-till-digital-omvandlare (ADC). I de fall MEMS-mikrofonen saknar ADC får användaren en analog utsignal, medan en digital utsignal blir tillgänglig när en ADC finns.

Översikt över analog utgång

MEMS-mikrofoner med analoga utgångar erbjuder ett enkelt gränssnitt till värdkretsen, vilket visas i figur 1 nedan. Det är värt att notera att mikrofonens interna förstärkare driver den analoga utsignalen, som redan har en rimlig signalnivå och en relativt låg utgångsimpedans.

För att undvika att behöva matcha värdkretsens likspänningsingång med MEMS-mikrofonens likspänningsutgång används en likspänningsblockerande kondensator (C1). Kombinationen av C1 och R1 bildar en polfrekvens som måste ställas in tillräckligt lågt för att säkerställa att de önskade ljudfrekvenssignalerna överförs till värdkretsen med en acceptabel dämpningsnivå [dvs. för ett minsta ljudfrekvensområde på 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Figur 1: Analog MEMS-mikrofon som är ansluten till en extern förstärkare. (Bildkälla: Same Sky)

Översikt över digital utgång

MEMS-mikrofoner med ett digitalt gränssnitt använder ofta PDM (pulse density modulation) eller I²S för att koda utsignalerna. I PDM omvandlas den analoga signalspänningen till en digital enbitsström som innehåller en motsvarande täthet av logiskt höga signaler. PDM har flera fördelar, t.ex. immunitet mot elektriska störningar, bitfelstolerans och ett enkelt hårdvarugränssnitt.

Figur 2 visar hur en digital PDM-mikrofon kan anslutas till en värdkrets. Stiftet "Select" i figuren kan anslutas till antingen Vdd eller Gnd för att avgöra om data ska skickas på klocksignalens stigande eller fallande flank.

Figur 2: Enkel anslutning av en digital MEMS-mikrofon med PDM. (Bildkälla: Same Sky)

Figur 3 visar hur två digitala MEMS-mikrofoner med PDM kan anslutas till värdkretsen med hjälp av gemensamma klock- och dataledningar. Konfigurationen används ofta vid implementering av stereomikrofoner.

Bild 3: Anslutning av två digitala MEMS-mikrofoner med PDM, med hjälp av klock- och dataledningarna. (Bildkälla: Same Sky)

MEMS-mikrofoner med digital I²S-utgång ger systemfördelar som går att jämföra med PDM-utgångar. Mikrofonerna har ett internt decimeringsfilter, vilket förenklar gränssnitt och bearbetning genom att producera en standardiserad samplingsfrekvens för ljud. Eftersom decimeringsprocessen sker internt kan digitala MEMS-mikrofoner med I²S anslutas direkt till en digital signalprocessor (DSP) eller annan styrenhet. Detta eliminerar behovet av en ADC eller codec för att bearbeta den utmatade informationen, vilket resulterar i lägre kostnader för systemkonstruktion och utrymmesbesparingar i den slutliga tillämpningen.

Liksom digitala MEMS-mikrofoner med PDM kan två digitala MEMS-mikrofoner med I²S MEMS anslutas via en gemensam datalinje. Denna konfiguration kräver dock två klocksignaler utöver en ord-klocka och en bit-klocka.

Analog eller digital - vad ska jag välja?

Inom elektroteknik beror valet mellan analoga eller digitala utsignaler för MEMS-mikrofoner på vad utsignalen ska användas till. Analoga utsignaler är lämpliga i tillämpningar där de ska anslutas till en förstärkare för analog bearbetning i värdsystemet, t.ex. till en enkel högtalare eller ett radiokommunikationssystem. MEMS-mikrofoner med analoga utgångar har även lägre strömförbrukning jämfört med mikrofoner med digitala utgångar, eftersom de inte kräver någon ADC.

Å andra sidan är en digital utsignal från en MEMS-mikrofon att föredra om signalen ska användas i digitala kretsar, t.ex. för en microcontroller eller en digital signalprocessor (DSP). Digitala utsignaler är även användbara i miljöer med mycket elektriska störningar, eftersom de har större immunitet mot elektriska störningar jämfört med traditionella analoga signaler.

Sammanfattning

Tekniken med MEMS-mikrofoner blir alltmer populär och användningen förväntas bara fortsätta att öka. Det är viktigt att förstå de olika konfigurationer som finns tillgängliga och hur de kan tillämpas för specifika användningsfall. När man väljer mellan analoga eller digitala utgångar för en MEMS-mikrofon är det viktigt att ta hänsyn till hur utsignalen ska användas och hur systemet ska implementeras för att garantera optimala prestanda. Same Sky har analoga, digitala PDM- och digitala ^I2S MEMS-mikrofoner samt en rad olika ljudkomponentlösningar för att tillgodose en mängd olika behov av ljudtillämpningar.