MEMS-mikrofongrensesnitt: Analoge kontra digitale utganger

Bruken av MEMS-mikrofoner (MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems) gjør det mulig å innlemme avanserte kommunikasjons- og overvåkingsfunksjoner i en rekke enheter. Digitale hjemmeassistenter og taleaktiverte navigasjonsenheter er populære eksempler som for tiden driver betydelig vekst innen talestyrt elektronikk. Siden MEMS-teknologien dominerer mer og mer i mikrofonmarkedet, er dette et godt tidspunkt å se på de ulike elektriske grensesnittene for MEMS-mikrofoner og hvordan de brukes. Denne artikkelen vil sammenligne tre av de mest populære alternativene: Analog, digital PDM og digital I²S, og ta i betraktning fordelene og ulempene til hver av disse, i tillegg til implementeringen.

Grunnleggende MEMS-mikrofonkonstruksjon

Den typiske konfigurasjonen av MEMS-mikrofoner innebærer å integrere to halvlederbrikker i én enkel kapsling. Den første halvlederbrikken omfatter en MEMS-membran som omformer lydbølger til et elektrisk signal, mens den andre brikken utgjør en forsterker som kan innlemme en analog-til-digital-omformer (ADC – analog-to-digital converter). I tilfeller der MEMS-mikrofonen mangler en A-D-omformer (ADC), gis et analogt utgangssignal til brukeren, mens et digitalt utgangssignal gjøres tilgjengelig når A-D-omformeren er tilstedeværende.

Oversikt over analog utgang

MEMS-mikrofoner som leveres med analoge utganger gir et enkelt grensesnitt til vertskretsen, som vist i figur 1 nedenfor. Det er verdt å merke seg at den interne forsterkeren i mikrofonen driver det analoge utgangssignalet, som allerede er på et akseptabelt signalnivå og har en relativt lav utgangsimpedans.

For å unngå å måtte samsvare DC-inngangsspenningen til vertskretsen med DC-utgangsspenningen til MEMS-mikrofonen, brukes en DC-sperrekondensator (C1). Kombinasjonen av C1 og R1 danner en polfrekvens som må settes lavt nok til å sikre at de ønskede lydfrekvenssignalene overføres til vertskretsen med et akseptabelt dempningsnivå [dvs. for et minimum lydfrekvensområde på 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Figur 1: Analog MEMS-mikrofon koblet til en ekstern forsterker. (Bildekilde: Same Sky)

Oversikt over digital utgang

MEMS-mikrofoner som har et digitalt grensesnitt bruker ofte pulstetthetsmodulasjon (PDM – pulse density modulation) eller I²S til å kode utgangssignalene. I PDM-en omformes den analoge signalspenningen til en én-bits digital strøm som inneholder en korresponderende tetthet av signaler som er logisk høye (logic-high signals). PDM gir flere fordeler, for eksempel immunitet mot elektrisk støy, bitfeiltoleranse og et enkelt maskinvaregrensesnitt.

Figur 2 illustrerer hvordan en enkel digital PDM-mikrofon kan kobles til en vertskrets. «Select»-pinnen i figuren kan kobles til enten Vdd eller Gnd for å fastsette om dataene bekreftes på den stigende eller fallende kanten av klokkesignalet.

Figur 2: Enkel tilkobling av en digital PDM MEMS-mikrofon. (Bildekilde: Same Sky)

Figur 3 viser hvordan to digitale PDM MEMS-mikrofoner kan kobles til vertskretsen ved å bruke delte klokke- og datalinjer. Denne konfigurasjonen brukes ofte når stereomikrofoner implementeres.

Figur 3: Koble til to digitale PDM MEMS-mikrofoner ved å bruke klokke- og datalinjene. (Bildekilde: Same Sky)

MEMS-mikrofoner med digital I² S-utgang gir systemfordeler som kan sammenlignes med PDM-utganger. Disse mikrofonene har et internt desimeringsfilter, som forenkler tilkoblingen og behandlingen ved å produsere en standard lydsamplingsfrekvens. Fordi desimeringsprosessen oppstår internt, kan digitale I²S MEMS-mikrofoner kobles direkte til en digital signalprosessor (DSP) eller en annen styring. Dette eliminerer behovet for en A-D-omformer eller kodek for å behandle dataene på utgangen, noe som resulterer i lavere systemkonstruksjonskostnader og plassbesparelser i det endelige utstyret.

I likhet med digitale PDM MEMS-mikrofoner, kan to digitale I²S MEMS-mikrofoner kobles til ved å bruke en felles datalinje. Denne konfigurasjonen krever imidlertid to klokkesignaler i tillegg til en ordklokke og en bitklokke.

Analog eller digital – hvilken skal du velge?

I elektroteknikk er valget mellom analoge eller digitale utgangssignaler for MEMS-mikrofoner avhengig av den tiltenkte bruken av utgangssignalet. Analoge utgangssignaler er egnet for konstruksjoner hvor de vil kobles til en forsterker for analog behandling i vertssystemet, for eksempel i en enkel høyttaler eller et radiokommunikasjonssystem. MEMS-mikrofoner med analoge utganger har også lavere strømforbruk sammenlignet med de med digitale utganger, siden de ikke krever noen A-D-omformer.

På den annen side foretrekkes et digitalt utgangssignal fra en MEMS-mikrofon hvis signalet skal brukes i digitale kretser, for eksempel en mikrokontroller eller digital signalprosessor (DSP). Digitale utgangssignaler er også nyttige i elektrisk støyende miljøer, siden de utviser større elektrisk støyimmunitet sammenlignet med tradisjonelle analoge signaler.

Konklusjon

MEMS-mikrofonteknologien blir stadig mer populær, og den forventes bare å fortsette å vokse i bruk. Det er viktig å forstå de forskjellige konfigurasjonene som er tilgjengelige og hvordan de kan brukes i spesifikke konstruksjoner. Når det skal velges mellom analoge eller digitale utganger for en MEMS-mikrofon, er det viktig å vurdere hvordan utgangssignalet skal brukes og den tiltenkte systemimplementeringen for å sikre optimal ytelse. Same Sky tilbyr analoge, digitale PDM og digitale I²S MEMS-mikrofoner, i tillegg til en rekke lydkomponentløsninger for å imøtekomme ulike lydbehov.