Interfețele microfoanelor MEMS: ieșiri analogice vs. digitale

Utilizarea microfoanelor sistemelor microelectromecanice (MEMS) oferă oportunitatea de a încorpora capacități sofisticate de comunicare și monitorizare într-o gamă diversă de dispozitive. Asistenții digitali pentru acasă și dispozitivele de navigație cu comandă vocală sunt exemple populare care, în prezent, impulsionează creșterea semnificativă a produselor electronice cu comandă vocală. Având în vedere că tehnologia MEMS devine din ce în ce mai dominantă în domeniul microfoanelor, este un moment oportun să analizăm diferitele interfețe electrice pentru microfoanele MEMS și modul de operare a acestora. Acest articol va compara trei dintre cele mai populare opțiuni: analogică, digitală PDM și digitală ^I2S, luând în considerare avantajele, dezavantajele și implementarea acestora.

Construcția de bază a microfonului MEMS

Configurația tipică a microfoanelor MEMS implică integrarea a două cipuri semiconductoare într-o singură capsulă. Primul cip semiconductor cuprinde o membrană MEMS ce transformă undele sonore într-un semnal electric, în timp ce al doilea cip constituie un amplificator ce poate încorpora un convertor analogic-digital (ADC). În cazurile în care microfonul MEMS nu are un ADC, utilizatorului îi este furnizat un semnal de ieșire analogic, în timp ce un semnal de ieșire digital este disponibil atunci când ADC-ul este prezent.

Prezentarea generală a ieșirii analogice

Microfoanele MEMS prevăzute cu ieșiri analogice oferă o interfață simplă cu circuitul gazdă, astfel cum se indică în Figura 1 de mai jos. Este important să subliniem faptul că amplificatorul intern al microfonului preia semnalul de ieșire analogic, care se află deja la un nivel rezonabil și are o impedanță de ieșire relativ scăzută.

Pentru a evita necesitatea de a adapta tensiunea de intrare c.c. a circuitului gazdă la tensiunea de ieșire c.c. a microfonului MEMS, se utilizează un condensator de blocare c.c. (C1). Combinația dintre C1 și R1 formează o frecvență polară ce trebuie setată la un nivel suficient de scăzut pentru a se asigura faptul că semnalele de frecvență audio dorite sunt transmise către circuitul gazdă cu un nivel acceptabil de atenuare [adică, pentru o gamă minimă de frecvențe audio de 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Figura 1: Microfon analogic MEMS conectat la un amplificator extern. (Sursă imagine: Same Sky)

Prezentarea generală a ieșirii digitale

Microfoanele MEMS ce dispun de o interfață digitală utilizează adesea modularea densității impulsurilor (PDM) sau I²S pentru a codifica semnalele de ieșire. În PDM, tensiunea semnalului analogic este transformată într-un flux digital pe un singur bit care conține o densitate corespunzătoare de semnale de nivel logic ridicat. PDM oferă mai multe avantaje, cum ar fi imunitatea la zgomot electric, toleranța la erori de bit și o interfață hardware simplă.

Figura 2 ilustrează modul în care un singur microfon digital PDM poate fi conectat la un circuit gazdă. Pinul „Select” (Selectare) din figură poate fi conectat fie la Vdd, fie la Gnd pentru a determina dacă datele sunt activate pe marginea în creștere sau în scădere a semnalului ceasului.

Figura 2: Conexiune unică a unui microfon digital MEMS PDM. (Sursă imagine: Same Sky)

Figura 3 descrie modul în care două microfoane MEMS PDM digitale pot fi conectate la circuitul gazdă folosind linii de ceas și de date partajate. Această configurație este adesea utilizată la implementarea microfoanelor stereo.

Figura 3: Conectarea a două microfoane digitale MEMS PDM folosind liniile de ceas și de date. (Sursă imagine: Same Sky)

Microfoanele MEMS cu ieșire digitală I²S oferă beneficii de sistem comparabile cu ieșirile PDM. Aceste microfoane au un filtru intern de decimare, ce simplifică interfațarea și procesarea producând o rată de eșantionare audio standard. Datorită procesului de decimare ce are loc la nivel intern, microfoanele digitale I²S MEMS pot fi conectate direct la un procesor de semnal digital (DSP) sau la un alt controler. Acest lucru elimină necesitatea unui ADC sau a unui codec care să proceseze datele de ieșire, ceea ce duce la reducerea costurilor de proiectare a sistemului și la economii de spațiu în aplicația finală.

La fel ca microfoanele digitale MEMS PDM, două microfoane MEMS I²S digitale pot fi conectate cu ajutorul unei linii de date comune. Totuși, această configurație necesită două semnale de ceas pe lângă un „word clock” și un „bit clock”.

Analogic sau digital - ce să alegeți?

În domeniul ingineriei electrice, decizia asupra semnalului de ieșire, fie analogic, fie digital, pentru microfoanele MEMS este determinată de utilizarea preconizată a semnalului de ieșire. Semnalele de ieșire analogice sunt potrivite pentru aplicații în care vor fi conectate la un amplificator pentru procesare analogică în cadrul sistemului gazdă, cum ar fi un difuzor simplu sau un sistem de comunicații radio. De asemenea, microfoanele MEMS cu ieșiri analogice au un consum de energie mai mic în comparație cu cele cu ieșiri digitale, deoarece nu necesită un ADC.

Pe de altă parte, un semnal de ieșire digital de la un microfon MEMS este preferabil dacă semnalul va fi utilizat în circuite digitale, cum ar fi un microcontroler sau un procesor de semnal digital (DSP). De asemenea, semnalele de ieșire digitale sunt utile în mediile cu zgomot electric, deoarece prezintă o imunitate mai mare la zgomotul electric în comparație cu semnalele analogice tradiționale.

Concluzie

Utilizarea tehnologiei microfonului MEMS este în creștere constantă și se preconizează că aceasta va continua să fie tot mai populară. Înțelegerea diverselor configurații disponibile și a modului în care acestea pot fi aplicate în cazurile de utilizare specifice reprezintă un aspect esențial. Pentru a asigura o performanță optimă, este important să se ia în considerare modul de utilizare și implementarea prevăzută a sistemului atunci când se face alegerea între ieșirile analogice sau digitale pentru un microfon MEMS. Same Sky oferă microfoane MEMS analogice, PDM digitale și I²S digitale, precum și o gamă de soluții de componente audio pentru a satisface diferite cerințe ale aplicațiilor audio.