Rozhraní mikrofonů MEMS: Analogové vs. digitální výstupy

Využití mikrofonů MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) představuje příležitost k začlenění sofistikovaných komunikačních a monitorovacích funkcí do nejrůznějších zařízení. Oblíbenými příklady jsou domácí digitální asistenti a hlasem ovládaná navigační zařízení, která v současnosti podporují významný růst v oblasti hlasem ovládané elektroniky. Vzhledem k tomu, že technologie MEMS získává v oblasti mikrofonů dominantní postavení, je vhodná chvíle podívat se na různá elektrická rozhraní pro mikrofony MEMS a na způsob jejich ovládání. V tomto článku porovnáme tři nejoblíbenější možnosti: analogové, digitální PDM a digitální I²S s přihlédnutím k jejich výhodám, nevýhodám a provedení.

Základní konstrukce mikrofonu MEMS

Typická konfigurace mikrofonů MEMS spočívá ve dvou polovodičových čipech integrovaných do jednoho pouzdra. První polovodičový čip obsahuje membránu MEMS, která převádí zvukové vlny na elektrický signál, zatímco druhý čip představuje zesilovač, který může obsahovat analogově-digitální převodník (ADC). V případech, kdy mikrofon MEMS postrádá ADC, je uživateli poskytován analogový výstupní signál, zatímco v případě přítomnosti ADC je k dispozici digitální výstupní signál.

Základní informace o analogových výstupech

Mikrofony MEMS, které jsou vybaveny analogovými výstupy, nabízejí jednoduché rozhraní s hostitelským obvodem, jak je znázorněno na obrázku 1 níže. Stojí za zmínku, že vnitřní zesilovač mikrofonu řídí analogový výstupní signál, který je již na rozumné úrovni signálu a vyznačuje se relativně nízkou výstupní impedancí.

Aby nebylo nutné přizpůsobovat stejnosměrné vstupní napětí hostitelského obvodu stejnosměrnému výstupnímu napětí mikrofonu MEMS, používá se stejnosměrný blokovací kondenzátor (C1). Kombinace C1 a R1 tvoří pólovou frekvenci, která musí být nastavena dostatečně nízko, aby se zajistilo, že požadované audiofrekvenční signály budou přenášeny do hostitelského obvodu s přijatelnou úrovní útlumu [tj. pro minimální audiofrekvenční rozsah 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Obrázek 1: Analogový mikrofon MEMS připojený k externímu zesilovači. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Základní informace o digitálních výstupech

Mikrofony MEMS s digitálním rozhraním často využívají ke kódování výstupních signálů pulzně hustotní modulaci (PDM) nebo I²S. V případě PDM se napětí analogového signálu transformuje na jednobitový digitální proud, který obsahuje odpovídající hustotu signálů logic high. PDM poskytuje několik výhod, například odolnost vůči elektrickému šumu, toleranci bitových chyb a jednoduché hardwarové rozhraní.

Obrázek 2 znázorňuje, jak lze připojit jeden digitální mikrofon PDM k hostitelskému obvodu. Pin „Select“ na obrázku lze připojit buď k Vdd, nebo ke Gnd, aby se určilo, zda se data uplatní na vzestupné nebo sestupné hraně hodinového signálu.

Obrázek 2: Zapojení jednoho digitálního mikrofonu PDM MEMS. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Na obrázku 3 je znázorněno, jak mohou být dva digitální mikrofony PDM MEMS připojeny k hostitelskému obvodu pomocí sdílené hodinové a datové linky. Tato konfigurace se často používá při implementaci stereofonních mikrofonů.

Obrázek 3: Zapojení dvou digitálních mikrofonů PDM MEMS pomocí hodinové a datové linky. (Zdroj obrázku: Same Sky)

Digitální mikrofony MEMS s výstupem I²S poskytují systémové výhody srovnatelné s výstupy PDM. Tyto mikrofony mají vnitřní decimační filtr, který zjednodušuje propojení a zpracování tím, že vytváří standardní vzorkovací frekvenci zvuku. Díky procesu decimace, který probíhá interně, je možné digitální mikrofony I²S MEMS připojit přímo k digitálnímu signálovému procesoru (DSP) nebo jiné řídicí jednotce. Tím odpadá potřeba ADC nebo kodeku pro zpracování výstupních dat, což vede ke snížení nákladů na návrh systému a úspoře místa v konečné aplikaci.

Stejně jako digitální mikrofony PDM MEMS lze propojit dva digitální mikrofony I²S MEMS pomocí společné datové linky. Tato konfigurace však vyžaduje kromě signálu „word clock“ a „bit clock“ také dva hodinové signály.

Analogové nebo digitální – které si vybrat?

V elektrotechnice závisí volba mezi analogovým nebo digitálním výstupním signálem pro mikrofony MEMS na zamýšleném použití výstupního signálu. Analogové výstupní signály jsou vhodné pro aplikace, kde budou připojeny k zesilovači pro analogové zpracování v rámci hostitelského systému, například v jednoduchém reproduktoru nebo radiokomunikačním systému. Mikrofony MEMS s analogovými výstupy mají také nižší spotřebu energie ve srovnání s mikrofony s digitálními výstupy, protože nevyžadují ADC.

Na druhou stranu je digitální výstupní signál z mikrofonu MEMS vhodnější, pokud bude použit v digitálních obvodech, jako je mikrokontrolér nebo digitální signálový procesor (DSP). Digitální výstupní signály jsou také užitečné v elektricky hlučném prostředí, protože ve srovnání s tradičními analogovými signály vykazují větší odolnost vůči elektrickému šumu.

Závěr

Technologie mikrofonů MEMS je stále populárnější a očekává se, že její využití bude i nadále růst. Je důležité porozumět různým dostupným konfiguracím a tomu, jak je lze aplikovat na konkrétní případy použití. Při rozhodování mezi analogovými nebo digitálními výstupy pro mikrofon MEMS je nezbytné zvážit, jak bude výstupní signál využíván, a dále zamýšlenou implementaci systému, aby byl zajištěn optimální výkon. Společnost Same Sky nabízí analogové, digitální PDM a digitální I2S mikrofony I²S MEMS a také řadu řešení zvukových komponent pro různé potřeby zvukových aplikací.