MEMS-microfooninterfaces: analoge vs. digitale uitgangen

Het gebruik van microfoons met micro-elektromechanische systemen (MEMS) biedt de mogelijkheid om geavanceerde communicatie- en bewakingsmogelijkheden op te nemen in een groot aantal verschillende apparaten. Digitale assistenten voor thuisgebruik en spraakgestuurde navigatiesystemen zijn populaire voorbeelden die momenteel zorgen voor een aanzienlijke groei in spraakgestuurde elektronica. Nu MEMS-technologie steeds dominanter wordt op het gebied van microfoons, is het een goed moment om te kijken naar de verschillende elektrische interfaces voor MEMS-microfoons en hoe ze te bedienen. In dit artikel worden drie van de populairste opties vergeleken: analoog, digitaal PDM en digitaal I²S, waarbij rekening wordt gehouden met hun voor- en nadelen en implementatie.

Basisconstructie MEMS-microfoon

De typische configuratie van MEMS-microfoons bestaat uit de integratie van twee halfgeleiderchips in een enkele behuizing. De eerste halfgeleiderchip bestaat uit een MEMS-membraan dat geluidsgolven omzet in een elektrisch signaal, terwijl de tweede chip een versterker is die een analoog-digitaalomzetter (ADC) kan bevatten. Als de MEMS-microfoon geen ADC heeft, krijgt de gebruiker een analoog uitgangssignaal, terwijl er een digitaal uitgangssignaal beschikbaar is als de ADC aanwezig is.

Overzicht analoge uitgangen

MEMS-microfoons met analoge uitgangen bieden een eenvoudige interface met het hostcircuit, zoals weergegeven in Afbeelding 1 hieronder. Het is vermeldenswaard dat de interne versterker van de microfoon het analoge uitgangssignaal aanstuurt, dat al een redelijk signaalniveau heeft en een relatief lage uitgangsimpedantie.

Om te voorkomen dat de gelijkstroomingangsspanning van het hostcircuit gelijk moet zijn aan de gelijkstroomuitgangsspanning van de MEMS-microfoon, wordt een gelijkstroomblokkeringscondensator (C1) gebruikt. De combinatie van C1 en R1 vormt een poolfrequentie die laag genoeg moet worden ingesteld om ervoor te zorgen dat de gewenste audiofrequentiesignalen met een acceptabel dempingsniveau naar het hostcircuit worden verzonden [d.w.z. voor een minimaal audiofrequentiebereik van 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Afbeelding 1: Analoge MEMS-microfoon aangesloten op een externe versterker. (Bron afbeelding: Same Sky)

Overzicht digitale uitgangen

MEMS-microfoons met een digitale interface maken vaak gebruik van PDM (pulse density modulation) of I²S om de uitgangssignalen te coderen. In PDM wordt de analoge signaalspanning omgezet in een enkele-bit digitale stroom die een overeenkomstige dichtheid van logische-hoogsignalen bevat. PDM biedt verschillende voordelen, zoals ongevoeligheid voor elektrische ruis, bitfouttolerantie en een eenvoudige hardware-interface.

Afbeelding 2 laat zien hoe een enkele digitale PDM-microfoon kan worden aangesloten op een hostschakeling. De "Select" pin in de afbeelding kan worden verbonden met Vdd of Gnd om te bepalen of de gegevens worden bevestigd op de opgaande of neergaande flank van het kloksignaal.

Afbeelding 2: Enkele aansluiting van een digitale PDM MEMS-microfoon. (Bron afbeelding: Same Sky)

Afbeelding 3 laat zien hoe twee digitale PDM MEMS-microfoons kunnen worden aangesloten op het hostcircuit met behulp van gedeelde klok- en datalijnen. Deze configuratie wordt vaak gebruikt bij de implementatie van stereomicrofoons.

Afbeelding 3: Twee digitale PDM MEMS-microfoons aansluiten via de klok- en datalijnen. (Bron afbeelding: Same Sky)

Digitale MEMS-microfoons met I²S-uitgang bieden vergelijkbare systeemvoordelen als PDM-uitgangen. Deze microfoons hebben een intern decimatiefilter dat interfacing en verwerking vereenvoudigt door een standaard audiosamplesnelheid te produceren. Door het decimeringsproces dat intern plaatsvindt, kunnen digitale I²S MEMS microfoons direct aangesloten worden op een digitale signaalprocessor (DSP) of andere controller. Hierdoor is er geen ADC of codec nodig om de uitgaande gegevens te verwerken, wat resulteert in lagere systeemontwerpkosten en ruimtebesparing in de uiteindelijke toepassing.

Net als digitale PDM MEMS-microfoons kunnen twee digitale I²S MEMS-microfoons worden aangesloten via een gemeenschappelijke datalijn. Deze configuratie vereist echter twee kloksignalen naast een woordklok en bitklok.

Analoog of digitaal - wat moet ik kiezen?

In de elektrotechniek hangt de keuze tussen analoge of digitale uitgangssignalen voor MEMS-microfoons af van het beoogde gebruik van het uitgangssignaal. Analoge uitgangssignalen zijn geschikt voor toepassingen waarbij ze worden aangesloten op een versterker voor analoge verwerking in het hostsysteem, zoals in een eenvoudige luidspreker of een radiocommunicatiesysteem. MEMS-microfoons met analoge uitgangen hebben ook een lager energieverbruik dan die met digitale uitgangen, omdat ze geen ADC nodig hebben.

Aan de andere kant heeft een digitaal uitgangssignaal van een MEMS-microfoon de voorkeur als het signaal gebruikt zal worden in digitale schakelingen, zoals een microcontroller of digitale signaalprocessor (DSP). Digitale uitgangssignalen zijn ook nuttig in omgevingen met veel elektrische ruis, omdat ze beter bestand zijn tegen elektrische ruis dan traditionele analoge signalen.

Conclusie

MEMS-microfoontechnologie wordt steeds populairder en het gebruik ervan zal naar verwachting alleen maar toenemen. Het is belangrijk om de verschillende beschikbare configuraties te begrijpen en hoe ze kunnen worden toegepast op specifieke gebruikssituaties. Bij de keuze tussen analoge of digitale uitgangen voor een MEMS-microfoon is het essentieel om na te gaan hoe het uitgangssignaal gebruikt gaat worden en wat de beoogde systeemimplementatie is om optimale prestaties te garanderen. Same Sky biedt analoge, digitale PDM en digitale I²S MEMS-microfoons en een reeks oplossingen voor audiocomponenten om te voldoen aan uiteenlopende behoeften op het gebied van geluidstoepassingen.