MEMS-mikrofon-interfaces: Analoge vs. digitale udgange
2023-07-10
Brugen af MEMS-mikrofoner (Micro-Electro-Mechanical Systems) giver mulighed for at indbygge sofistikerede kommunikations- og overvågningsfunktioner i en lang række apparater. Digitale hjemmeassistenter og stemmestyrede navigationsenheder er populære eksempler, der i øjeblikket driver en betydelig vækst inden for stemmestyret elektronik. Med MEMS-teknologiens stigende dominans på mikrofonområdet er det et godt tidspunkt at se på de forskellige elektriske grænseflader til MEMS-mikrofoner, og hvordan man betjener dem. Denne artikel sammenligner tre af de mest populære muligheder: analog, digital PDM og digital I2S, og tager hensyn til deres fordele, ulemper og implementering.
Grundlæggende konstruktion af MEMS-mikrofoner
Den typiske konfiguration af MEMS-mikrofoner involverer integration af to halvlederchips i en enkelt pakke. Den første halvlederchip består af en MEMS-membran, der omdanner lydbølger til et elektrisk signal, mens den anden chip udgør en forstærker, der kan indeholde en analog-til-digital-konverter (ADC). I tilfælde, hvor MEMS-mikrofonen mangler en ADC, leveres et analogt udgangssignal til brugeren, mens et digitalt udgangssignal gøres tilgængeligt, når ADC'en er til stede.
Oversigt over analoge udgange
MEMS-mikrofoner med analoge udgange tilbyder en enkel grænseflade til værtskredsløbet, som vist i figur 1 nedenfor. Det er værd at bemærke, at mikrofonens interne forstærker driver det analoge udgangssignal, som allerede er på et rimeligt signalniveau og har en relativt lav udgangsimpedans.
For at undgå at skulle matche værtskredsløbets jævnstrømsindgangsspænding med MEMS-mikrofonens jævnstrømsudgangsspænding, anvendes en jævnstrømsblokerende kondensator (C1). Kombinationen af C1 og R1 danner en polfrekvens, der skal indstilles lavt nok til at sikre, at de ønskede audiofrekvenssignaler overføres til værtskredsløbet med et acceptabelt dæmpningsniveau [dvs. for et minimum audiofrekvensområde på 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].
Figur 1: Analog MEMS-mikrofon forbundet til en ekstern forstærker. (Billedkilde: Same Sky)
Oversigt over digitale udgange
MEMS-mikrofoner, der har en digital grænseflade, bruger ofte PDM (pulse density modulation) eller I²S til at kode udgangssignalerne. I PDM omdannes den analoge signalspænding til en digital single-bit-strøm, der indeholder en tilsvarende tæthed af logisk-høje signaler. PDM giver flere fordele, såsom immunitet over for elektrisk støj, bitfejlstolerance og en enkel hardwaregrænseflade.
Figur 2 illustrerer, hvordan en enkelt digital PDM-mikrofon kan forbindes til et værtskredsløb. "Select"-benet i figuren kan forbindes til enten Vdd eller Gnd for at afgøre, om dataene skal aktiveres på den stigende eller faldende kant af clocksignalet.
Figur 2: Enkelt tilslutning af en digital PDM MEMS-mikrofon. (Billedkilde: Same Sky)
Figur 3 viser, hvordan to digitale PDM MEMS-mikrofoner kan forbindes til værtskredsløbet ved hjælp af fælles clock- og datalinjer. Denne konfiguration bruges ofte, når man implementerer stereomikrofoner.
Figur 3: Tilslutning af to digitale PDM MEMS-mikrofoner ved hjælp af clock- og datalinjerne. (Billedkilde: Same Sky)
MEMS-mikrofoner med digital I²S-udgang giver sammenlignelige systemfordele sammenlignet med PDM-udgange. Disse mikrofoner har et internt decimeringsfilter, som forenkler interfacing og behandling ved at producere en standard audio samplingfrekvens. På grund af den interne decimeringsproces kan digitale I²S MEMS-mikrofoner tilsluttes direkte til en digital signalprocessor (DSP) eller en anden controller. Dette eliminerer behovet for en ADC eller codec til at behandle de udlæste data, hvilket resulterer i lavere systemdesignomkostninger og pladsbesparelser i den endelige applikation.
Ligesom digitale PDM MEMS-mikrofoner kan to digitale I²S MEMS-mikrofoner forbindes via en fælles datalinje. Denne konfiguration kræver dog to clocksignaler ud over en word-clock og bit-clock.
Analog eller digital - hvad skal man vælge?
Inden for elektroteknik afhænger valget mellem analoge eller digitale udgangssignaler til MEMS-mikrofoner af, hvad udgangssignalet skal bruges til. Analoge udgangssignaler er velegnede til applikationer, hvor de skal tilsluttes en forstærker til analog behandling i værtssystemet, f.eks. i en simpel højttaler eller et radiokommunikationssystem. MEMS-mikrofoner med analoge udgange har også et lavere strømforbrug sammenlignet med dem med digitale udgange, da de ikke kræver en ADC.
På den anden side er et digitalt udgangssignal fra en MEMS-mikrofon at foretrække, hvis signalet skal bruges i et digitalt kredsløb, f.eks. en mikrocontroller eller digital signalprocessor (DSP). Digitale udgangssignaler er også nyttige i elektrisk støjende miljøer, da de udviser større immunitet over for elektrisk støj sammenlignet med traditionelle analoge signaler.
Konklusion
MEMS-mikrofonteknologien bliver stadig mere populær og forventes kun at blive brugt i stadig større omfang. Det er vigtigt at forstå de forskellige konfigurationer, der er tilgængelige, og hvordan de kan anvendes til specifikke brugssituationer. Når man skal vælge mellem analoge eller digitale udgange til en MEMS-mikrofon, er det vigtigt at overveje, hvordan udgangssignalet skal bruges, og hvordan systemet skal implementeres for at sikre optimal ydelse. Same Sky tilbyder analoge, digitale I2S MEMS-mikrofoner samt en række lydkomponentløsninger, der opfylder en række forskellige lydapplikationsbehov.
Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.