MEMS-mikrofoniliitännät: analoginen vai digitaalinen lähtö

MEMS-mikrofonien (Micro-Electro-Mechanical Systems) käyttö tarjoaa mahdollisuuden sisällyttää kehittyneitä viestintä- ja valvontaominaisuuksia monenlaisiin laitteisiin. Kodin digitaaliset avustajat ja puheohjatut navigointilaitteet ovat suosittuja esimerkkejä sovelluksista, jotka ovat tällä hetkellä ajamassa merkittävää kasvua ääniohjatussa elektroniikassa. MEMS-teknologian saavuttaessa nyt määräävän aseman mikrofonien maailmassa on otollinen hetki tarkastella MEMS-mikrofonien erilaisia sähköliitäntöjä ja niiden käyttöä. Tässä artikkelissa verrataan kolmea suosituinta vaihtoehtoa: analoginen, digitaalinen PDM ja digitaalinen I²S, ja pohditaan niiden hyviä ja huonoja puolia sekä toteutusta.

MEMS-mikrofonin perusrakenne

MEMS-mikrofonin tyypillinen rakenne käsittää kahden puolijohdesirun integroinnin yhteen pakkaukseen. Ensimmäinen puolijohdesiru koostuu MEMS-kalvosta, joka muuntaa ääniaallot sähkösignaaliksi, kun taas toinen siru on vahvistin, joka voi sisältää analogia-digitaalimuuntimen (ADC). Jos MEMS-mikrofonissa ei ole AD-muunninta, käyttäjä saa analogisen lähtösignaalin, kun taas digitaalinen lähtösignaali on käytettävissä, kun mikrofonissa on ADC.

Analogisen lähdön yleiskuvaus

Analogisen lähdön tarjoavissa MEMS-mikrofoneissa on yksinkertainen liitäntä isäntäpiiriin alla olevan kuvan 1 mukaisesti. On syytä huomata, että mikrofonin sisäinen vahvistin ohjaa analogista lähtösignaalia, joka on jo kohtuullisella signaalitasolla ja jossa on suhteellisen alhainen lähtöimpedanssi.

Jotta isäntäpiirin DC-tulojännitettä ei tarvitse sovittaa MEMS-mikrofonin DC-lähtöjännitteeseen, käytetään DC-estokondensaattoria (C1). C1:n ja R1:n yhdistelmä muodostaa napataajuuden, joka on asetettava tarpeeksi alhaiseksi, että halutut äänitaajuussignaalit lähetetään isäntäpiiriin hyväksyttävällä vaimennustasolla [eli vähintään 20 Hz:n äänitaajuusalue; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Kuva 1: Analoginen MEMS-mikrofoni kytkettynä ulkoiseen vahvistimeen. (Kuvan lähde: Same Sky)

Digitaalilähdön yleiskatsaus

MEMS-mikrofoneissa, joissa on digitaalinen lähtö, käytetään usein pulssitiheysmodulaatio- (PDM) tai I²S-muotoa lähtösignaalien koodaamiseen. PDM-muodossa analoginen signaalijännite muunnetaan yksibittiseksi digitaaliseksi virraksi, joka sisältää vastaavan tiheyden loogisen tilan 1 signaalit. PDM tarjoaa useita etuja, kuten immuniteetin sähkökohinalle, bittivirheiden sietokyvyn ja suoraviivaisen laitteistoliitännän.

Kuva 2 havainnollistaa, miten yksi digitaalinen PDM-mikrofoni voidaan kytkeä isäntäpiiriin. Kuvan Select-nasta voidaan kytkeä joko Vdd- tai Gnd-tasoon sen määrittämiseksi, poimitaanko data kellosignaalin noususta vai laskusta.

Kuva 2: Digitaalisen PDM MEMS -mikrofonin yksittäinen liitäntä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kuvassa 3 kuvataan, miten isäntäpiiriin voidaan kytkeä kaksi digitaalista PDM MEMS -mikrofonia jaetun kellon ja datalinjojen avulla. Tätä kokoonpanoa käytetään usein stereomikrofonitoteutuksissa.

Kuva 3: Kahden digitaalisen PDM MEMS -mikrofonin liittäminen kello- ja datalinjojen avulla. (Kuvan lähde: Same Sky)

Digitaalisella I²S-lähdöllä varustetut MEMS-mikrofonit tarjoavat vastaavia järjestelmähyötyjä kuin PDM-lähdöt. Näissä mikrofoneissa on sisäinen desimaatiosuodatin, joka tekee liitännöistä ja prosessoinnista yksinkertaisempia tuottamalla vakioääninäytetaajuuden. Sisäisesti tapahtuvan desimaatioprosessin vuoksi digitaaliset I²S MEMS -mikrofonit voidaan liittää suoraan digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) tai muuhun ohjaimeen. Tämä poistaa tarpeen AD-muuntimelle tai koodekille lähtödatan prosessoimiseksi, mikä vähentää järjestelmän suunnittelukustannuksia ja säästää tilaa lopullisessa sovelluksessa.

Digitaalisten PDM MEMS -mikrofonien tavoin myös kaksi digitaalista I²S MEMS -mikrofonia voidaan yhdistää käyttämällä yhteistä datalinjaa. Tämä kokoonpano edellyttää kuitenkin kahta kellosignaalia sanakellon ja bittikellon lisäksi.

Analoginen vai digitaalinen – kumpi valita?

Sähkötekniikassa MEMS-mikrofonien analogisten tai digitaalisten lähtösignaalien valinta riippuu lähtösignaalin käyttötarkoituksesta. Analogiset lähtösignaalit sopivat sovelluksiin, joissa ne liitetään vahvistimeen analogista prosessointia varten isäntäjärjestelmässä, esimerkiksi yksinkertaiseen kaiuttimeen tai radioviestintäjärjestelmään. Analogisen lähdön tarjoavien MEMS-mikrofonien virrankulutus on myös pienempi kuin digitaalisen lähdön tarjoavien, koska ne eivät vaadi AD-muunninta.

Toisaalta MEMS-mikrofonin digitaalinen lähtösignaali on parempi vaihtoehto, jos signaalia käytetään digitaalisissa piireissä, kuten mikrokontrollerissa tai digitaalisessa signaaliprosessorissa (DSP). Digitaaliset lähtösignaalit ovat hyödyllisiä myös ympäristöissä, joissa on korkea sähköinen kohinataso, koska niiden sähköinen häiriönsieto on parempi kuin perinteisillä analogisilla signaaleilla.

Yhteenveto

MEMS-mikrofoniteknologiasta on tulossa yhä suositumpaa, ja sen käytön odotetaan vain yleistyvän. On tärkeää ymmärtää erilaiset saatavana olevat konfiguraatiot ja se, miten niitä voidaan soveltaa halutussa käyttötapauksessa. Kun tehdään valintaa MEMS-mikrofonin analogisen ja digitaalisen lähdön välillä, on tärkeää pohtia, miten lähtösignaalia käytetään ja mikä on järjestelmän aiottu toteutus optimaalisen suorituskyvyn varmistamiseksi. Same Sky tarjoaa analogisia, digitaalisia PDM- ja digitaalisia I²S -MEMS-mikrofoneja sekä valikoiman audiokomponenttiratkaisuja erilaisten äänisovellustarpeiden täyttämiseksi.