Использование микрофонов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) дает возможность внедрить сложный функционал связи и мониторинга в широкий спектр устройств. Домашние цифровые помощники и голосовые навигационные устройства являются популярными примерами, которые в настоящее время способствуют значительному росту популярности электроники с голосовым управлением. Поскольку технология МЭМС (MEMS) завоевывает лучшие позиции в области микрофонов, настал подходящий момент рассмотреть различные электрические интерфейсы для МЭМС-микрофонов и способы их эксплуатации.
В данном материале будут сравниваться три наиболее популярных варианта выходного интерфейса: аналоговый, цифровой PDM и цифровой I2S, принимая во внимание их плюсы, минусы и реализацию.
Типичная конфигурация МЭМС-микрофонов предполагает интеграцию двух полупроводниковых чипов в один корпус. Первый полупроводниковый чип содержит МЭМС-мембрану, которая преобразует звуковые волны в электрический сигнал, тогда как второй чип представляет собой усилитель, который может включать в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В тех случаях, когда в МЭМС-микрофоне отсутствует АЦП, пользователю предоставляется аналоговый выходной сигнал, а цифровой выходной сигнал становится доступным при наличии АЦП.
МЭМС-микрофоны с аналоговыми выходами предлагают простой интерфейс с главной схемой, как показано на следующем рисунке. Стоит отметить, что внутренний усилитель микрофона выдает аналоговый выходной сигнал, который уже находится на приемлемом уровне, и при этом сам выходной каскад имеет относительно низкое выходное сопротивление.
Чтобы избежать необходимости согласования входного напряжения постоянного тока главной схемы с выходным напряжением постоянного тока МЭМС-микрофона, используется блокирующий конденсатор постоянного тока (C1). Комбинация C1 и R1 образует полюсную частоту, которая должна быть установлена достаточно низкой, чтобы гарантировать, что сигналы желаемой звуковой частоты передаются в главную схему с приемлемым уровнем затухания.
МЭМС-микрофоны с цифровым интерфейсом часто используют плотность импульсной модуляции (PDM) или I²S для кодирования выходных сигналов. В PDM напряжение аналогового сигнала преобразуется в однобитовый цифровой поток, который содержит соответствующую плотность сигналов с высоким логическим уровнем. PDM обеспечивает ряд преимуществ, таких как устойчивость к электрическим помехам, устойчивость к битовым ошибкам и простой аппаратный интерфейс. На следующем рисунке показано, как одиночный цифровой PDM-микрофон можно подключить к главной цепи. Вывод «Select» на рисунке может быть подключен либо к Vdd, либо к Gnd, чтобы определить, будут ли данные утверждаться на нарастающем или спадающем фронте тактового сигнала.
На следующем рисунке показано, как два цифровых PDM MEMS-микрофона можно подключить к главной схеме, используя общие линии синхронизации и передачи данных. Эта конфигурация часто используется при реализации стереомикрофонов.
МЭМС-микрофоны с цифровым выходом I²S обеспечивают системные преимущества, сравнимые с выходами PDM. Эти микрофоны имеют внутренний прореживающий фильтр, который упрощает интерфейс и обработку за счет создания стандартной частоты дискретизации звука. Благодаря внутреннему процессу децимации цифровые микрофоны I²S MEMS могут подключаться напрямую к процессору обработки цифровых сигналов (DSP) или другому контроллеру. Это устраняет необходимость в АЦП или кодеке для обработки выходных данных, что приводит к снижению затрат на проектирование системы и экономии места в конечном приложении. Как и цифровые МЭМС-микрофоны PDM, два цифровых МЭМС-микрофона I²S можно соединить с помощью общей линии передачи данных. Однако для этой конфигурации требуются два синхросигнала в дополнение к синхросигналу слова и тактовому сигналу бита.
В электронике выбор между аналоговыми или цифровыми выходными сигналами для МЭМС-микрофонов зависит от предполагаемого использования выходного сигнала. Аналоговые выходные сигналы подходят для приложений, в которых они будут подключены к усилителю для аналоговой обработки в главной системе, например, в простом громкоговорителе или системе радиосвязи. МЭМС-микрофоны с аналоговыми выходами также имеют более низкое энергопотребление по сравнению с микрофонами с цифровыми выходами, поскольку им не требуется АЦП. С другой стороны, цифровой выходной сигнал от МЭМС-микрофона предпочтительнее, если сигнал будет использоваться в цифровых схемах, таких как микроконтроллер или процессор обработки цифровых сигналов (DSP). Цифровые выходные сигналы также полезны в средах с электрическими помехами, поскольку они обладают большей устойчивостью к электрическим помехам по сравнению с традиционными аналоговыми сигналами.
Микрофонная технология МЭМС становится все более популярной, и ожидается, что ее использование будет только расширяться. Важно понимать различные доступные конфигурации и то, как их можно применять в конкретных случаях использования. При выборе между аналоговыми или цифровыми выходами для МЭМС-микрофона важно учитывать, как будет использоваться выходной сигнал и предполагаемую реализацию системы, чтобы обеспечить оптимальную производительность.
© digitrode.ru