A MEMS mikrofonok illesztőfelületei: az analóg és a digitális kimenőjelű mikrofonok összehasonlítása

A MEMS (micro-electro-mechanical system, mikro-elektromechanikus rendszerű) mikrofonok használata módot ad arra, hogy kifinomult kommunikációs és felügyeleti képességekkel lássák el a legkülönfélébb eszközöket. A hangvezérelt elektronika jelenlegi szembeötlő növekedésének ösztönzésére népszerű példák az otthoni digitális segédek és a hangvezérlésű navigációs eszközök. Mivel a MEMS technika egyre nagyobb teret hódít a mikrofonok területén, itt az alkalom, hogy megvizsgáljuk a MEMS mikrofonok különböző villamos illesztőfelületeit és azok működtetését. Ez a cikk a három legnépszerűbb megoldást – analóg, digitális PDM és digitális I²S – hasonlítja össze, figyelembe véve azok előnyeit, hátrányait és megvalósítását.

A MEMS mikrofonok alapvető felépítése

A MEMS mikrofonok jellemző kialakításában két félvezetőlapkát építenek össze egy tokba. Az első félvezetőlapka egy MEMS membránt tartalmaz, amely a hanghullámokat villamos jellé alakítja, míg a második lapka egy erősítő, amely analóg-digitális átalakítót (ADC) is tartalmazhat. Azokban az esetekben, amikor a MEMS mikrofon nem tartalmaz analóg-digitális átalakítót, analóg kimenőjelet kap a felhasználó, míg az analóg-digitális átalakító megléte esetén digitális kimenőjel áll rendelkezésére.

Az analóg kimenet áttekintése

Az analóg kimenettel rendelkező MEMS mikrofonok egyszerű illesztőfelülettel kapcsolódnak a fő áramkörhöz, ahogyan az az alábbi 1. ábrán látható. Érdemes megjegyezni, hogy az analóg kimenőjelet a mikrofon belső erősítője vezérli, így az már elfogadható jelszintű, és viszonylag kicsi a kimeneti impedanciája.

Annak elkerülése érdekében, hogy a fő áramkör bemenő egyenfeszültségét a MEMS mikrofon kimenő egyenfeszültségéhez kelljen igazítani, egy egyenáram-leválasztó kondenzátort (C1) használnak. A C1 és R1 kombinációja egy pólusfrekvenciát képez, amelyet elég kicsire kell állítani ahhoz, hogy a kívánt hangfrekvenciás jelek elfogadható csillapítással jussanak el a fő áramkörbe (azaz a legkisebb hangfrekvencia legalább 20 Hz legyen; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

1. ábra: Külső erősítőhöz csatlakoztatott analóg MEMS mikrofon (ábra: Same Sky)

A digitális kimenetek áttekintése

A digitális illesztőfelületű MEMS mikrofonok a kimenőjelek kódolásához gyakran használnak impulzussűrűség-modulációt (PDM, pulse density modulation) vagy integrált áramkörök közti hangátvitelt (I²S, inter-IC sound). Az impulzussűrűség-moduláció során az analóg jelfeszültséget egybites digitális jelfolyammá alakítják át, amely megfelelő sűrűségű logikai magas értékű jeleket tartalmaz. Az impulzussűrűség-moduláció számos előnnyel jár, ilyen például az elektromos zajokkal szembeni védettség, a bithibatűrés és az egyszerű hardveres illesztőfelület.

A 2. ábrán az látható, hogyan lehet egyetlen digitális PDM-mikrofont csatlakoztatni a fő áramkörhöz. Az ábrán látható Select láb a tápfeszültségre (Vdd) vagy a földre (Gnd) köthető annak meghatározására, hogy az órajel felfutó vagy lefutó éle számítson-e hasznos adatnak.

2. ábra: Egy digitális PDM MEMS mikrofon bekötése (ábra: Same Sky)

A 3. ábrán azt látható, hogyan lehet két digitális PDM MEMS mikrofont közös órajel- és adatvonalak segítségével a fő áramkörhöz csatlakoztatni. Ezt a kapcsolást gyakran használják sztereó mikrofonok esetén.

3. ábra: Két digitális PDM MEMS mikrofon összekapcsolása az órajel- és adatvonalak segítségével (ábra: Same Sky)

A digitális I²S kimenetű MEMS mikrofonok a PDM-kimenetekhez hasonló rendszerelőnyöket kínálnak. Ezek a mikrofonok belső tizedelőszűrőt tartalmaznak, amely a szabványos hangmintavételi frekvencia előállításával egyszerűsíti a csatlakoztatást és a jelfeldolgozást. A belső jeltizedelési folyamatnak köszönhetően a digitális I²S MEMS mikrofonok közvetlenül csatlakoztathatók digitális jelfeldolgozó processzorhoz (DSP, digital signal processor) vagy más vezérlőegységhez. Ez kiküszöböli a kimenőadatok feldolgozásához szükséges analóg-digitális átalakító (ADC) vagy kodek használatát, ami alacsonyabb rendszertervezési költségeket és a végkészülékben helytakarékosságot eredményez.

A digitális PDM MEMS mikrofonokhoz hasonlóan két digitális I²S MEMS mikrofon is összekapcsolható egy közös adatvonalon át. Ez a kapcsolás azonban két órajelet igényel a szó- és a bitórajelen kívül.

Analóg vagy digitális – melyiket válasszuk?

Az elektronikában a kimenőjel tervezett felhasználásától függ, hogy analóg vagy digitális kimenőjelű MEMS mikrofonokat érdemes-e választani. Az analóg kimenőjelek olyan felhasználási területeken hasznosak, ahol egy erősítőre vannak ráadva a fő rendszeren belüli analóg feldolgozáshoz, mint például egy egyszerű hangszóró vagy egy rádiókommunikációs rendszer esetében. Az analóg kimenőjelű MEMS mikrofonok fogyasztása is kisebb a digitális kimenőjelűekéhez képest, mivel itt nincs szükség analóg-digitális átalakítóra.

Előnyös viszont, ha digitális a MEMS mikrofon kimenőjele, ha a jelet digitális áramkörben, például mikrovezérlőben vagy digitális jelfeldolgozó processzorban használják fel. Ezenfelül hasznosak a digitális kimenőjelek villamosan zajos környezetben is, mert a hagyományos analóg jeleknél sokkal védettebbek a villamos zajokkal szemben.

Összegzés

A MEMS mikrofontechnika egyre népszerűbb, és várhatóan egyre csak nőni fog az elterjedtsége. Fontos megérteni a választható különböző kapcsolásokat, és azt, hogy azok hogyan használhatóak az egyes felhasználási területeken. Amikor arról kell dönteni, hogy analóg vagy digitális kimenőjelű MEMS mikrofont válasszunk-e, az optimális teljesítmény elérése érdekében feltétlenül figyelembe kell venni a kimenőjel felhasználási módját és a tervezett rendszer megvalósítási módját. A Same Sky analóg, digitális PDM és digitális I²S MEMS mikrofonokat, valamint számos hangtechnikai alkatrészt kínál a különböző hangtechnikai területeken fellépő igények kielégítésére.