Использование микрофонов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) открывает возможность реализации сложных функций связи и мониторинга в широком спектре устройств. Популярными примерами являются домашние цифровые помощники и навигационные устройства с голосовым управлением, которые в настоящее время стимулируют значительный рост рынка электроники, управляемой голосом. Поскольку технология МЭМС занимает все более прочные позиции в области микрофонов, настал подходящий момент рассмотреть различные электрические интерфейсы для МЭМС-микрофонов и способы их использования. В этой статье будут сравниваться три самых популярных варианта: аналоговый, цифровой PDM и цифровой I2S, с учетом их плюсов, минусов и особенностей реализации.
Базовая конструкция МЭМС-микрофона
Типичная конфигурация МЭМС-микрофонов предполагает интеграцию двух полупроводниковых чипов в одном корпусе. Первый полупроводниковый чип содержит МЭМС-мембрану, преобразующую звуковые волны в электрический сигнал, тогда как второй чип представляет собой усилитель, который может дополнительно иметь аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В тех случаях, когда АЦП в МЭМС-микрофоне отсутствует, пользователю предоставляется аналоговый выходной сигнал, в то время как при наличии АЦП становится доступным цифровой выходной сигнал.
Обзор аналоговых выходов
МЭМС-микрофоны с аналоговыми выходами имеют простой интерфейс подключения к хост-схеме, показанный на Рисунке 1. Стоит отметить, что внутренний усилитель микрофона формирует аналоговый выходной сигнал, который уже имеет приемлемый уровень и сравнительно низкое выходное сопротивление.
 |
|
| Рисунок 1. | Аналоговый МЭМС-микрофон, подключенный к внешнему усилителю. |
Чтобы избежать необходимости согласовывать постоянное входное напряжение хост-схемы с постоянным выходным напряжением МЭМС-микрофона, используется блокировочный конденсатор C1. Комбинация элементов C1 и R1 формирует частоту полюса, которая должна быть установлена достаточно низкой, чтобы гарантированно обеспечить передачу сигналов желаемых звуковых частот на хост-схему с приемлемым уровнем затухания, т. е. для минимальной звуковой частоты 20 Гц:
Обзор цифровых выходов
В МЭМС-микрофонах с цифровым интерфейсом для кодирования выходных сигналов часто используется импульсно-плотностная модуляция (pulse density modulation, PDM) или шина I2S. В PDM напряжение аналогового сигнала преобразуется в однобитный цифровой поток, содержащий соответствующую плотность сигналов с высоким логическим уровнем. PDM обеспечивает ряд преимуществ, таких как невосприимчивость к электрическим помехам, устойчивость к битовым ошибкам и простота аппаратного интерфейса.
На Рисунке 2 показано, как один цифровой микрофон с PDM может быть подключен к хост-схеме. Вывод «Выбор» на рисунке может быть подключен либо к шине VDD, либо к GND, чтобы определить, передаются ли данные по нарастающему или спадающему фронту тактового сигнала.
 |
|
| Рисунок 2. | Подключение одного цифрового PDM МЭМС-микрофона. |
На Рисунке 3 показано, как два цифровых PDM МЭМС-микрофона могут быть подключены к хост-схеме с использованием общих линий синхронизации и данных. Такая конфигурация часто используется при реализации стереомикрофонов.
 |
|
| Рисунок 3. | Подключение двух цифровых PDM МЭМС-микрофонов с использованием общих линий синхронизации и данных. |
Цифровые выходы I2S МЭМС-микрофонов обеспечивают системные преимущества, сопоставимые с выходами PDM. Эти микрофоны имеют внутренний прореживающий фильтр, который упрощает сопряжение и обработку, обеспечивая стандартную частоту дискретизации звука. Благодаря внутреннему процессу прореживания цифровые I2S МЭМС-микрофоны могут подключаться непосредственно к цифровому сигнальному процессору или другому контроллеру. Это устраняет необходимость в АЦП или кодеке для обработки выводимых данных, что приводит к снижению затрат на проектирование системы и экономии места в конечном приложении.
Так же, как и цифровые PDM МЭМС-микрофоны, два МЭМС-микрофона с выходом I2S можно подключить с помощью общей линии данных. Однако для этой конфигурации в дополнение к тактовому сигналу и данным требуется сигнал синхронизации слов.
Аналоговый или цифровой – что выбрать?
В электротехнике выбор между аналоговыми или цифровыми выходными сигналами для МЭМС-микрофонов зависит от предполагаемого использования выходного сигнала. Аналоговые выходные сигналы подходят для приложений, где они будут подключены к усилителю для аналоговой обработки в хост-системе, например, в простом громкоговорителе или системе радиосвязи. МЭМС-микрофоны с аналоговыми выходами также потребляют меньше энергии сравнению с микрофонами с цифровыми выходами, поскольку им не требуется АЦП.
С другой стороны, цифровой выходной сигнал МЭМС-микрофона предпочтительнее, если сигнал будет использоваться цифровой схемой, например, микроконтроллером или цифровым сигнальным процессором. Цифровые выходные сигналы также полезны в условиях электрических помех, поскольку они обладают большей помехоустойчивостью по сравнению с традиционными аналоговыми сигналами.
Заключение
Технология МЭМС-микрофонов становится все более популярной, и ожидается, что ее использование будет только расширяться. Важно понимать, какие существуют различия в конфигурациях и то, как их можно применять в конкретных случаях. При выборе между аналоговым или цифровым выходом для МЭМС-микрофона важно учитывать, как будет использоваться выходной сигнал, и предполагаемую реализацию системы, чтобы обеспечить оптимальные характеристики.
