MEMS 麥克風(fēng)接口：模擬與數(shù)字輸出

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風(fēng)，就有可能將復(fù)雜的通信和監(jiān)測(cè)功能納入各種設(shè)備。例如，家庭數(shù)字助理和語(yǔ)音導(dǎo)航設(shè)備非常流行，已經(jīng)成為語(yǔ)音控制電子產(chǎn)品顯著增長(zhǎng)的推動(dòng)因素。隨著MEMS 技術(shù)在麥克風(fēng)領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位，現(xiàn)在正是研究MEMS 麥克風(fēng)的各種電氣接口以及如何操作的好時(shí)機(jī)。本文將在考優(yōu)缺點(diǎn)和具體實(shí)施的前提下，比較三種目前最流行的選擇：模擬、數(shù)字PDM 和數(shù)字I^2^S。

基本 MEMS 麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)

[MEMS 麥克風(fēng)]的典型配置包括將兩個(gè)半導(dǎo)體芯片集成到一個(gè)封裝中。第一個(gè)半導(dǎo)體芯片包括一個(gè)將聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的 MEMS 膜，而第二個(gè)芯片構(gòu)成一個(gè)放大器，它可能包含一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)。在 MEMS 麥克風(fēng)缺乏 ADC 的情況下，向用戶提供模擬輸出信號(hào)，有 ADC 時(shí)，則提供數(shù)字輸出信號(hào)。

模擬輸出概覽

帶有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)為主機(jī)電路提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，如下方圖 1 所示。值得注意的是，麥克風(fēng)的內(nèi)部放大器驅(qū)動(dòng)模擬輸出信號(hào)，該傳感器已經(jīng)處于合理的信號(hào)水平，并具有相對(duì)較低的輸出阻抗。

為了避免主機(jī)電路的直流輸入電壓與 MEMS 麥克風(fēng)的直流輸出電壓相匹配，使用了直流阻斷電容器 (C1)。C1 和 R1 的組合形成了一個(gè)極點(diǎn)頻率，且該頻率必須設(shè)置得足夠低，以確保所需的音頻頻率信號(hào)以可接受的衰減水平傳輸?shù)街鳈C(jī)電路 [即 20 Hz 的最小音頻頻率范圍；1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。

圖 1：模擬 MEMS 麥克風(fēng)與外部放大器相連。（圖片來源：[CUI Devices]）

數(shù)字輸出概覽

具有數(shù)字接口的 MEMS 麥克風(fēng)通常利用脈沖密度調(diào)制 (PDM) 或 I2S 對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行編碼。在 PDM 中，模擬信號(hào)電壓被轉(zhuǎn)化為單比特?cái)?shù)字流，其中包含相應(yīng)密度的邏輯高信號(hào)。PDM 具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)，如抗電噪聲、位錯(cuò)容限和直接的硬件接口。

圖 2 說明了單個(gè)數(shù)字 PDM 麥克風(fēng)如何連接主機(jī)電路。圖中的“選擇”引腳可以連接 Vdd 或 Gnd，以決定數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿還是下降沿被斷言。

圖 2：數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)單連接。（圖片來源：CUI Devices）

圖 3 描述了如何利用共享時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線將兩個(gè)數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)與主機(jī)電路連接。這種配置在實(shí)現(xiàn)立體聲麥克風(fēng)時(shí)經(jīng)常用到。

圖 3：使用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線連接兩個(gè)數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)。（圖片來源：CUI Devices）

數(shù)字 I2S 輸出 MEMS 麥克風(fēng)具有媲美 PDM 輸出的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。這些麥克風(fēng)具有內(nèi)部抽取濾波器，通過產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的音頻采樣率，來簡(jiǎn)化接口和處理過程。由于內(nèi)部發(fā)生的抽取過程，數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)能夠與數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 或其他控制器直接連接。這樣，就不需要 ADC 或編解碼器來處理輸出的數(shù)據(jù)，從而降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，節(jié)省了最終應(yīng)用的空間。

與數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)一樣，兩個(gè)數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)可以使用同一條數(shù)據(jù)線連接。然而，這種配置除了字時(shí)鐘和位時(shí)鐘外，還需要兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

模擬或數(shù)字——選擇哪個(gè)？

在電氣工程中，MEMS 麥克風(fēng)的模擬或數(shù)字輸出信號(hào)的選擇取決于輸出信號(hào)的預(yù)期用途。模擬輸出信號(hào)適用于將其連接至主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的放大器進(jìn)行模擬處理的應(yīng)用，例如在簡(jiǎn)單的揚(yáng)聲器或無線電通信系統(tǒng)中。與數(shù)字輸出 MEMS 麥克風(fēng)相比，具有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)的功耗也較低，因其不需要 ADC。

另一方面，如果信號(hào)用于如微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 等數(shù)字電路，則 MEMS 麥克風(fēng)的數(shù)字輸出信號(hào)更受歡迎。數(shù)字輸出信號(hào)在電噪聲環(huán)境中也很有用，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)模擬信號(hào)，它們表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗電噪聲能力。

結(jié)束語(yǔ)

MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)越來越流行，預(yù)計(jì)其使用量將繼續(xù)增長(zhǎng)。了解現(xiàn)有的不同配置以及如何將其應(yīng)用于特定的使用案例是很重要的。在決定 MEMS 麥克風(fēng)的模擬或數(shù)字輸出時(shí)，必須考慮輸出信號(hào)的使用方式和預(yù)期的系統(tǒng)實(shí)施，以確保獲得最佳性能。CUI Devices 提供模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I^2^S [MEMS 麥克風(fēng)]以及一系列[音頻組件解決方案]，以滿足各種聲音應(yīng)用需求。