Analog vs. digitales MEMS-Mikrofon: Die beste MEMS-Mikrofon-Schnittstelle auswählen
Erkunden Sie die Unterschiede zwischen analogen und digitalen MEMS-Mikrofonschnittstellen — sowie wie Sie den richtigen Mikrofon-Ausgang für Ihr Design auswählen — in diesem informativen und leicht verständlichen Artikel von Same Sky's Bruce Rose.
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)-Mikrofone haben die Möglichkeiten erweitert, fortschrittliche Kommunikations- und Überwachungsfunktionen in eine Vielzahl von Geräten zu integrieren. Die aktuelle Beliebtheit von digitalen Sprachassistenten und sprachgesteuerten Navigationsgeräten sind nur ein paar Beispiele, die ein enormes Wachstum bei sprachgesteuerten Elektronikgeräten versprechen. Da die MEMS-Technologie dabei ist, den Marktanteil im Mikrofonbereich zu dominieren, ist es an der Zeit, die verfügbaren elektrischen Schnittstellen von MEMS-Mikrofonen näher zu betrachten und zu erfahren, wie man mit ihnen arbeitet.
Was ist ein MEMS-Mikrofon?
MEMS-Mikrofone werden typischerweise durch die Platzierung von zwei Halbleiterchips in einem einzigen Gehäuse konstruiert. Der erste Halbleiterchip ist eine MEMS-Membran, die Schallwellen in ein elektrisches Signal umwandelt, während der zweite Chip ein Verstärker ist, der manchmal einen Analog-Digital-Wandler (ADC) enthält. Ein analoges Ausgangssignal steht dem Benutzer zur Verfügung, wenn der ADC nicht im MEMS-Mikrofon enthalten ist, und ein digitales Ausgangssignal ist vorhanden, wenn der ADC enthalten ist.
Analoge MEMS-Mikrofon-Schnittstellen
MEMS-Mikrofone mit analogen Ausgängen ermöglichen eine einfache Schnittstelle zur Host-Schaltung, wie in der Abbildung unten gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass das analoge Ausgangssignal des Mikrofons durch einen Verstärker innerhalb des Mikrofons erzeugt wird. Daher liegt es bereits auf einem angemessenen Signalpegel mit einer relativ niedrigen Ausgangsimpedanz. Der Gleichspannungs-Sperrkondensator (C1) wird verwendet, damit die Gleichspannungseingangsspannung der Host-Schaltung nicht an die Gleichspannungsausgangsspannung des MEMS-Mikrofons angepasst werden muss. Die durch die Kombination von C1 und R1 erzeugte Eckfrequenz muss so niedrig eingestellt werden, dass die gewünschten Audiofrequenzsignale mit einem akzeptablen Dämpfungsgrad an die Host-Schaltung weitergeleitet werden [d.h. für den minimalen Audiofrequenzbereich von 20 Hz; 1/(2*π*R1*C1) < 20 Hz].
Anschließen eines MEMS-Mikrofons mit analogem Ausgang an einen externen Verstärker
Digitale MEMS-Mikrofon-Schnittstellen
Die Ausgangssignale von MEMS-Mikrofonen mit einer digitalen Schnittstelle sind oft mit Pulsdichtemodulation (PDM) kodiert. Bei PDM wird die analoge Signalspannung in einen digitalen Einbit-Datenstrom umgewandelt, der eine entsprechende Dichte von Logik-hoch-Signalen enthält. Einige der Vorteile von PDM sind elektrische Störunempfindlichkeit, Fehlertoleranz bei Einzelbitfehlern und eine einfache Hardware-Schnittstelle. Die Abbildung unten zeigt, wie ein einzelnes digitales Mikrofon mit PDM-Ausgang an eine Hostschaltung angeschlossen werden kann. Das Verbinden des "Select"-Pins mit entweder Vdd oder Gnd in der Abbildung bestimmt, ob die Daten an der steigenden oder fallenden Flanke des Taktsignals anliegen.
Einzelschaltung für digitales PDM-MEMS-Mikrofon
Das untenstehende Diagramm zeigt, wie zwei Mikrofone an die Host-Schaltung mittels gemeinsamer Takt- und Datenleitungen angeschlossen werden können. Diese Konfiguration wird häufig bei der Implementierung von Stereo-Mikrofonen verwendet.
Zwei digitale PDM-MEMS-Mikrofone können über dieselben Takt- und Datenleitungen verbunden werden
Die Wahl zwischen einem analogen oder digitalen Ausgang für MEMS-Mikrofone
Die Entscheidung, ob MEMS-Mikrofone mit analogen oder digitalen Ausgangssignalen eingesetzt werden, hängt oft davon ab, wie das Ausgangssignal genutzt werden soll. Ein analoges Ausgangssignal ist praktisch, wenn es mit dem Eingang eines Verstärkers für die analoge Verarbeitung im Host-System verbunden wird. Beispiele für konventionelle analoge Anwendungen sind ein einfacher Lautsprecher oder ein Funksystem. MEMS-Mikrofone mit analogen Ausgängen haben zudem tendenziell einen geringeren Stromverbrauch als solche mit digitalen Ausgängen, da der ADC fehlt. Ein digitales Ausgangssignal von einem MEMS-Mikrofon ist vorteilhaft, wenn das Signal auf digitale Schaltungen angewendet wird, typischerweise auf einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor (DSP). Das digitale Ausgangssignal kann auch vorteilhaft sein, wenn die Leiter zwischen dem Mikrofon und der Host-Schaltung in einer elektrisch störenden Umgebung sind, da die digitalen Ausgangssignale eine größere elektrische Störunempfindlichkeit aufweisen als traditionelle analoge Signale.
Fazit
Die MEMS-Mikrofontechnologie ist hier, um zu bleiben; daher ist es wichtig, die verschiedenen verfügbaren Konfigurationen zu verstehen. Bei der Wahl zwischen einem analogen oder digitalen Ausgang hängt die Entscheidung davon ab, wie das Ausgangssignal verwendet wird und in welchem System es implementiert wird. Glücklicherweise bietet Same Sky eine Vielzahl von MEMS-Mikrofonen mit analogen oder digitalen (PDM) Ausgangssignalen an, um die spezifischen Anforderungen Ihres Designs zu erfüllen.
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