Analog oder digital: Auswählen der richtigen MEMS-Mikrofonschnittstelle

19. Februar 2019 verfasst von Bruce Rose

Analog oder digital: Auswählen der richtigen MEMS-Mikrofonschnittstelle

MEMS-Mikrofone (MEMS: mikroelektromechanische Systeme) bieten mehr Möglichkeiten zur Erweiterung der Kommunikations- und Überwachungsfunktionen für eine Vielzahl von Geräten. Die derzeitige Beliebtheit von digitalen Heimassistenten und sprachgesteuerten Navigationsgeräten sind nur einige Beispiele, die ein enormes Wachstum der sprachgesteuerten Elektronik in Aussicht stellen. Da die MEMS-Technologie beginnt, den Marktanteil im Bereich der Mikrofone zu dominieren, ist es ein guter Zeitpunkt, die Arten der elektrischen Schnittstellen des MEMS-Mikrofons zu untersuchen und wie mit ihnen zu arbeiten ist.

Hintergrund der MEMS-Mikrofone

MEMS-Mikrofone bestehen gewöhnlich aus zwei Halbleiterchips in einem einzelnen Gehäuse. 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 wird dem Benutzer zur Verfügung gestellt, wenn das MEMS-Mikrofon keinen ADC enthält, und ein digitales Ausgangssignal ist vorhanden, wenn es einen ADC enthält.

Analoge MEMS-Mikrofonschnittstellen

MEMS-Mikrofone mit analogen Ausgängen bieten eine unkomplizierte Schnittstelle zum Host-Schaltkreis (siehe Abbildung unten). Beachten Sie, dass das analoge Ausgangssignal des Mikrofons von einem Verstärker innerhalb des Mikrofons gesteuert wird. Daher liegt es bereits auf einem brauchbaren Signalpegel mit relativ niedriger Ausgangsimpedanz.

Der Gleichspannungsblockierkondensator (C1) wird verwendet, so dass die Eingangsgleichspannung der Hostschaltung nicht an die Ausgangsgleichspannung des MEMS-Mikrofons angepasst werden muss. Die durch die Kombination von C1 und R1 erzeugte Polfrequenz muss so niedrig eingestellt werden, dass die gewünschten Audiofrequenzsignale mit einem akzeptablen Dämpfungspegel an die Hostschaltung geleitet werden [d. h. für einen minimalen Audiofrequenzbereich von 20 Hz; 1/(2*π*R1*C1) < 20 Hz].

Schematische Darstellung des Anschlusses eines MEMS-Mikrofons mit analogem Ausgang an einen externen Verstärker
Anschluss eines MEMS-Mikrofons mit analogem Ausgang an einen externen Verstärker

Digitale MEMS-Mikrofonschnittstellen

Die Ausgangssignale von MEMS-Mikrofonen mit digitaler Schnittstelle werden häufig mit Pulsdichtemodulation (PDM) codiert. Mit PDM wird die analoge Signalspannung in einen digitalen Einzelbitstrom umgewandelt, der eine entsprechende Dichte logisch hoher Signale enthält. Zu den Vorteilen von PDM zählen elektrische Störfestigkeit, Bitfehlertoleranz und eine einfache Hardwareschnittstelle.

Die folgende Abbildung zeigt, wie ein einzelnes digitales Mikrofon mit PDM-Ausgang an eine Host-Schaltung angeschlossen werden kann. Durch Anschließen des „Select“-Stifts an entweder Vdd oder Gnd in der Abbildung wird festgelegt, ob die Daten bei steigender oder fallender Flanke des Taktsignals geltend gemacht werden.

Schema einer einzelnen digitalen PDM-Mikrofonverbindung
Einzelne digitale PDM-Mikrofonverbindung

Das folgende Diagramm zeigt, wie zwei Mikrofone mit gemeinsamen Takt- und Datenleitungen an die Host-Schaltung angeschlossen werden können. Diese Konfiguration wird häufig bei der Implementierung von Stereomikrofonen verwendet.

Schema zweier digitaler PDM-Mikrofone, die dieselbe Takt- und Datenleitung verwenden
Zwei digitale PDM-MEMS-Mikrofone können mit denselben Takt- und Datenleitungen verbunden werden

Wahl eines analogen oder digitalen Ausgangs

Die Entscheidung, MEMS-Mikrofone mit analogen oder digitalen Ausgangssignalen einzusetzen, hängt häufig davon ab, wie das Ausgangssignal verwendet wird. Ein analoges Ausgangssignal ist praktisch, wenn es zur analogen Verarbeitung innerhalb des Host-Systems mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden wird. Beispiele für herkömmliche analoge Anwendungen sind ein einfaches Lautsprecher- oder Funkkommunikationssystem. MEMS-Mikrofone mit analogen Ausgängen haben aufgrund des Fehlens des ADC tendenziell auch einen geringeren Stromverbrauch als solche mit digitalen Ausgängen.

Ein digitales Ausgangssignal von einem MEMS-Mikrofon ist vorteilhaft, wenn das Signal an eine digitale Schaltung angelegt wird, typischerweise an einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor (DSP). Das digitale Ausgangssignal kann auch vorteilhaft sein, wenn sich die Leiter zwischen dem Mikrofon und der Hostschaltung in einer elektrisch gestörten Umgebung befinden, da die digitalen Ausgangssignale eine höhere Störfestigkeit gegenüber elektrischem Rauschen aufweisen als herkömmliche analoge Signale.

Fazit

Die MEMS-Mikrofontechnologie bleibt erhalten, daher ist es wichtig, die verschiedenen verfügbaren Konfigurationen zu verstehen. Bei der Wahl eines analogen oder digitalen Ausgangs muss man sich entscheiden, wie das Ausgangssignal verwendet wird und in welches System es implementiert wird. Zum Glück bietet CUI eine Vielzahl von MEMS-Mikrofonen mit analogen oder digitalen (PDM-)Ausgängen, um die spezifischen Anforderungen Ihres Designs zu erfüllen.

Hilfreiche Ressourcen

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Lesen Sie unseren Blogbeitrag „Vergleich von MEMS-Mikrofonen und Elektret-Kondensatormikrofonen (ECM)“

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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