MEMS-Mikrofonschnittstellen: Analoge vs. digitale Ausgänge

Der Einsatz von MEMS-Mikrofonen (MikroElektroMechanische Systeme) bietet die Möglichkeit, hochentwickelte Kommunikations- und Überwachungsfunktionen in eine Vielzahl von Komponenten einzubauen. Digitale Haushaltsassistenten und sprachgesteuerte Navigationsgeräte sind beliebte Beispiele, die das Wachstum der sprachgesteuerten Elektronik derzeit deutlich vorantreiben. Mit der zunehmenden Dominanz der MEMS-Technologie im Mikrofonbereich ist es an der Zeit, sich mit den verschiedenen elektrischen Schnittstellen für MEMS-Mikrofone und deren Betrieb zu beschäftigen. In diesem Artikel werden drei der gängigsten Optionen verglichen: analog, digitales PDM und digitales I²S, wobei die Vor- und Nachteile sowie die Implementierung berücksichtigt werden.

Grundlegende Konstruktion eines MEMS-Mikrofons

Bei der typischen Konfiguration von MEMS-Mikrofonen werden zwei Halbleiterchips in ein einziges Gehäuse integriert. Der erste Halbleiterchip umfasst eine MEMS-Membran, die Schallwellen in ein elektrisches Signal umwandelt, während der zweite Chip einen Verstärker darstellt, der auch einen Analog/Digital-Wandler (ADC) enthalten kann. In Fällen, in denen das MEMS-Mikrofon keinen ADC hat, wird dem Benutzer ein analoges Ausgangssignal zur Verfügung gestellt, während ein digitales Ausgangssignal verfügbar ist, wenn der ADC vorhanden ist.

Übersicht zur Option mit Analogausgang

MEMS-Mikrofone, die mit analogen Ausgängen ausgestattet sind, bieten eine einfache Schnittstelle zum Host-Schaltkreis, wie in Abbildung 1 unten dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass der interne Verstärker des Mikrofons das analoge Ausgangssignal treibt, das bereits einen angemessenen Signalpegel hat und eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz aufweist.

Um zu vermeiden, dass die Eingangsgleichspannung des Host-Schaltkreises an die Ausgangsgleichspannung des MEMS-Mikrofons angepasst werden muss, wird ein Gleichstrom-Sperrkondensator (C1) verwendet. Die Kombination von C1 und R1 bildet eine Polfrequenz, die niedrig genug eingestellt werden muss, um sicherzustellen, dass die gewünschten Tonfrequenzsignale mit einem akzeptablen Dämpfungsgrad an die Host-Schaltung übertragen werden [d. h. für einen Mindesttonfrequenzbereich von 20 Hz; 1/(2πR1C1) < 20 Hz].

Abbildung 1: Analoges MEMS-Mikrofon, angeschlossen an einen externen Verstärker. (Bildquelle: Same Sky)

Übersicht zur Option mit Digitalausgang

MEMS-Mikrofone, die über eine digitale Schnittstelle verfügen, verwenden häufig die Pulsdichtemodulation (PDM) oder I²S zur Codierung der Ausgangssignale. Bei PDM wird die analoge Signalspannung in einen digitalen Ein-Bit-Strom umgewandelt, der eine entsprechende Dichte von Signalen mit logischen High-Pegeln enthält. PDM bietet mehrere Vorteile, wie z. B. Unempfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen, Bitfehlertoleranz und eine einfache Hardware-Schnittstelle.

Abbildung 2 zeigt, wie ein einzelnes digitales PDM-Mikrofon an eine Host-Schaltung angeschlossen werden kann. Der „Select“-Pin in der Abbildung kann entweder mit Vdd oder GND verbunden werden, um zu bestimmen, ob die Daten bei der steigenden oder fallenden Flanke des Taktsignals aktiviert werden.

Abbildung 2: Einzelner Anschluss eines digitalen PDM-MEMS-Mikrofons. (Bildquelle: Same Sky)

In Abbildung 3 ist dargestellt, wie zwei digitale PDM-MEMS-Mikrofone über gemeinsame Takt- und Datenleitungen mit dem Host-Schaltkreis verbunden werden können. Diese Konfiguration wird häufig bei der Implementierung von Stereomikrofonen verwendet.

Abbildung 3: Anschluss von zwei digitalen PDM-MEMS-Mikrofonen über die Takt- und Datenleitungen. (Bildquelle: Same Sky)

MEMS-Mikrofone mit digitalem I²S-Ausgang bieten vergleichbare Systemvorteile wie PDM-Ausgänge. Diese Mikrofone verfügen über einen internen Dezimierungsfilter, der die Schnittstellen und die Verarbeitung vereinfacht, indem er eine Standard-Audioabtastrate erzeugt. Aufgrund des internen Dezimierungsprozesses können digitale I²S-MEMS-Mikrofone direkt an einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder einen anderen Controller angeschlossen werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines ADC oder Codecs zur Verarbeitung der ausgegebenen Daten, was zu geringeren Systementwurfskosten und Platzeinsparungen in der Endanwendung führt.

Wie digitale PDM-MEMS-Mikrofone können auch zwei digitale I²S-MEMS-Mikrofone über eine gemeinsame Datenleitung verbunden werden. Diese Konfiguration erfordert jedoch zwei Taktsignale zusätzlich zu einem Word-Taktsignal und einem Bit-Taktsignal.

Analog oder digital - was soll man wählen?

In der Elektrotechnik hängt die Wahl zwischen analogen oder digitalen Ausgangssignalen für MEMS-Mikrofone von der beabsichtigten Verwendung des Ausgangssignals ab. Analoge Ausgangssignale eignen sich für Anwendungen, bei denen sie an einen Verstärker zur analogen Verarbeitung innerhalb des Host-Systems angeschlossen werden, wie z. B. in einem einfachen Lautsprecher- oder Funkkommunikationssystem. MEMS-Mikrofone mit analogen Ausgängen haben auch einen geringeren Stromverbrauch als solche mit digitalen Ausgängen, da sie keinen ADC benötigen.

Andererseits ist ein digitales Ausgangssignal von einem MEMS-Mikrofon zu bevorzugen, wenn das Signal in digitalen Schaltkreisen, wie z. B. einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor (DSP), verwendet werden soll. Digitale Ausgangssignale sind auch in elektrisch verrauschten Umgebungen nützlich, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Analogsignalen eine höhere elektrische Störfestigkeit aufweisen.

Fazit

Die MEMS-Mikrofontechnologie erfreut sich zunehmender Beliebtheit, und es ist zu erwarten, dass ihre Verwendung weiter zunehmen wird. Es ist wichtig, die verschiedenen verfügbaren Konfigurationen zu verstehen und zu wissen, wie sie auf bestimmte Anwendungsfälle angewendet werden können. Bei der Entscheidung zwischen analogen oder digitalen Ausgängen für ein MEMS-Mikrofon muss unbedingt berücksichtigt werden, wie das Ausgangssignal verwendet wird und wie das System implementiert werden soll, um eine optimale Performance zu gewährleisten. Same Sky bietet analoge, digitale PDM- und digitale I²S-MEMS-Mikrofone sowie eine Reihe von Audiokomponentenlösungen für eine Vielzahl von Audioanwendungen an.