Interfacce dei microfoni MEMS: uscite analogiche e digitali

L'utilizzo di microfoni MEMS (sistemi microelettromeccanici) offre l'opportunità di incorporare sofisticate capacità di comunicazione e monitoraggio in una vasta gamma di dispositivi. Gli assistenti digitali domestici e i dispositivi di navigazione a comando vocale sono esempi popolari che stanno attualmente stimolando una crescita significativa dell'elettronica a comando vocale. Con l'affermarsi della tecnologia MEMS nel settore dei microfoni, è opportuno esaminare le varie interfacce elettriche dei microfoni MEMS e il loro funzionamento. Questo articolo confronta tre delle opzioni più diffuse: PDM analogico, digitale e I²S digitale, prendendone in considerazione i pro, i contro e l'implementazione.

Struttura di base del microfono MEMS

La configurazione tipica dei microfoni MEMS prevede l'integrazione di due chip semiconduttori in un unico contenitore. Il primo chip semiconduttore comprende una membrana MEMS che trasforma le onde sonore in un segnale elettrico, il secondo chip è un amplificatore che può incorporare un convertitore analogico/digitale (ADC). Nel caso in cui il microfono MEMS non disponga di un ADC, l'utente riceve un segnale di uscita analogico, quando invece è presente l'ADC è disponibile un segnale di uscita digitale.

Panoramica delle uscite analogiche

I microfoni MEMS dotati di uscite analogiche offrono un'interfaccia semplice con il circuito host, come illustra la Figura 1. Vale la pena sottolineare che l'amplificatore interno del microfono comanda il segnale di uscita analogico, che ha già un livello di segnale ragionevole e un'impedenza di uscita relativamente bassa.

Per evitare uno squilibrio tra la tensione di ingresso c.c. del circuito host e la tensione di uscita c.c. del microfono MEMS, si utilizza un condensatore di blocco c.c. (C1). La combinazione di C1 e R1 forma una frequenza di polo che deve essere sufficientemente bassa per garantire che i segnali di frequenza audio desiderati siano trasmessi al circuito host con un livello di attenuazione accettabile (vale a dire, per un campo di frequenza audio minimo di 20 Hz; 1/(2πR1*C1) <20 Hz).

Figura 1: Microfono MEMS analogico collegato a un amplificatore esterno. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Panoramica delle uscite digitali

I microfoni MEMS dotati di interfaccia digitale utilizzano spesso la modulazione di densità di impulso (PDM) o I²S per codificare i segnali di uscita. Nella PDM, la tensione del segnale analogico viene trasformata in un flusso digitale a singolo bit che contiene una densità corrispondente di segnali logici alti. La PDM offre diversi vantaggi, come l'immunità al rumore elettrico, la tolleranza agli errori di bit e un'interfaccia hardware semplice.

La Figura 2 illustra come un singolo microfono digitale PDM possa essere collegato a un circuito host. Il pin "Select" nella figura può essere collegato a Vdd o a Gnd per determinare se i dati vengono asseriti sul fronte di salita o di discesa del segnale di clock.

Figura 2: Collegamento singolo di un microfono MEMS digitale con PDM. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

La Figura 3 illustra come due microfoni MEMS digitali con PDM possono essere collegati al circuito host mediante linee di clock e di dati condivise. Questa configurazione viene spesso utilizzata nell'implementazione di microfoni stereo.

Figura 3: Collegamento di due microfoni MEMS digitali con PDM mediante linee di clock e di dati. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

I microfoni MEMS con uscita digitale I²S offrono vantaggi di sistema paragonabili alle uscite PDM. Questi microfoni sono dotati di un filtro di decimazione interno, che semplifica l'interfacciamento e l'elaborazione producendo una frequenza di campionamento audio standard. Grazie al processo di decimazione interno, i microfoni MEMS digitali con I²S possono collegarsi direttamente a un processore di segnali digitali (DSP) o a un altro controller. Questo elimina la necessità di un ADC o di un codec per l'elaborazione dei dati in uscita, con conseguente riduzione dei costi di progettazione del sistema e dello spazio nell'applicazione finale.

Come nel caso dei microfoni MEMS digitali con PDM, si possono collegare due microfoni MEMS digitali con I²S mediante una linea dati comune. Tuttavia, questa configurazione richiede due segnali di clock oltre al word clock e al bit clock.

Analogico o digitale: quale scegliere?

In elettrotecnica, la scelta tra segnali di uscita analogici o digitali per i microfoni MEMS dipende dall'uso previsto del segnale di uscita. I segnali di uscita analogici sono adatti in applicazioni dove saranno collegati a un amplificatore per l'elaborazione analogica all'interno del sistema host, ad esempio in un semplice altoparlante o in un sistema di comunicazione radio. I microfoni MEMS con uscite analogiche hanno anche un consumo energetico inferiore rispetto a quelli con uscite digitali, poiché non richiedono un ADC.

Per contro, è preferibile un segnale di uscita digitale da un microfono MEMS se questo segnale sarà utilizzato in circuiti digitali, come un microcontroller o un processore di segnali digitali (DSP). I segnali di uscita digitali sono utili anche in ambienti con forte rumore elettrico, poiché hanno una maggiore immunità rispetto ai segnali analogici tradizionali.

Conclusione

La tecnologia dei microfoni MEMS sta diventando sempre più diffusa e si prevede che il suo utilizzo continuerà a crescere. È importante capire le diverse configurazioni disponibili e come possano essere applicate a casi d'uso specifici. Nella decisione tra uscite analogiche o digitali per un microfono MEMS, è essenziale considerare la destinazione d'uso del segnale di uscita e l'implementazione prevista del sistema per garantire prestazioni ottimali. Same Sky offre microfoni MEMS analogici, digitali con PDM e digitali con I²S, oltre a una gamma di componenti audio per rispondere alle molteplici esigenze delle applicazioni audio.