MEMS 麥克風接口：模擬與數字輸出

作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

使用微機電系統(MEMS) 麥克風，就有可能將復雜的通信和監測功能納入各種設備。例如，家庭數字助理和語音導航設備非常流行，已經成為語音控制電子產品顯著增長的推動因素。隨著MEMS 技術在麥克風領域占據了主導地位，現在正是研究MEMS 麥克風的各種電氣接口以及如何操作的好時機。本文將在考優缺點和具體實施的前提下，比較三種目前最流行的選擇：模擬、數字PDM 和數字I^2^S。

基本 MEMS 麥克風結構

[MEMS 麥克風]的典型配置包括將兩個半導體芯片集成到一個封裝中。第一個半導體芯片包括一個將聲波轉化為電信號的 MEMS 膜，而第二個芯片構成一個放大器，它可能包含一個模擬數字轉換器 (ADC)。在 MEMS 麥克風缺乏 ADC 的情況下，向用戶提供模擬輸出信號，有 ADC 時，則提供數字輸出信號。

模擬輸出概覽

帶有模擬輸出的 MEMS 麥克風為主機電路提供了一個簡單的接口，如下方圖 1 所示。值得注意的是，麥克風的內部放大器驅動模擬輸出信號，該傳感器已經處于合理的信號水平，并具有相對較低的輸出阻抗。

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

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

數字輸出概覽

具有數字接口的 MEMS 麥克風通常利用脈沖密度調制 (PDM) 或 I2S 對輸出信號進行編碼。在 PDM 中，模擬信號電壓被轉化為單比特數字流，其中包含相應密度的邏輯高信號。PDM 具有多個優勢，如抗電噪聲、位錯容限和直接的硬件接口。

圖 2 說明了單個數字 PDM 麥克風如何連接主機電路。圖中的“選擇”引腳可以連接 Vdd 或 Gnd，以決定數據是在時鐘信號的上升沿還是下降沿被斷言。

圖 2：數字 PDM MEMS 麥克風單連接。（圖片來源：CUI Devices）

圖 3 描述了如何利用共享時鐘和數據線將兩個數字 PDM MEMS 麥克風與主機電路連接。這種配置在實現立體聲麥克風時經常用到。

圖 3：使用時鐘和數據線連接兩個數字 PDM MEMS 麥克風。（圖片來源：CUI Devices）

數字 I2S 輸出 MEMS 麥克風具有媲美 PDM 輸出的系統優勢。這些麥克風具有內部抽取濾波器，通過產生標準的音頻采樣率，來簡化接口和處理過程。由于內部發生的抽取過程，數字 I2S MEMS 麥克風能夠與數字信號處理器 (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據，從而降低了系統設計成本，節省了最終應用的空間。

與數字 PDM MEMS 麥克風一樣，兩個數字 I2S MEMS 麥克風可以使用同一條數據線連接。然而，這種配置除了字時鐘和位時鐘外，還需要兩個時鐘信號。

模擬或數字——選擇哪個？

在電氣工程中，MEMS 麥克風的模擬或數字輸出信號的選擇取決于輸出信號的預期用途。模擬輸出信號適用于將其連接至主機系統內的放大器進行模擬處理的應用，例如在簡單的揚聲器或無線電通信系統中。與數字輸出 MEMS 麥克風相比，具有模擬輸出的 MEMS 麥克風的功耗也較低，因其不需要 ADC。

另一方面，如果信號用于如微控制器或數字信號處理器 (DSP) 等數字電路，則 MEMS 麥克風的數字輸出信號更受歡迎。數字輸出信號在電噪聲環境中也很有用，因為相比傳統模擬信號，它們表現出更強的抗電噪聲能力。

結束語

MEMS 麥克風技術越來越流行，預計其使用量將繼續增長。了解現有的不同配置以及如何將其應用于特定的使用案例是很重要的。在決定 MEMS 麥克風的模擬或數字輸出時，必須考慮輸出信號的使用方式和預期的系統實施，以確保獲得最佳性能。CUI Devices 提供模擬、數字 PDM 和數字 I^2^S [MEMS 麥克風]以及一系列[音頻組件解決方案]，以滿足各種聲音應用需求。