MEMS麦克风接口：模拟与数字输出

来源：Digi-Key
作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

使用微机电系统 (MEMS) 麦克风，就有可能将复杂的通信和监测功能纳入各种设备。例如，家庭数字助理和语音导航设备非常流行，已经成为语音控制电子产品显著增长的推动因素。随着 MEMS 技术在麦克风领域占据了主导地位，现在正是研究 MEMS 麦克风的各种电气接口以及如何操作的好时机。本文将在考优缺点和具体实施的前提下，比较三种目前最流行的选择：模拟、数字 PDM 和数字 I2S。

基本 MEMS 麦克风结构

MEMS 麦克风的典型配置包括将两个半导体芯片集成到一个封装中。第一个半导体芯片包括一个将声波转化为电信号的 MEMS 膜，而第二个芯片构成一个放大器，它可能包含一个模拟数字转换器 (ADC)。在 MEMS 麦克风缺乏 ADC 的情况下，向用户提供模拟输出信号，有 ADC 时，则提供数字输出信号。

模拟输出概览

带有模拟输出的 MEMS 麦克风为主机电路提供了一个简单的接口，如下方图 1 所示。值得注意的是，麦克风的内部放大器驱动模拟输出信号，该传感器已经处于合理的信号水平，并具有相对较低的输出阻抗。

为了避免主机电路的直流输入电压与 MEMS 麦克风的直流输出电压相匹配，使用了直流阻断电容器 (C1)。C1 和 R1 的组合形成了一个极点频率，且该频率必须设置得足够低，以确保所需的音频频率信号以可接受的衰减水平传输到主机电路 [即 20 Hz 的最小音频频率范围；1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。


图 1：模拟 MEMS 麦克风与外部放大器相连。（图片来源：CUI Devices）

数字输出概览

具有数字接口的 MEMS 麦克风通常利用脉冲密度调制 (PDM) 或 I²S 对输出信号进行编码。在 PDM 中，模拟信号电压被转化为单比特数字流，其中包含相应密度的逻辑高信号。PDM 具有多个优势，如抗电噪声、位错容限和直接的硬件接口。

图 2 说明了单个数字 PDM 麦克风如何连接主机电路。图中的“选择”引脚可以连接 Vdd 或 Gnd，以决定数据是在时钟信号的上升沿还是下降沿被断言。


图 2：数字 PDM MEMS 麦克风单连接。（图片来源：CUI Devices）

图 3 描述了如何利用共享时钟和数据线将两个数字 PDM MEMS 麦克风与主机电路连接。这种配置在实现立体声麦克风时经常用到。


图 3：使用时钟和数据线连接两个数字 PDM MEMS 麦克风。（图片来源：CUI Devices）

数字 I²S 输出 MEMS 麦克风具有媲美 PDM 输出的系统优势。这些麦克风具有内部抽取滤波器，通过产生标准的音频采样率，来简化接口和处理过程。由于内部发生的抽取过程，数字 I²S MEMS 麦克风能够与数字信号处理器 (DSP) 或其他控制器直接连接。这样，就不需要 ADC 或编解码器来处理输出的数据，从而降低了系统设计成本，节省了最终应用的空间。

与数字 PDM MEMS 麦克风一样，两个数字 I²S MEMS 麦克风可以使用同一条数据线连接。然而，这种配置除了字时钟和位时钟外，还需要两个时钟信号。

模拟或数字——选择哪个？

在电气工程中，MEMS 麦克风的模拟或数字输出信号的选择取决于输出信号的预期用途。模拟输出信号适用于将其连接至主机系统内的放大器进行模拟处理的应用，例如在简单的扬声器或无线电通信系统中。与数字输出 MEMS 麦克风相比，具有模拟输出的 MEMS 麦克风的功耗也较低，因其不需要 ADC。

另一方面，如果信号用于如微控制器或数字信号处理器 (DSP) 等数字电路，则 MEMS 麦克风的数字输出信号更受欢迎。数字输出信号在电噪声环境中也很有用，因为相比传统模拟信号，它们表现出更强的抗电噪声能力。

结束语

MEMS 麦克风技术越来越流行，预计其使用量将继续增长。了解现有的不同配置以及如何将其应用于特定的使用案例是很重要的。在决定 MEMS 麦克风的模拟或数字输出时，必须考虑输出信号的使用方式和预期的系统实施，以确保获得最佳性能。CUI Devices 提供模拟、数字 PDM 和数字 I2S MEMS 麦克风以及一系列音频组件解决方案，以满足各种声音应用需求。