作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運(yùn)動(dòng)控制部門副總裁

　　微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)的使用提供了將復(fù)雜的通信和監(jiān)控功能集成到各種設(shè)備中的機(jī)會(huì)。家庭數(shù)字助理和語(yǔ)音導(dǎo)航設(shè)備是當(dāng)前推動(dòng)語(yǔ)音控制電子產(chǎn)品顯著增長(zhǎng)的流行例子。隨著 MEMS 技術(shù)在麥克風(fēng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，現(xiàn)在正是研究 MEMS 麥克風(fēng)的各種電氣接口以及如何操作它們的好時(shí)機(jī)。本文將比較三種最流行的選項(xiàng)：模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I 2 S，同時(shí)考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)。

　　基本 MEMS 麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)

　　MEMS 麥克風(fēng)的典型配置是將兩個(gè)半導(dǎo)體芯片集成到一個(gè)封裝中。第一半導(dǎo)體芯片包括將聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的MEMS膜，而第二芯片構(gòu)成可以包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的放大器。如果 MEMS 麥克風(fēng)缺少 ADC，則會(huì)向用戶提供模擬輸出信號(hào)，而當(dāng)存在 ADC 時(shí)則提供數(shù)字輸出信號(hào)。

　　模擬輸出概述

　　帶有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)為主機(jī)電路提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的接口，如下圖 1 所示。值得注意的是，麥克風(fēng)的內(nèi)部放大器驅(qū)動(dòng)模擬輸出信號(hào)，該信號(hào)已經(jīng)處于合理的信號(hào)電平，并且具有相對(duì)較低的輸出阻抗。

　　為了避免必須將主機(jī)電路的直流輸入電壓與 MEMS 麥克風(fēng)的直流輸出電壓相匹配，使用了隔直流電容器 (C1)。 C1 和 R1 的組合形成極點(diǎn)頻率，該極點(diǎn)頻率必須設(shè)置得足夠低，以確保所需的音頻信號(hào)以可接受的衰減水平傳輸?shù)街鳈C(jī)電路 [即，最小音頻范圍為 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。

　　圖 1：連接到外部放大器的模擬 MEMS 麥克風(fēng)。 (圖片來(lái)源：CUI Devices)

　　數(shù)字輸出概述

　　具有數(shù)字接口的 MEMS 麥克風(fēng)通常利用脈沖密度調(diào)制 (PDM) 或 I2S 對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行編碼。在 PDM 中，模擬信號(hào)電壓被轉(zhuǎn)換為單位數(shù)字流，其中包含相應(yīng)密度的邏輯高信號(hào)。 PDM 具有多種優(yōu)點(diǎn)，例如抗電噪聲、誤碼容限和簡(jiǎn)單的硬件接口。

　　圖 2 說(shuō)明了如何將單個(gè)數(shù)字 PDM 麥克風(fēng)連接到主機(jī)電路。圖中的“選擇”引腳可以連接到 Vdd 或 Gnd，以確定是否在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿?cái)嘌詳?shù)據(jù)。

　　圖 2：數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)的單連接。 (圖片來(lái)源：CUI 設(shè)備)

　　圖 3 描述了如何使用共享時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線將兩個(gè)數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)連接到主機(jī)電路。在實(shí)現(xiàn)立體聲麥克風(fēng)時(shí)經(jīng)常使用這種配置。

　　圖 3：使用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線連接兩個(gè)數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)。 (圖片來(lái)源：CUI 設(shè)備)

　　數(shù)字 I2S 輸出 MEMS 麥克風(fēng)提供與 PDM 輸出相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)優(yōu)勢(shì)。這些麥克風(fēng)具有內(nèi)部抽取濾波器，可通過(guò)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣率來(lái)簡(jiǎn)化接口和處理。由于抽取過(guò)程發(fā)生在內(nèi)部，數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)能夠直接連接到數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 或其他控制器。這樣就無(wú)需使用 ADC 或編解碼器來(lái)處理輸出數(shù)據(jù)，從而降低最終應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本并節(jié)省空間。

　　與數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)一樣，兩個(gè)數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)可以使用公共數(shù)據(jù)線連接。然而，該配置除了字時(shí)鐘和位時(shí)鐘之外還需要兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

　　模擬還是數(shù)字——選擇哪一個(gè)?

　　在電氣工程中，MEMS 麥克風(fēng)的模擬或數(shù)字輸出信號(hào)的選擇取決于輸出信號(hào)的預(yù)期用途。模擬輸出信號(hào)適用于連接到放大器以在主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行模擬處理的應(yīng)用，例如簡(jiǎn)單的揚(yáng)聲器或無(wú)線電通信系統(tǒng)。與具有數(shù)字輸出的麥克風(fēng)相比，具有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)的功耗也更低，因?yàn)樗鼈儾恍枰?ADC。

　　另一方面，如果來(lái)自 MEMS 麥克風(fēng)的數(shù)字輸出信號(hào)將用于數(shù)字電路，例如微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，則該信號(hào)更可取。數(shù)字輸出信號(hào)在電噪聲環(huán)境中也很有用，因?yàn)榕c傳統(tǒng)模擬信號(hào)相比，它們表現(xiàn)出更高的電噪聲抗擾度。

　　結(jié)論

　　MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)正變得越來(lái)越流行，并且預(yù)計(jì)其使用量將繼續(xù)增長(zhǎng)。了解可用的不同配置以及如何將它們應(yīng)用于特定用例非常重要。在決定 MEMS 麥克風(fēng)的模擬輸出還是數(shù)字輸出時(shí)，必須考慮如何使用輸出信號(hào)以及預(yù)期的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以確保最佳性能。 CUI Devices 提供模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I 2 S MEMS 麥克風(fēng)以及一系列音頻組件解決方案，以滿足各種聲音應(yīng)用需求。