ממשקי מיקרופונים MEMS: יציאות אנלוגיות לעומת דיגיטליות

השימוש במיקרופונים של מיקרו-מערכות אלקטרו-מכניות (MEMS) מהווה הזדמנות לשלב יכולות תקשורת וניטור מתוחכמות בתוך מגוון רחב של התקנים. עוזרים דיגיטליים ביתיים והתקני ניווט מאופשרי-קול הם דוגמאות פופולריות המניעות כיום צמיחה משמעותית בתחום של אלקטרוניקה מבוקרת-קול. עם טכנולוגיית MEMS הצוברת דומיננטיות במרחב המיקרופונים, זהו רגע מתאים להסתכל על הממשקים החשמליים השונים עבור מיקרופונים MEMS וכיצד לתפעל אותם. מאמר זה ישווה שלוש מהאפשרויות הפופולריות ביותר: אנלוגי, PDM דיגיטלי ו-S‏^2‏I‏ דיגיטלי תוך התחשבות ביתרונות, חסרונות והמימוש.

מבנה מיקרופון MEMS בסיסי

התצורה הטיפוסית של מיקרופונים MEMS כוללת שילוב של ששני שבבי מוליכים-למחצה במארז אחד. שבב המוליכים-למחצה הראשון מורכב מממברנת MEMS ההופכת גלי קול לאות חשמלי, ואילו השבב השני מהווה מגבר העשוי לשלב ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC). במקרים בהם למיקרופון MEMS אין ADC, אות יציאה אנלוגי מסופק למשתמש, בעוד שאות יציאה דיגיטלי זמין כאשר ה-ADC קיים.

סקירה כללית של יציאה אנלוגית

מיקרופונים MEMS המגיעים עם יציאות אנלוגיות מציעים ממשק פשוט למעגל המארח, כפי שמתואר באיור 1 להלן. ראוי לציין שהמגבר הפנימי של המיקרופון דוחף את אות היציאה האנלוגי, שכבר נמצא ברמת אות סבירה עם אימפדנס יציאה נמוך יחסית.

כדי להימנע מהצורך להתאים את מתח הכניסה DC של המעגל המארח למתח היציאה DC של מיקרופון MEMS, משתמשים בקבל חוסם (C1). השילוב של C1 ו-R1 יוצר תדר קוטב שחייב להיות מוגדר נמוך מספיק כדי להבטיח שאותות תדר האודיו הרצויים מועברים למעגל המארח עם רמת ניחות סביר [כלומר, עבור תחום תדרי אודיו מינימלי של Hz‏ 20‏; Hz‏ 20‏ > (‎1/(2πR1*C1].

איור 1: מיקרופון MEMS אנלוגי המחובר למגבר חיצוני. (מקור התמונה: Same Sky)

סקירה כללית של יציאה דיגיטלית

מיקרופונים MEMS עם ממשק דיגיטלי משתמשים לרוב באפנון צפיפות פולסים (PDM) או I²S כדי לקודד את אותות היציאה. ב-PDM, מתח האות האנלוגי הופך לזרם דיגיטלי של ביט-יחיד המכיל צפיפות מתאימה של אותות לוגיקה-גבוה. PDM מעניק מספר יתרונות כמו חסינות לרעשים חשמליים, טולרנס לשגיאות ביטים וממשק חומרה פשוט.

איור 2 ממחיש כיצד ניתן לחבר מיקרופון PDM דיגיטלי יחיד למעגל מארח. ניתן לחבר את פין "Select" באיור ל-Vdd או ל-Gnd כדי לקבוע אם הנתונים נקבעים לפי קצה העולה או היורד של אות השעון.

איור 2: חיבור יחיד של מיקרופון PDM MEMS דיגיטלי. (מקור התמונה: Same Sky)

איור 3 מתאר כיצד ניתן לחבר שני מיקרופונים PDM MEMS דיגיטליים למעגל המארח באמצעות שעון משותף וקווי נתונים. תצורה זו משמשת לעתים קרובות בעת יישום מיקרופונים סטריאו.

איור 3: חיבור שני מיקרופונים דיגיטליים PDM MEMS באמצעות שעון וקווי נתונים. (מקור התמונה: Same Sky)

מיקרופונים MEMS‏ עם יציאה I²S‏ דיגיטלית מעניקים יתרונות מערכת הדומים ליציאות PDM. למיקרופונים אלה יש מסנן הפחתת דגימות פנימי, המפשט את הממשק והעיבוד על ידי הפקת קצב דגימות אודיו סטנדרטי. הודות לתהליך הפחתת דגימות המתרחש באופן פנימי, מיקרופונים דיגיטליים I²S MEMS מסוגלים להתחבר ישירות למעבד אותות דיגיטלי (DSP) או לבקר אחר. זה חוסך את הצורך ב-ADC או ב-Codec לעיבוד הנתונים המופקים, וכתוצאה מכך עלויות תכנון מערכת נמוכות יותר וחיסכון במקום ביישום הסופי.

בדומה למיקרופונים דיגיטליים PDM MEMS, ניתן לחבר שני מיקרופונים דיגיטליים I²S MEMS באמצעות קו נתונים משותף. עם זאת, תצורה זו דורשת שני אותות שעון בנוסף לשעון מילים ושעון ביטים.

אנלוגי או דיגיטלי - במה לבחור?

בהנדסת חשמל, הבחירה בין אותות יציאה אנלוגיים או דיגיטליים עבור מיקרופונים MEMS תלויה בשימוש המיועד של אות היציאה. אותות יציאה אנלוגיים מתאימים ליישומים שבהם הם יחוברו למגבר עבור עיבוד אנלוגי בתוך המערכת המארחת, כגון ברמקול פשוט או במערכת תקשורת רדיו. למיקרופונים MEMS עם יציאות אנלוגיות יש גם צריכת הספק נמוכה יותר בהשוואה לאלה עם יציאות דיגיטליות, מכיוון שהם אינם דורשים ADC.

מצד שני, אות יציאה דיגיטלי ממיקרופון MEMS עדיף אם האות ישמש במעגלים דיגיטליים, כגון מיקרו-בקר או מעבד אותות דיגיטליים (DSP). אותות יציאה דיגיטליים שימושיים גם בסביבות רועשות חשמלית, מכיוון שהם מציגים חסינות גבוהה יותר לרעש חשמלי בהשוואה לאותות אנלוגיים מסורתיים.

סיכום

טכנולוגיית מיקרופונים MEMS הופכת פופולרית יותר ויותר וצפויה רק להמשיך ולגדול בשימוש. חשוב להבין את התצורות השונות הזמינות וכיצד ניתן ליישם אותן על מקרי שימוש ספציפיים. כאשר מחליטים בין יציאות אנלוגיות או דיגיטליות עבור מיקרופון MEMS, חיוני לשקול כיצד ישמש אות היציאה ומה יישום המערכת המיועד כדי להבטיח ביצועים אופטימליים. Same Sky מציעה ^{מיקרופונים MEMS‏} אנלוגיים, PDM דיגיטליים ו-S‏2‏I‏ דיגיטליים כמו גם מגוון של פתרונות רכיבי אודיו כדי לתת מענה למגוון של צורכי יישומי סאונד.