Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen analogen und digitalen MEMS-Schnittstellen.
Entdecken Sie die Unterschiede zwischen analogen und digitalen MEMS-Mikrofonschnittstellen und erfahren Sie, wie Sie den richtigen Mikrofonausgang für Ihr Design auswählen – in diesem informativen und leicht verständlichen Artikel von Bruce Rose von CUI Devices'.
MEMS-Mikrofone (Mikro-Elektromechanische-Systeme) erweitern die Möglichkeiten, modernste Kommunikations- und Überwachungsfunktionen in verschiedenste Geräte einzubauen. Die aktuelle Beliebtheit digitaler Heimassistenten und über Ihre Stimme gesteuerter Navigationssysteme sind nur einige der Beispiele, die ein enormes Wachstum sprachgesteuerter Elektronikgeräte versprechen. Da der Marktanteil von MEMS-Technologie am Mikrofonmarkt stetig wächst, ist es höchste Zeit, die verschiedenen Arten erhältlicher elektrischer MEMS-Mikrofonschnittstellen und deren Einsatzmöglichkeiten genauer zu untersuchen.
Hintergrund zu MEMS-Mikrofonen
MEMS-Mikrofone werden normalerweise durch die Platzierung zweier Halbleiterchips in einem Gehäuse hergestellt. Der erste Halbleiterchip ist eine MEMS-Membran, die Schallwellen in elektrische Signale umwandelt, während der zweite Chip ein gelegentlich mit einem Analog-Digital-Wandler (A/D-W) ausgestatteter Verstärker ist. Ist der A/D-W nicht im MEMS-Mikrofon enthalten, so wird dem Benutzer ein analoges Ausgangssignal zur Verfügung gestellt. Ist der A/D-W enthalten, wird hingegen ein digitales Ausgangssignal erzeugt.
Analoge MEMS-Mikrofonschnittstellen
MEMS-Mikrofone mit analogem Ausgang ermöglichen eine unkomplizierte Schnittstelle zur Host-Schaltung, wie in der Abbildung unten dargestellt. Zu beachten ist, dass das analoge Ausgangssignal des Mikrofons von einem im Mikrofongehäuse befindlichen Verstärker angetrieben wird. Es erreicht daher bereits mit relativ niedriger Ausgangsimpedanz einen angemessenen Signalpegel.
Ein Gleichstromsperrkondensator (C1) wird eingesetzt, sodass die DC-Eingangsspannung der Host-Schaltung nicht mit der DC-Ausgangsspannung des MEMS-Mikrofons abgeglichen werden muss. Die aus der Kombination von C1 und R1 resultierende Polfrequenz sollte niedrig genug eingestellt werden, um die gewünschten Audiofrequenzsignale mit einem angemessenen Dämpfungsgrad an die Host-Schaltung zu leiten (für einen minimalen Audiofrequenzbereich von 20 Hz, entspricht dies 1/(2*π*R1*C1) < 20 Hz).
Anschluss eines MEMS-Mikrofons mit analogem Ausgang an einen externen Verstärker
Digitale MEMS-Mikrofonschnittstellen
Das Ausgangssignal von MEMS-Mikrofonen mit digitalen Schnittstellen ist oft mit einer Pulsdichtemodulation (PDM) codiert. Mithilfe von PDM wird die analoge Signalspannung in einen einzigen digitalen Bitstrom mit entsprechender Signaldichte und High-Logikpegel umgewandelt. Zu den Vorteilen von PDM zählen elektrische Störfestigkeit, Bitfehlertoleranz und eine einfache Hardware-Schnittstelle.
Die folgende Abbildung zeigt, wie ein einzelnes Digitalmikrofon mit PDM-Ausgang an eine Host-Schaltung angeschlossen werden kann. Das Anschließen des „Auswahl”-Stifts an die in der Abbildung dargestellten VDD oder GND bestimmt, ob die Daten auf der steigenden oder fallenden Flanke des Taktsignals übermittelt werden.
Einzelner digitaler PDM-MEMS-Mikrofonanschluss
Das folgende Diagramm zeigt, wie zwei Mikrofone mithilfe einer gemeinsam genutzten Takt- und Datenleitung an die Host-Schaltung angeschlossen werden können. Diese Konfiguration wird häufig bei der Implementierung von Stereomikrofonen eingesetzt.
Zwei digitale PDM-MEMS-Mikrofone können mithilfe einer gemeinsamen Takt- und Datenleitungen verbunden werden
Den richtigen analogen oder digitalen Ausgang wählen
Die Entscheidung, ob ein MEMS-Mikrofon mit analogem oder digitalen Ausgangssignal das richtige ist, hängt häufig davon ab, wie das Ausgangssignal verwendet werden soll. Ein analoges Ausgangssignal eignet sich besonders für den Anschluss an einen Verstärkereingang und die Analogverarbeitung im Hostsystem. Typische analoge Anwendungen sind zum Beispiel einfache Lautsprecher und Funkkommunikationssysteme. MEMS-Mikrofone mit analogem Ausgang verbrauchen zudem dank des Fehlens eines A/D-W tendenziell weniger Strom als solche mit digitalem Ausgang.
Ein digitales Ausgangssignal eines MEMS-Mikrofons ist von Vorteil, wenn das Signal an digitale Schaltungen weitergeleitet wird, wie etwa an einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor (DSP). Ein digitales Ausgangssignal ist ebenfalls zu bevorzugen, wenn sich der Leiter zwischen Mikrofon und Host-Schaltung in einer Umgebung mit elektrischem Rauschen befindet, denn ein digitales Ausgangssignal zeichnet sich durch eine höhere elektrische Störfestigkeit als ein herkömmliches Analogsignal aus.
Fazit
MEMS-Mikrofontechnologie ist nicht mehr wegzudenken und somit ist es wichtig, die verschiedenen erhältlichen Konfigurationen zu verstehen. Bei der Auswahl eines analogen oder digitalen Ausgangs ist die Verwendung des Ausgangssignals von zentraler Bedeutung, sowie in welche Art von System es implementiert werden soll. Glücklicherweise bietet CUI Devices MEMS-Mikrofone sowohl mit analogem als auch digitalem (PDM) Ausgang an, um den speziellen Anforderungen Ihres Designs gerecht zu werden.
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