Das MEMS-Mikrofon ist zur Hauptproduktwahl im Verbrauchermarkt geworden.

Mikrofone sind zu einer Standardkomponente in vielen elektronischen Produkten geworden. Von tragbaren Geräten bis hin zu Heimassistenten – immer mehr Geräte müssen ihre Umgebung "hören" und entsprechend reagieren. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Mikrofontypen und grundlegende Prinzipien sowie die Produkteigenschaften der MEMS-Mikrofone von Same Sky.

Technische Unterschiede zwischen ECM- und MEMS-Mikrofonen

Mit dem zunehmenden Einsatz von Mikrofonen steigen auch die Anforderungen an deren Empfindlichkeit und Lautstärke. Gegenwärtig sind die beiden am häufigsten verwendeten Technologien zur Herstellung von Mikrofonen MEMS und Elektret-Kondensator. Lassen Sie uns zunächst die grundlegenden Informationen über MEMS- und Elektret-Kondensatormikrofone (ECM) vorstellen, die technischen Unterschiede zwischen ihnen vergleichen und die Vorteile jeder Lösung skizzieren.

Das MEMS-Mikrofon besteht aus MEMS-Komponenten, die auf einer Leiterplatte (PCB) platziert sind und durch eine mechanische Abdeckung geschützt werden. Es wird ein kleines Loch in das Gehäuse erstellt, um den Klang in das Mikrofon eintreten zu lassen. Wenn sich das Loch in der oberen Abdeckung befindet, wird es als „Top-Ported“ bezeichnet; wenn sich das Loch in der Leiterplatte befindet, wird es als „Bottom-Ported“ bezeichnet. MEMS-Komponenten werden normalerweise mit mechanischen Membranen und Befestigungsstrukturen entworfen, die auf einem Halbleiterchip hergestellt werden.

Die MEMS-Membran bildet einen Kondensator, und die Schallwelle bewirkt die Bewegung der Membran. Das MEMS-Mikrofon enthält normalerweise einen zweiten Halbleiter-Chip, der als Audio-Vorverstärker dient, um die variable Kapazität des MEMS in elektrische Signale umzuwandeln. Falls ein analoges Ausgangssignal benötigt wird, wird der Ausgang des Audio-Vorverstärkers dem Nutzer bereitgestellt. Wenn ein digitales Ausgangssignal erforderlich ist, wird der Analog-Digital-Wandler (ADC) auf demselben Chip wie der Audio-Vorverstärker integriert. Ein gängiges Format für die digitale Kodierung in MEMS-Mikrofonen ist die Pulsdichtemodulation (PDM), die die Kommunikation mit nur einem Takt- und einer einzigen Datenleitung ermöglicht. Aufgrund der Einkanal-Kodierung der Daten wird die Decodierung des digitalen Signals beim Empfänger vereinfacht. Digitaler I²S-Ausgang ist die dritte Option, die einen internen Dezimationsfilter beinhaltet und damit eine Signalverarbeitung direkt im Mikrofon ermöglicht. Dies bedeutet, dass das Mikrofon direkt an einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder Mikrocontroller angeschlossen werden kann, wodurch in vielen Anwendungen kein ADC oder Codec mehr erforderlich ist.

Das ECM enthält eine Elektret-Membran (ein Material mit einer festen Oberflächenladung), die von der leitfähigen Platte getrennt ist, sich jedoch in deren Nähe befindet. Ähnlich wie beim MEMS-Mikrofon bildet sie einen Kondensator mit einem Luftspalt als Dielektrikum. Wenn die Schalldruckwelle die Elektret-Membran bewegt, ändert sich die Spannung an beiden Enden des Kondensators entsprechend der Änderung des Kapazitätswerts. Die Änderung der Kapazitätsspannung wird durch den im Mikrofongehäuse integrierten JFET verstärkt und gepuffert. Der JFET wird normalerweise in einer Common-Source-Konfiguration betrieben, während ein externer Lastwiderstand und ein Gleichstromsperrkondensator in externen Anwendungsschaltungen verwendet werden.

ECM- und MEMS-Mikrofone haben jeweils ihre eigenen Vorteile

Viele Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn man zwischen ECM- und MEMS-Mikrofonen wählt. Aufgrund der zahlreichen Vorteile, die MEMS bietet, wächst der Marktanteil von MEMS-Mikrofonen weiterhin rasant. Beispielsweise ist die geringe Grundfläche des MEMS-Mikrofons äußerst attraktiv für platzkritische Anwendungen, und durch die analogen und digitalen Schaltungen im Aufbau des MEMS-Mikrofons können die PCB-Fläche und die Komponenten kosten reduziert werden. Der Ausgangsimpedanz eines analogen MEMS-Mikrofons ist relativ niedrig, während der Ausgang eines digitalen MEMS-Mikrofons sehr gut für Anwendungen in elektrisch störungsreichen Umgebungen geeignet ist. In Umgebungen mit starken Vibrationen kann die Verwendung von MEMS-Mikrofontechnologie das unerwünschte Geräuschniveau reduzieren, das durch mechanische Vibrationen verursacht wird. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Halbleiterfertigungstechnologie und eines Audiovorverstärkers die Produktion eines MEMS-Mikrofons mit präziser Übereinstimmung und Temperaturstabilität. Diese strengen Leistungsmerkmale sind besonders vorteilhaft, wenn MEMS-Mikrofone in Array-Anwendungen verwendet werden. Im Herstellungsprozess von Produkten kann das MEMS-Mikrofon außerdem einfach von Bestückungsautomaten verarbeitet werden und toleriert Temperaturprofile für das Reflow-Löten.

Obwohl MEMS-Mikrofone zunehmend an Beliebtheit gewinnen, gibt es nach wie vor einige Anwendungen, die möglicherweise das ECM bevorzugen. Viele bestehende Designs verwenden das ECM, sodass es bei einer einfachen Aktualisierung des vorhandenen Designs sinnvoll ist, weiterhin das ECM zu verwenden. Die Optionen zum Anschließen des ECM an den Anwendungsschaltkreis umfassen Pins, Drähte, SMTs, Lötpads und Federkontakte, was Ingenieuren zusätzliche Flexibilität bei der Gestaltung bietet. Wenn Staub und Feuchtigkeit ein Problem darstellen, ist es einfach, ECM-Produkte mit hohem Schutzgrad (IP) zu finden, da sie aufgrund ihrer großen physischen Größe geeignet sind. Für Projekte, die nicht gleichmäßige räumliche Empfindlichkeit erfordern, können ECM-Produkte eine unidirektionale Funktion oder Geräuschunterdrückung mit interner Richtwirkung bieten, und der breite Betriebsspannungsbereich des ECM könnte die bevorzugte Lösung für Produkte mit weniger streng geregelten Spannungsversorgungen sein.

PDM- und I²S-Protokoll haben unterschiedliche Eigenschaften

Zusätzlich zu einem deutlich reduzierten Platzbedarf, niedrigeren Stromanforderungen und einer höheren Störfestigkeit gegenüber elektrischen Rauschen besteht einer der Hauptvorteile von MEMS-Mikrofonen in den erweiterten Ausgangsoptionen, die Entwicklern und Ingenieuren größere Flexibilität bieten. Obwohl die analoge Option weiterhin verfügbar ist, sind die beiden beliebten Ausgangsoptionen das PDM- und das I²S-Digitalprotokoll. Jede dieser Schnittstellen weist ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften auf. Die wesentlichen Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, umfassen die Audioqualität, den Stromverbrauch, die Kosten für die Materialliste, die Platzbeschränkungen, die das Design einhalten muss, sowie die Betriebsumgebung, in der die Hardware eingesetzt wird.

PDM wird verwendet, um eine analoge Signalspannung in einen dicht gepulsten, digital modulierten Datenstrom umzuwandeln. PDM-Signale ähneln eher longitudinalen Wellen als den stereotypischen Transversalwellen, die mit Audio verbunden sind, sind jedoch digitale Darstellungen analoger Signale. Die resultierenden Signale weisen viele Vorteile digitaler Signale auf und sind dennoch direkt mit analogen Signalen verknüpft. Um dieses PDM-Signal zu erzeugen, ist eine höhere Abtastrate als üblich erforderlich (eine Rate höher als 3 MHz), da die Häufigkeit der digitalen Impulse wesentlich höher sein muss als die Oszillationsfrequenz des analogen Signals, das sie repräsentieren.

Aufgrund der digitalen Eigenschaften des Signals kann PDM besser an eine elektrisch störanfällige Umgebung angepasst werden als analoge Signale und weist eine höhere Fehlertoleranz auf, wenn das Signal beeinträchtigt wird. Hochfrequenzsignale erzeugen jedoch Entfernungsbegrenzungen, da ein Anstieg der Kapazität auf längeren Übertragungsleitungen zu unerwünschter Abschwächung und einer damit einhergehenden Verschlechterung der Audioqualität führen kann. Diese Signale müssen außerdem von einem externen DSP oder Mikrocontroller mit einem geeigneten Codec weiterverarbeitet werden, um das PDM-Signal durch einen Tiefpassfilter laufen zu lassen, damit es extrahiert oder auf eine niedrigere Abtastrate heruntergesampelt werden kann, sodass es für andere Geräte verwendet werden kann.

Im Gegensatz zu PDM ist I²S ein vollständig digitales Signal, das weder codiert noch decodiert werden muss, und es gibt keine allgemein erforderliche Datenübertragungsrate. Die minimale Geschwindigkeit hängt jedoch von den zu übertragenden Daten und ihrer Genauigkeit ab. Wenn die Audio-Abtastrate dem Industriestandard von 44.1 kHz entspricht und die Präzision 8 Bit beträgt, benötigt der Mono-Kanal eine Taktfrequenz von mindestens 352.8 kHz. Anwendungen in Stereo erfordern doppelt so viel, nämlich 705.6 kHz, und jede Änderung der Genauigkeit wirkt sich ebenfalls auf die minimale Übertragungsbandbreite aus.

PDM bietet eine bessere Störfestigkeit und Toleranz gegenüber Bitfehlern, was es für viele Anwendungen attraktiv machen kann, bei denen die Audioqualität im Vordergrund steht. Im Gegensatz dazu unterstützt I²S eine einfache Installation, einen reduzierten Gesamtflächenbedarf und eine geringere Anzahl von Komponenten, was Vorteile bringt, wenn die Produktgröße oder der Preis die Hauptsorge darstellt. Es sollte auch beachtet werden, dass I²S-Schnittstellen eine bessere Signalintegrität über längere Distanzen bieten, sodass sie auch für Implementierungen geeignet sind, bei denen das Mikrofon und die Verarbeitungsschaltung nicht nahe beieinander auf der Leiterplatte platziert werden können.

Vielfältige Auswahl an MEMS-Mikrofonen

MEMS-Mikrofone sind in modernen Elektronikdesigns mittlerweile weit verbreitet, und es ist äußerst wichtig, eine optimale Schnittstelle zu haben. Es gibt viele Faktoren zu berücksichtigen, wenn es darum geht, welche Schnittstelle für Ihr spezifisches Anwendungsszenario optimiert werden soll. PDM kann eine ideale Wahl in anspruchsvollen Anwendungsumgebungen sein, dank seiner inhärenten Widerstandsfähigkeit gegenüber Störgeräuschen. Andererseits ermöglicht die Verwendung von I²S, dass der Eingang direkt mit dem dazugehörigen DSP oder anderen Prozessor-/Controller-Geräten verbunden wird, ohne zusätzliche Komplexität.

Same Sky bietet eine breite Palette von MEMS-Mikrofon-Produktportfolios, die verschiedene Anforderungen an Audiosysteme erfüllen können. Neben einer Einheit mit analoger Schnittstelle sind auch verschiedene Mikrofone mit PDM- und I²S-Digitalschnittstellen verfügbar. Die MEMS-Mikrofone von Same Sky sind in kompakten, niedrigprofiligen Gehäusen verpackt, die so klein wie 2,75 x 1,85 x 0,90 mm sind und den Benutzern eine bessere Audioqualität und Leistung bieten. Mit Empfindlichkeitsstufen von -42 dB bis -26 dB, Signal-Rausch-Verhältnissen von 57 dBA bis 65 dBA und Empfindlichkeitstoleranzen von nur ±1 dB eignen sich diese MEMS-Mikrofone ideal für eine Vielzahl tragbarer Unterhaltungselektronik-Anwendungen. Für einfacheres Prototyping und Design-Tests bietet Same Sky außerdem ein MEMS-Mikrofon-Entwicklungskit an, das vier unabhängige Mikrofon-Evaluationsschaltungen enthält.

Same Sky's MEMS-Mikrofone bieten Versionen mit oberen und unteren Ports, analoge und digitale Optionen, Empfindlichkeitsstufen von -42 dB bis -26 dB sowie einen Stromverbrauch von nur 80 µA.

Fazit

Das MEMS-Mikrofon bietet die Vorteile eines kleinen Volumens und einer starken Widerstandsfähigkeit gegen Geräusche. Es ist die erste Wahl für viele Verbraucheranwendungsprodukte. Same Sky bietet Produkttypen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten und Schnittstellen sowie vollständige Designressourcen, um Kunden bei der schnellen Entwicklung entsprechender Produkte zu unterstützen. Es lohnt sich, dieses Mikrofon näher zu verstehen und zu übernehmen.