Obtenga más información sobre cómo seleccionar la tecnología de micrófono adecuada para su próximo proyecto en esta publicación del blog de CUI Devices.
Tal vez recuerde la campaña de marketing de hace unos años atrás con la frase "¿Me puedes oír ahora?" Hoy se diseñan cada vez más dispositivos, desde portátiles hasta asistentes domésticos, a los que se les pide que "escuchen" su entorno. El micrófono correcto hace posible que las aplicaciones capturen con precisión casi cualquier sonido, y las dos tecnologías más comunes utilizadas para fabricar micrófonos son MEMS y condensadores electrostáticos. Aunque las dos tecnologías funcionan con principios similares, hay muchos casos de uso para elegir una por sobre la otra. Con esto en mente, revisaremos los conceptos básicos de los micrófonos de condensador electrostático y MEMS, compararemos las diferencias entre las tecnologías y describiremos las ventajas de cada solución.
Conceptos básicos de los micrófonos MEMS
Los micrófonos MEMS están fabricados con un componente MEMS (sistema microelectromecánico) colocado en una placa de circuito impreso (PCB) y protegidos con una cubierta mecánica. Se fabrica un pequeño orificio en la carcasa para permitir el ingreso de sonido al micrófono y se denomina puerto superior si el orificio está en la cubierta superior o puerto inferior si el orificio está en la PCB. El componente MEMS a menudo se diseña con un diafragma mecánico y una estructura de montaje creada en un troquel semiconductor.
Diseño típico del micrófono MEMS
El diafragma MEMS forma un capacitor y las ondas de presión de sonido causan el movimiento del diafragma. Los micrófonos MEMS normalmente contienen un segundo troquel semiconductor que funciona como un preamplificador de audio, convirtiendo la capacitancia cambiante del MEMS en una señal eléctrica. La salida del preamplificador de audio se proporciona al usuario si se desea una señal de salida analógica. Si se desea una señal de salida digital, se incluye un convertidor analógico a digital (ADC) en el mismo troquel como el preamplificador de audio. Un formato común utilizado para la codificación digital en micrófonos MEMS es la modulación de densidad de pulso (PDM), que permite la comunicación con solo un reloj y una sola línea de datos. La decodificación de la señal digital en el receptor se simplifica debido a la codificación de un solo bit de los datos.
Izquierda: esquema de aplicación de micrófono MEMS analógico Derecha: esquema de aplicación de micrófono MEMS digital
Conceptos básicos de los micrófonos condensadores electrostáticos
Los micrófonos condensadores electrostáticos (ECM) se fabrican como se muestra en la siguiente figura.
Diseño típico del micrófono condensador electrostático
Un diafragma electrostático (material con una carga superficial fija) está espaciado cerca de una placa conductora y similar a los micrófonos MEMS, se forma un capacitor con el espacio de aire como el dieléctrico. La tensión a través del capacitor varía a medida que cambia el valor de la capacitancia debido a las ondas de presión de sonido que mueven el diafragma electrostático, ΔV = Q/ ΔC. Las variaciones de tensión del capacitor son amplificadas y almacenadas en un búfer por un JFET interno a la carcasa del micrófono. El JFET suele tener una configuración de fuente común, mientras que un resistor de carga externa y un capacitor de bloqueo de CC se utilizan en un circuito de aplicación externa.
Esquema de aplicación de ECM
Diferencias en las tecnologías de micrófonos
Hay muchas consideraciones al seleccionar entre un micrófono ECM y MEMS. La participación de mercado de los micrófonos MEMS continúa creciendo a un ritmo acelerado debido a las muchas ventajas que ofrece esta tecnología más reciente. Por ejemplo, las aplicaciones con espacio limitado encontrarán atractivos los tamaños de paquetes pequeños disponibles para los micrófonos MEMS, mientras que se puede lograr una reducción tanto en el área de PCB como en el costo de los componentes gracias a los circuitos analógicos y digitales incluidos en la construcción del micrófono MEMS. La impedancia de salida relativamente baja de los micrófonos MEMS analógicos y las salidas de los micrófonos MEMS digitales son ideales para aplicaciones en entornos eléctricamente ruidosos. En entornos de alta vibración, el uso de la tecnología de micrófonos MEMS puede reducir el nivel de ruido no deseado que presenta la vibración mecánica. Además, la tecnología de fabricación de semiconductores y la inclusión de preamplificadores de audio permiten la fabricación de micrófonos MEMS con características de rendimiento estables y de temperatura muy similares. Estas características de rendimiento estricto son particularmente beneficiosas cuando se usan micrófonos MEMS en aplicaciones de matriz. Durante la fabricación del producto, los micrófonos MEMS también pueden manejarse fácilmente con máquinas de recogida y colocación, y tolerar los perfiles de temperatura de soldadura por reflujo.
Aunque los micrófonos MEMS están creciendo rápidamente en popularidad, todavía hay aplicaciones en las que puede preferirse un micrófono condensador electrostático. Muchos diseños heredados han usado un ECM y, por lo tanto, si el proyecto es una actualización simple a un diseño existente, puede ser mejor continuar usándolo. Las opciones para conectar un ECM al circuito de aplicación incluyen pines, cables, SMT, almohadillas de soldadura y contactos de resorte, lo que brinda a los ingenieros una flexibilidad de diseño adicional. Si la protección contra el polvo y la humedad es un problema, es fácil encontrar ofertas de ECM con altas calificaciones de protección de entrada (IP) debido a su mayor tamaño físico. Para proyectos que requieren una sensibilidad espacial no uniforme, los productos de ECM están disponibles con direccionalidad intrínseca, ya sea unidireccional o con cancelación de ruido, mientras que el amplio rango de tensión de operación de los ECM puede ser la solución preferida en productos con rieles de tensión regulados libremente.
Seleccionar la tecnología de micrófono apropiada para su proyecto
La decisión de utilizar el condensador electrostático frente a los micrófonos MEMS dependerá de los requisitos de su proyecto. Si bien los micrófonos MEMS continúan creciendo en popularidad debido a sus muchas ventajas inherentes, los ECM aún se utilizan en una variedad de aplicaciones gracias a una gama más amplia de opciones de empaquetado y direccionalidad. Independientemente de la tecnología elegida, CUI Devices continuará desarrollando y ofreciendo una amplia gama de productos de micrófonos para permitir que su proyecto "oiga" los sonidos necesarios.