El micrófono MEMS se ha convertido en la opción de producto principal en el mercado de consumo

Los micrófonos se han convertido en un dispositivo estándar incorporado en muchos productos electrónicos. Desde dispositivos portátiles hasta asistentes domésticos, cada vez más dispositivos necesitan "escuchar" su entorno y responder en consecuencia. Este artículo ofrecerá una visión completa de los tipos de micrófonos y principios básicos, así como las características de los productos de los micrófonos MEMS de Same Sky.

Diferencias técnicas entre micrófonos ECM y MEMS

Junto con el aumento en las aplicaciones de micrófonos, los requisitos para la sensibilidad y el volumen de los micrófonos también están en aumento. En la actualidad, las dos tecnologías más comunes utilizadas para fabricar micrófonos son MEMS y electret condenser. Primero presentemos los conocimientos básicos sobre el micrófono MEMS y electret condenser (ECM), comparemos las diferencias técnicas entre ellos y enumeremos las ventajas de cada solución.

El micrófono MEMS consiste en componentes MEMS colocados en una placa de circuito impreso (PCB) y protegidos por una cubierta mecánica. Se crea un pequeño orificio en la carcasa para permitir que el sonido entre al micrófono. Si el orificio está en la cubierta superior, se denomina puerto superior; si el orificio está en la PCB, se denomina puerto inferior. Los componentes MEMS generalmente están diseñados con diafragmas mecánicos y estructuras de montaje creadas en obleas de semiconductor.

El diafragma MEMS forma un condensador y la onda de presión sonora provoca el movimiento del diafragma. El micrófono MEMS normalmente contiene un segundo chip de semiconductor, que se utiliza como preamplificador de audio para convertir la capacitancia variable del MEMS en señales eléctricas. Si se requiere una señal de salida analógica, se proporciona la salida del preamplificador de audio al usuario. Si se requiere una señal de salida digital, el convertidor de analógico a digital (ADC) se incluye en el mismo chip que el preamplificador de audio. Un formato común para la codificación digital en micrófonos MEMS es la modulación por densidad de pulsos (PDM), que permite la comunicación únicamente con un reloj y una línea de datos única. Debido a la codificación de un solo bit de los datos, la decodificación de la señal digital en el receptor se simplifica. La salida digital I²S es la tercera opción, que incluye un filtro de diezmado interno, permitiendo que el procesamiento se realice dentro del propio micrófono. Esto significa que el micrófono puede conectarse directamente a un procesador de señal digital (DSP) o a un microcontrolador, eliminando así la necesidad de un ADC o códec en muchas aplicaciones.

El ECM contiene un diafragma electret (un material con una carga de superficie fija) separado pero cercano a la placa conductora. Similar al micrófono MEMS, forma un condensador con un espacio de aire como dieléctrico. A medida que la onda de presión acústica mueve el diafragma electret, el voltaje en ambos extremos del condensador cambia con el cambio del valor de la capacitancia. El cambio de tensión de la capacitancia es amplificado y protegido por el JFET dentro de la carcasa del micrófono. El JFET generalmente se configura en una configuración de fuente común, mientras que una resistencia de carga externa y un condensador de bloqueo de CC se usan en los circuitos de aplicación externos.

Los micrófonos ECM y MEMS tienen sus propias ventajas

Muchos factores deben considerarse al elegir entre micrófonos ECM y MEMS. Debido a las numerosas ventajas que ofrecen los MEMS, la cuota de mercado de los micrófonos MEMS sigue creciendo rápidamente. Por ejemplo, la pequeña huella del micrófono MEMS es muy atractiva para aplicaciones con restricciones de espacio, y debido a los circuitos analógicos y digitales contenidos en la construcción del micrófono MEMS, se puede reducir el área de la PCB y el costo de componentes. La impedancia de salida de un micrófono MEMS analógico es relativamente baja, mientras que la salida de un micrófono MEMS digital es muy adecuada para aplicaciones en entornos eléctricamente ruidosos. En entornos de alta vibración, el uso de tecnología de micrófonos MEMS puede reducir el nivel de ruido no deseado introducido por la vibración mecánica. Además, con la incorporación de la tecnología de fabricación de semiconductores y un preamplificador de audio, es posible fabricar un micrófono MEMS con un ajuste cercano y estabilidad térmica. Estas estrictas características de rendimiento son particularmente beneficiosas cuando los micrófonos MEMS se emplean en aplicaciones de array. En el proceso de fabricación de productos, el micrófono MEMS también puede ser fácilmente manejado por máquinas de instalación por selección y colocación, y tolerar perfiles de temperatura para soldadura por reflujo.

Aunque los micrófonos MEMS están ganando rápidamente popularidad, todavía existen aplicaciones que pueden preferir el ECM. Muchos diseños heredados utilizan el ECM, por lo que si el proyecto es una simple actualización del diseño existente, es mejor continuar utilizando el ECM. Las opciones para conectar el ECM al circuito de aplicación incluyen pines, cables, SMTs, almohadillas para soldar y contactos de resorte, proporcionando a los ingenieros una mayor flexibilidad de diseño. Si el polvo y la humedad son un problema, es fácil encontrar productos ECM con un alto nivel de protección contra la entrada (IP) debido a su gran tamaño físico. Para proyectos que requieren sensibilidad espacial no uniforme, los productos ECM pueden proporcionar unidireccionalidad o cancelación de ruido con directividad interna, y el amplio rango de voltaje operativo del ECM puede ser la solución preferida para productos con rieles de voltaje regulados de manera laxa.

El protocolo PDM y I²S tienen diferentes características

Además de una huella significativamente reducida, menores requisitos de energía y mayor rechazo de ruido eléctrico, una de las principales ventajas de los micrófonos MEMS es la incorporación de opciones de salida, que brindan mayor flexibilidad para diseñadores e ingenieros. Aunque la opción analógica sigue estando disponible, las dos opciones de salida populares son el protocolo digital PDM y el protocolo digital I²S. Cada una de estas interfaces tiene sus propias características únicas. Los factores clave a considerar incluyen los niveles de calidad de audio, los niveles de consumo de energía, los costos de la lista de materiales, las limitaciones de espacio que el diseño debe cumplir y el entorno operativo en el que se desplegará el hardware.

El PDM se utiliza para convertir un voltaje de señal analógica en un flujo digital modulado por densidad de pulsos. Las señales PDM se asemejan más a ondas longitudinales que a las ondas transversales estereotípicas relacionadas con el audio, pero son representaciones digitales de señales analógicas. Las señales resultantes tienen muchas ventajas de las señales digitales y aún están directamente relacionadas con señales analógicas. Crear esta señal PDM requiere una tasa de muestreo más alta de lo habitual (una tasa superior a 3 MHz), porque la frecuencia de ocurrencia de los pulsos digitales debe ser muchas veces mayor que la frecuencia de oscilación de la señal analógica que representan.

Due to the digital characteristics of the signal, PDM can better adapt to an electrically noisy environment than analog signals and has a higher error tolerance when the signal is degraded. High frequency signals do create distance limitations because an increase in capacitance on longer transmission lines may lead to unwanted attenuation and an accompanying degradation of audio quality. These signals also need to be further processed by an external DSP or microcontroller with an appropriate codec to run the PDM signal through a low-pass filter to extract or down sample it to a lower sampling rate so that it can be used for other devices.

A diferencia de PDM, I²S es una señal completamente digital, que no necesita ser codificada ni decodificada, y no existe una velocidad de transmisión de datos generalmente requerida. Sin embargo, la velocidad mínima depende de los datos que se están transmitiendo y su precisión. Si la tasa de muestreo de audio es el estándar de la industria de 44.1 kHz y la precisión es de 8 bits, el canal mono requerirá una velocidad de reloj de al menos 352.8 kHz. Las aplicaciones estéreo serán el doble, a 705.6 kHz, y cualquier cambio en la precisión también cambiará el ancho de banda mínimo de transmisión.

PDM provides better noise immunity and bit error tolerance, which can make it attractive for many applications that give priority to audio quality. In contrast, I²S supports ease of installation, reduced overall footprint and reduced number of components, which will have advantages when the product size or its price tag proves to be the main concern. It should also be noted that I²S interfaces will provide better signal integrity over a longer distance, so it is also suitable for implementations where the microphone and processing circuit cannot be close to each other on the circuit board.

Selección diversificada de micrófonos MEMS

Los micrófonos MEMS se han vuelto comunes en el diseño electrónico moderno, y es muy importante contar con la mejor interfaz. Hay muchos factores a considerar al decidir qué interfaz será optimizada para su escenario de aplicación específico. PDM puede ser una elección ideal en entornos de aplicación desafiantes, gracias a su capacidad inherente de resistencia al ruido. En cambio, el uso de I²S permite que la entrada se conecte directamente a su DSP correspondiente u otros dispositivos procesadores/controladores sin ninguna complejidad adicional.

Same Sky tiene una amplia gama de carteras de productos de micrófonos MEMS, que pueden satisfacer diversos requisitos de sistemas de audio. Además de una unidad de interfaz analógica, también están disponibles varios micrófonos con interfaz digital PDM e I²S. Los micrófonos MEMS de Same Sky están empaquetados en diseños compactos y de perfil bajo tan pequeños como 2.75 x 1.85 x 0.90 mm, proporcionando a los usuarios una mejor calidad y rendimiento de audio. Con niveles de sensibilidad que van desde -42 dB hasta -26 dB, relaciones señal/ruido que abarcan de 57 dBA a 65 dBA, y tolerancias de sensibilidad tan bajas como ±1 dB, estos micrófonos MEMS son ideales para una variedad de aplicaciones en electrónica portátil de consumo. Para facilitar la creación de prototipos y las pruebas de diseño, Same Sky también ofrece un kit de desarrollo de micrófonos MEMS, que incluye cuatro circuitos independientes de evaluación de micrófonos.

Los micrófonos MEMS de Same Sky tienen versiones con puerto superior e inferior, opciones analógicas y digitales, niveles de sensibilidad de -42 dB a -26 dB, y un consumo de corriente tan bajo como 80 µA.

Conclusión

El micrófono MEMS tiene las ventajas de un volumen pequeño y una fuerte resistencia al ruido. Es la primera opción para muchos productos de aplicaciones de consumo. Same Sky ofrece tipos de productos con diferentes sensibilidades e interfaces y proporciona recursos completos de diseño para ayudar a los clientes a desarrollar rápidamente productos correspondientes, lo cual merece ser entendido y adoptado más a fondo.