Le microphone MEMS est devenu le choix de produit grand public dans le marché des consommateurs.

Les microphones sont devenus un dispositif standard intégré dans de nombreux produits électroniques. Des appareils portables aux assistants domestiques, de plus en plus d'appareils doivent "entendre" leur environnement et répondre en conséquence. Cet article présentera un aperçu complet des types de microphones et des principes de base, ainsi que les caractéristiques des produits des microphones MEMS de Same Sky.

Différences techniques entre les microphones ECM et MEMS

Avec l'augmentation des applications pour microphones, les exigences en matière de sensibilité et de volume des microphones augmentent également. Actuellement, les deux technologies les plus couramment utilisées pour fabriquer des microphones sont les MEMS et le condensateur électret. Introduisons d'abord les connaissances de base sur le microphone MEMS et le microphone à condensateur électret (ECM), comparons les différences techniques entre eux et présentons les avantages de chaque solution.

Le microphone MEMS se compose de composants MEMS placés sur une carte de circuit imprimé (PCB) et protégés par un couvercle mécanique. Il crée un petit trou dans le boîtier pour permettre au son d'entrer dans le microphone. Si le trou se trouve dans le couvercle supérieur, il est désigné comme à sortie par le haut ; si le trou se trouve dans le PCB, il est désigné comme à sortie par le bas. Les composants MEMS sont généralement conçus avec des diaphragmes mécaniques et des structures de montage créées sur une puce semi-conductrice.

La membrane MEMS forme un condensateur, et l'onde de pression sonore provoque le mouvement de la membrane. Le microphone MEMS contient généralement une seconde puce à semi-conducteur, utilisée comme préamplificateur audio pour convertir la capacité variable des MEMS en signaux électriques. Si un signal de sortie analogique est requis, la sortie du préamplificateur audio est fournie à l'utilisateur. Si un signal de sortie numérique est requis, le convertisseur analogique-numérique (ADC) est inclus sur la même puce que le préamplificateur audio. Un format courant pour l'encodage numérique dans les microphones MEMS est la modulation par densité d'impulsions (PDM), qui permet la communication avec seulement une horloge et une seule ligne de données. En raison de l'encodage des données en un seul bit, le décodage du signal numérique au niveau du récepteur est simplifié. La sortie numérique I²S est la troisième option, incluant un filtre de décimation interne, ce qui permet d'effectuer le traitement directement dans le microphone. Cela signifie que le microphone peut être directement connecté à un processeur de signal numérique (DSP) ou à un microcontrôleur, éliminant ainsi le besoin d'un ADC ou d'un codec dans de nombreuses applications.

L'ECM contient un diaphragme électret (un matériau avec une charge de surface fixe) séparé mais proche de la plaque conductrice. Semblable au microphone MEMS, il forme un condensateur avec un espace d'air comme diélectrique. Lorsque l'onde de pression sonore déplace le diaphragme électret, la tension aux deux extrémités du condensateur change avec la variation de la valeur de la capacité. La variation de la tension de capacité est amplifiée et tamponnée par le JFET à l'intérieur du boîtier du microphone. Le JFET est généralement configuré comme une configuration à source commune, tandis qu'une résistance de charge externe et un condensateur de couplage DC sont utilisés dans les circuits d'application externes.

Les microphones ECM et MEMS ont chacun leurs propres avantages

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix entre les microphones ECM et MEMS. En raison des nombreux avantages offerts par les MEMS, la part de marché des microphones MEMS continue de croître rapidement. Par exemple, l'empreinte réduite du microphone MEMS est très attrayante pour les applications où l'espace est limité, et grâce aux circuits analogiques et numériques contenus dans la construction du microphone MEMS, la surface du PCB et le coût des composants peuvent être réduits. L'impédance de sortie d'un microphone MEMS analogique est relativement basse, tandis que la sortie d'un microphone MEMS numérique est très adaptée aux applications dans des environnements électriquement bruyants. Dans des environnements à fortes vibrations, l'utilisation de la technologie du microphone MEMS peut réduire le niveau de bruit non désiré introduit par les vibrations mécaniques. De plus, avec l'ajout de la technologie de fabrication de semi-conducteurs et d'un préamplificateur audio, il est possible de fabriquer un microphone MEMS avec un couplage précis et une stabilité thermique. Ces caractéristiques de performance rigoureuses sont particulièrement bénéfiques lorsque les microphones MEMS sont utilisés dans des applications en réseau. Dans le processus de fabrication de produits, le microphone MEMS peut également être facilement manipulé par des machines de pose et supporter les profils de température de soudure par refusion.

Bien que les microphones MEMS gagnent rapidement en popularité, il existe encore certaines applications qui peuvent préférer l'ECM. De nombreux designs hérités utilisent l'ECM, donc si le projet est une simple mise à jour du design existant, il est préférable de continuer à utiliser l'ECM. Les options pour connecter l'ECM au circuit d'application incluent des broches, des fils, des SMT, des pastilles de soudure et des contacts à ressort, offrant aux ingénieurs une flexibilité de conception supplémentaire. Si la poussière et l'humidité posent problème, il est facile de trouver des produits ECM avec un niveau de protection contre l'entrée (IP) élevé en raison de leur grande taille physique. Pour les projets nécessitant une sensibilité spatiale non uniforme, les produits ECM peuvent offrir une directivité unidirectionnelle ou anti-bruit, et la large gamme de tensions de fonctionnement de l'ECM peut être la solution préférée pour les produits avec des rails de tension faiblement régulés.

Le protocole PDM et le protocole I²S ont des caractéristiques différentes

En plus d'une empreinte considérablement réduite, de besoins énergétiques moindres et d'un meilleur rejet du bruit électrique, l'un des principaux avantages des microphones MEMS est l'ajout d'options de sortie, offrant une plus grande flexibilité aux concepteurs et ingénieurs. Bien que l'option analogique soit toujours disponible, les deux options de sortie populaires sont le protocole numérique PDM et I²S. Chacune de ces interfaces possède ses propres caractéristiques uniques. Les facteurs clés à considérer incluent les niveaux de qualité audio, les niveaux de consommation énergétique, les coûts de la nomenclature, les contraintes d'espace auxquelles la conception doit se conformer, et l'environnement d'exploitation dans lequel le matériel sera déployé.

La PDM est utilisée pour convertir une tension de signal analogique en un flux numérique modulé par densité d'impulsions. Les signaux PDM ressemblent plus à des ondes longitudinales qu'à des ondes transverses stéréotypées liées à l'audio, mais ils sont des représentations numériques de signaux analogiques. Les signaux résultants ont de nombreux avantages des signaux numériques et sont toujours directement liés aux signaux analogiques. La création de ce signal PDM nécessite un taux d'échantillonnage plus élevé que d'habitude (un taux supérieur à 3 MHz), car la fréquence d'occurrence des impulsions numériques doit être plusieurs fois supérieure à la fréquence d'oscillation du signal analogique qu'elles représentent.

En raison des caractéristiques numériques du signal, le PDM peut mieux s'adapter à un environnement électriquement bruyant que les signaux analogiques et a une tolérance plus élevée aux erreurs lorsque le signal est dégradé. Les signaux haute fréquence créent toutefois des limitations de distance car une augmentation de la capacité sur des lignes de transmission plus longues peut entraîner une atténuation indésirable et une dégradation de la qualité audio qui l'accompagne. Ces signaux doivent également être traités par un DSP externe ou un microcontrôleur avec un codec approprié pour faire passer le signal PDM par un filtre passe-bas afin de l'extraire ou de l'échantillonner à un taux d'échantillonnage inférieur pour qu'il puisse être utilisé par d'autres appareils.

Contrairement au PDM, l'I²S est un signal entièrement numérique, qui n'a pas besoin d'être encodé ou décodé, et il n'y a pas de vitesse de transmission de données généralement requise. Cependant, la vitesse minimale dépend des données transmises et de leur précision. Si le taux d'échantillonnage audio est la norme de l'industrie de 44,1 kHz et que la précision est de 8 bits, le canal mono nécessitera une vitesse d'horloge d'au moins 352,8 kHz. Les applications stéréo seront le double à 705,6 kHz, et tout changement de précision modifiera également la bande passante minimale de transmission.

Le PDM offre une meilleure immunité au bruit et une tolérance aux erreurs de bits, ce qui peut le rendre attrayant pour de nombreuses applications qui privilégient la qualité audio. En revanche, l'I²S facilite l'installation, réduit l'encombrement global et le nombre de composants, ce qui présente des avantages lorsque la taille du produit ou son prix sont la principale préoccupation. Il convient également de noter que les interfaces I²S assureront une meilleure intégrité du signal sur une plus longue distance, ce qui les rend également adaptées pour les implémentations où le microphone et le circuit de traitement ne peuvent pas être proches l'un de l'autre sur la carte de circuit imprimé.

Sélection diversifiée de microphones MEMS

Les microphones MEMS sont devenus courants dans la conception électronique moderne, et il est très important d'avoir la meilleure interface. De nombreux facteurs doivent être pris en compte pour décider quelle interface sera optimisée pour votre scénario d'application spécifique. PDM peut être un choix idéal dans des environnements d'application difficiles, grâce à sa résilience inhérente au bruit. À la place, l'utilisation d'I²S permet que l'entrée soit directement connectée à son DSP ou autres dispositifs processeurs/contrôleurs associés sans complexité supplémentaire.

Same Sky propose une large gamme de portefeuilles de produits de microphones MEMS, capables de répondre à diverses exigences des systèmes audio. En plus d'une unité d'interface analogique, divers microphones avec interface numérique PDM et I²S sont également disponibles. Les microphones MEMS de Same Sky sont emballés dans des boîtiers compacts et à profil bas, aussi petits que 2,75 x 1,85 x 0,90 mm, offrant aux utilisateurs une meilleure qualité et performance audio. Avec des niveaux de sensibilité allant de -42 dB à -26 dB, des rapports signal-bruit de 57 dBA à 65 dBA, et des tolérances de sensibilité aussi faibles que ±1 dB, ces microphones MEMS sont idéaux pour une gamme d'applications d'électronique grand public portable. Pour faciliter la création de prototypes et les tests de conception, Same Sky propose également un kit de développement de microphones MEMS, qui comprend quatre circuits d'évaluation de microphones indépendants.

Les microphones MEMS de Same Sky ont des versions à port supérieur et inférieur, des options analogiques et numériques, des niveaux de sensibilité de -42 dB à -26 dB, et une consommation de courant aussi basse que 80 µA.

Conclusion

Le microphone MEMS a les avantages d'un petit volume et d'une forte résistance au bruit. C'est le premier choix pour de nombreux produits d'applications grand public. Same Sky propose des types de produits avec différentes sensibilités et interfaces et fournit des ressources complètes de conception pour aider les clients à développer rapidement les produits correspondants, ce qui mérite d'être approfondi et adopté.