Scopri di più sulle differenze tra le interfacce MEMS analogiche e digitali.
Scopri le differenze tra interfacce analogiche e digitali per microfoni MEMS e come scegliere il tipo di uscita per il microfono adatta alla tua progettazione in questo articolo informativo e di facile consultazione di Bruce Rose di CUI Devices.
I microfoni MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) hanno contribuito ad aumentare potenzialità e funzionalità di una vasta gamma di dispositivi, aggiungendo capacità di comunicazione e di monitoraggio avanzate. L'attuale popolarità degli assistenti digitali domestici e dei dispositivi di navigazione con abilitazione voce sono solo alcuni esempi che promettono di avviare una crescita esponenziale nel settore dei dispositivi elettronici a comando vocale. Poiché la tecnologia MEMS sta iniziando a ritagliarsi un'ampia fetta di mercato nel settore dei microfoni, è il momento opportuno per esaminare i tipi di interfacce elettriche dei microfoni MEMS disponibili e le modalità di lavoro con questi dispositivi.
Concetti di base sui microfoni MEMS
I microfoni MEMS sono solitamente composti da due chip a semiconduttore ospitati all’interno di un unico pacchetto. Il primo chip semiconduttore è una membrana MEMS che converte le onde sonore in un segnale elettrico, mentre il secondo è un amplificatore che a volte contiene un convertitore analogico-digitale (ADC). Se l'ADC non è incluso nel microfono MEMS, l'utente potrà usufruire di un segnale di uscita analogico, mentre se l'ADC è incluso usufruirà di un segnale di uscita digitale.
Interfacce analogiche per microfoni MEMS
I microfoni MEMS con uscite analogiche consentono di effettuare un interfacciamento molto semplice con il circuito host, come illustrato nella figura. Precisiamo che il segnale di uscita analogico è pilotato da un amplificatore interno al microfono. Perciò, il microfono avrà già raggiunto un livello del segnale accettabile con un’impedenza di output relativamente bassa.
Il condensatore che blocca la corrente continua (C1) assicura che la tensione continua in entrata del circuito host non richieda alcun adattamento alla tensione continua d'uscita del microfono MEMS. La frequenza del polo generato dalla combinazione di C1 e R1 deve essere impostata a un valore sufficientemente basso in modo da consentire il trasferimento dei segnali alla frequenza audio prescelta al circuito host con un adeguato livello di attenuazione, ad esempio, per una gamma di frequenza audio minima di 20 Hz, 1/(2*π*R1*C1) < 20 Hz].
Collegamento di un microfono MEMS con uscita analogica a un amplificatore esterno
Interfacce digitali per microfoni MEMS
I segnali in uscita dai microfoni MEMS con interfaccia digitale sono spesso codificati mediante la modulazione a densità di impulsi (PDM). Con la PDM, la tensione del segnale analogico viene convertita in un flusso digitale a singolo bit che include una densità corrispondente di segnali di livello logico alto. Tra i vantaggi della modulazione PDM si possono annoverare immunità al rumore elettrico, tolleranza all’errore a livello di bit e semplicità dell’interfaccia hardware.
La figura di seguito illustra la modalità di connessione di un singolo microfono digitale con uscita PDM a un circuito host. Il collegamento del pin "Select" a Vdd o Gnd nella figura determinerà se i dati sono disponibili sul fronte di salita o di discesa del segnale di clock.
Collegamento di un singolo microfono digitale MEMS con uscita PDM
Il diagramma di seguito illustra la modalità di connessione di due microfoni al circuito host tramite linee di dati e di clock condivise. Questa configurazione viene spesso utilizzata quando si implementano i microfoni stereo.
Due microfoni digitali MEMS con uscita PDM possono essere connessi tramite le stesse linee di dati e di clock
Uscita analogica o digitale: quale scegliere?
La decisione di impiegare microfoni MEMS con un’interfaccia analogica o digitale dipende dalla modalità di utilizzo del segnale in uscita. Un segnale in uscita analogico è utile nel momento in cui deve essere collegato all’ingresso di un amplificatore per l’elaborazione analogica nel sistema host. Un semplice altoparlante o un sistema di comunicazione radio sono alcuni tra i possibili esempi di applicazioni analogiche tradizionali. I microfoni MEMS con uscite analogiche sono caratterizzati da consumi inferiori rispetto a quelli con uscite digitali a causa dell’assenza dell'ADC.
Un segnale in uscita digitale di un microfono MEMS risulta vantaggioso quando il segnale deve essere utilizzato da un circuito digitale, come un microcontroller o un processore di segnale digitale (DSP). Il segnale di uscita digitale, inoltre, può essere vantaggioso nel caso i conduttori tra il microfono e il circuito host siano ubicati in un ambiente rumoroso dal punto di vista elettrico, poiché i segnali digitali in uscita saranno caratterizzati da una maggiore immunità contro il rumore elettrico rispetto ai segnali analogici tradizionali.
Conclusione
La tecnologia dei microfoni MEMS è destinata a imporsi, perciò è importante comprendere le differenti configurazioni disponibili. La scelta tra un’uscita analogica o digitale dipende essenzialmente dall’utilizzo che sarà fatto del segnale in uscita e dal tipo di sistema su cui sarà implementato. Fortunatamente, CUI Devices offre un'ampia serie di microfoni MEMS con uscite analogiche e digitali (PDM) in modo da consentire la scelta del prodotto più adatto a soddisfare le proprie esigenze di progettazione.
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