Scopri di più su come selezionare la tecnologia per microfoni appropriata per il tuo prossimo progetto in questo post del blog di CUI Devices.
Forse ti ricordi la campagna di marketing di qualche anno fa con la frase: "Potete sentirmi adesso?" A un numero sempre maggiore di dispositivi progettati oggi, da quelli indossabili agli assistenti domestici, viene richiesto di "sentire" il proprio ambiente. Il microfono corretto permette alle applicazioni di catturare con precisione quasi tutti i suoni e le due tecnologie più comuni utilizzate per la costruzione dei microfoni sono MEMS e il condensatore a elettrete. Anche se le due tecnologie si basano su principi simili, molti sono i casi d'uso possibili per scegliere l'una o l'altra. Detto questo, esamineremo i principi di base dei microfoni MEMS e a condensatore a elettrete, confronteremo le differenze tra le tecnologie e delineeremo i vantaggi di ogni soluzione.
Nozioni di base sui microfoni MEMS
I microfoni MEMS sono costruiti con un componente MEMS (Micro-Electro-Mechanical System, sistema micro-elettro-meccanico) posizionato su un circuito stampato (PCB) e protetto da una copertura meccanica. Nella custodia è presente un piccolo foro per consentire il suono nel microfono, che è progettato come top-port se il foro è nella copertura superiore o bottom-port se il foro è nel PCB. Il componente MEMS è spesso progettato con un diaframma meccanico e una struttura di montaggio creata su un die a semiconduttore.
Struttura tipica del microfono MEMS
Il diaframma MEMS forma un condensatore e le onde di pressione del suono provocano il movimento del diaframma. I microfoni MEMS in genere contengono un secondo die a semiconduttore che funge da preamplificatore audio, convertendo la capacità variabile dei MEMS in un segnale elettrico. L'uscita del preamplificatore audio viene fornita all'utente se è richiesto un segnale di uscita analogica. Se è richiesto un segnale di uscita digitale, un convertitore da analogico a digitale (ADC) è incluso nello stesso die del preamplificatore audio. Un formato comune utilizzato per la codifica digitale nei microfoni MEMS è la modulazione a densità di impulso (PDM), che consente la comunicazione solo con un clock e una linea di dati individuale. La decodifica del segnale digitale sul ricevitore è semplificata grazie alla codifica a singolo bit dei dati.
A sinistra: schema di applicazione del microfono MEMS analogico A destra: schema di applicazione del microfono MEMS digitale
Nozioni di base sui microfoni a condensatore a elettrete
La struttura dei microfoni a condensatore a elettrete (ECM) è riportata nella figura di seguito.
Struttura tipica del microfono a condensatore a elettrete
Un diaframma a elettrete (materiale con una carica superficiale fissa) è molto vicino a una piastra conduttiva, e analogamente ai microfoni MEMS, viene formato un condensatore con il traferro come dielettrico. La tensione attraverso il condensatore varia al variare della capacità a causa delle onde di pressione del suono che muovono il diaframma a elettrete, ΔV = Q/ ΔC. Le variazioni di tensione del condensatore sono amplificate e tamponate da un JFET interno all'alloggiamento del microfono. Il JFET è in genere configurato in una configurazione common-source, mentre un resistore di carico esterno e un condensatore di blocco in corrente continua sono utilizzati nel circuito applicativo esterno.
Schema di applicazione ECM
Differenze nelle tecnologie dei microfoni
Molte sono le considerazioni da fare quando si sceglie un microfono ECM o MEMS. La quota di mercato dei microfoni MEMS continua a crescere rapidamente grazie ai numerosi vantaggi offerti da questa nuova tecnologia. Ad esempio, per le applicazioni con limiti di spazio, possono essere interessanti le dimensioni ridotte dei microfoni MEMS, mentre i circuiti analogici e digitali inclusi nella struttura dei microfoni MEMS consentono una riduzione dell'area PCB e del costo dei componenti. L'impedenza di output relativamente bassa dei microfoni MEMS analogici e le uscite dei microfoni MEMS digitali sono ideali per applicazioni in ambienti con rumore elettrico. In ambienti con vibrazioni elevate, l'uso della tecnologia dei microfoni MEMS può ridurre il livello di rumore indesiderato introdotto dalla vibrazione meccanica. Inoltre, la tecnologia di fabbricazione dei semiconduttori e l'inclusione di preamplificatori audio consentono di produrre microfoni MEMS con caratteristiche prestazionali stabili della temperatura e strettamente correlate. Queste rigide caratteristiche prestazionali sono particolarmente vantaggiose quando i microfoni MEMS sono utilizzati in applicazioni di array. Durante la produzione del prodotto, i microfoni MEMS possono essere facilmente manipolati anche da unità di posizionamento e tollerano profili di temperatura di saldatura per rifusione.
Anche se la popolarità dei microfoni MEMS è in rapida crescita, ancora per alcune applicazioni è preferibile un microfono a condensatore a elettrete. Per molti progetti legacy sono stati utilizzati ECM, pertanto nel caso ad esempio di un semplice aggiornamento a un progetto esistente, può essere consigliabile continuare a utilizzare un ECM. Le opzioni per il collegamento di un ECM al circuito applicativo includono pin, cavi, SMT, pad di saldatura e contatti a molla, in modo da offrire agli ingegneri una maggiore flessibilità di progettazione. Se la protezione da polvere e umidità è importante, è facile trovare offerte di ECM con elevate classificazioni IP (Ingress Protection) grazie alle loro maggiori dimensioni fisiche. Per i progetti che richiedono una sensibilità spaziale non uniforme, i prodotti ECM sono disponibili con direzionalità intrinseca, sia unidirezionale che a cancellazione del rumore, mentre l'ampia gamma di tensione di esercizio degli ECM può essere la soluzione preferita nei prodotti con guide di tensione scarsamente regolate.
Scelta della tecnologia per microfoni appropriata per il tuo progetto
La decisione di utilizzare microfoni a condensatore a elettrete rispetto ai microfoni MEMS dipenderà dai requisiti del tuo progetto. Mentre la diffusione dei microfoni MEMS continua a crescere grazie ai loro numerosi vantaggi intrinseci, gli ECM sono ancora utilizzati in una varietà di applicazioni grazie a una più ampia gamma di opzioni di packaging e direzionalità. Indipendentemente dalla tecnologia scelta, CUI Devices continuerà a sviluppare e offrire una vasta gamma di prodotti per microfoni per consentire al tuo progetto di "sentire" i suoni richiesti.