Il microfono MEMS è diventato la scelta principale di prodotto nel mercato consumer.

I microfoni sono diventati un dispositivo standard integrato in molti prodotti elettronici. Dai dispositivi indossabili agli assistenti domestici, sempre più dispositivi devono "ascoltare" l'ambiente circostante e rispondere di conseguenza. Questo articolo offrirà una panoramica completa sui tipi di microfoni e sui principi di base, oltre alle caratteristiche dei prodotti dei microfoni MEMS di Same Sky.

Differenze tecniche tra microfoni ECM e MEMS

Con l'aumento delle applicazioni dei microfoni, stanno crescendo anche i requisiti per la sensibilità e il volume dei microfoni. Attualmente, le due tecnologie più comuni utilizzate per costruire microfoni sono MEMS e condensatore electret. Introduciamo prima le conoscenze di base sui microfoni MEMS e a condensatore electret (ECM), confrontiamo le differenze tecniche tra di essi e delineiamo i vantaggi di ciascuna soluzione.

Il microfono MEMS è costituito da componenti MEMS posizionati su una scheda a circuito stampato (PCB) e protetti da una copertura meccanica. Viene creato un piccolo foro nell'involucro per permettere al suono di entrare nel microfono. Se il foro si trova nella copertura superiore, viene classificato come porta superiore; se il foro si trova nel PCB, viene classificato come porta inferiore. I componenti MEMS sono solitamente progettati con diaframmi meccanici e strutture di montaggio realizzate su un chip semiconduttore.

Il diaframma MEMS forma un condensatore, e l'onda di pressione sonora provoca il movimento del diaframma. Il microfono MEMS solitamente contiene un secondo chip semiconduttore, utilizzato come preamplificatore audio per convertire la variazione di capacità del MEMS in segnali elettrici. Se è richiesto un segnale di uscita analogico, l'uscita del preamplificatore audio viene fornita all'utente. Se invece è richiesto un segnale di uscita digitale, il convertitore analogico-digitale (ADC) è incluso nello stesso chip del preamplificatore audio. Un formato comune per la codifica digitale nei microfoni MEMS è la modulazione della densità d'impulsi (PDM), che consente la comunicazione con solo un clock e una singola linea dati. Grazie alla codifica a singolo bit dei dati, la decodifica del segnale digitale sul ricevitore è semplificata. L'uscita digitale I²S è la terza opzione, che include un filtro di decimazione interno, permettendo che l'elaborazione sia completata direttamente nel microfono stesso. Questo significa che il microfono può essere collegato direttamente a un digital signal processor (DSP) o a un microcontrollore, eliminando così la necessità di un ADC o di un codec in molte applicazioni.

L'ECM contiene un diaframma elettrete (un materiale con una carica superficiale fissa) separato, ma vicino, alla piastra conduttiva. Simile al microfono MEMS, forma un condensatore con un'intercapedine d'aria come dielettrico. Quando l'onda di pressione sonora muove il diaframma elettrete, la tensione ai capi del condensatore varia in base alla variazione del valore della capacità. La variazione della tensione del condensatore viene amplificata e bufferizzata dal JFET all'interno della custodia del microfono. Il JFET è solitamente configurato come configurazione a sorgente comune, mentre una resistenza di carico esterna e un condensatore di blocco DC vengono utilizzati nei circuiti applicativi esterni.

I microfoni ECM e MEMS hanno ciascuno i propri vantaggi

Molti fattori devono essere considerati quando si sceglie tra microfoni ECM e MEMS. Grazie ai numerosi vantaggi forniti dai MEMS, la quota di mercato dei microfoni MEMS continua a crescere rapidamente. Ad esempio, le dimensioni ridotte del microfono MEMS sono molto interessanti per applicazioni con spazio limitato, e grazie ai circuiti analogici e digitali presenti nella costruzione dei microfoni MEMS, la superficie del PCB e il costo dei componenti possono essere ridotti. L’impedenza di uscita di un microfono MEMS analogico è relativamente bassa, mentre l’uscita di un microfono MEMS digitale è particolarmente adatta per applicazioni in ambienti elettricamente rumorosi. In ambienti con elevate vibrazioni, l’uso della tecnologia dei microfoni MEMS può ridurre il livello di rumore indesiderato introdotto dalle vibrazioni meccaniche. Inoltre, con l’aggiunta della tecnologia di produzione dei semiconduttori e di un preamplificatore audio, è possibile realizzare un microfono MEMS con abbinamento stretto e stabilità termica. Queste rigorose caratteristiche prestazionali sono particolarmente vantaggiose quando i microfoni MEMS vengono utilizzati in applicazioni a matrice. Nel processo di produzione del prodotto, il microfono MEMS può anche essere facilmente gestito da macchine pick and place e tollerare i profili di temperatura della saldatura a rifusione.

Sebbene i microfoni MEMS stiano rapidamente guadagnando popolarità, ci sono ancora alcune applicazioni che potrebbero preferire l'ECM. Molti progetti legacy utilizzano l'ECM, quindi, se il progetto riguarda un semplice aggiornamento del design esistente, è meglio continuare a utilizzare l'ECM. Le opzioni per collegare l'ECM al circuito applicativo includono pin, fili, SMT, pad di saldatura e contatti a molla, offrendo agli ingegneri ulteriore flessibilità di design. Se polvere e umidità rappresentano un problema, è facile trovare prodotti ECM con un alto livello di protezione dall'ingresso (IP) grazie alle loro dimensioni fisiche maggiori. Per progetti che richiedono una sensibilità spaziale non uniforme, i prodotti ECM possono offrire soluzioni unidirezionali o di cancellazione del rumore con direttività interna, e l'ampio intervallo di tensione operativa dell'ECM potrebbe essere la soluzione preferita per prodotti con binari di tensione regolati in modo non preciso.

Il protocollo PDM e I²S hanno caratteristiche diverse

Oltre a un'impronta significativamente ridotta, requisiti di alimentazione inferiori e una maggiore reiezione del rumore elettrico, uno dei principali vantaggi dei microfoni MEMS è l'aggiunta di opzioni di uscita, che offrono maggiore flessibilità ai progettisti e agli ingegneri. Sebbene l'opzione analogica sia ancora disponibile, le due opzioni di uscita più popolari sono il protocollo digitale PDM e I²S. Ciascuna di queste interfacce presenta caratteristiche uniche. I fattori chiave da considerare includono i livelli di qualità audio, i livelli di consumo energetico, i costi della distinta base, i vincoli di spazio a cui il design deve conformarsi e l'ambiente operativo in cui l'hardware verrà utilizzato.

Il PDM viene utilizzato per convertire un segnale analogico di tensione in un flusso digitale modulato a densità di impulsi. I segnali PDM sembrano più simili a onde longitudinali che alle onde trasversali stereotipate legate al suono, ma rappresentano digitalmente segnali analogici. I segnali ottenuti presentano molti vantaggi dei segnali digitali, pur essendo direttamente correlati ai segnali analogici. La creazione di questo segnale PDM richiede una frequenza di campionamento più elevata del solito (una frequenza superiore a 3 MHz), poiché la frequenza di occorrenza degli impulsi digitali deve essere molte volte superiore alla frequenza di oscillazione del segnale analogico che rappresentano.

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 differenza del PDM, I²S è un segnale completamente digitale, che non necessita di essere codificato o decodificato, e non esiste una velocità di trasmissione dati generalmente richiesta. Tuttavia, la velocità minima dipende dai dati trasmessi e dalla loro precisione. Se la frequenza di campionamento audio è lo standard industriale di 44,1 kHz e la precisione è di 8 bit, il canale mono richiederà una velocità di clock di almeno 352,8 kHz. Le applicazioni stereo richiederanno il doppio, ovvero 705,6 kHz, e qualsiasi variazione nella precisione modificherà anche la larghezza di banda minima di trasmissione.

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.

Selezione diversificata di microfoni MEMS

I microfoni MEMS sono diventati comuni nella progettazione elettronica moderna, ed è molto importante avere la migliore interfaccia. Ci sono molti fattori da considerare quando si decide quale interfaccia ottimizzare per il proprio scenario applicativo specifico. PDM può essere una scelta ideale in ambienti applicativi difficili, grazie alla sua intrinseca capacità di resistenza al rumore. Invece, l'uso di I²S consente di collegare direttamente l'ingresso al relativo DSP o ad altri dispositivi processore/controller senza alcuna complessità aggiuntiva.

Same Sky offre una vasta gamma di portafogli di prodotti con microfoni MEMS, in grado di soddisfare diversi requisiti per sistemi audio. Oltre a un'unità con interfaccia analogica, sono disponibili anche vari microfoni con interfaccia digitale PDM e I²S. I microfoni MEMS di Same Sky sono confezionati in alloggiamenti compatti e a basso profilo, di dimensioni ridotte fino a 2,75 x 1,85 x 0,90 mm, offrendo agli utenti una qualità audio e prestazioni migliori. Con livelli di sensibilità che vanno da -42 dB a -26 dB, rapporti segnale-rumore da 57 dBA a 65 dBA e tolleranze di sensibilità fino a ±1 dB, questi microfoni MEMS sono ideali per una gamma di applicazioni di elettronica di consumo portatile. Per semplificare la prototipazione e le prove di progettazione, Same Sky offre anche un kit di sviluppo per microfoni MEMS, che include quattro circuiti di valutazione microfonica indipendenti.

I microfoni MEMS di Same Sky hanno versioni con porta superiore e inferiore, opzioni analogiche e digitali, livelli di sensibilità da -42 dB a -26 dB e un consumo di corrente fino a soli 80 µA.

Conclusione

Il microfono MEMS ha i vantaggi di un volume ridotto e di una forte resistenza al rumore. È la prima scelta per molti prodotti di applicazione consumer. Same Sky offre tipologie di prodotti con diverse sensibilità e interfacce e fornisce risorse di progettazione complete per aiutare i clienti a sviluppare rapidamente prodotti corrispondenti, rendendolo meritevole di ulteriore comprensione e adozione.