マイクは多くの電子製品に組み込まれる標準的なデバイスになりました。ウェアラブルデバイスからホームアシスタントまで、環境を「聞いて」それに応じて反応するデバイスがますます増えています。この記事では、マイクの種類と基本原理、およびCUI DevicesのMEMSマイクの製品機能について包括的な概要を説明します。
ECMマイクとMEMSマイクの技術的な違い
マイクの用途が増加するにつれて、マイクの感度と音量に対する要件も高まっています。現在、マイクロフォンの製造に使用される最も一般的な2つの技術は、MEMSとエレクトレット コンデンサーです。まず、MEMSとエレクトレット コンデンサー マイク (ECM) の基礎知識を紹介し、両者の技術的な違いを比較し、各ソリューションの利点を概説します。
MEMSマイクロフォンは、プリント回路基板 (PCB) 上に配置され、機械カバーで保護されたMEMSコンポーネントで構成されています。ハウジングに小さな穴を開けて、マイクに音を入力できるようにします。穴がトップカバーにある場合は、トップポートとして指定され、穴がPCBにある場合は、ボトムポートとして指定されます。MEMSコンポーネントは通常、半導体ダイ上に作成された機械的なダイヤフラムと取り付け構造を使用して設計されます。
MEMSダイヤフラムはコンデンサを形成し、音圧波によってダイヤフラムが動きます。MEMSマイクロフォンには通常、2番目の半導体ダイが含まれており、これはMEMSの変化する静電容量を電気信号に変換するオーディオ プリアンプとして使用されます。アナログ出力信号が必要な場合は、オーディオプリアンプの出力がユーザーに提供されます。デジタル出力信号が必要な場合は、アナログ-デジタル コンバータ (ADC) がオーディオ プリアンプと同じダイに組み合わされます。MEMSマイクのデジタル エンコーディングの一般的な形式はパルス密度変調 (PDM) であり、これによりクロックと単一のデータ ラインのみで通信が可能になります。データが単一ビットでエンコードされるため、受信機でのデジタル信号のデコードが簡素化されます。デジタルI²S出力は3番目のオプションで、内部デシメーション フィルターが含まれており、マイク自体で処理を完了できます。つまり、マイクをデジタル信号プロセッサ (DSP) またはマイクロコントローラに直接接続できるため、多くのアプリケーションでADCまたはコーデックが不要になります。
ECMには、導電板から離れているが導電板に近いエレクトレット ダイヤフラム (表面電荷が固定された材料) が含まれています。MEMSマイクと同様に、誘電体としてエアギャップを持つコンデンサを形成します。音圧波がエレクトレット振動板を動かすと、静電容量値の変化に応じてコンデンサの両端の電圧が変化します。静電容量電圧の変化は、マイク ハウジング内のJFETによって増幅され、バッファリングされます。JFETは通常、共通ソース構成として構成されますが、外部アプリケーション回路では外部負荷抵抗とDCブロッキング コンデンサが使用されます。
ECMマイクとMEMSマイクにはそれぞれ独自の利点がある
ECMマイクとMEMSマイクのどちらを選択するかは、多くの要素を考慮する必要があります。MEMSが提供する多くの利点により、MEMSマイクの市場シェアは急速に拡大し続けています。たとえば、MEMSマイクのフットプリントが小さいことは、スペースが限られたアプリケーションにとって非常に魅力的であり、MEMSマイクの構造に含まれるアナログ回路とデジタル回路により、PCB面積とコンポーネント コストを削減できます。アナログMEMSマイクの出力インピーダンスは比較的低いですが、デジタルMEMSマイクの出力は電気的にノイズの多い環境でのアプリケーションに非常に適しています。振動の大きい環境では、MEMSマイク技術を使用することで、機械的振動によって生じる不要なノイズ レベルを低減できます。さらに、半導体製造技術とオーディオプリアンプを追加することで、高精度なマッチングと温度安定性を備えたMEMSマイクの製造が可能になります。これらの厳格なパフォーマンス特性は、MEMSマイクロフォンをアレイ アプリケーションで使用する場合に特に有益です。製品の製造プロセスでは、MEMSマイクロフォンはピックアンドプレース マシンで簡単に取り扱え、リフローはんだ付け温度プロファイルにも耐えることができます。
MEMSマイクの人気は急速に高まっていますが、ECMの方が適しているアプリケーションもまだいくつかあります。多くのレガシー設計ではECMが使用されているため、プロジェクトが既存の設計の単純なアップグレードである場合は、ECMを引き続き使用することが最適です。ECMをアプリケーション回路に接続するためのオプションには、ピン、ワイヤ、SMT、はんだパッド、スプリング コンタクトなどがあり、エンジニアにさらなる設計の柔軟性を提供します。ほこりや湿気が問題になる場合は、物理的なサイズが大きいため、侵入保護レベル (IP) が高いECM製品を簡単に見つけることができます。不均一な空間感度を必要とするプロジェクトの場合、ECM製品は内部指向性による単一指向性またはノイズキャンセリングを提供でき、ECMの広い動作電圧範囲は、緩く規制された電圧レールを備えた製品に適したソリューションとなる可能性があります。
PDMとI²Sプロトコルは異なる特性を持つ
MEMSマイクロフォンの主な利点の1つは、フットプリントの大幅な削減、電力要件の低減、電気ノイズ除去の向上に加え、出力オプションの追加により、設計者やエンジニアに高い柔軟性を提供することです。アナログ オプションも引き続き利用可能ですが、一般的な出力オプションはPDMとI²Sデジタル プロトコルの2つです。これらのインターフェースにはそれぞれ独自の特性があります。考慮すべき主な要素には、オーディオ品質レベル、電力消費レベル、部品表コスト、設計が遵守しなければならないスペース制約、ハードウェアが展開される動作環境などがあります。
PDMは、アナログ信号電圧を単位パルス密度変調デジタル ストリームに変換するために使用されます。PDM信号は、オーディオに関連する典型的な横波よりも縦波に似ていますが、アナログ信号のデジタル表現です。結果として得られる信号にはデジタル信号の多くの利点があり、アナログ信号と直接関連しています。このPDM信号を作成するには、通常よりも高いサンプリング レート (3 MHzを超えるレート) が必要です。これは、デジタル パルスの発生頻度が、それが表すアナログ信号の発振周波数よりも何倍も高くなければならないためです。
信号のデジタル特性により、PDMはアナログ信号よりも電気的にノイズの多い環境に適応しやすく、信号が劣化した場合でもエラー許容度が高くなります。高周波信号は距離制限を生じさせます。これは、長い伝送ラインでの静電容量の増加により、不要な減衰が発生し、それに伴うオーディオ品質の低下が発生する可能性があるためです。これらの信号は、適切なコーデックを備えた外部DSPまたはマイクロコントローラによってさらに処理され、PDM信号をローパス フィルタに通して抽出するか、より低いサンプリング レートにダウンサンプリングして、他のデバイスで使用できるようにする必要もあります。
PDMとは異なり、I²Sは完全にデジタルな信号であり、エンコードやデコードの必要がなく、一般的に必要なデータ転送速度もありません。ただし、最小速度は送信されるデータとその精度によって異なります。オーディオのサンプリング レートが業界標準の44.1 kHzで、精度が8ビットの場合、モノラル チャネルには少なくとも352.8 kHzのクロック速度が必要になります。ステレオ アプリケーションは705.6 kHzで2倍になり、精度が変化すると最小伝送帯域幅も変化します。
PDMは、優れたノイズ耐性とビット エラー許容度を提供するため、オーディオ品質を優先する多くのアプリケーションにとって魅力的です。対照的に、I²Sは、インストールの容易さ、全体的なフットプリントの縮小、コンポーネント数の削減をサポートしており、製品のサイズや価格が主な懸念事項である場合に有利になります。また、I²Sインターフェースは長距離でも優れた信号整合性を提供するため、回路基板上でマイクロフォンと処理回路を互いに近づけることができない実装にも適していることにも注意してください。
MEMSマイクの多様な選択肢
MEMSマイクロフォンは現代の電子設計では一般的になっており、最適なインターフェースを持つことが非常に重要です。特定のアプリケーション シナリオに最適化するインターフェイスを決定する際には、考慮すべき要素が多数あります。PDMは、ノイズに対する耐性が本質的に備わっているため、厳しいアプリケーション環境に最適な選択肢となります。代わりに、I²Sを使用すると、追加の複雑さなしで、入力を付随するDSPまたはその他のプロセッサ/コントローラ デバイスに直接接続できます。
CUI Devicesは、さまざまなオーディオ システムの要件を満たす幅広いMEMSマイク製品ポートフォリオを備えています。アナログインターフェースユニットに加え、PDMおよびI²Sデジタルインターフェースを備えたさまざまなマイクも用意されています。CUI DevicesのMEMSマイクは、2.75 x 1.85 x 0.90 mmという小型で薄型のパッケージに収められており、ユーザーに優れたオーディオ品質とパフォーマンスを提供します。感度レベルは-42 dBから-26 dB、信号対雑音比は57 dBAから65 dBA、感度許容範囲は ±1 dBのこれらのMEMSマイクは、さまざまなポータブル民生用電子機器アプリケーションに最適です。CUI Devicesは、プロトタイピングと設計テストを容易にするために、4つの独立したマイク評価回路を含むMEMSマイク開発キットも提供しています。
CUI DevicesのMEMSマイクロフォンには、上部ポート バージョンと下部ポート バージョン、アナログ オプションとデジタル オプション、-42 DB ～ -26 dBの感度レベル、および80 µAという低電流消費が備わっています。ニーズに最適なMEMSマイクは、次のWebサイトで見つけることができます。 https://www.arrow.com/en/manufacturers/cui-devices/audio-components/microphones?promoGroupLevel=main&filters=Technology:MEMS。
結論
MEMSマイクロフォンは、容積が小さく、ノイズ耐性が強いという利点があります。多くの消費者向けアプリケーション製品にとって第一の選択肢です。CUI Devicesは、さまざまな感度とインターフェースを備えた製品タイプを提供し、顧客が対応する製品を迅速に開発できるように完全な設計リソースを提供します。これは、さらに理解して採用する価値があります。