アナログ vs デジタルMEMSマイクロフォン: 最適なMEMSマイクロフォンインターフェイスの選択

アナログとデジタルのMEMSマイクロフォンインターフェースの違い、そして設計に適したマイクロフォン出力の選び方について、Same SkyのBruce Roseによる分かりやすく有益な記事で詳しく探ってみましょう。

MEMS マイクロフォンとは何ですか？

MEMSマイクロフォンは通常、2つの半導体チップを1つのパッケージ内に配置して構築されます。1つ目の半導体チップはMEMS膜で、音波を電気信号に変換します。2つ目のチップは増幅器で、アナログ-デジタルコンバータ（ADC）を含む場合があります。MEMSマイクロフォンにADCが含まれていない場合はアナログ出力信号がユーザーに提供され、ADCが含まれている場合はデジタル出力信号が利用可能になります。

アナログMEMSマイクロフォンインターフェース

アナログ出力を持つMEMSマイクロフォンは、以下の図に示されているように、ホスト回路への簡単なインターフェースを可能にします。マイクロフォンのアナログ出力信号は、マイクロフォン内部にあるアンプによって駆動されることに注意してください。そのため、信号レベルはすでに適切であり、出力インピーダンスも比較的低く抑えられています。   直流遮断コンデンサ(C1)は、ホスト回路の直流入力電圧をMEMSマイクロフォンの直流出力電圧に合わせる必要がないようにするために使用されます。C1とR1の組み合わせによって生成されるポール周波数は十分低く設定する必要があります。その結果、ホスト回路に必要なオーディオ周波数信号が許容可能な減衰レベルで伝達されるようにします（つまり、最低オーディオ周波数範囲が20 Hzの場合: 1/(2*π*R1*C1) < 20 Hz）。

デジタルMEMSマイクロフォンインターフェース

デジタルインターフェースを持つMEMSマイクロフォンからの出力信号は、しばしばパルス密度変調（PDM）でエンコードされます。PDMでは、アナログ信号の電圧が論理ハイ信号の密度に対応する単一ビットのデジタルデータストリームに変換されます。PDMの利点には、電気的ノイズ耐性、ビットエラー耐性、およびシンプルなハードウェアインターフェースが含まれます。   以下の図は、PDM出力を持つ単一のデジタルマイクロフォンをホスト回路に接続する方法を示しています。この図では、「Select」ピンをVddまたはGndに接続することで、クロック信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのどちらでデータが確定されるかを決定します。

以下の図は、2つのマイクを共有のクロックおよびデータラインを使用してホスト回路に接続する方法を示しています。この構成は、ステレオマイクを実装する際によく使用されます。

MEMSマイクロフォンのアナログ出力またはデジタル出力の選択

MEMSマイクロフォンをアナログまたはデジタル出力信号で使用するかどうかの選択は、出力信号の使用方法によって左右されることが多いです。アナログ出力信号は、ホストシステム内でアナログ処理を行うアンプの入力に接続される場合に便利です。従来のアナログ用途の例としては、シンプルなスピーカーや無線通信システムが挙げられます。アナログ出力を持つMEMSマイクロフォンは、ADC（アナログ－デジタルコンバータ）が不要なため、デジタル出力を持つものよりも消費電力が低い傾向があります。   MEMSマイクロフォンからのデジタル出力信号は、信号がデジタル回路に適用される場合に有利です。この場合、通常はマイクロコントローラーやデジタル信号プロセッサ（DSP）が使用されます。また、デジタル出力信号は、マイクロフォンからホスト回路に至る導体が電気的にノイズの多い環境にある場合にも有益です。これは、デジタル出力信号が従来のアナログ信号よりも電気的ノイズ耐性が高い特性を持つためです。

結論

MEMSマイクロフォン技術はこれからも長く活用されるため、利用可能なさまざまな構成について理解することが重要です。アナログ出力とデジタル出力を選ぶにあたっては、出力信号の使用方法や導入するシステムのタイプに基づいて判断する必要があります。幸いなことに、Same Skyはアナログまたはデジタル（PDM）出力のどちらにも対応したさまざまなMEMSマイクロフォンを提供しており、設計の具体的な要件に適合する製品を選ぶお手伝いができます。