MEMSマイクロフォンは、消費者市場で主流の製品選択肢となっています。

マイクは、多くの電子機器に標準搭載されるデバイスとなっています。ウェアラブルデバイスからホームアシスタントまで、ますます多くのデバイスが周囲の環境を「聞く」必要があり、それに応じて反応しています。本記事では、マイクの種類と基本原理の包括的な概要、そしてSame SkyのMEMSマイクの製品特性について説明します。

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求も高まっています。現在、マイクを構築するために使用される最も一般的な技術は、MEMSとエレクトレットコンデンサの2つです。まず、MEMSマイクとエレクトレットコンデンサマイク（ECM）の基本的な知識を紹介し、両者の技術的な違いを比較し、それぞれの解決策の利点を概説します。

MEMSマイクロフォンは、プリント基板（PCB）上に配置されたMEMSコンポーネントで構成され、機械的なカバーによって保護されています。マイクロフォンに音を取り込むために、筐体に小さな穴を作ります。この穴が上部のカバーにある場合は「トップポート」、PCBにある場合は「ボトムポート」と呼ばれます。MEMSコンポーネントは通常、半導体チップ上に機械的なダイアフラムとマウント構造を設計して作られています。

MEMSダイアフラムはコンデンサを形成し、音圧波がダイアフラムの動きを引き起こします。MEMSマイクロフォンには通常、MEMSの可変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る、2つ目の半導体ダイが含まれています。アナログ出力信号が必要な場合、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には、アナログ-デジタル変換器 (ADC) がオーディオプリアンプと同じダイに含まれています。MEMSマイクロフォンでデジタル符号化に一般的なフォーマットはパルス密度変調 (PDM) で、これはクロックと1本のデータラインだけで通信できるようにします。データの1ビット符号化によるため、受信側でのデジタル信号の復号が簡略化されます。デジタルI²S出力は3番目のオプションで、内部のデシメーションフィルタが含まれており、これにより処理をマイクロフォン自体で完了させることができます。このことは、マイクロフォンを直接デジタル信号プロセッサ (DSP) やマイクロコントローラに接続でき、多くのアプリケーションでADCやコーデックが不要になることを意味します。

ECMには、固定された表面電荷を持つエレクトレットダイアフラム（エレクトレット材料）が導電性プレートから離れて配置されつつも近接して取り付けられています。MEMSマイクロフォンと同様に、この構造はダイアフラムと導電性プレートの間に空気ギャップを誘電体として使用するコンデンサを形成します。音圧波がエレクトレットダイアフラムを振動させると、コンデンサの両端の電圧が、容量値の変化に伴って変化します。この容量電圧の変化は、マイクのハウジング内にあるJFETによって増幅され、バッファリングされます。JFETは通常、増幅器として共通ソース構成になっており、外部アプリケーション回路においては負荷抵抗やDCブロッキングコンデンサが使用されます。

ECMとMEMSマイクロフォンにはそれぞれの利点があります

ECMマイクロフォンとMEMSマイクロフォンのどちらを選ぶかを決定する際には、多くの要因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マイクロフォンの市場シェアは急速に拡大しています。例えば、MEMSマイクロフォンの小型フットプリントは、スペースが制約されるアプリケーションにとって非常に魅力的です。また、MEMSマイクロフォン構造内にアナログおよびデジタル回路が含まれているため、PCB面積や部品コストを削減することができます。アナログMEMSマイクロフォンの出力インピーダンスは比較的低く、デジタルMEMSマイクロフォン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。高振動環境では、MEMSマイクロフォン技術を使用することで、機械的な振動によって引き起こされ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、精密なマッチングおよび温度安定性を備えたMEMSマイクロフォンを製造することが可能です。これらの厳しい性能特性は、MEMSマイクロフォンがアレイ用途で使用される際に特に有益です。また、製品製造プロセスにおいて、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うことができ、リフローはんだ付けの温度プロファイルにも耐えることができます。

MEMSマイクロフォンの人気が急速に高まっている一方で、いまだにECMを好む用途も存在します。多くの従来型設計がECMを使用しているため、既存設計の単純なアップグレードがプロジェクトの目的である場合は、ECMを引き続き使用するのが最適です。ECMをアプリケーション回路に接続するオプションには、ピン、ワイヤー、SMT、はんだパッド、スプリングコンタクトが含まれており、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となる場合、大きな物理サイズのおかげで高い侵入保護(IP)レベルを持つECM製品を簡単に見つけることができます。不均一な空間感度が必要なプロジェクトでは、ECM製品は内部指向性により単一指向性やノイズキャンセリングを提供できます。また、ECMの幅広い動作電圧範囲は、電圧レールが厳密に規制されていない製品において好まれるソリューションとなる可能性があります。

PDMとI²Sプロトコルには異なる特性があります

MEMSマイクロフォンの主な利点の1つは、大幅に縮小された設置面積、低い消費電力、そしてより優れた電気的ノイズ耐性に加えて、出力オプションの追加により、設計者やエンジニアにとって柔軟性が向上する点です。アナログオプションは依然として利用可能ですが、一般的な出力オプションとして、PDMおよびI²Sデジタルプロトコルの2つがあります。これらの各インターフェイスは、それぞれ独自の特徴を持っています。検討すべき重要な要素には、オーディオ品質レベル、消費電力レベル、部品表コスト、設計が遵守すべきスペースの制約、およびハードウェアが展開される動作環境が含まれます。

PDMは、アナログ信号電圧を単位パルス密度変調デジタル信号ストリームに変換するために使用されます。PDM信号は、音声に関連する典型的な横波よりも縦波に近い形状を持っていますが、これらはアナログ信号のデジタル表現です。この結果得られる信号は、デジタル信号の多くの利点を持ちながらも、依然としてアナログ信号に直接関連しています。このPDM信号を生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、それらが表すアナログ信号の振動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なノイズ環境に適応しやすく、信号が劣化した場合でも高いエラー耐性を持っています。ただし、高周波信号は距離の制限を生むことがあります。これは、長い伝送ラインで容量が増加すると、不要な信号の減衰が発生し、それに伴って音質の劣化が生じる可能性があるためです。また、これらの信号は、外部DSPまたは適切なコーデックを備えたマイクロコントローラーによってさらに処理され、低周波フィルターを介してPDM信号を抽出またはダウンサンプリングし、他のデバイスで使用可能なより低いサンプリングレートにする必要があります。

PDMとは異なり、I²Sは完全なデジタル信号であり、エンコードやデコードを必要とせず、一般的に必要とされるデータ伝送速度もありません。ただし、最低速度は伝送されるデータおよびその精度によって決まります。音声のサンプリングレートが業界標準の44.1kHzで、精度が8ビットの場合、モノラルチャンネルでは最低でも352.8kHzのクロックスピードが必要になります。ステレオ用途ではその2倍の705.6kHzが必要になり、精度の変化によって最低伝送帯域幅も変化します。

PDMは、より優れたノイズ耐性とビットエラー耐性を提供し、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になる可能性があります。これに対し、I²Sは設置の容易さ、全体的なフットプリントの削減、および部品数の削減をサポートしており、製品のサイズや価格が主要な懸念事項となる場合にメリットがあります。また、I²Sインターフェースは、長距離での信号整合性を向上させることに留意すべきであり、そのため、マイクロフォンと処理回路が回路基板上で近づけられない場合の実装にも適しています。

多様な選択肢を提供するMEMSマイクロフォン

MEMSマイクロフォンは現代の電子設計において一般的な存在となっており、最適なインターフェースを持つことが非常に重要です。特定の用途に最適化されたインターフェースを選択する際には、多くの要因を考慮する必要があります。PDMは、ノイズ耐性を持つという特性のおかげで、難しい応用環境では理想的な選択肢となり得ます。一方で、I²Sを使用すると、付随するDSPや他のプロセッサ/コントローラデバイスに入力を直接接続することが可能となり、追加の複雑性を必要としません。

Same Skyは幅広いMEMSマイクロフォン製品ポートフォリオを提供しており、さまざまなオーディオシステムの要求に応えることができます。アナログインターフェースユニットに加えて、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ロフォンも利用可能です。Same SkyのMEMSマイクロフォンは、2.75 x 1.85 x 0.90 mmというコンパクトで薄型のパッケージに収められており、ユーザーにより良い音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、感度許容差は±1 dBと低いため、これらのMEMSマイクロフォンは幅広いポータブルコンシューマーエレクトロニクス用途に理想的です。プロトタイプ作成や設計テストをより簡単にするために、Same Skyは4つの独立したマイクロフォン評価回路を含むMEMSマイクロフォン開発キットも提供しています。

Same SkyのMEMSマイクロフォンには、トップポートとボトムポートのバージョン、アナログおよびデジタルのオプション、感度レベルが-42 dBから-26 dBまで、そして消費電流が80 µAと非常に低いものが揃っています。

結論

MEMSマイクロフォンには、小型でノイズ耐性が高いという利点があります。そのため、多くの消費者向けアプリケーション製品において第一選択肢となっています。Same Skyは、異なる感度やインターフェースを備えた製品タイプを提供しており、顧客が迅速に対応する製品を開発できるよう完全な設計リソースを提供しています。このため、詳しく理解し採用する価値があります。