MEMS 마이크로폰은 소비자 시장에서 주류 제품 선택이 되었습니다.

마이크는 많은 전자제품에 기본적으로 내장된 표준 장치가 되었습니다. 웨어러블 기기에서 홈 어시스턴트까지, 점점 더 많은 기기가 주변 환경을 "듣고" 이에 대응하는 능력을 요구받고 있습니다. 이 글에서는 마이크의 종류와 기본 원리에 대한 종합적인 개요를 제공하며, Same Sky의 MEMS 마이크 제품 특징에 대해 살펴보겠습니다.

ECM 마이크와 MEMS 마이크의 기술적 차이점

마이크 응용 프로그램의 증가와 함께 마이크의 감도와 볼륨에 대한 요구도 증가하고 있습니다. 현재 마이크를 제작하는 데 가장 널리 사용되는 두 가지 기술은 MEMS와 전기 영구 극성 콘덴서(ECM)입니다. 먼저 MEMS와 전기 영구 극성 콘덴서 마이크(ECM)에 대한 기본 지식을 소개하고, 이들 간의 기술적 차이를 비교하며, 각 솔루션의 장점을 간략하게 설명하겠습니다.

MEMS 마이크는 인쇄 회로 기판(PCB)에 배치된 MEMS 구성 요소와 이를 보호하는 기계적 커버로 구성됩니다. 마이크에 소리가 들어오도록 하기 위해 하우징에 작은 구멍이 만들어집니다. 이 구멍이 상단 커버에 있으면 ‘상단 포트’로, PCB에 있으면 ‘하단 포트’로 지정됩니다. MEMS 구성 요소는 일반적으로 반도체 다이에서 생성된 기계적 다이어프램과 장착 구조로 설계됩니다.

MEMS 다이어프램은 커패시터를 형성하며, 음압파는 다이어프램의 움직임을 유발합니다. MEMS 마이크는 보통 MEMS의 가변 커패시턴스를 전기 신호로 변환하기 위한 오디오 프리앰프 역할을 하는 두 번째 반도체 다이를 포함합니다. 아날로그 출력 신호가 필요한 경우 오디오 프리앰프의 출력이 사용자에게 제공됩니다. 디지털 출력 신호가 필요한 경우 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 오디오 프리앰프와 동일한 다이에 포함됩니다. MEMS 마이크의 디지털 인코딩에 일반적으로 사용되는 형식은 펄스 밀도 변조(PDM)로, 클록(clock)과 단일 데이터 라인만으로 통신이 가능합니다. 데이터가 단일 비트로 인코딩되기 때문에 수신기에서 디지털 신호의 디코딩이 간소화됩니다. 디지털 I²S 출력은 세 번째 옵션으로, 내부 디머프로 필터를 포함하여 마이크 자체에서 처리가 완료될 수 있도록 합니다. 이는 마이크를 디지털 신호 처리기(DSP) 또는 마이크로컨트롤러에 직접 연결할 수 있어 많은 애플리케이션에서 ADC나 코덱의 필요성을 제거할 수 있음을 의미합니다.

ECM은 고정된 표면 전하를 갖는 소재인 일렉트렛 다이어프램과, 도전성 플레이트와 가까이 있지만 분리된 상태로 이루어져 있습니다. MEMS 마이크로폰과 유사하게, 공기 갭을 유전체로 사용하여 커패시터를 형성합니다. 음압파가 일렉트렛 다이어프램을 움직이게 하면 커패시터의 용량 값 변화에 따라 커패시터 양 끝단의 전압이 변합니다. 커패시터 전압 변화는 마이크 하우징 내부에 있는 JFET에 의해 증폭되고 버퍼링됩니다. JFET는 일반적으로 공통 소스 구성으로 설정되며, 외부 응용 회로에서는 외부 부하 저항 및 DC 차단 커패시터가 사용됩니다.

ECM 및 MEMS 마이크는 각각 고유한 장점을 가지고 있습니다

ECM 마이크와 MEMS 마이크를 선택할 때는 다양한 요인을 고려해야 합니다. MEMS가 제공하는 많은 장점 때문에 MEMS 마이크의 시장 점유율은 빠르게 증가하고 있습니다. 예를 들어, MEMS 마이크의 작은 풋프린트는 공간이 제한된 적용 분야에서 매우 매력적이며, MEMS 마이크 구조에 포함된 아날로그 및 디지털 회로 덕분에 PCB 면적과 부품 비용을 줄일 수 있습니다. 아날로그 MEMS 마이크의 출력 임피던스는 상대적으로 낮고, 디지털 MEMS 마이크의 출력은 전기적 노이즈 환경에서의 애플리케이션에 매우 적합합니다. 높은 진동 환경에서 MEMS 마이크 기술을 사용하면 기계적 진동으로 인해 유발되는 원치 않는 노이즈 수준을 줄일 수 있습니다. 또한, 반도체 제조 기술과 오디오 프리앰프를 추가함으로써 MEMS 마이크를 정밀한 매칭과 온도 안정성을 갖춘 상태로 제작할 수 있습니다. 이러한 엄격한 성능 특성은 특히 MEMS 마이크가 배열 애플리케이션에 사용될 때 유리합니다. 제품 제조 과정에서도 MEMS 마이크는 핸들링이 용이하며, 배치 및 납땜 리플로우 온도 프로파일을 견딜 수 있습니다.

MEMS 마이크가 급격히 인기를 얻고 있지만, 여전히 ECM을 선호하는 애플리케이션이 일부 존재합니다. 많은 기존 설계는 ECM을 사용하고 있으므로, 기존 설계를 단순히 업그레이드하는 프로젝트인 경우 ECM을 계속 사용하는 것이 가장 좋습니다. ECM을 애플리케이션 회로에 연결하는 옵션에는 핀, 와이어, SMT, 솔더 패드 및 스프링 접점이 포함되어 있어 엔지니어에게 추가적인 설계 유연성을 제공합니다. 먼지와 습기가 문제가 되는 경우, 물리적 크기가 큰 ECM 제품으로 인해 높은 침투 보호(IP) 등급을 가진 제품을 쉽게 찾을 수 있습니다. 비균일 공간 감도가 필요한 프로젝트에서는 ECM 제품이 내부 지향성으로 인해 단일 방향성이나 소음 제거 기능을 제공할 수 있으며, ECM의 넓은 작동 전압 범위는 전압 레일이 느슨하게 조절되는 제품에 선호되는 솔루션일 수 있습니다.

PDM과 I²S 프로토콜은 서로 다른 특성을 가지고 있습니다

MEMS 마이크의 주요 장점 중 하나는 크게 줄어든 공간 차지, 낮은 전력 요구 사항, 뛰어난 전기적 노이즈 제거 외에도 출력 옵션을 추가하여 디자이너와 엔지니어에게 더 큰 유연성을 제공한다는 점입니다. 아날로그 옵션도 여전히 사용 가능하지만, 두 가지 인기 있는 출력 옵션은 PDM과 I²S 디지털 프로토콜입니다. 이들 인터페이스는 각각 고유한 특성을 가지고 있습니다. 고려해야 할 주요 요인으로는 오디오 품질 수준, 전력 소비 수준, 자재비, 설계가 준수해야 하는 공간 제약, 그리고 하드웨어가 배치될 운영 환경이 포함됩니다.

PDM은 아날로그 신호 전압을 단위 펄스 밀도 변조된 디지털 스트림으로 변환하는 데 사용됩니다. PDM 신호는 전형적인 오디오와 연관된 횡파보다 종파와 더 유사하게 보이지만, 이는 아날로그 신호의 디지털 표현입니다. 결과적으로 생성된 신호는 디지털 신호의 많은 장점을 가지며 여전히 아날로그 신호와 직접적으로 관련이 있습니다. 이러한 PDM 신호를 생성하려면 일반적으로 사용되는 샘플링 속도보다 높은 속도(3MHz 이상)가 필요합니다. 디지털 펄스의 발생 빈도가 이들이 표현하는 아날로그 신호의 진동 빈도보다 훨씬 높아야 하기 때문입니다.

신호의 디지털 특성으로 인해 PDM은 아날로그 신호보다 전기적으로 잡음이 많은 환경에 더 잘 적응할 수 있으며, 신호가 열화될 때 더 높은 오류 허용 범위를 가집니다. 높은 주파수 신호는 전송 거리에 제한을 만들 수 있는데, 이는 더 긴 전송 라인에서 커패시터 증가가 원하지 않는 감쇠와 함께 오디오 품질 열화를 초래할 수 있기 때문입니다. 이러한 신호는 또한 적절한 코덱을 갖춘 외부 DSP 또는 마이크로컨트롤러에서 저역 통과 필터를 통해 PDM 신호를 처리하여 더 낮은 샘플링 속도로 다운 샘플링하거나 추출해야 다른 장치에서 사용할 수 있습니다.

PDM과 달리 I²S는 완전히 디지털 신호로, 인코딩이나 디코딩이 필요하지 않으며 일반적으로 요구되는 데이터 전송 속도가 없습니다. 하지만 최소 속도는 전송되는 데이터와 그 정확성에 따라 달라집니다. 오디오 샘플링 속도가 업계 표준인 44.1 kHz이고 정밀도가 8비트인 경우, 단일 채널은 최소 352.8 kHz의 클럭 속도를 필요로 합니다. 스테레오 애플리케이션의 경우 두 배인 705.6 kHz가 필요하며, 정확성의 변화는 최소 전송 대역폭에도 영향을 미치게 됩니다.

PDM은 더 나은 노이즈 면역성과 비트 오류 내성을 제공하여 음질을 우선시하는 많은 애플리케이션에서 매력적인 선택이 될 수 있습니다. 반면에 I²S는 설치 용이성, 전체적인 풋프린트 감소, 구성 요소 수 감소를 지원하여 제품 크기나 가격이 주요 고려 사항일 경우에 이점이 있습니다. 또한, I²S 인터페이스는 더 긴 거리에서도 우수한 신호 무결성을 제공하므로 회로 보드에서 마이크와 처리 회로를 서로 가까이 배치할 수 없는 구현에도 적합하다는 점도 주목해야 합니다.

다양한 MEMS 마이크로폰 선택

MEMS 마이크는 현대 전자 설계에서 흔히 사용되며, 최적의 인터페이스를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 특정 애플리케이션 시나리오에 최적화된 인터페이스를 결정할 때 고려해야 할 요소가 많습니다. PDM은 본래 노이즈에 대한 저항 능력 덕분에 까다로운 애플리케이션 환경에서 이상적인 선택이 될 수 있습니다. 반면, I²S를 사용하면 추가적인 복잡성 없이 입력을 동반 DSP나 기타 프로세서/컨트롤러 장치에 직접 연결할 수 있습니다.

Same Sky는 다양한 MEMS 마이크 제품 포트폴리오를 보유하고 있어 다양한 오디오 시스템 요구를 충족할 수 있습니다. 아날로그 인터페이스 유닛 외에도 PDM 및 I²S 디지털 인터페이스를 제공하는 다양한 마이크도 이용 가능합니다. Same Sky의 MEMS 마이크는 2.75 x 1.85 x 0.90 mm 크기만큼 작은 컴팩트한 저프로파일 패키지로 제공되어 사용자에게 더 나은 오디오 품질과 성능을 제공합니다. 민감도는 -42 dB에서 -26 dB까지, 신호 대 잡음비는 57 dBA에서 65 dBA까지, 민감도 공차는 ±1 dB로 낮은 수준을 구현하여 이러한 MEMS 마이크는 다양한 휴대용 소비자 전자 제품 응용 분야에 적합합니다. 보다 쉬운 프로토타이핑과 설계 테스트를 위해 Same Sky는 네 개의 독립적인 마이크 평가 회로를 포함한 MEMS 마이크 개발 키트도 제공하고 있습니다.

Same Sky의 MEMS 마이크는 상단 및 하단 포트 버전, 아날로그 및 디지털 옵션, -42dB에서 -26dB의 민감도 수준, 그리고 80µA로 낮은 전류 소모를 제공합니다.

결론

MEMS 마이크는 소형 크기와 강한 노이즈 저항성을 갖춘 장점을 가지고 있으며, 많은 소비자 응용 제품에서 첫 번째 선택이 되고 있습니다. Same Sky는 다양한 민감도와 인터페이스를 가진 제품 유형을 제공하며, 고객이 빠르게 관련 제품을 개발할 수 있도록 완전한 설계 리소스를 제공합니다. 이는 더 깊이 이해하고 채택할 가치가 있습니다.