อินเทอร์เฟซไมโครโฟน MEMS: เอาต์พุตอtนาล็อกกับดิจิตอล

การใช้ไมโครโฟน Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) นำเสนอโอกาสในการรวมการสื่อสารที่ซับซ้อนและความสามารถในการตรวจสอบเข้ากับอุปกรณ์ที่หลากหลาย ผู้ช่วยดิจิตอลในบ้านและอุปกรณ์นำทางที่เปิดใช้งานด้วยเสียงเป็นตัวอย่างยอดนิยมที่กำลังขับเคลื่อนการเติบโตอย่างมากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมด้วยเสียง ด้วยเทคโนโลยี MEMS ที่เข้ามาครอบครองพื้นที่ไมโครโฟน จึงเป็นโอกาสดีที่จะศึกษาอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าต่างๆ สำหรับไมโครโฟน MEMS และวิธีการใช้งาน บทความนี้จะเปรียบเทียบตัวเลือกยอดนิยมสามตัวเลือก ได้แก่ อะนาล็อก ดิจิตอล PDM และดิจิตอล I²S โดยคำนึงถึงข้อดี ข้อเสีย และการนำไปปฏิบัติ

การสร้างไมค์ MEMS ขั้นพื้นฐาน

การกำหนดค่าทั่วไปของไมโครโฟน MEMS เกี่ยวข้องกับการรวมชิปเซมิคอนดักเตอร์สองตัวไว้ในแพ็คเกจเดียว ชิปเซมิคอนดักเตอร์ตัวแรกประกอบด้วยเมมเบรน MEMS ที่แปลงคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในขณะที่ชิปตัวที่สองประกอบด้วยแอมพลิฟายเออร์ที่อาจรวมเอาตัวแปลงอะนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ในกรณีที่ไมโครโฟน MEMS ไม่มี ADC ผู้ใช้จะได้รับสัญญาณเอาต์พุตแบบอะนาล็อก ขณะที่สัญญาณเอาต์พุตแบบดิจิตอลจะพร้อมใช้งานเมื่อมี ADC

ภาพรวมเอาต์พุตแบบอะนาล็อก

ไมโครโฟน MEMS ที่มาพร้อมกับเอาต์พุตแบบอะนาล็อกนำเสนอส่วนต่อประสานที่เรียบง่ายกับวงจรโฮสต์ ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 1 ด้านล่าง เป็นที่น่าสังเกตว่าแอมพลิฟายเออร์ภายในของไมโครโฟนขับสัญญาณเอาต์พุตแบบอะนาล็อก ซึ่งอยู่ในระดับสัญญาณที่เหมาะสมอยู่แล้วและมีอิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่ค่อนข้างต่ำ

เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แรงดันอินพุต DC ของวงจรโฮสต์ตรงกับแรงดันเอาต์พุต DC ของไมโครโฟน MEMS จึงใช้ตัวเก็บประจุบล็อก DC (C1) การรวมกันของ C1 และ R1 ก่อให้เกิดความถี่ขั้วที่ต้องตั้งค่าให้ต่ำพอเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณความถี่เสียงที่ต้องการจะถูกส่งไปยังวงจรโฮสต์ด้วยระดับการลดทอนที่ยอมรับได้ [เช่น สำหรับช่วงความถี่เสียงขั้นต่ำที่ 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz]

รูปที่ 1: ไมโครโฟน MEMS แบบอะนาล็อกเชื่อมต่อกับเครื่องขยายเสียงภายนอก (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

ภาพรวมเอาต์พุตดิจิตอล

ไมโครโฟน MEMS ที่มีอินเทอร์เฟซดิจิตอลมักใช้การมอดูเลตความหนาแน่นของพัลส์ (PDM) หรือ I²S เพื่อเข้ารหัสสัญญาณเอาต์พุต ใน PDM แรงดันสัญญาณอะนาล็อกจะถูกแปลงเป็นสตรีมดิจิตอลบิตเดียวที่มีความหนาแน่นของสัญญาณลอจิกสูงที่สอดคล้องกัน PDM มีข้อดีหลายประการ เช่น การป้องกันสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ความทนทานต่อข้อผิดพลาดบิต และอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ที่ไม่ซับซ้อน

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าสามารถเชื่อมต่อไมโครโฟนดิจิตอล PDM ตัวเดียวกับวงจรโฮสต์ได้อย่างไร พิน "Select" ในรูปสามารถเชื่อมต่อกับ Vdd หรือ Gnd เพื่อตรวจสอบว่าข้อมูลถูกยืนยันบนขอบที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงของสัญญาณนาฬิกาหรือไม่

รูปที่ 2: การเชื่อมต่อเดี่ยวของไมโครโฟนดิจิตอล PDM MEMS (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

รูปที่ 3 แสดงวิธีการเชื่อมต่อไมโครโฟนดิจิตอล PDM MEMS สองตัวเข้ากับวงจรโฮสต์โดยใช้นาฬิกาและสายข้อมูลที่ใช้ร่วมกัน การกำหนดค่านี้มักใช้เมื่อติดตั้งไมโครโฟนสเตอริโอ

รูปที่ 3: การเชื่อมต่อไมโครโฟนดิจิตอล PDM MEMS สองตัวโดยใช้นาฬิกาและสายข้อมูล (แหล่งที่มารูปภาพ: Same Sky)

ไมโครโฟน MEMS เอาต์พุต I²S แบบดิจิตอลให้ประโยชน์ที่ระบบเทียบเคียงได้กับเอาต์พุต PDM ไมโครโฟนเหล่านี้มีตัวกรองการถอดรหัสภายใน ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการเชื่อมต่อและการประมวลผลโดยสร้างอัตราตัวอย่างเสียงมาตรฐาน เนื่องจากกระบวนการทำลายล้างเกิดขึ้นภายใน ไมโครโฟนดิจิตอล I²S MEMS จึงสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (DSP) หรือตัวควบคุมอื่นๆ ได้ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการใช้ ADC หรือตัวแปลงสัญญาณในการประมวลผลข้อมูลที่ส่งออก ส่งผลให้ต้นทุนการออกแบบระบบลดลงและประหยัดพื้นที่ในการใช้งานขั้นสุดท้าย

เช่นเดียวกับไมโครโฟน PDM MEMS แบบดิจิตอล ไมโครโฟน I²S MEMS แบบดิจิตอลสองตัวสามารถเชื่อมต่อได้โดยใช้สายข้อมูลทั่วไป อย่างไรก็ตาม การกำหนดค่านี้ต้องการสัญญาณนาฬิกาสองสัญญาณนอกเหนือจากนาฬิกาคำและนาฬิกาบิต

อะนาล็อกหรือดิจิตอล - จะเลือกอะไรดี?

ในทางวิศวกรรมไฟฟ้า ตัวเลือกระหว่างสัญญาณเอาต์พุตแบบอะนาล็อกหรือดิจิตอลสำหรับไมโครโฟน MEMS ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้สัญญาณเอาต์พุต สัญญาณเอาต์พุตแบบอะนาล็อกเหมาะสำหรับการใช้งานที่จะเชื่อมต่อกับเครื่องขยายสัญญาณสำหรับการประมวลผลแบบอะนาล็อกภายในระบบโฮสต์ เช่น ในลำโพงธรรมดาหรือระบบสื่อสารทางวิทยุ ไมโครโฟน MEMS ที่มีเอาต์พุตอะนาล็อกยังมีการใช้พลังงานต่ำกว่าเมื่อเทียบกับไมโครโฟนที่มีเอาต์พุตดิจิตอล เนื่องจากไม่ต้องใช้ ADC

ในทางกลับกัน สัญญาณเอาต์พุตดิจิตอลจากไมโครโฟน MEMS จะดีกว่าหากสัญญาณนั้นจะถูกใช้ในวงจรดิจิตอล เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือตัวประมวลผลสัญญาณดิจิตอล (DSP) สัญญาณเอาท์พุตดิจิตอลยังมีประโยชน์ในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า เนื่องจากมีการป้องกันสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้ามากกว่าเมื่อเทียบกับสัญญาณอะนาล็อกแบบดั้งเดิม

สรุป

เทคโนโลยีไมโครโฟน MEMS กำลังเป็นที่นิยมมากขึ้น และคาดว่าจะมีการใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจการกำหนดค่าต่างๆ ที่มีอยู่และวิธีนำไปใช้กับกรณีการใช้งานเฉพาะ เมื่อต้องตัดสินใจเลือกระหว่างเอาต์พุตแบบอะนาล็อกหรือดิจิตอลสำหรับไมโครโฟน MEMS สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าสัญญาณเอาต์พุตจะถูกใช้อย่างไรและการนำระบบไปใช้เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด Same Sky ให้บริการอะนาล็อก ดิจิตอล PDM และดิจิตอล I²Sไมโครโฟน MEMS ตลอดจนช่วงของโซลูชันส่วนประกอบเสียง เพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งานด้านเสียงที่หลากหลาย