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來源：Digi-Key 作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運動控制部門副總裁 使用微機電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)，就有可能將復(fù)雜的通信和監(jiān)測功能納入各種設(shè)備。例如，家庭數(shù)字助理和語音導(dǎo)航設(shè)備非常流行，已經(jīng)成為語音控制電子產(chǎn)品顯著增長的推動因素。隨著 MEMS 技術(shù)在麥克風(fēng)領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位，現(xiàn)在正是研究 MEMS 麥克風(fēng)的各種電氣接口以及如何操作的好時機。本文將在考優(yōu)缺點和具體實施的前提下，比較三種目前最流行的選擇：模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I2S。 基本 MEMS 麥克風(fēng)結(jié)構(gòu) MEMS 麥克風(fēng)的典型配置包括將兩個半導(dǎo)體芯片集成到一個封裝中。第一個半導(dǎo)體芯片包括一個將聲波轉(zhuǎn)化為電信號的 MEMS 膜，而第二個芯片構(gòu)成一個放大器，它可能包含一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)。在 MEMS 麥克風(fēng)缺乏 ADC 的情況下，向用戶提供模擬輸出信號，有 ADC 時，則提供數(shù)字輸出信號。 模擬輸出概覽 帶有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)為主機電路提供了一個簡單的接口，如下方圖 1 所示。值得注意的是，麥克風(fēng)的內(nèi)部放大器驅(qū)動模擬輸出信號，該傳感器已經(jīng)處于合理的信號水平，并具有相對較低的輸出阻抗。 為了避免主機電路的直流輸入電壓與 MEMS 麥克風(fēng)的直流輸出電壓相匹配，使用了直流阻斷電容器 (C1)。C1 和 R1 的組合形成了一個極點頻率，且該頻率必須設(shè)置得足夠低，以確保所需的音頻頻率信號以可接受的衰減水平傳輸?shù)街鳈C電路 [即 20 Hz 的最小音頻頻率范圍；1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。 
圖 1：模擬 MEMS 麥克風(fēng)與外部放大器相連。（圖片來源：CUI Devices） 數(shù)字輸出概覽 具有數(shù)字接口的 MEMS 麥克風(fēng)通常利用脈沖密度調(diào)制 (PDM) 或 I²S 對輸出信號進行編碼。在 PDM 中，模擬信號電壓被轉(zhuǎn)化為單比特數(shù)字流，其中包含相應(yīng)密度的邏輯高信號。PDM 具有多個優(yōu)勢，如抗電噪聲、位錯容限和直接的硬件接口。 圖 2 說明了單個數(shù)字 PDM 麥克風(fēng)如何連接主機電路。圖中的“選擇”引腳可以連接 Vdd 或 Gnd，以決定數(shù)據(jù)是在時鐘信號的上升沿還是下降沿被斷言。
圖 2：數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)單連接。（圖片來源：CUI Devices） 圖 3 描述了如何利用共享時鐘和數(shù)據(jù)線將兩個數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)與主機電路連接。這種配置在實現(xiàn)立體聲麥克風(fēng)時經(jīng)常用到。
圖 3：使用時鐘和數(shù)據(jù)線連接兩個數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)。（圖片來源：CUI Devices） 數(shù)字 I²S 輸出 MEMS 麥克風(fēng)具有媲美 PDM 輸出的系統(tǒng)優(yōu)勢。這些麥克風(fēng)具有內(nèi)部抽取濾波器，通過產(chǎn)生標(biāo)準的音頻采樣率，來簡化接口和處理過程。由于內(nèi)部發(fā)生的抽取過程，數(shù)字 I²S MEMS 麥克風(fēng)能夠與數(shù)字信號處理器 (DSP) 或其他控制器直接連接。這樣，就不需要 ADC 或編解碼器來處理輸出的數(shù)據(jù)，從而降低了系統(tǒng)設(shè)計成本，節(jié)省了最終應(yīng)用的空間。 與數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)一樣，兩個數(shù)字 I²S MEMS 麥克風(fēng)可以使用同一條數(shù)據(jù)線連接。然而，這種配置除了字時鐘和位時鐘外，還需要兩個時鐘信號。 模擬或數(shù)字——選擇哪個？ 在電氣工程中，MEMS 麥克風(fēng)的模擬或數(shù)字輸出信號的選擇取決于輸出信號的預(yù)期用途。模擬輸出信號適用于將其連接至主機系統(tǒng)內(nèi)的放大器進行模擬處理的應(yīng)用，例如在簡單的揚聲器或無線電通信系統(tǒng)中。與數(shù)字輸出 MEMS 麥克風(fēng)相比，具有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)的功耗也較低，因其不需要 ADC。 另一方面，如果信號用于如微控制器或數(shù)字信號處理器 (DSP) 等數(shù)字電路，則 MEMS 麥克風(fēng)的數(shù)字輸出信號更受歡迎。數(shù)字輸出信號在電噪聲環(huán)境中也很有用，因為相比傳統(tǒng)模擬信號，它們表現(xiàn)出更強的抗電噪聲能力。 結(jié)束語 MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)越來越流行，預(yù)計其使用量將繼續(xù)增長。了解現(xiàn)有的不同配置以及如何將其應(yīng)用于特定的使用案例是很重要的。在決定 MEMS 麥克風(fēng)的模擬或數(shù)字輸出時，必須考慮輸出信號的使用方式和預(yù)期的系統(tǒng)實施，以確保獲得最佳性能。CUI Devices 提供模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)以及一系列音頻組件解決方案，以滿足各種聲音應(yīng)用需求。 |
