作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應(yīng)用工程和運動控制部門副總裁

　　微機電系統(tǒng) (MEMS) 麥克風(fēng)的使用提供了將復(fù)雜的通信和監(jiān)控功能集成到各種設(shè)備中的機會。家庭數(shù)字助理和語音導(dǎo)航設(shè)備是當前推動語音控制電子產(chǎn)品顯著增長的流行例子。隨著 MEMS 技術(shù)在麥克風(fēng)領(lǐng)域占據(jù)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它們的好時機。本文將比較三種最流行的選項：模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I 2 S，同時考慮它們的優(yōu)缺點和實現(xiàn)。

　　基本 MEMS 麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)

　　MEMS 麥克風(fēng)的典型配置是將兩個半導(dǎo)體芯片集成到一個封裝中。第一半導(dǎo)體芯片包括將聲波轉(zhuǎn)換成電信號的MEMS膜，而第二芯片構(gòu)成可以包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的放大器。如果 MEMS 麥克風(fēng)缺少 ADC，則會向用戶提供模擬輸出信號，而當存在 ADC 時則提供數(shù)字輸出信號。

　　模擬輸出概述

　　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，該信號已經(jīng)處于合理的信號電平，并且具有相對較低的輸出阻抗。

　　為了避免必須將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，使用了隔直流電容器 (C1)。 C1 和 R1 的組合形成極點頻率，該極點頻率必須設(shè)置得足夠低，以確保所需的音頻信號以可接受的衰減水平傳輸?shù)街鳈C電路 [即，最小音頻范圍為 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。

　　圖 1：連接到外部放大器的模擬 MEMS 麥克風(fēng)。 (圖片來源：CUI Devices)

　　數(shù)字輸出概述

　　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)換為單位數(shù)字流，其中包含相應(yīng)密度的邏輯高信號。 PDM 具有多種優(yōu)點，例如抗電噪聲、誤碼容限和簡單的硬件接口。

　　圖 2 說明了如何將單個數(shù)字 PDM 麥克風(fēng)連接到主機電路。圖中的“選擇”引腳可以連接到 Vdd 或 Gnd，以確定是否在時鐘信號的上升沿或下降沿斷言數(shù)據(jù)。

　　圖 2：數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)的單連接。 (圖片來源：CUI 設(shè)備)

　　圖 3 描述了如何使用共享時鐘和數(shù)據(jù)線將兩個數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)連接到主機電路。在實現(xiàn)立體聲麥克風(fēng)時經(jīng)常使用這種配置。

　　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 設(shè)備)

　　數(shù)字 I2S 輸出 MEMS 麥克風(fēng)提供與 PDM 輸出相當?shù)南到y(tǒng)優(yōu)勢。這些麥克風(fēng)具有內(nèi)部抽取濾波器，可通過產(chǎn)生標準音頻采樣率來簡化接口和處理。由于抽取過程發(fā)生在內(nèi)部，數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)能夠直接連接到數(shù)字信號處理器 (DSP) 或其他控制器。這樣就無需使用 ADC 或編解碼器來處理輸出數(shù)據(jù)，從而降低最終應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計成本并節(jié)省空間。

　　與數(shù)字 PDM MEMS 麥克風(fēng)一樣，兩個數(shù)字 I2S MEMS 麥克風(fēng)可以使用公共數(shù)據(jù)線連接。然而，該配置除了字時鐘和位時鐘之外還需要兩個時鐘信號。

　　模擬還是數(shù)字——選擇哪一個?

　　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連接到放大器以在主機系統(tǒng)內(nèi)進行模擬處理的應(yīng)用，例如簡單的揚聲器或無線電通信系統(tǒng)。與具有數(shù)字輸出的麥克風(fēng)相比，具有模擬輸出的 MEMS 麥克風(fēng)的功耗也更低，因為它們不需要 ADC。

　　另一方面，如果來自 MEMS 麥克風(fēng)的數(shù)字輸出信號將用于數(shù)字電路，例如微控制器或數(shù)字信號處理器 (DSP)，則該信號更可取。數(shù)字輸出信號在電噪聲環(huán)境中也很有用，因為與傳統(tǒng)模擬信號相比，它們表現(xiàn)出更高的電噪聲抗擾度。

　　結(jié)論

　　MEMS 麥克風(fēng)技術(shù)正變得越來越流行，并且預(yù)計其使用量將繼續(xù)增長。了解可用的不同配置以及如何將它們應(yīng)用于特定用例非常重要。在決定 MEMS 麥克風(fēng)的模擬輸出還是數(shù)字輸出時，必須考慮如何使用輸出信號以及預(yù)期的系統(tǒng)實現(xiàn)，以確保最佳性能。 CUI Devices 提供模擬、數(shù)字 PDM 和數(shù)字 I 2 S 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。