Interfaces de microfone MEMS: saídas analógicas vs. digitais

A utilização de microfones MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) apresenta uma oportunidade de incorporar recursos sofisticados de comunicação e monitoramento em uma grande variedade de dispositivos. Os assistentes digitais domésticos e os dispositivos de navegação habilitados por voz são exemplos populares que atualmente estão impulsionando o crescimento significativo dos eletrônicos controlados por voz. Com a tecnologia MEMS ganhando domínio no espaço dos microfones, este é um momento oportuno para analisar as várias interfaces elétricas dos microfones MEMS e como operá-las. Este artigo comparará três das opções mais populares: analógica, PDM digital e I²S digital, levando em consideração seus prós, contras e implementação.

Construção básica do microfone MEMS

A configuração típica dos microfones MEMS envolve a integração de dois chips semicondutores em um único invólucro. O primeiro chip semicondutor compreende uma membrana MEMS que transforma as ondas sonoras em um sinal elétrico, enquanto o segundo chip constitui um amplificador que pode incorporar um conversor analógico-digital (ADC). Nos casos em que o microfone MEMS não tem um ADC, um sinal de saída analógico é fornecido ao usuário, enquanto um sinal de saída digital é disponibilizado quando o ADC está presente.

Visão geral da saída analógica

Os microfones MEMS que vêm com saídas analógicas oferecem uma interface simples para o circuito host, conforme ilustrado na Figura 1 abaixo. Vale a pena observar que o amplificador interno do microfone aciona o sinal de saída analógico, que já está em um nível de sinal razoável e apresenta uma impedância de saída relativamente baixa.

Para evitar a combinação da tensão de entrada CC do circuito host com a tensão de saída CC do microfone MEMS, é utilizado um capacitor de bloqueio CC (C1). A combinação de C1 e R1 forma uma frequência de polo que deve ser definida como baixa o suficiente para garantir que os sinais de frequência de áudio desejados sejam transmitidos ao circuito host com um nível aceitável de atenuação [ou seja, para uma faixa de frequência de áudio mínima de 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Figura 1: Microfone MEMS analógico conectado a um amplificador externo. (Fonte da imagem: Same Sky)

Visão geral da saída digital

Os microfones MEMS que apresentam uma interface digital geralmente utilizam modulação por densidade de pulso (PDM) ou I²S para codificar os sinais de saída. No PDM, a tensão do sinal analógico é transformada em um fluxo digital de um único bit que contém uma densidade correspondente de sinais lógicos altos. O PDM oferece várias vantagens, como imunidade a ruídos elétricos, tolerância a erros de bits e uma interface de hardware simples.

A Figura 2 ilustra como um único microfone PDM digital pode ser conectado a um circuito host. O pino "Select" na figura pode ser conectado a Vdd ou Gnd para determinar se os dados são sensíveis à borda de subida ou descida do sinal de clock.

Figura 2: Conexão única de um microfone MEMS PDM digital. (Fonte da imagem: Same Sky)

A Figura 3 mostra como dois microfones MEMS PDM digitais podem ser conectados ao circuito host usando linhas de dados e de clock compartilhadas. Essa configuração é frequentemente usada na implementação de microfones estéreos.

Figura 3: Conexão de dois microfones MEMS PDM digitais usando as linhas de clock e de dados. (Fonte da imagem: Same Sky)

Os microfones MEMS de saída digital I²S oferecem benefícios de sistema comparáveis aos das saídas PDM. Esses microfones têm um filtro de decimação interno, que simplifica a interface e o processamento ao produzir uma taxa de amostragem de áudio padrão. Devido ao processo de decimação que ocorre internamente, os microfones MEMS I²S digitais podem se conectar diretamente a um processador de sinal digital (DSP) ou a outro controlador. Isso elimina a necessidade de um ADC ou codec para processar os dados de saída, resultando em menores custos de projeto do sistema e economia de espaço na aplicação final.

Assim como os microfones MEMS PDM digitais, dois microfones MEMS I²S digitais podem ser conectados usando uma linha de dados comum. Entretanto, essa configuração requer dois sinais de clock, além de um clock de palavra e um clock de bit.

Analógico ou digital - qual escolher?

Na engenharia elétrica, a escolha entre sinais de saída analógicos ou digitais para microfones MEMS depende do uso pretendido do sinal de saída. Os sinais de saída analógicos são adequados para aplicações em que serão conectados a um amplificador para processamento analógico no sistema host, como em um alto-falante simples ou em um sistema de comunicação por rádio. Os microfones MEMS com saídas analógicas também têm menor consumo de energia em comparação com os microfones com saídas digitais, pois não exigem um ADC.

Por outro lado, um sinal de saída digital de um microfone MEMS é preferível se o sinal for usado em um circuito digital, como um microcontrolador ou um processador de sinal digital (DSP). Os sinais de saída digitais também são úteis em ambientes com ruídos elétricos, pois apresentam maior imunidade a ruídos elétricos em comparação com os sinais analógicos tradicionais.

Conclusão

A tecnologia de microfone MEMS está se tornando cada vez mais popular e espera-se que seu uso continue a crescer. É importante entender as diferentes configurações disponíveis e como elas podem ser aplicadas a casos de uso específicos. Ao decidir entre saídas analógicas ou digitais para um microfone MEMS, é essencial considerar como o sinal de saída será usado e a implementação pretendida do sistema para garantir o desempenho ideal. A Same Sky oferece microfones MEMS analógicos, PDM digitais e I²S digitais, bem como uma gama de soluções de componentes de áudio para atender a uma variedade de necessidades de aplicações de som.