Interfaces de microphones MEMS : sorties analogiques ou numériques

L'utilisation de microphones MEMS (microsystèmes électromécaniques) offre l'opportunité d'intégrer des capacités de communication et de surveillance sophistiquées dans un large éventail de dispositifs. Les assistants numériques à domicile et les dispositifs de navigation à commande vocale sont des exemples populaires qui stimulent actuellement une croissance significative de l'électronique à commande vocale. La technologie MEMS s'imposant de plus en plus dans le domaine des microphones, le moment est venu d'examiner les différentes interfaces électriques des microphones MEMS et leur fonctionnement. Cet article compare trois des options les plus populaires, à savoir analogique, PDM numérique et I²S numérique, en tenant compte de leurs avantages, de leurs inconvénients et de leur mise en œuvre.

Structure de base des microphones MEMS

La configuration typique des microphones MEMS consiste à intégrer deux puces semi-conductrices dans un seul boîtier. La première puce semi-conductrice comprend une membrane MEMS qui transforme les ondes sonores en un signal électrique, tandis que la deuxième puce constitue un amplificateur pouvant incorporer un convertisseur analogique-numérique (CAN). Si le microphone MEMS n'est pas équipé d'un CAN, l'utilisateur reçoit un signal de sortie analogique, tandis qu'un signal de sortie numérique est disponible lorsque le CAN est présent.

Aperçu des sorties analogiques

Les microphones MEMS à sortie analogique offrent une interface simple avec le circuit hôte, comme illustré à la Figure 1 ci-dessous. Il convient de noter que l'amplificateur interne du microphone commande le signal de sortie analogique, qui est déjà à un niveau de signal raisonnable et présente une impédance de sortie relativement faible.

Pour éviter un déséquilibre entre la tension d'entrée CC du circuit hôte et la tension de sortie CC du microphone MEMS, un condensateur de blocage CC (C1) est utilisé. La combinaison de C1 et R1 forme une fréquence de pôle qui doit être suffisamment basse pour garantir que les signaux de fréquence audio souhaités sont transmis au circuit hôte avec un niveau d'atténuation acceptable [c'est-à-dire, pour une gamme de fréquences audio minimum de 20 Hz ; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Figure 1 : Microphone MEMS analogique connecté à un amplificateur externe. (Source de l'image : Same Sky)

Aperçu des sorties numériques

Les microphones MEMS dotés d'une interface numérique utilisent souvent la modulation de densité d'impulsions (PDM) ou I²S pour coder les signaux de sortie. En PDM, la tension du signal analogique est transformée en un flux numérique à un seul bit contenant une densité correspondante de signaux logiques élevés. La modulation PDM offre plusieurs avantages tels que l'immunité au bruit électrique, la tolérance aux erreurs sur les bits et une interface matérielle simple.

La Figure 2 illustre la manière dont un microphone PDM numérique peut être connecté à un circuit hôte. La broche « Select » de la Figure peut être connectée à Vdd ou Gnd pour déterminer si l'assertion des données intervient sur le front montant ou descendant du signal d'horloge.

Figure 2 : Connexion unique d'un microphone MEMS PDM numérique. (Source de l'image : Same Sky)

La Figure 3 montre comment deux microphones MEMS PDM numériques peuvent être connectés au circuit hôte à l'aide de lignes d'horloge et de données partagées. Cette configuration est souvent utilisée lors de la mise en œuvre de microphones stéréo.

Figure 3 : Connexion de deux microphones MEMS PDM numériques à l'aide des lignes d'horloge et de données. (Source de l'image : Same Sky)

Les microphones MEMS à sortie I²S numérique offrent des avantages système comparables à ceux des sorties PDM. Ces microphones ont un filtre de décimation interne, qui simplifie l'interfaçage et le traitement en produisant une fréquence d'échantillonnage audio standard. En raison du processus de décimation se produisant en interne, les microphones MEMS I²S numériques peuvent se connecter directement à un processeur de signaux numériques (DSP) ou à un autre contrôleur. Cela élimine le recours à un CAN ou à un codec pour traiter les données de sortie, ce qui traduit par une réduction des coûts de conception système et par des gains d'espace dans l'application finale.

À l'instar des microphones MEMS PDM numériques, deux microphones MEMS I²S numériques peuvent être connectés à l'aide d'une ligne de données commune. Cependant, cette configuration requiert deux signaux d'horloge en plus d'une horloge de mots et d'une horloge de bits.

Analogique ou numérique : que choisir ?

En génie électrique, le choix entre les signaux de sortie analogiques ou numériques pour les microphones MEMS dépend de l'utilisation prévue du signal de sortie. Les signaux de sortie analogiques conviennent aux applications où ils sont connectés à un amplificateur pour un traitement analogique au sein du système hôte, comme dans un simple haut-parleur ou un système de communication radio. Les microphones MEMS à sorties analogiques consomment également moins d'énergie que ceux à sorties numériques, car ils ne requièrent pas de CAN.

D'autre part, un signal de sortie numérique provenant d'un microphone MEMS est préférable si ce signal est utilisé dans des circuits numériques, tels qu'un microcontrôleur ou un processeur de signaux numériques (DSP). Les signaux de sortie numériques sont également utiles dans les environnements électriquement bruyants, car ils présentent une plus grande immunité au bruit électrique par rapport aux signaux analogiques traditionnels.

Conclusion

La technologie de microphones MEMS est de plus en plus populaire et son utilisation devrait continuer à croître. Il est important de comprendre les différentes configurations disponibles et comment elles peuvent être appliquées à des cas d'utilisation spécifiques. Lors du choix entre sorties analogiques ou numériques pour un microphone MEMS, il est essentiel de tenir compte de l'utilisation du signal de sortie et de la mise en œuvre prévue du système afin de garantir des performances optimales. Same Sky propose des microphones MEMS analogiques, PDM numériques et I²S numériques ainsi qu'un choix de solutions audio pour répondre à une variété de besoins d'applications audio.