MEMS 麥克風介面：類比與數位輸出的比較

微機電系統 (MEMS) 麥克風的運用帶來商機，可在眾多的裝置中納入複雜的通訊和監測功能整合。家庭數位助理和語音功能的導航裝置，是目前推動語音控制電子產品顯著成長的常見例子。MEMS 技術逐漸在麥克風領域站上主導地位，是時候該瞭解 MEMS 麥克風的多種電氣介面及其使用方式。本文將比較三種最常見的選項：類比、數位 PDM 和數位 I²S，同時將個別的優缺點和實作方式都納入考量。

MEMS 麥克風的基本結構

MEMS 麥克風的典型配置需將兩個半導體晶片整合到單一封裝中。第一個半導體晶片含有一個 MEMS 膜，可將聲波轉換為電氣訊號；第二個晶片由放大器構成，其中含有類比數位轉換器 (ADC)。在 MEMS 麥克風缺少 ADC 的情況下，會向使用者提供類比輸出訊號，若有 ADC 時，則可提供數位輸出訊號。

類比輸出概述

帶有類比輸出的 MEMS 麥克風為主機電路提供簡易的介面，如下圖 1 所示。值得注意的是，麥克風內部的放大器可驅動類比輸出訊號，其已達合理的訊號位準，並且具有相對較低的輸出阻抗。

為了避免將主機電路的 DC 輸入電壓與MEMS 麥克風的 DC 輸出電壓互相匹配，因此會使用阻隔電容 (C1)。C1 和 R1 的組合所形成的極點頻率必須設定得夠低，以確保所需的音訊訊號在可接受的衰減程度下傳送到主機電路 [即達到 20 Hz 的最小音訊頻率範圍；1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。

圖 1：類比 MEMS 麥克風連接到外部放大器。(圖片來源：Same Sky)

數位輸出概述

具有數位介面的 MEMS 麥克風通常會運用脈衝密度調變 (PDM) 或 I²S 對輸出訊號進行編碼。在 PDM 中，類比訊號電壓會轉換成單位元的數位流，其中含有邏輯高電位訊號的對應密度。PDM 具有多種優勢，例如抗電氣雜訊、位元容錯和使用直覺的硬體介面。

圖 2 指出如何將單一個數位 PDM 麥克風連接到主機電路。圖中的「Select」引腳可以連接到 Vdd 或Gnd，以判定數據是在時脈訊號的正緣或負緣。

圖 2：數位 PDM MEMS 麥克風的單一連接。(圖片來源：Same Sky)

圖 3 指出如何透過共用的時脈與數據線路，將兩個數位 PDM MEMS 麥克風連接到主機電路。實作立體聲麥克風時經常使用此配置。

圖 3：使用時脈和數據線路連接兩個數位 PDM MEMS 麥克風。(圖片來源：Same Sky)

數位 I²S 輸出 MEMS 麥克風提供的系統優勢可媲美 PDM 輸出。這些麥克風具有內部降頻取樣濾波器，可產生標準音訊採樣率，藉此簡化介接和處理作業。透過內部的降頻取樣，數位 I²S MEMS 麥克風可直接連接到數位訊號處理器 (DSP)或其他控制器。如此一來，就無需 ADC 或編解碼器來處理輸出數據，進而降低系統設計成本，並可在最終應用中節省空間。

與數位 PDM MEMS 麥克風一樣，兩個數位 I²S MEMS 麥克風可以透過一條共用的數據線進行連接。但是，除了取樣時脈和位元時脈外，這種配置還需要兩個時脈訊號。

類比或數位 – 該選哪個？

在電氣工程中，該針對 MEMS 麥克風選擇類比或數位輸出訊號，取決於輸出訊號的預定用途。類比輸出訊號適用於要連接到放大器，以便在主機系統內進行類比處理的應用，例如用於簡易的揚聲器或無線電通訊系統中。具有類比輸出的 MEMS 麥克風，與數位輸出的款式相比，因為不需要 ADC，因此耗電量也較低。

另一方面，如果 MEMS 麥克風的訊號要用在數位電路中，則偏好使用數位輸出訊號，例如用於微控制器或數位訊號處理器 (DSP) 中。數位輸出訊號在電雜訊環境中也很實用，因為與傳統的類比訊號相比，具有更高的電雜訊耐受力。

結論

MEMS 麥克風技術越來越受歡迎，採用度也預期持續成長。瞭解各種可用的配置以及如何應用在特定的使用情況非常重要。在決定 MEMS 麥克風要採用類比或數位輸出時，必須考慮輸出訊號的使用方式，以及預定的系統實作方式為何，以確保發揮最佳效能。Same Sky 提供類比、數位 PDM 和數位 I²S MEMS 麥克風以及一系列的音訊元件解決方案，可滿足各種聲音應用需求。