Interfaces de micrófonos MEMS: Salidas analógicas frente a digitales

La utilización de micrófonos MEMS (sistemas microelectromecánicos) brinda la oportunidad de incorporar sofisticadas funciones de comunicación y control a una amplia gama de dispositivos. Los asistentes digitales para el hogar y los dispositivos de navegación por voz son ejemplos populares que están impulsando actualmente un crecimiento significativo de la electrónica controlada por voz. Con la tecnología MEMS ganando terreno en el sector de los micrófonos, es el momento oportuno para analizar las distintas interfaces eléctricas de los micrófonos MEMS y su funcionamiento. Este artículo comparará tres de las opciones más populares: analógica, PDM digital e I²S digital, teniendo en cuenta sus pros, sus contras y su implementación.

Construcción básica de micrófonos MEMS

La configuración típica de los micrófonos MEMS consiste en integrar dos chips semiconductores en un único encapsulado. El primer chip semiconductor comprende una membrana MEMS que transforma las ondas sonoras en una señal eléctrica, mientras que el segundo chip constituye un amplificador que puede incorporar un convertidor de analógico a digital (ADC). En los casos en los que el micrófono MEMS carece de ADC, se proporciona al usuario una señal de salida analógica, mientras que cuando el ADC está presente se pone a su disposición una señal de salida digital.

Visión general de la salida analógica

Los micrófonos MEMS que incorporan salidas analógicas ofrecen una interfaz sencilla con el circuito anfitrión, como se muestra en la Figura 1 siguiente. Cabe destacar que el amplificador interno del micrófono impulsa la señal de salida analógica, que ya tiene un nivel de señal razonable y presenta una impedancia de salida relativamente baja.

Para evitar tener que adaptar la tensión de entrada de CC del circuito anfitrión a la tensión de salida de CC del micrófono MEMS, se utiliza un capacitor de bloqueo de CC (C1). La combinación de C1 y R1 forma una frecuencia de polo que debe fijarse lo suficientemente baja como para garantizar que las señales de audiofrecuencia deseadas se transmitan al circuito anfitrión con un nivel aceptable de atenuación [es decir, para un rango mínimo de audiofrecuencia de 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz].

Figura 1: Micrófono MEMS analógico conectado a un amplificador externo. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Salida digital

Los micrófonos MEMS que incorporan una Interfaz digital suelen utilizar modulación por densidad de impulsos (PDM) o I²S para codificar las señales de salida. En PDM, el voltaje de la señal analógica se transforma en un flujo digital de un solo bit que contiene una densidad correspondiente de señales lógicas altas. El PDM ofrece varias ventajas, como la inmunidad al ruido eléctrico, la tolerancia a los errores de bit y una interfaz de hardware sencilla.

La figura 2 ilustra cómo puede conectarse un único micrófono digital PDM a un circuito anfitrión. El pin "Select" de la figura puede conectarse a Vdd o Gnd para determinar si los datos se afirman en el flanco ascendente o descendente de la señal de reloj.

Figura 2: Conexión simple de un micrófono MEMS digital PDM. (Fuente de la imagen: Same Sky)

La figura 3 muestra cómo se pueden conectar dos micrófonos MEMS digitales PDM al circuito anfitrión utilizando líneas de reloj y datos compartidas. Esta configuración se utiliza a menudo cuando se implementan micrófonos estéreo.

Figura 3: Conexión de dos micrófonos MEMS digitales PDM mediante las líneas de reloj y datos. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Los micrófonos MEMS de salida digital I²S ofrecen ventajas de sistema comparables a las de las salidas PDM. Estos micrófonos tienen un filtro de decimación interno que simplifica la interconexión y el procesamiento al producir una frecuencia de muestreo de audio estándar. Gracias al proceso de diezmado interno, los micrófonos MEMS digitales I²S pueden conectarse directamente a un procesador de señal digital (DSP) u otro controlador. Esto elimina la necesidad de un ADC o códec para procesar los datos de salida, lo que se traduce en menores costes de diseño del sistema y ahorro de espacio en la aplicación final.

Al igual que los micrófonos MEMS digitales PDM, se pueden conectar dos micrófonos MEMS digitales I²S utilizando una línea de datos común. Sin embargo, esta configuración requiere dos señales de reloj además de un reloj de palabra y un reloj de bit.

Analógico o digital: ¿qué elegir?

En ingeniería eléctrica, la elección entre señales de salida analógicas o digitales para micrófonos MEMS depende del uso previsto de la señal de salida. Las señales de salida analógica son adecuadas para aplicaciones en las que se van a conectar a un amplificador para su procesamiento analógico dentro del sistema anfitrión, como en un altavoz sencillo o en un sistema de comunicación por radio. Los micrófonos MEMS con salidas analógicas también consumen menos energía que los que tienen salidas digitales, ya que no necesitan un ADC.

Por otra parte, es preferible una señal de salida digital de un micrófono MEMS si la señal se va a utilizar en circuitos digitales, como un microcontrolador o un procesador de señal digital (DSP). Las señales de salida digitales también son útiles en entornos eléctricamente ruidosos, ya que presentan una mayor inmunidad al ruido eléctrico en comparación con las señales analógicas tradicionales.

Conclusión:

La tecnología de micrófonos MEMS es cada vez más popular y se espera que su uso siga creciendo. Es importante comprender las distintas configuraciones disponibles y cómo pueden aplicarse a casos de uso específicos. A la hora de decidir entre salidas analógicas o digitales para un micrófono MEMS, es esencial tener en cuenta cómo se utilizará la señal de salida y la implementación prevista del sistema para garantizar un rendimiento óptimo. Same Sky ofrece micrófonos MEMS analógicos, digitales PDM y digitales I²S, así como una gama de soluciones de componentes de audio para dar respuesta a diversas necesidades de aplicaciones de sonido.