作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 應用工程和運動控制部門副總裁

　　微機電系統 (MEMS) 麥克風的使用提供了將復雜的通信和監控功能集成到各種設備中的機會。家庭數字助理和語音導航設備是當前推動語音控制電子產品顯著增長的流行例子。隨著 MEMS 技術在麥克風領域占據主導地位，現在正是研究 MEMS 麥克風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、數字 PDM 和數字 I 2 S，同時考慮它們的優缺點和實現。

　　基本 MEMS 麥克風結構

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

　　模擬輸出概述

　　帶有模擬輸出的 MEMS 麥克風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，麥克風的內部放大器驅動模擬輸出信號，該信號已經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到主機電路 [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。 (圖片來源：CUI Devices)

　　數字輸出概述

　　具有數字接口的 MEMS 麥克風通常利用脈沖密度調制 (PDM) 或 I2S 對輸出信號進行編碼。在 PDM 中，模擬信號電壓被轉換為單位數字流，其中包含相應密度的邏輯高信號。 PDM 具有多種優點，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字 PDM 麥克風連接到主機電路。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據。

　　圖 2：數字 PDM MEMS 麥克風的單連接。 (圖片來源：CUI 設備)

　　圖 3 描述了如何使用共享時鐘和數據線將兩個數字 PDM MEMS 麥克風連接到主機電路。在實現立體聲麥克風時經常使用這種配置。

　　圖 3：使用時鐘和數據線連接兩個數字 PDM MEMS 麥克風。 (圖片來源：CUI 設備)

　　數字 I2S 輸出 MEMS 麥克風提供與 PDM 輸出相當的系統優勢。這些麥克風具有內部抽取濾波器，可通過產生標準音頻采樣率來簡化接口和處理。由于抽取過程發生在內部，數字 I2S MEMS 麥克風能夠直接連接到數字信號處理器 (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據，從而降低最終應用的系統設計成本并節省空間。

　　與數字 PDM MEMS 麥克風一樣，兩個數字 I2S MEMS 麥克風可以使用公共數據線連接。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。

　　模擬還是數字——選擇哪一個?

　　在電氣工程中，MEMS 麥克風的模擬或數字輸出信號的選擇取決于輸出信號的預期用途。模擬輸出信號適用于連接到放大器以在主機系統內進行模擬處理的應用，例如簡單的揚聲器或無線電通信系統。與具有數字輸出的麥克風相比，具有模擬輸出的 MEMS 麥克風的功耗也更低，因為它們不需要 ADC。

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

　　結論

　　MEMS 麥克風技術正變得越來越流行，并且預計其使用量將繼續增長。了解可用的不同配置以及如何將它們應用于特定用例非常重要。在決定 MEMS 麥克風的模擬輸出還是數字輸出時，必須考慮如何使用輸出信號以及預期的系統實現，以確保最佳性能。 CUI Devices 提供模擬、數字 PDM 和數字 I 2 S MEMS 麥克風以及一系列音頻組件解決方案，以滿足各種聲音應用需求。