I microfoni MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) hanno contribuito ad aumentare potenzialità e funzionalità di una vasta gamma di dispositivi, aggiungendo in questi ultimi tempi capacità di comunicazione e di monitoraggio. I dispositivi di navigazione a comando vocale e gli assistenti domestici digitali sono due esempi di dispositivi che hanno contribuito a questa evoluzione e stanno favorendo la crescita, di natura esponenziale, dell’elettronica a comando vocale. Poichè il numero di settori di possibile utilizzo dei microfoni MEMS è in continuo aumento, per i progettisti è importante comprendere i differenti tipi di interfacce elettriche per microfoni MEMS e le relative modalità di utilizzo.

Microfoni MEMS: concetti di base

I microfoni MEMS sono solitamente composti da due chip a semiconduttore ospitati all’interno di un singolo package. Il primo chip è una membrana MEMS che converte le onde sonore in un segnale elettrico mentre il secondo è un amplificatore che può contenere un convertitore A/D (ADC). Nel caso sia previsto un convertitore A/D in un microfono MEMS il segnale di uscita sarà di tipo digitale,  mentre in assenza del convertitore all’utente viene fornito un segnale di uscita analogico.

Interfacce analogiche per microfoni MEMS

Un microfono MEMS con un’uscita analogica consente di effettuare un interfacciamento molto semplice con il circuito host, come visibile in figura 1. I segnali di uscita analogici sono pilotati da un amplificatore esterno per cui il microfono avrà già raggiunto un livello del segnale accettabile con un’impedenza di uscita relativamente bassa.

Il condensatore che blocca la corrente continua (C1) assicura che la tensione continua di ingresso del circuito host non richieda alcun adattamento con la tensione continua di uscita del microfono MEMS. Oltre a ciò, la frequenza del polo generato dalla combinazione di C1 ed R1 deve essere impostata a una valore sufficientemente basso in modo da consentire il trasferimento dei segnali alla frequenza audio prescelta al circuito host con un adeguato livello di attenuazione: per esempio, per un range di frequenza audio minimo di 20 Hz, 1/(2*π*R1*C1) deve essere < 20 Hz.

Fig. 1 – Schema di un microfono MEMS con uscita analogica collegato a un amplificatore esterno

Interfacce digitali per microfoni MEMS

I segnali in uscita dai microfoni MEMS con interfaccia digitale sono codificati su base periodica mediante la modulazione PDM (Pulse Density Modulation). Utilizzando questo tipo di modulazione, la tensione del segnale analogico viene convertita in un flusso digitale a singolo bit  che include una densità corrispondente di segnali di livello logico alto. Tra i vantaggi della modulazione PDM si possono annoverare immunità al rumore elettrico, tolleranza all’errore sui bit e semplicità dell’interfaccia hardware.

La figura 2 mostra la modalità di connessione di un singolo microfono digitale con uscita PDM con il circuito host. Il collegamento del pin “select” a Vdd o Gnd determinerà se i dati sono disponibili sul fronte di salita o di discesa del segnale di clock.

Fig. 2 – Schema di collegamento di un singolo microfono digitale con uscita PDM

Nella figura 3, invece, due microfoni sono collegati a un circuito host attraverso linee di dati e di clock condivise: si tratta di una configurazione spesso utilizzata per il setup di microfoni stereo.

Fig. 3 – Schema del collegamento di due microfoni digitali con uscita PDM che utilizzano le stesse linee di dati e di clock

Analogico o digitale: quale scegliere?

La decisione di impiegare microfoni MEMS con un’interfaccia analogica o digitale dipende dalla modalità di utilizzo del segnale di uscita. Un segnale di uscita analogico è utile nel momento in cui deve essere collegato all’ingresso di un amplificatore per l’elaborazione analogica nel sistema host. Un semplice altoparlante o un sistema di comunicazione radio sono alcuni tra i possibile esempi di tradizionali applicazioni analogiche. A questo punto è utile sottolineare che i microfono MEMS con uscite analogiche sono caratterizzati da consumi inferiori rispetto a quelli con uscite digitali a causa dell’assenza del convertitore A/D.

Ovviamente un segnale di uscita digitale risulta vantaggioso quando il segnale deve essere utilizzato da un circuito digitale, come un processore DSP (Digital Signal Processor) o un microcontrollore. I segnali di uscita digitali sono inoltre caratterizzati da una maggiore immunità contro il rumore elettrico rispetto ai segnali analogici: si tratta di un notevole vantaggio nel caso i conduttori tra il microfono e il circuito host siano ubicati in un ambiente rumoroso dal punto di vista elettrico.

Visto la crescente diffusione dei microfoni MEMS e i vantaggi connessi al loro utilizzo, è importante comprendere appieno le differenti configurazioni ora disponibili. La scelta tra un’uscita analogica o digitale dipende essenzialmente dall’utilizzo che verrà fatto del segnale di uscita e dal tipo di sistema su cui verrà implementato: L’offerta di CUI Devices comprende microfoni con uscite sia analogiche di digitale (PDM) in modo da consentire ai progettisti di scegliere il prodotto più adatto per soddisfare le loro esigenze.

Bruce Rose Principal Applications Engineer (CUI Devices Inc)

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