作者：Jeff Smoot 是 CUI Devices 应用工程和运动控制部门副总裁

　　微机电系统 (MEMS) 麦克风的使用提供了将复杂的通信和监控功能集成到各种设备中的机会。家庭数字助理和语音导航设备是当前推动语音控制电子产品显着增长的流行例子。随着 MEMS 技术在麦克风领域占据主导地位，现在正是研究 MEMS 麦克风的各种电气接口以及如何操作它们的好时机。本文将比较三种最流行的选项：模拟、数字 PDM 和数字 I 2 S，同时考虑它们的优缺点和实现。

　　基本 MEMS 麦克风结构

　　MEMS 麦克风的典型配置是将两个半导体芯片集成到一个封装中。第一半导体芯片包括将声波转换成电信号的MEMS膜，而第二芯片构成可以包含模数转换器(ADC)的放大器。如果 MEMS 麦克风缺少 ADC，则会向用户提供模拟输出信号，而当存在 ADC 时则提供数字输出信号。

　　模拟输出概述

　　带有模拟输出的 MEMS 麦克风为主机电路提供了一个简单的接口，如下图 1 所示。值得注意的是，麦克风的内部放大器驱动模拟输出信号，该信号已经处于合理的信号电平，并且具有相对较低的输出阻抗。

　　为了避免必须将主机电路的直流输入电压与 MEMS 麦克风的直流输出电压相匹配，使用了隔直流电容器 (C1)。 C1 和 R1 的组合形成极点频率，该极点频率必须设置得足够低，以确保所需的音频信号以可接受的衰减水平传输到主机电路 [即，最小音频范围为 20 Hz; 1/(2πR1*C1) < 20 Hz]。

　　图 1：连接到外部放大器的模拟 MEMS 麦克风。 (图片来源：CUI Devices)

　　数字输出概述

　　具有数字接口的 MEMS 麦克风通常利用脉冲密度调制 (PDM) 或 I²S 对输出信号进行编码。在 PDM 中，模拟信号电压被转换为单位数字流，其中包含相应密度的逻辑高信号。 PDM 具有多种优点，例如抗电噪声、误码容限和简单的硬件接口。

　　图 2 说明了如何将单个数字 PDM 麦克风连接到主机电路。图中的“选择”引脚可以连接到 Vdd 或 Gnd，以确定是否在时钟信号的上升沿或下降沿断言数据。

　　图 2：数字 PDM MEMS 麦克风的单连接。 (图片来源：CUI 设备)

　　图 3 描述了如何使用共享时钟和数据线将两个数字 PDM MEMS 麦克风连接到主机电路。在实现立体声麦克风时经常使用这种配置。

　　图 3：使用时钟和数据线连接两个数字 PDM MEMS 麦克风。 (图片来源：CUI 设备)

　　数字 I²S 输出 MEMS 麦克风提供与 PDM 输出相当的系统优势。这些麦克风具有内部抽取滤波器，可通过产生标准音频采样率来简化接口和处理。由于抽取过程发生在内部，数字 I²S MEMS 麦克风能够直接连接到数字信号处理器 (DSP) 或其他控制器。这样就无需使用 ADC 或编解码器来处理输出数据，从而降低最终应用的系统设计成本并节省空间。

　　与数字 PDM MEMS 麦克风一样，两个数字 I²S MEMS 麦克风可以使用公共数据线连接。然而，该配置除了字时钟和位时钟之外还需要两个时钟信号。

　　模拟还是数字——选择哪一个?

　　在电气工程中，MEMS 麦克风的模拟或数字输出信号的选择取决于输出信号的预期用途。模拟输出信号适用于连接到放大器以在主机系统内进行模拟处理的应用，例如简单的扬声器或无线电通信系统。与具有数字输出的麦克风相比，具有模拟输出的 MEMS 麦克风的功耗也更低，因为它们不需要 ADC。

　　另一方面，如果来自 MEMS 麦克风的数字输出信号将用于数字电路，例如微控制器或数字信号处理器 (DSP)，则该信号更可取。数字输出信号在电噪声环境中也很有用，因为与传统模拟信号相比，它们表现出更高的电噪声抗扰度。

　　结论

　　MEMS 麦克风技术正变得越来越流行，并且预计其使用量将继续增长。了解可用的不同配置以及如何将它们应用于特定用例非常重要。在决定 MEMS 麦克风的模拟输出还是数字输出时，必须考虑如何使用输出信号以及预期的系统实现，以确保最佳性能。 CUI Devices 提供模拟、数字 PDM 和数字 I 2 S MEMS 麦克风以及一系列音频组件解决方案，以满足各种声音应用需求。