アナログかデジタルか:正しいMEMSマイクロフォン・インターフェースの選び方

2019年2月19日 Bruce Rose

アナログかデジタルか:正しいMEMSマイクロフォン・インターフェースの選び方

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)マイクロフォンは、高度な通信・監視機能を様々なデバイスへ追加するチャンスを拡大してきました。現在人気がある家庭用デジタル・アシスタントと音声起動型ナビゲーション・デバイスは、音声制御型電子機器の飛躍的な成長を促進する単なる2つの例に過ぎません。MEMS技術がマイクロフォン市場を独占しつつある今、ここで利用可能なMEMSマイクロフォンの電気インターフェースの種類と、それらの使用方法について考察してみたいと思います。

MEMSマイクロフォンの背景

MEMSマイクロフォンは通常、単一パッケージに2つの半導体チップを配置した構造になっています。1つ目の半導体チップは音波を電気信号に変換するMEMS膜で、2つ目のチップはアナログ-デジタル変換器(ADC)が含まれることもあるアンプです。MEMSマイクロフォンにADCが含まれていない場合、ユーザーはアナログ出力信号を利用でき、ADCが含まれる場合はデジタル出力信号を利用できます。

アナログMEMSマイクロフォン・インターフェース

アナログ出力のMEMSマイクロフォンでは、下図に示すとおりホスト回路への直接的なインターフェースを利用できます。マイクロフォンのアナログ出力信号は、アンプによって内部からマイクロフォンへと駆動されるという特性があります。従って、これは既にかなり低い出力インピーダンスを持った妥当な信号レベルになっています。

DCブロッキング・コンデンサ(C1)が採用されているため、ホスト回路のDC入力電圧をMEMSマイクロフォンのDC出力電圧と一致させる必要はありません。C1とR1の組み合わせによって生成される極周波数は、希望する音声周波数信号が許容レベルの減衰量でホスト回路へと通過するように、十分に低く設定する必要があります。[つまり、20 Hzの最低音声周波数範囲; 1/(2*π*R1*C1) < 20 Hz]

アナログ出力のMEMSマイクロフォンの外部アンプへの接続を示した図
アナログ出力のMEMSマイクロフォンを外部アンプへと接続する

デジタルMEMSマイクロフォンのインターフェース

デジタル・インターフェースを備えたMEMSマイクロフォンからの出力信号は、しばしばパルス密度変調(PDM)でエンコードされています。PDMでエンコードされた場合、アナログ信号電圧は対応するロジックハイの信号密度を含む、単一ビットのデジタル・ストリームに変換されます。PDMのメリットには、電気ノイズ耐性、ビットエラー耐性、およびシンプルなハードウェア・インタフェースなどがあります。

下図は、PDM出力を備えた単一デジタル・マイクロフォンのホスト回路への接続方法を示しています。この「選択」ピンを図の中のVDDまたはGNDのいずれかと結び、データがクロック信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジでアサートされるかを決定します。

単一デジタルPDMマイクロフォンの接続回路図
単一デジタルPDM MEMSマイクロフォンの接続

以下の図は、2つのマイクロフォンが共有クロックとデータラインを使用して、ホスト回路に接続する方法を示しています。この構成は、ステレオ・マイクロフォンを実装する場合によく使用されます。

同じクロックとデータラインを使用して接続した2つのデジタルPDMマイクロフォンの図。
2つのデジタルPDM MEMSマイクロフォンは、同じクロックとデータラインを使用して接続できます。

アナログまたはデジタル出力の選択

アナログ出力信号、またはデジタル出力信号のどちらを備えたMEMSマイクロフォンを導入するかの決定は、通常出力信号の使用用途によります。出力信号がホストシステム内でアナログ処理用にアンプ入力へと接続される場合は、アナログ出力信号が便利です。従来のアナログ・アプリケーションの例としては、シンプルな拡声器や無線通信システムです。アナログ出力のMEMSマイクロフォンは、ADCがないためデジタル出力のマイクロフォンよりも電力消費が少なくなる傾向があります。

MEMSマイクロフォンからのデジタル出力信号は、信号がデジタル回路、通常はマイクロコントローラやデジタル信号プロセッサー(DSP)へと印加された場合にメリットがあります。また、マイクロフォンとホスト回路との間のコンダクタが電気的ノイズの多い環境にある場合、デジタル出力信号は従来のアナログ信号よりも優れた電気ノイズ耐性を持つことから、デジタル出力信号の方がより優れたチョイスです。

結論

MEMSマイクロフォン技術はこのまま変化しないため、様々な構成オプションのうち、どれを利用すべきかを理解することは非常に重要です。アナログ出力かデジタル出力を選択する場合、その決定は、出力信号がどのように使用されるか、どのシステムで実行されるかにかかっています。このため、CUIではお客様独自の設計要件に対応できるよう、アナログおよびデジタル(PDM)出力両方を備えた様々なMEMSマイクロフォンを提供しています。

役に立つリソース

CUIで販売されているMEMSマイクロフォンの各種モデル
ブログ記事「MEMSとエレクトレット・コンデンサ(ECM)マイクロフォンの比較」もお読みください。

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Bruce Rose

Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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