Možná si vzpomínáte na několik let starou marketingovou kampaň s větou „Už mě slyšíte?“. Stále více zařízení, která jsou dnes navrhována, od nositelných zařízení až po domácí asistenty, má za úkol „slyšet“ své okolí. Správný mikrofon umožňuje aplikacím přesně zachytit téměř jakýkoli zvuk, přičemž pro konstrukci mikrofonů se nejčastěji používají dvě technologie: MEMS a elektretový kondenzátor. Ačkoli obě technologie fungují na podobných principech, existuje mnoho případů použití, kdy je třeba dát přednost jednomu před druhým. S ohledem na to si projdeme základy mikrofonů MEMS a elektretového kondenzátoru, porovnáme rozdíly mezi těmito technologiemi a nastíníme výhody jednotlivých řešení.
Základy mikrofonů MEMS
Mikrofony MEMS jsou konstruovány pomocí součástky MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) umístěné na desce plošných spojů (PCB) a chráněné mechanickým krytem. V krytu je vyroben malý otvor, který propouští zvuk do mikrofonu a je označen jako horní port, pokud je otvor v horním krytu, nebo spodní port, pokud je otvor v desce plošných spojů. Součástka MEMS je často konstruována s mechanickou membránou a montážní strukturou vytvořenou na polovodičové destičce.
Typická konstrukce mikrofonu MEMS
Membrána MEMS tvoří kondenzátor a zvukové tlakové vlny způsobují pohyb membrány. Mikrofony MEMS obvykle obsahují druhou polovodičovou součástku, která funguje jako zvukový předzesilovač a převádí měnící se kapacitu MEMS na elektrický signál. Výstup zvukového předzesilovače je poskytován uživateli, pokud je požadován analogový výstupní signál. Pokud je požadován digitální výstupní signál, pak je analogově-digitální převodník (ADC) obsažen na stejné matrici jako zvukový předzesilovač. Běžným formátem používaným pro digitální kódování v mikrofonech MEMS je pulzní hustotní modulace (PDM), která umožňuje komunikaci pouze s hodinami a jednou datovou linkou. Dekódování digitálního signálu na přijímači je zjednodušeno díky jednobitovému kódování dat.
Vlevo: schéma aplikace analogového mikrofonu MEMS Vpravo: schéma aplikace digitálního mikrofonu MEMS
Základy elektretového kondenzátorového mikrofonu
Elektretové kondenzátorové mikrofony (ECM) jsou konstruovány podle obrázku níže.
Typická konstrukce elektretového kondenzátorového mikrofonu
Elektretová membrána (materiál s pevným povrchovým nábojem) je umístěna v blízkosti vodivé desky a podobně jako u mikrofonů MEMS je vytvořen kondenzátor, jehož dielektrikem je vzduchová mezera. Napětí na kondenzátoru se mění podle toho, jak se mění hodnota kapacity v důsledku zvukových tlakových vln pohybujících elektretovou membránou, ΔV = Q/ ΔC. Změny napětí na kondenzátoru jsou zesíleny a vyrovnány tranzistorem JFET, který je zabudován v pouzdře mikrofonu. JFET je obvykle konfigurován v konfiguraci se společným zdrojem, zatímco ve vnějším aplikačním obvodu se používá externí zatěžovací rezistor a stejnosměrný blokovací kondenzátor.
Aplikační schéma ECM
Rozdíly v mikrofonních technologiích
Při výběru mezi mikrofonem ECM a mikrofonem MEMS je třeba zvážit mnoho faktorů. Podíl mikrofonů MEMS na trhu stále rychle roste díky mnoha výhodám, které tato novější technologie poskytuje. Například pro aplikace s omezeným prostorem jsou atraktivní malé rozměry balení, které jsou k dispozici pro mikrofony MEMS, zatímco díky analogovým a digitálním obvodům obsaženým v konstrukci mikrofonu MEMS lze dosáhnout snížení plochy desky plošných spojů i nákladů na součástky. Relativně nízká výstupní impedance analogových mikrofonů MEMS a výstupy z digitálních mikrofonů MEMS jsou ideální pro aplikace v elektricky hlučném prostředí. V prostředí s vysokými vibracemi může použití mikrofonní technologie MEMS snížit úroveň nežádoucího šumu vnášeného mechanickými vibracemi. Polovodičová výrobní technologie a začlenění zvukových předzesilovačů navíc umožňuje vyrábět mikrofony MEMS s těsně sladěnými a teplotně stabilními výkonovými charakteristikami. Tyto těsné výkonnostní charakteristiky jsou zvláště výhodné při použití mikrofonů MEMS v soustavách. Při výrobě produktů lze s mikrofony MEMS také snadno manipulovat pomocí pick and place strojů a snášet teplotní profily pájení přetavením.
Přestože popularita mikrofonů MEMS rychle roste, stále existují aplikace, kde lze upřednostnit elektretový kondenzátorový mikrofon. Mnoho starších konstrukcí používalo ECM, a proto pokud je projekt jednoduchou modernizací stávající konstrukce, může být nejlepší pokračovat v používání ECM. Možnosti připojení ECM k aplikačnímu obvodu zahrnují kolíky, vodiče, SMT, pájecí plošky a pružinové kontakty, což inženýrům poskytuje další flexibilitu návrhu. Pokud je problémem ochrana před prachem a vlhkostí, je snadné najít nabídky ECM s vysokým stupněm krytí IP (Ingress Protection) díky jejich větším fyzickým rozměrům. Pro projekty vyžadující nestejnoměrnou prostorovou citlivost jsou k dispozici produkty ECM s vlastní směrovostí, buď jednosměrnou, nebo s potlačením šumu, zatímco široký rozsah provozního napětí ECM může být preferovaným řešením u produktů s volně regulovanými napěťovými lištami.
Výběr vhodné mikrofonní technologie pro váš projekt
Rozhodnutí o použití elektretových kondenzátorových mikrofonů versus mikrofonů MEMS bude záviset na požadavcích vašeho projektu. Zatímco obliba mikrofonů MEMS stále roste díky mnoha jejich přirozeným výhodám, mikrofony ECM se stále používají v různých aplikacích díky širší škále možností balení a směrování. Bez ohledu na zvolenou technologii bude společnost CUI Devices i nadále vyvíjet a nabízet širokou škálu mikrofonních produktů, které umožní vašemu projektu „slyšet“ požadované zvuky.