Talvez você se lembre da campanha de marketing de alguns anos atrás com a frase: “Você pode me ouvir agora?” Cada vez mais dispositivos sendo projetados hoje em dia, desde artigos de uso até assistentes domésticos, estão sendo solicitados a “ouvir” seu ambiente. O microfone correto possibilita que as aplicações capturem com precisão quase qualquer som, sendo que as duas tecnologias mais comuns utilizadas para a construção de microfones são o MEMS e o condensador eletromecânico. Embora as duas tecnologias trabalhem com princípios semelhantes, há muitos casos de uso para a escolha de uma em detrimento da outra. Com isso em mente, revisaremos o básico de microfones MEMS e condensadores eletromecânicos, compararemos as diferenças entre as tecnologias e delinearemos as vantagens de cada solução.
MEMS Microphone Basics
MEMS microfones são construídos com um componente MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) colocado em uma placa de circuito impresso (PCB) e protegido com uma tampa mecânica. Um pequeno orifício é fabricado na caixa para permitir o som dentro do microfone e é designado como top-ported se o orifício estiver na tampa superior ou bottom-ported se o orifício estiver no PCB. O componente MEMS é frequentemente projetado com um diafragma mecânico e uma estrutura de montagem criada em uma matriz semicondutora.
Contrução típica do microfone MEMS
O diafragma MEMS forma um condensador e as ondas de pressão sonora causam o movimento do diafragma. Os microfones MEMS normalmente contêm um segundo molde semicondutor que funciona como um pré-amplificador de áudio, convertendo a capacidade de mudança do MEMS em um sinal elétrico. A saída do pré-amplificador de áudio é fornecida ao usuário se um sinal de saída analógico for desejado. Se um sinal de saída digital for desejado, então um conversor analógico-digital (ADC) é incluído no mesmo coto que o pré-amplificador de áudio. Um formato comum utilizado para a codificação digital em microfones MEMS é a modulação de densidade de pulso (PDM), que permite a comunicação apenas com um relógio e uma única linha de dados. A descodificação do sinal digital no receptor é simplificada devido à codificação de bit único dos dados.
Esquerda: esquema de aplicação do microfone MEMS analógico Direita: esquema de aplicação do microfone MEMS digital
Electret Condenser Microphone Basics
Electret Condenser Microphones (ECM) são construídos como mostrado na figura abaixo.
Condensador de eletreto típico construção do microfone condensador
Um diafragma de eletreto (material com carga de superfície fixa) é espaçado próximo a uma placa condutora, e similar aos microfones MEMS, um condensador é formado com a caixa de ar como o dielétrico. A tensão através do capacitor varia conforme o valor da capacitância muda devido às ondas de pressão sonora que movem o diafragma do eletromagneto, ΔV = Q/ ΔC. As variações de tensão do condensador são amplificadas e tamponadas por um JFET interno à caixa do microfone. O JFET é normalmente configurado em uma configuração de fonte comum, enquanto um resistor de carga externa e um condensador de bloqueio dc são utilizados no circuito de aplicação externa.
>Esquema de aplicação ECM
Diferenças em tecnologias de microfones
Existem muitas considerações ao selecionar entre um microfone ECM e MEMS. A quota de mercado dos microfones MEMS continua a crescer a um ritmo acelerado devido a muitas vantagens proporcionadas por esta tecnologia mais recente. Por exemplo, as aplicações com restrições de espaço acharão atraentes os pequenos tamanhos de embalagem disponíveis para microfones MEMS, enquanto uma redução tanto na área de PCB quanto no custo dos componentes pode ser realizada graças aos circuitos analógicos e digitais incluídos na construção do microfone MEMS. A impedância de saída relativamente baixa dos microfones MEMS analógicos e as saídas dos microfones MEMS digitais são ideais para aplicações em ambientes eletricamente ruidosos. Em ambientes de alta vibração, o uso da tecnologia de microfones MEMS pode reduzir o nível de ruído indesejado introduzido pela vibração mecânica. Além disso, a tecnologia de fabricação de semicondutores e a inclusão de pré-amplificadores de áudio permite fabricar microfones MEMS com características de desempenho muito semelhantes e estáveis em termos de temperatura. Essas características de desempenho apertado são particularmente benéficas quando os microfones MEMS são utilizados em aplicações de matriz. Durante a fabricação do produto, os microfones MEMS também podem ser facilmente manuseados por máquinas de pick and place e tolerar perfis de temperatura de solda de refluxo.
Embora os microfones MEMS estejam crescendo rapidamente em popularidade, ainda há aplicações onde um microfone condensador eletromecânico pode ser preferido. Muitos projetos antigos têm usado ECMs, e assim, se o projeto for uma simples atualização para um projeto existente, talvez seja melhor continuar usando um ECM. As opções para conectar um ECM ao circuito da aplicação incluem pinos, fios, SMT, almofadas de solda e contatos de mola, dando aos engenheiros flexibilidade adicional de projeto. Se a proteção contra poeira e umidade for um problema, é fácil encontrar ofertas de ECM com alta classificação de proteção de entrada (IP) devido ao seu maior tamanho físico. Para projetos que requerem sensibilidade espacial não uniforme, os produtos ECM estão disponíveis com direcionalidade intrínseca, seja unidirecional ou canceladora de ruído, enquanto a ampla faixa de voltagem de operação dos ECMs pode ser a solução preferida em produtos com trilhos de voltagem de regulagem frouxa.
Selecionando a Tecnologia de Microfone Apropriada para Seu Projeto
A decisão de usar condensador de eletretos versus microfones MEMS dependerá dos requisitos de seu projeto. Enquanto os microfones MEMS continuam a crescer em popularidade devido às suas muitas vantagens inerentes, os ECMs ainda são usados em uma variedade de aplicações graças a uma gama mais ampla de opções de embalagem e direcionalidade. Independentemente da tecnologia escolhida, os CUI Devices continuarão a desenvolver e oferecer uma ampla gama de produtos de microfones para permitir ao seu projeto ‘ouvir’ os sons necessários.