MEMSマイク出力インターフェース技術解析：アナログアーキテクチャからマルチチャンネルデジタル伝送まで

MEMSマイクの各種出力インターフェース紹介

現在、業界のECM（エレクトロスタティック・コンデンサ型マイク）の出力信号はほぼ全てアナログであり、シングルエンド方式が主流である。一方、MEMSマイクにはアナログとデジタルの2大カテゴリーの出力インターフェースが存在し、アナログはさらにシングルエンドと差動の2種類に分類される。デジタル部分にはPDM/I2S/TDMの3種類のデジタルインターフェースがあり、中でもPDMインターフェースが主流です。

 

以下にMEMSマイクの出力インターフェースカテゴリをそれぞれ紹介する:

1. アナログシングルエンド（Analog Single ended）: これは比較的多い出力フォーマットであり、単価は差動（Differential）よりも若干低くなります。感度は通常-38dBV～-40dBVの範囲で、すべてのオーディオコーデックのマイク入力がこの信号をサポートしており、最も普及しているアプリケーションアーキテクチャです。ただし、このタイプのマイクのグランドループは、ノイズの発生を防ぐためにPCB設計時に特に注意が必要です。図1を参照してください。

図1 アナログMEMSマイク シングルエンド

 

2. アナログ差動出力（Analog differential ended）: 比較的少数派の出力形式であり、単価はシングルエンド（Single ended）よりやや高くなります。差動出力であるため感度は6dBV向上し、通常-32dBV前後となります。またAOP（音響過負荷点）も向上させることが可能です。ほとんどのオーディオコーデックマイク入力もこの信号をサポートしており、ノイズ低減の一般的な応用アーキテクチャである。図2を参照のこと。差動アーキテクチャはコモンモードノイズを効果的に除去できる。図2-1を参照のこと

図2 アナログMEMSマイク差動終端

Fig.2-1 差動コモンモード

 

3. PDM（パルス密度変調）: MEMSマイクのデジタルインターフェースにおける主流規格であり、データバスはL/Rチャンネル共用であるため、4本の配線でステレオL/R音声チャネル伝送を実現できる。これにより携帯機器のPCBレイアウト設計に有利である。デジタル方式であるためクロック信号が必要で、通常1MHz～4MHzである。これによりオーディオ帯域幅は20Hz～20kHzのアプリケーションに対応可能で、3C/自動車/IoT分野で広く採用されている。図3を参照のこと

図3 デジタルMEMSマイクPDMインターフェース

 

4. I2S（Integrated Interchip Sound 積分回路内蔵オーディオバス）：フィリップス社がデジタルオーディオ機器間の音声データ伝送のために策定したバス規格。本バスはオーディオ機器間のデータ伝送に特化しており、各種マルチメディアシステムに広く採用されている。低価格MCUの大半はPDMインターフェースをサポートせず、基本的なI2Sインターフェースのみをサポートするため、マイクメーカーは依然としてこのニッチ市場向けにI2S MEMSマイクを提供し、オーディオコーデック非搭載のアプリケーション市場に対応している。図4を参照のこと。

図4 デジタルMEMSマイクのI2Sインターフェース

 

5. TDM（時分割多重化）：伝送媒体の使用時間を複数の固定タイムスロットに分割する方式。各スロットは短い時間（例：20ms）を占有し、この短い時間が仮想チャネルとなる。通信時、相互接続された双方は特定のタイムスロットに設定され、その時間枠内で伝送媒体の使用権を有する。より長い時間軸で見ると、伝送媒体全体が複数の回線が「同時に」データを伝送している状態に相当する。スマートスピーカーは遠距離音声認識（Far Field Voice Pickup）を必要とするため、2個のビームフォーミングマイクでは性能要件を満たせず、6～8個のマイクアレイ構成が開発された。各製品のマイク数が大幅に増加したため、より多くのチャンネル数を必要とするデジタルインターフェース（例： PDM / I2S）が必要となる。そこで、マイクのデジタルインターフェース数とコストを削減するため、TDM（時分割多重）方式を採用し、信号を順番に伝送することで、低コストな多チャンネル伝送を実現している。

図5 デジタルMEMSマイクTDMインターフェース

 

6. まとめ: 以上が各種マイク出力フォーマットの紹介である。製品アプリケーションの要求に応じて適切なマイク素子仕様を選択し、高性能かつ低コストの設計基準を満たすことができる。

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