Micrófonos MEMS (Analógicos y Digitales)

Los micrófonos son dispositivos transductores que convierten las ondas de presión acústica en señales eléctricas. Los sensores utilizados para este propósito se han vuelto más integrados (miniaturizados) al igual que otros componentes de la cadena de señal de audio y la tecnología MEMS nos permite obtener micrófonos más pequeños y disponibles con salidas analógicas o digitales (PDM, I2S). Vale recordar que ésta tecnología MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) es utilizada desde hace muchos años en sensores de movimiento inercial como es el caso de los acelerómetros con un éxito singular. Las señales de salida de un micrófono MEMS (analógico o digital), por naturaleza, tienen diferentes factores a considerar dentro de un diseño y eso es lo que exploraremos en este artículo.

La salida de audio de un micrófono MEMS no proviene directamente desde el elemento transductor que es esencialmente un capacitor variable con una impedancia extremadamente alta de salida. En el interior del receptáculo que contiene al micrófono, la señal del transductor se envía a un pre-amplificador, cuya función inicial es la de convertir la impedancia de salida para que ésta baje a niveles más útiles cuando el dispositivo está conectado en una cadena de señal de audio. Por supuesto, la otra función básica es la de pre-amplificar las débiles señales recuperadas por el transductor MEMS para luego aplicarlas a cualquier previo de audio. Un micrófono analógico MEMS, cuyo diagrama de bloques se muestra en la siguiente figura, es básicamente un amplificador con una impedancia de salida específica y un nivel de audio predeterminado por el fabricante del dispositivo. No deja de ser el equivalente al clásico micrófono a capacitor o “electret” que tantas aplicaciones han tenido (y tienen) en todo lo que respecta a desarrollos donde un pequeño micrófono es necesario. La diferencia fundamental es la utilización de un MEMS en lugar de un capacitor (o condensador) como elemento captor.

Diagrama en bloques de un típico Micrófono MEMS analógico.

En un micrófono MEMS digital, el amplificador está integrado junto a un Convertidor Analógico-Digital (ADC) para proporcionar una salida digital, ya sea en una modulación de la señal por densidad de impulsos,  (Pulse Density Modulated - PDM) o en formato I2S. En la siguiente figura, la parte superior nos muestra el diagrama en bloques de un micrófono MEMS con salida PDM y la inferior presenta el de un micrófono digital con salida I2S (Inter-IC Sound Bus) típica. El micrófono I2S contiene toda la circuitería digital que tiene un micrófono PDM y también agrega un “Decimation Filter”, más conocido como “Filtro Anti-Aliasing” y un puerto serie para la salida del audio digital.

Diagrama en bloques de Micrófonos MEMS Digitales

El encapsulado que contiene al micrófono MEMS es único y en él se encuentran los dispositivos semiconductores, donde además, por lógica, hay un orificio estratégico para que la energía acústica pueda alcanzar el elemento transductor. Una tapa resistente se encarga de cubrir y encerrar el transductor y el ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) que se encargará de trabajar como pre-amplificador de audio. En las siguientes imágenes se puede ver el transductor MEMS sobre la izquierda y el ASIC en el lado derecho, ambos montados sobre el encapsulado y recubiertos con epoxi. El micrófono digital tiene alambres de conexión adicionales para conectar las señales digitales desde el ASIC hacia la placa de conexiones al exterior, respecto al modelo analógico.

Aspecto físico interior de micrófonos MEMS

Micrófonos MEMS Analógicos
La impedancia de salida de un micrófono MEMS analógico suele ser de unos pocos cientos de Ohms. Esto es algo elevado respecto a la baja impedancia de salida que normalmente posee un amplificador operacional, pero es lo que se necesita para estar en correspondencia con la impedancia de la etapa siguiente, dentro de una cadena de audio, inmediatamente después de un micrófono. Una etapa de baja impedancia a la salida del micrófono atenuaría el nivel de la señal,  por ejemplo, algunos codificadores de audio (analógico a digital) tienen un amplificador de ganancia programable (Programmable Gain Amplifier, PGA) antes del ADC. Con los ajustes de alta ganancia, la impedancia de entrada del PGA puede ser sólo de un par de miles de Ohms. Dentro de un micrófono MEMS, un PGA con una impedancia de entrada de 2K (2 mil Ohms) y con una impedancia de 200Ohms  de salida, puede atenuar el nivel de la señal de salida en casi un 10%. La salida de un micrófono MEMS analógico, por lo general, está limitada a una tensión de corriente continua en algún lugar entre GND y la tensión de alimentación. La presencia de esta polarización de corriente continua también significa que la señal recuperada de audio desde el micrófono será acoplada en alterna a la siguiente etapa de amplificación. La siguiente imagen muestra un ejemplo de un circuito típico, con un micrófono MEMS analógico, conectado a un amplificador operacional en una configuración no inversora.

Clásica conexión de un micrófono MEMS analógico a través de una entrada no-inversora de un AO

Micrófonos MEMS Digitales
Los micrófonos MEMS digitales basan sus funciones en la conversión analógica a digital desde el códec incorporado dentro del mismo micrófono, lo que permite una ruta de captura de audio totalmente digital desde el micrófono hasta el procesador. Los micrófonos MEMS digitales se utilizan a menudo en aplicaciones en las que las señales de audio analógicas de tan bajo nivel pueden ser susceptibles a interferencias. Por ejemplo, en una Tablet PC, la colocación del micrófono puede estar próxima al procesador digital de audio de entrada, por lo que esta señal se puede manipular sin inconvenientes cerca de elementos que manejan la conectividad Wi-Fi, Bluetooth o de telefonía móvil del dispositivo inteligente en el que estén incorporados. Al manipular estas conexiones digitales, éste tipo de micrófonos son menos propensos a captar interferencias de RF y a producir ruido o distorsión en la señal de audio obtenida desde el exterior. Esta mejora en el rechazo al ruido no deseado proporciona al sistema una mayor flexibilidad en la colocación del micrófono dentro del diseño, es decir, no será necesario tomar precauciones de alejarlo de determinadas fuentes posibles de ruido. Otra ventaja de este tipo de micrófonos se encuentra en los sistemas que sólo necesitan la captura de audio y no la reproducción, como puede ser una cámara de vigilancia. Un micrófono de salida digital elimina la necesidad de un procesador digital o convertidor ADC separado y en consecuencia, el micrófono se puede conectar directamente a un procesador digital.

Conexión de múltiples micrófonos PDM a un códec de procesamiento de datos.

Codificación PDM
PDM es la interfaz más común para los micrófonos digitales. Este formato permite que dos micrófonos puedan compartir un reloj común y la línea de datos, como vemos en la imagen superior. Los micrófonos están configurados para generar cada uno su salida en un flanco diferente de la señal de reloj (clock). Esto evita que las salidas de los dos micrófonos entren en actividad simultánea entre ellos, por lo que el diseñador puede estar seguro de que los datos de cada uno de los dos canales se capturan de forma correcta, sin conflictos de datos recuperados. En el peor de los casos, los datos capturados desde los dos micrófonos serán separados en el tiempo por un lapso de tiempo equivalente a la mitad de un período de la señal de reloj. La frecuencia de reloj es típicamente alrededor de 3MHz, lo que daría lugar a una diferencia de tiempo entre canales (entre microfónos) de sólo 0,16 ms; muy por debajo del umbral donde un oyente pueda darse cuenta. Esta misma sincronización se puede extender a sistemas con múltiples micrófonos PDM y por simple deducción podemos observar que, con micrófonos analógicos, esta sincronización debería realizarse por multiplexado dentro del ADC, en el procesador digital.

      Ejemplo de conexión de un sistema de dos micrófonos utilizando I2S

Interfaz I2S
I2S ha sido una interfaz digital para convertidores y procesadores de audio durante muchos años, pero sólo recientemente se integra en un dispositivo ubicado en el extremo de la cadena de señal, como es el caso de un micrófono. Un micrófono I2S tiene los mismos beneficios de diseño como un micrófono PDM, pero en lugar de brindar una salida de alta tasa de muestreo, como sucede con el método PDM, los datos digitales se obtienen “limpios” y “definidos”, libres de toda señal de clock que pueda inducir errores o interferencias con los datos específicos. En un micrófono PDM, esta “limpieza” ocurre dentro del códec o DSP integrado en el procesador de audio con el conocido “Filtro Anti-Aliasing” pero en un micrófono I2S, este procesamiento se realiza directamente en el interior del micrófono. Un micrófono I2S se puede conectar directamente a un microcontrolador o un DSP para el procesamiento de esta interfaz estándar. Al igual que con los micrófonos PDM, dos micrófonos de tecnología I2S se pueden conectar a una línea de datos común, aunque debemos diferenciar que el formato I2S utiliza dos señales de reloj, un reloj de palabras y un reloj de bits, en lugar de un  solo reloj como utiliza el sistema PDM.  
            

Aspecto físico de los micrófonos MEMS analógicos y digitales.

Seguramente te has cansado de hablar ante el micrófono de tu moderno teléfono móvil inteligente y nunca habías caído en la cuenta de que hace mucho estabas utilizando una tecnología que hoy estás enterándote de su existencia y de cómo funciona. Micrófonos MEMS, un paso más en la minuaturización de la electrónica diaria.