MEMS 마이크의 디지털 PDM과 I²S 인터페이스의 비교

마이크는 여러 해 동안 내장형 시스템에 활용되어 왔습니다. 그러나 MEMS 마이크는 처음 출시된 이후 가정, 자동차 및 웨어러블 기기에서 음성 기반 응용 제품의 범위가 계속 확장됨에 따라 시장 사용량이 계속적으로 증가하고 있습니다. MEMS 마이크는 실장 면적 감소, 저전력 요구 사항 및 향상된 전기 잡음 내성의 이점을 제공할 뿐만 아니라 여러 출력 옵션을 통해 설계 유연성을 향상시킵니다. 아날로그 출력 MEMS 마이크는 여전히 엔지니어와 펄스 밀도 변조(PDM) 및 IC 간 사운드(I²S) 같은 디지털 출력에 대한 선택 사항입니다.

이 기사에서는 이러한 두 디지털 인터페이스에 대해 자세히 설명하고 고유한 특성과 함께 시스템 설계와 관련된 장점 및 단점을 간략하게 설명합니다. 엔지니어가 어떤 기술을 선택할지는 두 기술을 검토하고 각 프로토콜이 특정 응용 조건에 더 적합할 수 있는 방법을 이해하는 것으로 귀결됩니다. 고려해야 할 주요 사항에는 다음이 포함됩니다.

• 오디오 품질
• 전력 소비
• 자재 명세서(BOM) 비용
• 설계의 공간 제약 사항
• 하드웨어의 작동 환경

펄스 밀도 변조(PDM) 개요

아날로그 신호 전압을 단일 비트 펄스 밀도 변조 디지털 스트림으로 변환하는 데 사용되는 PDM 신호는 오디오에서 볼 수 있는 일반적인 횡파보다는 종파와 더 유사합니다. 그러나, 이는 아날로그 신호를 디지털로 표현한 것입니다.

그림 1: PDM 프로토콜 (이미지 출처: Same Sky)

위의 그림 1은 아날로그 신호 진폭이 증가함에 따라 high 비트의 밀도가 증가하는 방식을 보여줍니다. 결과적으로, 아날로그 신호 진폭의 하단을 나타낼 때 디지털 신호는 더 오랜 기간에 걸쳐 low 값으로 유지됩니다. 이를 통해, 아날로그 신호와 계속 직접적인 상관 관계를 유지하면서 디지털 신호의 여러 이점을 제공하는 신호가 생성됩니다. 이를 달성하려면 PDM 신호에 3MHz보다 높은 샘플링 속도가 필요합니다. 디지털 펄스는 제시된 아날로그 신호의 발진보다 훨씬 자주 발생해야 하기 때문입니다.

PDM의 디지털 특성은 아날로그 신호와 비교하여 전기적으로 잡음이 있는 환경에 대해 훨씬 더 큰 복원력을 제공합니다. 또한 신호 저하 문제가 발생할 경우 향상된 비트 오류 허용 오차 범위를 갖습니다. 그러나 신호의 고주파 특성으로 인해 더 긴 전송 라인에서 정전 용량이 증가하여 원치 않는 감쇠가 발생할 수 있고 결과적으로 오디오 품질이 저하되기 때문에 거리 제약이 발생합니다. PDM 신호는 또한 다른 장치에서 사용할 수 있도록 PDM 신호를 저역 통과 필터를 통과시켜 더 낮은 샘플 속도로 데시메이션하거나 다운샘플링하기 위해 적절한 코덱을 가진 외부 DSP 또는 마이크로 컨트롤러에 의한 추가 처리가 필요합니다. 개념이 단순하다는 것은 PDM 장치에 두 개의 신호만 필요함을 의미하므로, 일반적으로 전력 사용량이 적고 실장 면적이 작기 때문에 비용이 적게 듭니다. 이러한 장점은 PDM 장치에서 오는 신호를 처리하기 위한 추가 회로망의 비용을 대가로 합니다.

IC 간 사운드(I²S) 개요

I²S는 원래 1980년대 중반에 등장했지만 최근 마이크 및 기타 소형 장치에 도입되기 시작한 또 다른 인기 있는 디지털 인터페이스 옵션입니다. I²S와 PDM은 둘 모두 이중 채널 인터페이스지만 이것이 유일한 공통점입니다. 또한 I²S와 I²C 프로토콜을 비교할 때 종종 추정된 관계 또는 혼동이 있지만 이러한 이름은 순전히 우연의 일치입니다.

그림 2: IC 간 사운드 프로토콜(이미지 출처: Same Sky)

I²S는 PDM과 달리 완전히 디지털 신호이므로 인코딩이나 디코딩이 필요하지 않습니다. 이 프로토콜은 클록, 데이터 및 '워드 선택' 라인을 특징으로 하는 3선 직렬 프로토콜로서, '워드 선택'은 전송되는 데이터가 연결된 오른쪽 채널 또는 왼쪽 채널을 나타냅니다. 일반적으로 요구되는 데이터 전송 속도는 없지만 전송된 데이터와 해당 정밀도에 따라 달라지는 최저 속도가 있습니다. 예를 들어, 오디오 샘플 속도가 업계 표준인 44.1kHz(8비트의 정밀도)인 경우 모노 채널에는 최소 352.8kHz의 클록 속도가 필요합니다. 이는 스테레오 응용 제품의 경우 705.6kHz로 두 배가 됩니다. 정밀도가 변경되면 최소 전송 대역폭도 변경됩니다.

샘플 주파수 * 데이터 정밀도 * 채널 수 = 대역폭

44,100Hz * 8비트 * 2채널 = 705,600Hz

I²S의 주요 이점은 내장 필터를 통해 내부 코덱을 활용한다는 것입니다. PDM은 샘플 속도를 낮추기 위해 외부 코덱을 필요로 하는 반면, I²S를 사용하는 오디오 신호의 데이터 전송률은 DSP에 도착할 때 이미 허용 가능한 레벨로 전달됩니다. 따라서 전체 설계 내에서 캡처된 오디오 데이터를 처리하는 데 필요한 추가 부품이 없기 때문에 I²S는 완전히 독립적이고 에너지 효율적인 배터리 구동식 작동이 중요한 응용 제품에 매우 적합합니다. 추가 외부 부품의 필요 없이 콤팩트한 설계(예: 웨어러블)의 비용 절감 및 공간 절약도 핵심 요소가 될 수 있습니다.

전체 시스템 설계를 살펴볼 때 DSP 기능이 이미 설치되어 있는지 확인해야 합니다. 설치되어 있다면 설계의 내장 DSP 기능을 활용할 수 있는 PDM 장치가 I²S보다 더 나은 선택이 될 수 있으며, 이는 궁극적으로 3개 신호 라인으로 인해 더 많은 전력과 리소스를 소비하게 됩니다.

PDM 대 I²S

PDM은 더 나은 비트 오류 허용 오차 범위 및 잡음 내성으로 인해, 오디오 품질이 우선시되는 응용 분야에 매력적인 옵션을 제공합니다. 반면 I²S는 설치가 용이하고 실장 면적이 작으며 처리를 위한 외부 부품이 필요 없기 때문에 공간 제약이나 BOM 비용이 우려되는 경우에 확실한 선택입니다. I²S는 또한 장거리에서 더 높은 신호 품질을 제공할 수 있으므로, PCB에서 마이크와 처리 회로망이 서로 가까이 위치하지 않는 한 PDM보다 더 나은 선택이 됩니다. 즉, I²S는 케이블 또는 다른 전송 장치를 통한 전송을 위해 특별히 설계되지 않았으므로 극단으로 사용될 수 없습니다. 대부분의 장치가 적절한 임피던스 정합을 갖지 못하기 때문입니다. 결국에는, 최종 결정을 내리기 위해 응용 제품, 사용 가능한 부품 및 예상 데이터 속도 요구 사항에 대한 추가 연구가 필요합니다.

요약

MEMS 마이크는 광범위한 전자 장치에서 계속 더 다양하게 활용되고 있으며, 아날로그든 디지털이든 관계없이 적절한 인터페이스를 선택하는 것은 최종 응용 제품에서 최상의 결과를 얻는 데 중요합니다. Same Sky는 MEMS 마이크에 대한 광범위한 포트폴리오를 보유하고 있으므로 다양한 오디오 시스템 요구 사항을 해결할 수 있습니다. 아날로그 인터페이스 장치 외에도 다양한 PDM 및 I²S 디지털 인터페이스 마이크를 쉽게 사용할 수 있습니다.