MEMS 마이크 인터페이스: 아날로그 출력과 디지털 출력 비교

초소형 전자 기계 시스템(MEMS:Micro-Electro-Mechanical Systems) 마이크를 활용하면 첨단 통신 및 모니터링 기능을 다양한 장치에 결합할 수 있습니다. 가정용 디지털 어시스턴트와 음성 지원 네비게이션 장치는 현재 음성 제어 전자 제품에서 큰 성장을 주도하며 인기를 얻고 있는 대표적인 분야입니다. 최근 MEMS 기술이 마이크 분야에서 주도권을 잡고 있으므로, MEMS 마이크의 다양한 전기적 인터페이스와 그 작동 방법을 살펴보고자 합니다. 이 기사에서는 가장 널리 사용되고 있는 아날로그, 디지털 PDM, 디지털 I²S의 세 가지 옵션의 장단점과 그 구현 방식을 검토하고 이를 비교합니다.

MEMS 마이크의 기본 구조

MEMS 마이크는 통상적으로 두 개의 반도체 칩을 단일 패키지에 통합하여 구성됩니다. 첫 번째 반도체 칩은 음파를 전기 신호로 변환하는 MEMS 멤브레인으로 이루어지며, 두 번째 칩은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 통합될 수 있는 증폭기로 구성됩니다. MEMS 마이크에 ADC가 없는 경우에는 사용자에게 아날로그 출력 신호가 제공되며, ADC가 있는 경우 디지털 출력 신호가 제공됩니다.

아날로그 출력 개요

아래 그림 1에 표시된 것처럼, 아날로그 출력만 되는 MEMS 마이크는 호스트 회로에 간단한 인터페이스를 제공합니다. 이 경우 마이크에 내장된 증폭기가 아날로그 출력 신호를 구동하며, 아날로그 신호는 이미 적절한 크기의 신호 레벨이며 상대적으로 낮은 출력 임피던스를 가진다는 점이 주목할 가치가 있습니다.

호스트 회로의 DC 입력 전압과 MEMS 마이크의 DC 출력 전압을 일치시킬 필요가 없도록, DC 차단 커패시터(C1)가 사용됩니다. C1과 R1의 조합은 원하는 오디오 주파수 신호가 호스트 회로에 허용 가능한 감쇠 수준으로 전송되는 것을 보장하도록 충분히 낮게 설정되어야 하는 극 주파수(Pole Frequency)를 형성합니다(예, 최소 오디오 주파수 범위 20Hz, 1/(2πR1*C1) < 20Hz).

그림 1: 외부 증폭기에 연결된 아날로그 MEMS 마이크. (이미지 출처: Same Sky)

디지털 출력 개요

디지털 인터페이스를 갖춘 MEMS 마이크는 주로 펄스 밀도 변조(PDM) 또는 I²S를 사용하여 출력 신호를 인코딩합니다. PDM에서는 아날로그 신호 전압이 상응하는 논리 High 신호의 밀도가 포함된 단일 비트 디지털 스트림으로 변환됩니다. PDM의 장점은 전기적 잡음에 대한 내성, 비트 오류의 허용 오차 범위, 간단명료한 하드웨어 인터페이스 등 다양합니다.

그림 2는 호스트 회로에 단일 디지털 PDM 마이크를 연결할 수 있는 방법을 보여줍니다. 그림에서의 'Select' 핀은 클록 신호의 상승 에지에서 데이터가 인가되는지 또는 하강 에지에서 어설션되는지 여부의 결정을 위해 Vdd나 Gnd에 연결될 수 있습니다.

그림 2: 디지털 PDM MEMS 마이크의 단일 연결. (이미지 출처: Same Sky)

그림 3은 공유 클록 및 데이터 회선을 사용하여 호스트 회로에 2개의 디지털 PDM MEMS 마이크를 연결하는 방법을 보여줍니다. 이러한 구성은 스테레오 마이크를 구현할 때 자주 사용됩니다.

그림 3: 클록 및 데이터 회선을 사용하여 두 개의 디지털 PDM MEMS 마이크 연결 (이미지 출처: Same Sky)

디지털 I²S 출력 MEMS 마이크는 PDM 출력과 필적할 만한 시스템 이점을 제공합니다. 이 마이크에는 내부 데시메이션 필터가 있어 표준 오디오 샘플링 속도를 구현하여 인터페이스 및 공정을 간소화합니다. 내부적으로 발생하는 데시메이션 공정으로 인해 디지털 I²S MEMS 마이크는 디지털 신호 프로세서(DSP)나 기타 컨트롤러에 직접 연결할 수 있습니다. 따라서 출력된 데이터를 처리하기 위해 ADC나 코덱이 필요하지 않으므로, 최종 응용 제품에서 시스템 설계 비용이 절감되고 공간을 절약할 수 있습니다.

디지털 PDM MEMS 마이크와 마찬가지로 공통 데이터 회선을 사용하여 두 개의 디지털 I²S MEMS 마이크를 연결할 수 있습니다. 그러나 이 구성에는 워드 클록과 비트 클록 외에도 두 개의 클록 신호가 더 필요합니다.

아날로그와 디지털 중 어떤 것을 선택해야 할까요?

전기 공학적 입장에서 보면, MEMS 마이크를 아날로그로 출력할 것인지 디지털로 출력할 것인지의 선택은 출력 신호의 용도에 달려 있습니다. 아날로그 출력 신호는 간단한 확성기나 무선 통신 시스템과 같이 호스트 시스템 내에서 아날로그 출력 신호 처리를 위해 증폭기에 연결되는 응용 제품에 적합합니다. 아날로그 출력을 지원하는 MEMS 마이크는 ADC가 필요하지 않으므로 디지털 출력을 지원하는 마이크에 비해 전력 소비도 적습니다.

하지만 마이크로 컨트롤러 또는 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 디지털 회로에서 신호가 사용될 경우에는 디지털 출력 신호를 지원하는 MEMS 마이크의 사용이 더 바람직합니다. 디지털 출력 신호는 기존 아날로그 신호에 비해 전기적 잡음에 대한 내성이 더 뛰어나므로 전기적으로 잡음이 많은 환경에서도 유용합니다.

결론

MEMS 마이크 기술은 점점 더 대중화되고 있으며 그 사용량도 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 따라서 사용 가능한 다양한 구성과 이를 구체적으로 활용해 사례에 적용할 수 있는 방법을 알아보는 것이 중요합니다. MEMS 마이크에 대한 아날로그 출력 또는 디지털 출력 여부를 결정할 때, 최적의 성능을 보장하기 위해서는 출력 신호가 사용되는 방식과 계획 중인 시스템 구현 방식을 고려해야 합니다. Same Sky는 다양한 사운드 응용 분야의 요구 사항을 해결하기 위해 아날로그, 디지털 PDM 및 디지털 I²S MEMS 마이크와 다양한 오디오 부품 솔루션을 공급합니다.