Администрирование Железо INMP441: цифровой микрофон с интерфейсом I2S Tue, August 11 2020  

Поделиться

Нашли опечатку?

Пожалуйста, сообщите об этом - просто выделите ошибочное слово или фразу и нажмите Shift Enter.

INMP441: цифровой микрофон с интерфейсом I2S Печать
Добавил(а) microsin   

INMP441 это высокопроизводительный, всенаправленный MEMS-микрофон с низким энергопотреблением, цифровым выходом I2S. Порт, через который улавливается звук, расположен на нижней стороне миниатюрного корпуса (со стороны пайки). В схему INMP441 интегрирован MEMS-сенсор, блок улучшения качества сигнала, аналого-цифровой преобразователь, антиалиасинговый фильтр, система управления питанием и стандартный 24-битный интерфейс I2S. Интерфейс I2S позволяет подключить INMP441 непосредственно к цифровым процессорам (процессоры DSP и микроконтроллеры), без необходимости применения аудиокодека. INMP441 совместим с требованиями TIA-920 Telecommunications Telephone Terminal Equipment Transmission для стандарта телефонии Wideband Digital Wireline.

У микрофона INMP441 высокое соотношение сигнал/шум (SNR), что делает его отличным выбором для широкого спектра приложений (смартфоны, системы управления голосом, игровые консоли, наладонники, системы безопасности). Частотная характеристика у INMP441 плоская, что позволяет получить естественный звук с высокой разборчивостью.

INMP441 изготовлен в тонком прямоугольном корпусе 4.72 x 3.76 x 1 мм, предназначенном для поверхностного монтажа на печатную плату. Он совместим с технологией пайки волной без потери чувствительности микрофона. INMP441 изготавливается без использования галогенида.

Основные функции и параметры микрофона INMP441:

• Цифровой интерфейс I2S с высоким разрешением 24-битных данных
• Высокий коэффициент SNR 61 dBA
• Высокая чувствительность -26 dBFS
• Плоская АЧХ от 60 Гц до 15 кГц
• Низкий ток потребления 1.4 мА
• Высокий коэффициент подавления пульсаций по питанию PSR -75 dBFS
• Малые размеры корпуса 4.72 x 3.76 x 1 мм
• Соответствует техпроцессу пайки олово/свинец (Sn/Pb) и бессвинцовому техпроцессу (Pb-Free) пайки
• Совместим со стандартами RoHS/WEEE

Функциональная блок-схема:

INMP441 functional block diagram

Информация о покупке:

Модель Температурный диапазон Корпус Количество
INMP441ACEZ-R0* −40°C .. +85°C 9-Terminal LGA_CAV 4500
INMP441ACEZ-R7† −40°C .. +85°C 9-Terminal LGA_CAV 1000
EV_INMP441-FX - Гибкая оценочная плата -
EV_INMP441 - Оценочная плата -

Примечания:

* – вариант поставки 13” Tape and Reel.
† – вариант поставки 7” Tape and reel устарел. Обращайтесь на sales@invensense.com для получения информации о доступности.

Внешний вид корпуса:

INMP441 package common bottom view INMP441 package common top view
Вид снизу Вид сверху

Платка с микрофоном INMP441, которую можно купить на AliExpress, стоит порядка $2:

INMP441 AliExpress1 INMP441 AliExpress2

Условия оценки параметров TA = −40 .. 85°C, VDD = 1.8 .. 3.3 V, CLK = 2.4 МГц, CLOAD = 30 пФ, если не указано нечто другое. Минимальные и максимальные спецификации таблиц 1, 2, 3 гарантируются в указанном диапазоне температуры, напряжения питания и тактов, если не указано что-то другое. Типовые параметры не гарантируются.

Таблица 1. Электрические характеристики.

Параметр Условия MIN TYP MAX Ед.
Производительность
Диаграмма направленности     Всенаправленная    
Чувствительность(1) 1 кГц, 94 dB SPL -29 -26 -23 dBFS
Соотношение сигнал/шум (SNR) 20 Гц .. 20 кГц, A-weighted   61   dBA
Эквивалентный входной шум (EIN)   44   dBA SPL
Динамический диапазон Получено на основе EIN и максимума на звуковом входе   87   dB
АЧХ(2) Срез по НЧ по уровню -3 dB   60   Гц
  Срез по ВЧ по уровню -3 dB   15   кГц
Общий коэффициент гармонических искажений (THD) 105 dB SPL     3 %
Подавление помех по питанию (PSR) 217 Гц, 100 mVp-p наложенный прямоугольный сигнал VDD = 1.8 V   -75   dBFS
Максимум звука по входу Уровень по пику   120   dB SPL
Шумовая полка 20 Гц .. 20 кГц, A-weighted, RMS   -87   dBFS
Питание
Напряжение питания (VDD)   1.62   3.63 V
Ток потребления (IS)          
VDD = 1.8V Normal Mode   1.4 1.6 мА
Standby     0.8 мА
Power Down     2 мкА
VDD = 3.3V Normal Mode   2.2 2.5 мА
Standby     0.8 мА
Power Down     4.5 мкА
Цифровой фильтр
Групповая задержка       17.2/fS сек
fS = 48 кГц     359 мкс
fS = 16 кГц     1078 мкс
Неравномерность в полосе пропускания       ±0.04 dB
Затухание в диапазоне подавления     60   dB
Верхняя частота полосы пропускания 0.423 × fS   20.3   кГц

Примечания:

(1) Отношение амплитуды пик-пи (224 − 1.) Синусоидальный сигнал 104 dB SPL с амплитудой RMS соответствует звуковому давлению 3.1623 Pa. Чувствительность относительно 1 Pa.
(2) См. рис. 4 и 5.

Таблица 2. Характеристики I2S цифровых входов/выходов.

Параметр Условия MIN TYP MAX Ед.
Цифровой вход(1)
Входное напряжение лог. 1 (VIH)
L/R, WS, SCK 0.7 x VDD   VDD V
Входное напряжение лог. 0 (VIL)
0   0.25 x VDD V
Цифровой выход SD(1)
Voltage Output Low (VOL) VDD = 1.8V, ISINK = 0.25 мА     0.1 × VDD  V
Voltage Output Low (VOL) VDD = 1.8V, ISINK = 0.7 мА     0.3 × VDD V
Voltage Output High (VOH) VDD = 1.8V, ISINK = 0.7 мА 0.7 × VDD     V
Voltage Output High (VOH) VDD = 1.8V, ISINK = 0.25 мА 0.9 × VDD     V
Voltage Output Low (VOL) VDD = 3.3V, ISINK = 0.5 мА     0.1 × VDD V
Voltage Output Low (VOL) VDD = 3.3V, ISINK = 1.7 мА     0.3 × VDD V
Voltage Output High (VOH) VDD = 3.3V, ISINK = 1.7 мА 0.7 × VDD     V
Voltage Output High (VOH) VDD = 3.3V, ISINK = 0.5 мА 0.9 × VDD     V

Примечание (1): пределы базируются на результатах проверки характеристик, при производстве они не проверяются.

Параметр Условия MIN TYP MAX Ед.
tSCH SCK = лог. 1 50     нс
tSCL SCK = лог. 0 50     нс
tSCP Период SCK 312     нс
fSCK Частота SCK 0.5   3.2 МГц
tWSS Время установки WS 0     нс
tWSH Удержание WS 20     нс
fWS Частота WS 7.8   50 кГц

INMP441 Serial Data Port Timing fig01

Рис. 1. Диаграмма времени последовательных данных.

[Предельные допустимые максимальные значения]

Стресс, превышающий значения в таблице 4, может необратимо повредить устройство. Не подразумевается функционирование устройства под указанными стрессовыми значениями. Работа устройства в условиях максимально допустимых значений может повлиять на надежность устройства.

Таблица 4. Предельные допустимые максимальные значения.

Параметр Значения
Напряжение питания (VDD) -0.3V .. +3.63V
Входное напряжение цифрового входа -0.3V .. VDD +0.3V или 3.63V
Уровень звукового давления 160 dB
Механический удар (ускорение) 10.000 g
Вибрация По методу MIL-STD-883 2007, Test Condition B
Рабочий температурный диапазон -40°C .. +85°C
Температурный диапазон хранения -55°C .. +150°C

Предупреждение по электростатике (ESD): это устройство чувствительно к статике. Устройства и печатные платы, на которых они установлены, могут неожиданно разрядить свою статику. Несмотря на то, что в устройстве применяется патентованная защита от статики, разряд ESD слишком высокой энергии может все равно повредить устройство. Таким образом, необходимо соблюдать рекомендации по защите от ESD, чтобы избежать ухудшения производительности или потери функциональности.

[Типовые характеристики производительности]

INMP441 Frequency Response Mask fig04

Рис. 4. Маска ответа по частоте.

INMP441 Typical Frequency Response fig05

Рис. 5. АЧХ (измеренная).

INMP441 Power Supply Rejection vs Frequency fig06

Рис. 6. Подавление помех по питанию (Power-Supply Rejection, PSR) в зависимости от частоты.

[Описание функций выводов INMP441]

INMP441 pinout fig03

Рис. 3. Цоколовка выводов (вид с нижней стороны корпуса).

Таблица 6. Выводы INMP441 и их функциональное назначение.

Имя Функция
1 SCK Такты данных последовательного интерфейса I2S.
2 SD Выход последовательных данных интерфейса I2S. Этот вывод переходит в третье состояние, когда не активен для вывода соответствующего выходного канал. Сигнал SD должен быть подтянут к земле pull-down резистором 100 кОм для разряда линии во время, когда все микрофоны перевели свои выходы в третье состояние.
3 WS Выбор последовательного слова данных интерфейса I2S.
4 L/R Выбор левого (L) / правого (R) канала. Когда установлен в лог. 0, микрофон выводит сигнал левого канала во фрейме I2S. Когда установлен в лог. 1, микрофон выводит сигнал правого канала.
5 GND Земля, подключается к земле на печатной плате.
6 GND Земля, подключается к земле на печатной плате.
7 VDD Напряжение питания от 1.8V до 3.3V. Этот вывод должен быть развязан на вывод 6 конденсатором 0.1 мкФ.
8 CHIPEN Разрешение работы микрофона. Когда установлен в лог. 0 (земля), микрофон запрещен и переведен в режим power-down. Когда установлен в лог. 1 (VDD), работа микрофона разрешена.
9 GND Земля, подключается к земле на печатной плате.

[Чувствительность]

Конечные пользователи часто неправильно понимают параметр чувствительности цифровых микрофонов. В отличие от аналогового микрофона, у которого чувствительность можно легко оценить по уровню сигнала с помощью усилителя и осциллографа, выходной сигнал цифрового микрофона оценивается не такими очевидными измерениями.

Чувствительность микрофона по выходным данным PDM выражается в единицах dBFS (децибелы, показывающие отношение к полной шкале на цифровом выходе). Синусоидальный сигнал 0 dBFS определяется как сигнал с пиковым максимальным значением, который только что достиг полной шкалы кода цифрового слова (см. рис. 5 во врезке "Параметры микрофона INMP441"). Такое соглашение об измерении означает, что сигналы с другим коэффициентом гребня могут иметь среднеквадратичный (RMS) уровень выше 0dBFS. Например, полноразмерный прямоугольный сигнал имеет RMS-уровень 3 dBFS.

INMP441 1kHz 0dBFS Sine Wave fig11

Рис. 11. Синусоидальный сигнал 1 кГц с уровнем 0 dBFS.

Следует понимать определение сигнала 0 dBFS, когда измеряется чувствительность INMP441. Входной синусоидальный акустический сигнал 1 кГц на уровне 94 dB SPL, приложенный к INMP441 в результате дает выходной сигал с уровнем -26 dBFS. Это означает, что выходное цифровое слово достигает пика на -26 дБ ниже цифрового уровня полной шкалы. Распространенное недоразумение состоит в том, что выходной сигнал имеет уровень RMS -29 dBFS. Однако это не так из-за определения синусоидальной волны 0 dBFS.

Не существует общепринятой единицы измерения для выражения мгновенного уровня цифрового сигнала, выводимого из микрофона, в отличие от среднеквадратичного уровня сигнала (RMS). Некоторые системы измерений выражают мгновенный уровень индивидуальной выборки в единицах D, где 1.0 D соответствует полной цифровой шкале (см. рис. 11). В этом случае -26 dBFS синусоидального сигнала получит пик уровня на 0.05 D.

У микрофона INMP441 номинальная чувствительность составляет -26 dBFS на частоте 1 кГц при поступающем уровне звукового давления 94 dB. Здесь единицы представлены в децибелах по отношению к полной шкале (Full Scale, FS). По умолчанию у INMP441 выходное слово, соответствующее пиковому максимальному уровню, равно 223 - 1 (целочисленное представление), и -26 dBFS от этой шкалы соответствует значению (223 - 1) x 10(-26/20) = 420.426. Чистый звуковой тон на частоте 1 кГц с амплитудой 1Pa RMS приведет к выходному цифровому сигналу с пиковой амплитудой  420.426.

Хотя в индустрии используется стандартная спецификация 94 dB SPL, метод тестирования INMP441 подразумевает подачу сигнала 104 dB SPL. Повышенное звуковое давление уменьшает шум и улучшает разборчивость сигнала. У микрофона INMP441 превосходная линейность по усилению, и результат теста чувствительности на 94 dB с очень высокой точностью вычисляется из тестовых данных.

Для дополнительной информации по чувствительности цифрового микрофона см. апноут AN-1112 [2].

[Управление питанием]

У INMP441 имеется 3 различных состояния энергопотребления (power states): normal operation, standby mode и power-down mode.

Normal Operation. Это нормальное рабочее состояние, в которое микрофон переходит при прохождении 218 тактовых перепадов (что составит задержку 85 мс при частоте тактов SCK 3.072 МГц) после начальной подачи питания. После этого ножка CHIPEN управляет режимами энергопотребления. INMP441 находится в normal operation, когда активны такты SCK, и на выводе CHIPEN уровень лог. 1.

Standby Mode. Микрофон входит в режим standby (приостановка), когда прекращается подача тактов SCK, и на выводе CHIPEN лог. 1. После возобновления подачи тактов SCK возврат в нормальный режим происходит через 214 тактов (5 мс при частоте тактов SCK 3.072 МГц).

The INMP441 не должен переходить из режима standby в режим power-down или наоборот. Режим standby предназначен только для перехода в нормальный рабочий режим (normal operation).

Power-Down Mode. Микрофон входит в режим power-down (выключено), когда на выводе CHIPEN лог. 0, независимо от частоты тактов SCK и их наличия. Возобновление нормального режима происходит через 217 периодов тактов SCK (43 мс при частоте тактов SCK 3.072 МГц) после возврата CHIPEN в лог. 1, при условии активности сигнала SCK.

Не рекомендуется подавать активные такты (WS на SCK) на INMP441, когда не подано напряжение питания на VDD. Если не подавать VDD и при этом подавать тактовые сигналы, то это откроет защитные диоды по входу (защита от статического электричества ESD), что может повлиять на долгосрочную надежность микрофона.

Startup. Это время старта. Микрофон выдает лог. 0 на выходе после подачи питания в течение 218 периодов тактов SCK(85 мс при частоте тактов SCK 3.072 МГц).

[Интерфейс данных I2S]

Последовательный порт данных, работающий как подчиненное устройство (slave serial-data port), поддерживает формат I2S, 24 бита, число в дополнительном коде. На шине должно быть 64 такта SCK для каждого фрейма стерео WS, или 32 SCK такта на слово данных. Ножка управления L/R определяет, данные какого канала выводи INMP441. Для приложения стерео выводы данных SD левого и правого микрофонов INMP441 соединяются параллельно, как показано на рис. 7. Формат данных потока стерео I2S показан на рис. 8. Рисунки 9 и 10 показывают форматы потока данных моно микрофона для левого и правого микрофонов соответственно.

Режим вывода данных. Сигнал вывода данных (SD) переходит в третье состояние (Hi-Z, выключено), когда он не активен при выводе данных I2S. SD немедленно переходит в третье состояние после вывода самого младшего бита (LSB), чтобы другой микрофон мог управлять общей линией данных.

Линия SD должна быть снабжена нижним подтягивающим резистором (pull-down), чтобы разрядить линию в интервале времени, когда все микрофоны на шине перевели свои выходы в третье состояние. Для этой цели достаточен резистор на 100 кОм, как показано на рис. 7.

Длина слова данных. Длина слова данных составляет 24 бита на канал. INMP441 должен всегда получать 64 периода тактов для каждого слова данных стерео (fSCK = 64 x fWS).

Формат слова данных. По умолчанию данные выводятся в формате I2S (в дополнительном коде), старший бит идет первым (MSB-first). В этом формате MSB каждого слова задерживается на один такт SCK от начала каждой половины фрейма.

INMP441 System Block Diagram fig07

Рис. 7. Блок-схема системы.

INMP441 Stereo Output I2S Format fig08

Рис. 8. Формат выходного стерео сигнала I2S.

INMP441 Mono Output I2S Format Left Channel fig09

Рис. 9. Формат выходного моно сигнала I2S, левый канал (L/R = 0).

INMP441 Mono Output I2S Format Right Channel fig10

Рис. 10. Формат выходного моно сигнала I2S, правый канал (L/R = 1).

Синхронизация микрофонов. Стерео микрофоны INMP441 синхронизируются сигналом WS так, что захват звука от двух микрофонов использует один и тот же сигнал тактов, и микрофоны работают синхронно. Если микрофоны были разрешены по отдельности, эта синхронизация может занять до 0.35 мс после того, как был установлен сигнал разрешения, в то время как внутренние пути распространения данных очищаются.

Характеристики цифрового фильтра. В INMP441 встроен внутренний цифровой полосовой фильтр. ФВЧ уничтожает низкочастотные сигналы. ФНЧ позволяет масштабировать диапазон пропускания по высоким частотам с помощью частоты выборок, а также снижает уровень шума.

Встроенный ФВЧ удаляет нежелательную постоянную составляющую и низкочастотные составляющие сигнала. В таблице 7 показаны характеристики фильтра на номинальной частоте выборок 48 кГц. Частота среза масштабируется с изменением частоты выборок.

Таблица 7. Характеристики фильтра.

Частота Затухание
3.7 Гц -3 dB
10.4 Гц -0.5 dB
21.6 Гц -0.1 dB

Этот цифровой отклик фильтра является дополнением к естественному отклику верхних частот акустического преобразователя INMP441 МЭМС, который имеет срез -3 дБ на частоте 60 Гц.

Аналого-цифровой преобразователь INMP441 это однобитный сигма-дельта sigma-delta (Σ-Δ) модулятор высокого порядка, работающий с высоким коэффициентом передискретизации. Собственный шум преобразователя лежит в основном значительно выше диапазона частот звука, что дает микрофону широкий динамический диапазон. Однако требуется ФНЧ хорошего качества, чтобы устранить высокочастотный шум.

Рис. 12 показывает отклик цифрового ФНЧ, встроенного в микрофон. Полоса пропускания фильтра расширяется до 0.423 x fS, и в этом диапазоне имеет незначительную неравномерность 0.04 dB. Верхняя частота среза по уровню -6 dB равна 0.5 x fS. На частоте выборок 48 кГц получается полоса пропускания 20.3 кГц, и амплитуда снижается вдвое на частоте 24 кГц. Затухание на выходе фильтра в диапазоне среза получается больше 60 dB. Обратите внимание, что эти параметры фильтра масштабируются пропорционально частоте выборок.

INMP441 Digital Low Pass Filter Magnitude Response fig12

Рис. 12. Отклик по амплитуде цифрового ФНЧ.

Развязка по питанию. Для самого лучшего подавления потенциальных паразитных артефактов настоятельно рекомендуется разместить керамический конденсатор 0.1 мкФ типа X7R или лучшего качества между выводом 7 (VDD) и землей. Конденсатор должен быть размещен максимально близко к выводу 7.

Соединения с каждым контактом конденсатора должны быть максимально короткими, насколько это возможно, и трассировка этих соединений должна проходить на одном слое, без переходных отверстий. Для максимальной эффективности разместите конденсатор на одинаковом расстоянии от контактов питания и земли микрофона или, если одинаковое расстояние выдержать невозможно, разместите конденсатор немного ближе к выводу питания микрофона. Термальные соединения с заливками земли должны быть выполнены на дальней стороне конденсатора, как показано на рис. 13.

INMP441 Recommended Power Supply Bypass Capacitor Layout fig13

Рис. 13. Рекомендуемая разводка блокировочного конденсатора по питанию.

Разместите контактные площадки печатной платы для INMP441 с соотношением 1:1 между размерами площадок пайки и выводами корпуса микрофона (см. рис. 14). Позаботьтесь о том, чтобы паяльная паста не попала в звуковой порт микрофона и в соответствующее отверстие в печатной плате. Рис. 15 показывает рекомендуемый шаблон для нанесения паяльной пасты.

На характеристику INMP441 отверстие в печатной плате не влияет, пока отверстие не меньше, чеи диаметр звукового порта микрофона (диаметр 0.25 mm, или 0.010 дюйма). Рекомендуется использовать отверстие диаметром от 0.5 до 1 мм (от 0.020 до 0.040 дюйма).

Выровняйте отверстие звукового порта корпуса микрофона с отверстием в печатной плате. Точное выравнивание не влияет на параметры микрофона до тех пор, пока отверстия не заблокированы частично или полностью.

INMP441 Suggested PCB Land Pattern Layout fig14

Рис. 14. Рекомендуемая посадочная площадка на печатную плату (размеры указаны в миллиметрах).

INMP441 Suggested Solder Paste Stencil Pattern Layout fig15

Рис. 15. Рекомендуемый шаблон для нанесения паяльной пасты (размеры указаны в миллиметрах).

В процессе очистки печатной платы от остатков флюса и паяльной пасты следует обеспечить отсутствие попадания воды или другой отмывочной жидкости в порт микрофона. Не используйте процедуры продувки или ультразвуковой очистки.

[Размеры корпуса]

Размеры показаны в миллиметрах.

INMP441 LGA CAV package fig16

Рис. 16. Корпус LGA_CAV с габаритными размерами 4.72 x 3.76 x 1.00 мм.

INMP441 Package Marking fig17

Рис. 17. Маркировка на корпусе (вид сверху).

UG-303, EV_INMP441Z-FX: Bottom Port I2S Output MEMS Microphone Evaluation Board
UG-362, EV_INMP441Z SDP Daughter Board for the INMP441 I2S MEMS Microphone
AN-0208, High Performance Digital MEMS Microphone’s Simple Interface to SigmaDSP Audio Processor
AN-0266, High Performance Digital MEMS Microphone Standard Digital Audio Interface to Blackfin DSP
AN-1003, Recommendations for Mounting and Connecting the Invensense, Inc., Bottom-Ported MEMS Microphones
AN-1068, Reflow Soldering of the MEMS Microphone
AN-1124, Recommendations for Sealing Invensense, Inc., Bottom-Port MEMS Microphones from Dust and Liquid Ingress
AN-1140, Microphone Array Beamforming

[Ссылки]

1. INMP441 Omnidirectional Microphone with Bottom Port and I2S Digital Output site:invensense.com.
2. AN-1112 Microphone Specifications Explained site:analog.com.
3Подключение цифровых PDM-микрофонов к STM32.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Top of Page