Um die akustischen Parameter eines digitalen MEMS-Mikrofons zu testen, muss das digitale Ausgangssignal des Mikrofons direkt mit dem Audioanalysesystem verbunden, oder in ein anderes – z.B. analoges – Format konvertiert werden. Die typischen Parameter für einen QC-Test sind dieselben wie für den Test der meisten anderen Mikrofone. Empfindlichkeit, Frequenzgang, Verzerrung und Signal-Rausch-Abstand (SNR). Für eine vollständige Charakterisierung eines Mikrofons in einer Laborumgebung werden zusätzlich Parameter wie EIN (Equivalent Input Noise), PSR (Power Supply Rejection), PSRR (Power Supply Rejection Rate) und Dynamik-Bereich gemessen oder berechnet. Optional kommt das Richtungsverhalten eines Mikrofons bei verschiedenen Frequenzen mit Hilfe eines Drehtellers dazu.
Bei allen absoluten Messungen (d.h. solche, die nicht in % oder dB ausgedrückt werden) unterscheiden sich die Einheiten von digitalen MEMS-Mikrofonen gegenüber analogen Mikrofonen. Während für letztere die Empfindlichkeit in mV/Pa oder dBV/Pa ausgedrückt wird, ist die Einheit für digitale Mikrofone dBFs. Dies steht für „Dezibel unter Vollaussteuerung“ und beschreibt die Differenz der Aussteuerung eines digitalen Mikrofons bei 94 dBSPL (1 Pa) bis zur maximalen digitalen Aussteuerung dieses Mikrofons. Dieser Punkt der maximalen digitalen Aussteuerung wird auch als AOP (Acoustic Overload Point) bezeichnet.
Akustische vs. digitale Betrachtung
Das Testen von einzelnen MEMS-Mikrofonen ist eher ungewöhnlich. In den meisten Fällen werden sämtliche auf einer Leiterplatte bestückten MEMS-Mikrofone getestet. Zur Charakterisierung dieses Moduls ist es von Interesse, wie sich Werte der bestückten MEMS-Mikrofone relativ zueinander verhalten. Ein typischer Parameter ist die „Empfindlichkeits-Spanne“, d.h. die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten Empfindlichkeit aller bestückten MEMS-Mikrofone auf der Leiterplatte.
Besonderheiten von digitalen MEMS-Mikrofonen
Digitale MEMS-Mikrofone liefern Daten im ½-Cycle-PDM-Format. Das Mikrofon benötigt dazu einen CLK-Eingang und liefert seine Daten über einen DATA-Ausgang. Jeweils zwei Mikrofone teilen sich eine Datenleitung. Daher ist jedes Mikrofon entweder als "linkes" oder "rechtes" Mikrofon konfiguriert. Dies erfolgt durch eine Verdrahtung des L/R-Eingangs mit Vdd oder Masse. MEMS-Mikrofone werden meist mit 1,8 V oder 3,3 V Speisespannung versorgt.
Im normalen Betrieb schreibt das linke Mikrofon bei jeder steigenden Flanke des Taktsignals ein Datenbit, während das rechte Mikrofon bei jeder fallenden Flanke ein Datenbit schreibt. Während ein Mikrofon Daten schreibt, versetzt das andere seine DATA-Ausgangs-Pin in einen „High-Impedance“ Zustand. Auf dem DSP, der die Daten empfängt, werden die linken und rechten Signaldaten dann wieder getrennt und zu zwei Audio Signalen geformt.
Normalbetrieb von zwei digitalen MEMS-Mikrofonen
Aber was passiert, wenn eines der beiden Mikrofone fehlerhaft bestückt ist oder ganz fehlt?
Betrieb mit einem funktionsunfähigen bzw. nicht bestückten MEMS-Mikrofon
In diesem Beispiel fehlt das rechte Mikrofon, weshalb nur das linke Mikrofon in die gemeinsame Datenleitung schreibt. An den fallenden Flanken versetzt das linke Mikrofon seine DATA-Leitung in einen hochohmigen Zustand. Daher behält die DATA-Leitung den gleichen Zustand bei, wie er zuvor vom linken Mikrofon geschrieben wurde. Aus der Perspektive des empfangenden DSP scheint das rechte Mikrofon somit die genau gleichen Daten zu liefern wie das linke Mikrofon, d.h. die beiden Datenströme sind identisch! Das Testsystem muss diesen Zustand erkennen, da dies einen grundlegenden Fehler beim Testen einer MEMS-Array-Leiterplatte darstellt.
Die zum Betrieb digitaler MEMS-Mikrofone verwendeten Taktfrequenzen liegen typischerweise zwischen einigen hundert kHz und 3 MHz. Eine niedrigere Taktrate bedeutet einen geringeren Stromverbrauch, aber auch eine geringere Audioqualität.
Um die Integrität des digitalen Signals zu gewährleisten wird empfohlen, die Abstände zwischen digitalen MEMS-Mikrofonen und dem Audio-Testsystem so kurz wie möglich zu halten. MEMS Mikrofone sind nicht dafür ausgelegt, ihre Signale über ein langes Kabel mit hoher Kapazität zu transportieren.