麥克風靈敏度規(guī)格闡釋及其應用

靈敏度， 即模擬輸出電壓或數(shù)字輸出值與輸入壓力之比，對任何麥克風來說都是一項關鍵指標。在輸入已知的情況下，從聲域單元到電域單元的映射決定麥克風輸出信號的幅度。

本文將探討模擬麥克風與數(shù)字麥克風在靈敏度規(guī)格方面的差異，如何根據具體應用選擇靈敏度最佳的麥克風，同時還會討論為什么增加一位(或更多)數(shù)字增益可以增強麥克風信號。

模擬與數(shù)字

麥克風靈敏度一般在94 dB的聲壓級(SPL)(或者1帕(Pa)壓力)下，用1 kHz正弦波進行測量。麥克風在該輸入激勵下的模擬或數(shù)字輸出信號幅度即是衡量麥克風靈敏度。該基準點只是麥克風的特性之一，并不代表麥克風性能的全部。

模擬麥克風的靈敏度很簡單，不難理解。該指標一般表示為對數(shù)單位dBV(相對于1 V的分貝數(shù))，代表著給定SPL下輸出信號的伏特數(shù)。對于模擬麥克風，靈敏度(表示為線性單位mV/Pa)可以用對數(shù)表示為分貝:

其中OutputAREF為1000 mV/Pa (1 V/Pa)參考輸出比。

有了該信息和正確的前置放大器增益，則可輕松將麥克風信號電平匹配至電路或系統(tǒng)其他部分的目標輸入電平。圖1顯示了如何設置麥克風的峰值輸出電壓 (VMAX) 以匹配ADC的滿量程輸入電壓 (VIN) 其增益為 VIN/VMAX。 例如，以4 (12 dB)的增益，可將一個最大輸出電壓為0.25 V的ADMP504匹配至一個滿量程峰值輸入電壓為1.0 V的ADC。

圖1.模擬麥克風輸入信號鏈，以前置放大器使麥克風輸出電平與ADC輸入電平相匹配

數(shù)字麥克風的靈敏度(單位為dBFS，相對于數(shù)字滿量程的分貝數(shù))則并非如此簡單。單位的差異表明，數(shù)字麥克風與模擬麥克風的靈敏度在定義上存在細微差異。對于提供電壓輸出的模擬麥克風，輸出信號大小的唯一限制實際上是系統(tǒng)電源電壓的限制。雖然對多數(shù)設計來說并不實用，但從物理本質上講，模擬麥克風完全可以擁有20 dBV的靈敏度，其中用于基準電平輸入信號的輸出信號為10 V。只要放大器、轉換器和其他電路能支持所需的信號電平，完全可以實現(xiàn)這一水平的靈敏度。

數(shù)字麥克風的靈敏度沒有這樣靈活，而只取決于一個設計參數(shù)，即最大聲學輸入。只要將滿量程數(shù)字字映射到麥克風的最大聲學輸入(實際上，這是唯一有用的映射)，則靈敏度一定是該最大聲學信號與94 dB SPL參考信號之差。因此，如果數(shù)字麥克風的最大SPL為120 dB，則其靈敏度為–26 dBFS (94 dB – 120 dB)。除非將最大聲學輸入降低相同的量，否則無法通過調整設計使給定聲學輸入的數(shù)字輸出信號變得更高。

對于數(shù)字麥克風，靈敏度表示為94 dB SPL輸入所產生的輸出占滿量程輸出的百分比。數(shù)字麥克風的換算公式為

其中OutputDREF為滿量程數(shù)字輸出電平。

現(xiàn)在來比較最后一個非常難懂的地方，數(shù)字和模擬麥克風

在峰值電平和均方根電平的使用上并不一致。麥克風的聲學輸入電平(單位為dB SPL)始終為均方根測量值，與麥克風的類型無關。模擬麥克風的輸出以1 V rms為參考，因為均方根測量值更常用于比較模擬音頻信號電平。然而，數(shù)字麥克風的靈敏度和輸出電平卻表示為峰值電平，因為它們是以滿量程數(shù)字字(即峰值)為參考的。一般來說，在配置可能依賴于精確信號電平的下游信號處理時，必須記住用峰值電平指定數(shù)字麥克風輸出的慣例。例如，動態(tài)范圍處理器(壓縮器、限幅器和噪聲門)通常基于均方根信號電平來設置閾值，因此，必須通過降低dBFS值從峰值到均方根值按比例調整數(shù)字麥克風的輸出。對于正弦輸入，其均方根電平比峰值電平低3 dB(即(FS√2)的對數(shù)測量);對于更加復雜的信號來說，均方根電平與峰值電平之間的差值可能與此不同。例如，ADMP421， 提供 脈沖密度調制 (PDM)數(shù)字輸出的MEMS麥克風的靈敏度為–26一個94 dB SPL正弦輸入信號將產生–26 dBFS的峰值輸出電平，或–29 dBFS的均方根電平。

由于數(shù)字麥克風和模擬麥克風的輸出采用不同的單位，因此，對兩類麥克風進行比較時可能會使人難以理解;但二者在聲域中卻有一個共同的測量單位，SPL。一種麥克風可能為模擬電壓輸出，另一種為調制PDM輸出，還一種為I2S輸出，但它們的最大聲學輸入與信噪比(SNR，即94 dB SPL參考電平與噪聲電平之差)卻是可以直接比較的。以聲域而非輸出格式為參考，這兩個規(guī)格為比較不同麥克風提供了一種便利的方式。圖2顯示了給定靈敏度下，模擬麥克風和數(shù)字麥克風的聲學輸入信號與輸出電平之間的關系。圖2(a)所示為ADMP504模擬麥克風，其靈敏度為–38 dBV，信噪比為65 dB。相對于左側的94 dB SPL基準點改變靈敏度時，結果會導致以下情況：向上滑動dBV輸出條將降低靈敏度，向下滑動輸出條則會提高靈敏度。

圖2.(a)將聲學輸入電平映射到電壓輸出電平(模擬麥克風)(b)將聲學輸入電平映射到數(shù)字輸出電平(數(shù)字麥克風)

圖2(b)所示為ADMP521 digital數(shù)字麥克風，其靈敏度為-26 dBFS，信噪比為65 dB。該數(shù)字麥克風輸入到輸出電平映射示意圖表明，調整該麥克風的靈敏度會破壞最大聲學輸入與滿量程數(shù)字字之間的映射。與靈敏度相比，SNR、動態(tài)范圍、電源抑制比、THD等規(guī)格能更好地顯示麥克風的性能。

選擇靈敏度和設置增益

高靈敏度麥克風并非始終優(yōu)于低靈敏度麥克風。雖然靈敏度可以顯示麥克風的部分特性，但不一定能體現(xiàn)麥克風的性能。麥克風噪聲電平、削波點、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風是否適用于特定應用。高靈敏度麥克風在模數(shù)轉換之前需要的前置放大器增益可能較少，但其在削波前的裕量可能少于低靈敏度麥克風。

在手機等近場應用中，麥克風接近聲源，靈敏度較高的麥克風更可能達到最大聲學輸入，產生削波現(xiàn)象，最后導致失真。另一方面，較高的靈敏度可能適合遠場應用(如會議電話和安保攝像頭)，因為在這類應用中，隨著麥克風與聲源之間距離的增加，聲音會被衰減。圖3顯示了麥克風與聲源之間的距離會對SPL產生什么影響。與聲源的距離每增加一倍，聲學信號電平將下降6 dB(一半)。

圖3.隨著與聲源距離的增加，麥克風聲壓電平將下降

作為參考，圖4顯示了各種聲源的典型SPL，從安靜的錄音棚(10 dB SPL以下)到痛閾(130 dB SPL以下)，痛閾指聲音給正常人帶來痛苦的點。麥克風很少能整個覆蓋——甚至大致覆蓋——該范圍，因此，針對所需的SPL范圍選擇正確的麥克風是一個重要的設計決定。應利用靈敏度規(guī)格，使麥克風在整個目標動態(tài)范圍內的輸出信號電平與音頻信號鏈的常見信號電平相匹配。

圖4.各種聲源的聲壓電平

模擬麥克風的靈敏度范圍較寬。有些動態(tài)麥克風的靈敏度可能低至–70 dBV。有些電容麥克風模塊集成前置放大器，因而具有極高的靈敏度，達到–18 dBV。多數(shù)模擬駐極體麥克風和MEMS麥克風的靈敏度在–46 dBV至–35 dBV(5.0 mV/Pa至17.8 mV/Pa)之間。這種水平代表著本底噪聲(ADMP504和ADMP521 MEMS麥克風可能低至29 dB SPL)與最大聲學輸入(典型值約為120 dB SPL)之間的良好折衷。模擬麥克風的靈敏度可以在前置放大器電路中調節(jié)，該電路通常與傳感器元件一起集成在封裝中。

盡管數(shù)字麥克風的靈敏度似乎缺乏靈活性，但可通過數(shù)字處理器中的增益輕松調節(jié)麥克風信號的電平。對于數(shù)字增益，只要處理器的位數(shù)足以完全表示原始麥克風信號的動態(tài)范圍，就不會導致信號的噪聲電平降低。在模擬設計中，每個增益級都會向信號中引入一些噪聲;需要系統(tǒng)設計師來保證每個增益級的噪聲足夠低，以避免其注入噪聲而降低音頻信號。例如，我們可以看看ADMP441， 這是一款數(shù)字(I2S )輸出麥克風，最大SPL為120 dB(靈敏度為–26 dBFS)，等效輸入噪聲為33 dB SPL(61 dB SNR)。該麥克風的動態(tài)范圍為其能可靠重現(xiàn)的最大信號(最大SPL)與最小信號(本底噪聲)之間的差值(ADMP441為：120 dB – 33 dB = 87 dB)。該動態(tài)范圍可用一個15位數(shù)據字再現(xiàn)。當數(shù)字字中的數(shù)據發(fā)生1位移位時，信號電平會出現(xiàn)6 dB移位。因此，即便是動態(tài)范圍為98 dB的16位音頻處理器也可使用11 dB的增益或衰減，而不會影響原始動態(tài)范圍。請注意，在許多處理器中，數(shù)字麥克風的最大聲學輸入被映射到DSP的內部滿量程電平。在這種情況下，增加任意增益都會使動態(tài)范圍等量下降，進而降低系統(tǒng)的削波點。以ADMP441為例，在一個滿量程以上無裕量的處理器中，增加4 dB的增益會導致系統(tǒng)對116 dB SPL的信號削波。

圖5所示為一個數(shù)字麥克風，其提供I2S或PDM輸出并直接與一個DSP相連。在該信號鏈中，不需要使用中間增益級，因為麥克風的峰值輸出電平已經與DSP的滿量程輸入字相匹配。

圖5.直接與一個DSP相連的數(shù)字麥克風輸入信號鏈

結束語

本文說明了如何理解麥克風的靈敏度規(guī)格，如何將其應用到系統(tǒng)的增益級中，同時解釋了雖然靈敏度與SNR相關，但并不像SNR一樣可以體現(xiàn)麥克風的質量的原因所在。無論是用模擬麥克風還是用數(shù)字MEMS麥克風進行設計，本文都有助于設計師選擇最適合具體應用的麥克風，從而發(fā)揮麥克風的最大潛能。