模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)在靈敏度規(guī)格上的區(qū)別和選擇

靈敏度，即模擬輸出電壓或數(shù)字輸出值與輸入壓力的比值，是任何麥克風(fēng)的關(guān)鍵規(guī)格。將聲學(xué)域中的單元映射到電域中的單元可確定給定已知輸入的麥克風(fēng)輸出信號(hào)的大小。

本文將討論模擬麥克風(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)在靈敏度規(guī)格上的區(qū)別，如何為應(yīng)用選擇靈敏度最佳的麥克風(fēng)，以及為什么增加一點(diǎn)（或更多）數(shù)字增益可以增強(qiáng)麥克風(fēng)信號(hào)。

模擬與數(shù)字

麥克風(fēng)靈敏度通常使用 1 kHz 正弦波在 94 dB 聲壓級(jí) （SPL） 或 1 帕斯卡 （Pa） 壓力下測量。來自麥克風(fēng)的模擬或數(shù)字輸出信號(hào)與該輸入激勵(lì)的大小是其靈敏度的量度。這個(gè)參考點(diǎn)只是麥克風(fēng)的一個(gè)特征，絕不是其性能的全部。

模擬麥克風(fēng)的靈敏度簡單易懂。通常以dBV的對(duì)數(shù)單位（相對(duì)于1 V的分貝）指定，它告訴給定SPL的輸出信號(hào)將有多少伏特。對(duì)于模擬麥克風(fēng)，靈敏度（以 mV/Pa 的線性單位表示）可以用分貝對(duì)數(shù)表示：

其中utputAREF是 1000 mV/Pa （1 V/Pa） 基準(zhǔn)輸出比。

根據(jù)這些信息，通過適當(dāng)?shù)那爸?a href="http://wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器增益，麥克風(fēng)信號(hào)電平可以很容易地與電路或系統(tǒng)其余部分的所需輸入電平相匹配。圖1顯示了麥克風(fēng)的峰值輸出電壓（V.MAX） 可設(shè)置為匹配 ADC 的滿量程輸入電壓 （V在） 增益為 V在/V.MAX.例如，最大輸出電壓為0.25 V的ADMP504可以通過使用4 （12 dB）增益與具有1.0 V滿量程峰值輸入電壓的ADC進(jìn)行匹配。

圖1.帶前置放大器的模擬麥克風(fēng)輸入信號(hào)鏈，可將麥克風(fēng)輸出電平與ADC輸入電平相匹配。

數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度，單位為dBFS（相對(duì)于數(shù)字滿量程的分貝），并不是那么簡單。單位的差異表明，與模擬麥克風(fēng)相比，數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度定義存在微妙的對(duì)比。對(duì)于具有電壓輸出的模擬麥克風(fēng)，輸出信號(hào)大小的唯一限制是系統(tǒng)電壓電源的實(shí)際限制。雖然對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)來說可能不切實(shí)際，但沒有物理原因說明模擬麥克風(fēng)不能具有20 dBV靈敏度，10 V輸出信號(hào)作為參考電平輸入信號(hào)。只要放大器、轉(zhuǎn)換器和其他電路能夠支持所需的信號(hào)電平，就可以實(shí)現(xiàn)這種靈敏度。

數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度不太靈活;它取決于單個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，最大聲學(xué)輸入。只要滿量程數(shù)字字映射到麥克風(fēng)的最大聲學(xué)輸入（實(shí)際上是唯一合理的映射），靈敏度就必須只是該最大聲學(xué)信號(hào)與94 dB SPL基準(zhǔn)之間的差異。因此，如果數(shù)字麥克風(fēng)的最大聲壓級(jí)為 120 dB，則其靈敏度將為 –26 dBFS （94 dB – 120 dB）。對(duì)于給定的聲學(xué)輸入，無法調(diào)整設(shè)計(jì)以使數(shù)字輸出信號(hào)更高，除非最大聲學(xué)輸入降低相同的量。

對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，靈敏度以94 dB SPL輸入產(chǎn)生的滿量程輸出的百分比來衡量。對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，轉(zhuǎn)換公式為

哪里輸出DREF是滿量程數(shù)字輸出電平。

這種比較中最后一個(gè)非常令人困惑的部分是數(shù)字和模擬麥克風(fēng)之間峰值和均方根電平的使用不一致。無論麥克風(fēng)的類型如何，以dB SPL為單位的麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入電平始終是均方根測量值。模擬麥克風(fēng)的輸出以1 V rms為基準(zhǔn)，因?yàn)榫礁鶞y量更常用于比較模擬音頻信號(hào)電平。但是，數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度和輸出電平作為峰值電平給出，因?yàn)樗鼈儽环Q為滿量程數(shù)字字，這是一個(gè)峰值。通常，在配置可能依賴于精確信號(hào)電平的下游信號(hào)處理時(shí)，必須牢記使用峰值電平來指定數(shù)字麥克風(fēng)輸出的慣例。例如，動(dòng)態(tài)范圍處理器（壓縮器、限幅器和噪聲門）通常根據(jù)均方根信號(hào)電平設(shè)置閾值，因此數(shù)字麥克風(fēng)的輸出必須通過降低dBFS值從峰值調(diào)整到均方根。對(duì)于正弦輸入，均方根電平比峰值電平低3 dB（（FS√2）的對(duì)數(shù)測量值）;對(duì)于更復(fù)雜的信號(hào)，均方根和峰值之間的差異可能不同。例如，具有脈沖密度調(diào)制（PDM）數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng)ADMP421的靈敏度為–26 dBFS。94 dB SPL正弦輸入信號(hào)將提供–26 dBFS峰值輸出電平或–29 dBFS rms電平。

由于數(shù)字和模擬麥克風(fēng)的輸出具有不同的單元，因此將一種類型與另一種類型進(jìn)行比較可能會(huì)令人困惑;但是，它們?cè)诼晫W(xué)域中共享一個(gè)共同的測量單位，即SPL。一個(gè)可能具有模擬電壓輸出，另一個(gè)可能具有調(diào)制PDM輸出，第三個(gè)具有I2S輸出，但它們的最大聲學(xué)輸入和信噪比（SNR，94 dB SPL參考與噪聲電平之間的差異）可以直接比較。通過參考聲學(xué)域，而不是輸出格式，這兩個(gè)規(guī)格提供了一種比較不同麥克風(fēng)的便捷方法。圖2顯示了給定靈敏度下聲學(xué)輸入信號(hào)與模擬和數(shù)字麥克風(fēng)輸出電平之間的關(guān)系。圖2（a）顯示了ADMP504模擬麥克風(fēng)，其靈敏度為–38 dBV，SNR為65 dB。相對(duì)于左側(cè)的94 dB SPL參考點(diǎn)，改變其靈敏度將導(dǎo)致dBV輸出條向上滑動(dòng)以降低靈敏度或向下滑動(dòng)以增加靈敏度。

圖2.將聲學(xué)輸入電平映射到（a）模擬麥克風(fēng)的電壓輸出電平;（b） 數(shù)字麥克風(fēng)的數(shù)字輸出電平。

圖2（b）顯示了ADMP521數(shù)字麥克風(fēng)，其靈敏度為–26 dBFS，SNR為65 dB。數(shù)字麥克風(fēng)的輸入到輸出電平映射圖顯示，如果不破壞最大聲學(xué)輸入和滿量程數(shù)字字之間的映射，就無法調(diào)整該麥克風(fēng)的靈敏度。SNR、動(dòng)態(tài)范圍、電源抑制和THD等規(guī)格是麥克風(fēng)質(zhì)量的更好指標(biāo)，而不是靈敏度。

選擇靈敏度和設(shè)置增益

高靈敏度麥克風(fēng)并不總是比低靈敏度麥克風(fēng)好。靈敏度可以說明麥克風(fēng)的特性，但不一定能說明其質(zhì)量。麥克風(fēng)的噪聲水平、削波點(diǎn)、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風(fēng)是否適合特定應(yīng)用。在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，具有高靈敏度的麥克風(fēng)可能需要較少的前置放大器增益，但在削波之前可能比具有較低靈敏度的麥克風(fēng)具有更少的動(dòng)態(tài)余量。

在近場應(yīng)用中，例如手機(jī)，麥克風(fēng)靠近聲源，靈敏度較高的麥克風(fēng)更有可能達(dá)到最大聲學(xué)輸入、削波并導(dǎo)致失真。另一方面，在遠(yuǎn)場應(yīng)用中可能需要更高的靈敏度，例如會(huì)議電話和安全攝像頭，在這些應(yīng)用中，聲音會(huì)隨著從聲源到麥克風(fēng)的距離增加而衰減。圖 3 顯示了麥克風(fēng)與聲源的距離如何影響 SPL。每次與聲源的距離加倍時(shí)，聲學(xué)信號(hào)的電平就會(huì)降低 6 dB（一半）。

圖3.麥克風(fēng)的聲壓級(jí)隨著與聲源距離的增加而降低。

作為參考，圖4顯示了各種聲源的典型聲壓級(jí)，從安靜的錄音室（低于10 dB SPL）到疼痛閾值（高于130 dB SPL），即聲音給普通人帶來疼痛的點(diǎn)。麥克風(fēng)很少能覆蓋這個(gè)范圍的全部，甚至大部分，因此為所需的SPL范圍選擇合適的麥克風(fēng)是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)決策。靈敏度規(guī)格應(yīng)用于將麥克風(fēng)在目標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的輸出信號(hào)電平與音頻信號(hào)鏈的公共信號(hào)電平相匹配。

圖4.各種來源的聲壓級(jí)。1

模擬麥克風(fēng)具有廣泛的靈敏度。某些動(dòng)圈麥克風(fēng)的靈敏度可能低至 –70 dBV。一些電容式麥克風(fēng)模塊集成了前置放大器，因此具有–18 dBV的超高靈敏度。大多數(shù)模擬駐極體和MEMS麥克風(fēng)的靈敏度在–46 dBV和–35 dBV（5.0 mV/Pa至17.8 mV/Pa）之間。該電平是本底噪聲（ADMP504和ADMP521 MEMS麥克風(fēng)可低至29 dB SPL）與最大聲學(xué)輸入（通常約為120 dB SPL）之間的良好折衷。模擬麥克風(fēng)的靈敏度可以在前置放大器電路中進(jìn)行調(diào)諧，前置放大器電路通常與換能器元件集成在封裝中。

盡管數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度不靈活，但麥克風(fēng)信號(hào)的電平可以通過數(shù)字處理器中的增益輕松調(diào)整。使用數(shù)字增益時(shí)，只要處理器具有足夠的位數(shù)來完全表示原始麥克風(fēng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，就不存在降低信號(hào)噪聲水平的危險(xiǎn)。在模擬設(shè)計(jì)中，每個(gè)增益級(jí)都會(huì)在信號(hào)中引入一些噪聲;系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有責(zé)任確保每個(gè)增益級(jí)足夠安靜，以防止其注入的噪聲降低音頻信號(hào)。例如，我們可以看一下ADMP441，一款數(shù)字（I2S） 輸出麥克風(fēng)，最大聲壓級(jí)為 120 dB（–26 dBFS 靈敏度），等效輸入噪聲為 33 dB SPL（61 dB SNR）。麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍是它可以忠實(shí)再現(xiàn)的最大（最大聲壓級(jí)）和最?。ū镜自肼暎┬盘?hào)之間的差值（ADMP441為120 dB – 33 dB = 87 dB）。該動(dòng)態(tài)范圍可以用15位數(shù)據(jù)字再現(xiàn)。數(shù)字字中數(shù)據(jù)的1位偏移會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電平偏移6 dB，因此即使是具有98 dB動(dòng)態(tài)范圍的16位音頻處理器也可能在原始動(dòng)態(tài)范圍受到影響之前使用11 dB的增益或衰減。請(qǐng)注意，在許多處理器中，數(shù)字麥克風(fēng)的最大聲學(xué)輸入映射到DSP的內(nèi)部滿量程電平。在這種情況下，添加任意數(shù)量的增益都會(huì)將動(dòng)態(tài)范圍減小等量，并降低系統(tǒng)的削波點(diǎn)。以ADMP441為例，在滿量程以上沒有裕量的處理器中增加4 dB增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)削波116 dB SPL信號(hào)。

圖 5 顯示了一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)，其中2S 或 PDM 輸出，直接連接到 DSP。在該信號(hào)鏈中，不需要中間增益級(jí)，因?yàn)辂溈孙L(fēng)的峰值輸出電平已經(jīng)與DSP的滿量程輸入字相匹配。

圖5.數(shù)字麥克風(fēng)輸入信號(hào)鏈直接連接到DSP。

結(jié)論

本文解釋了如何理解麥克風(fēng)的靈敏度規(guī)格，如何將其應(yīng)用于系統(tǒng)的增益分級(jí)，以及為什么雖然靈敏度與SNR有關(guān)，但它不能像SNR那樣指示麥克風(fēng)的質(zhì)量。無論是使用模擬還是數(shù)字MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這都應(yīng)該有助于設(shè)計(jì)人員為應(yīng)用選擇最佳麥克風(fēng)，并從該器件獲得最大的性能。

審核編輯：郭婷