模拟與數字

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拟或數字輸出信号幅度即是衡量麥克風靈敏度。該基準點隻是麥克風的特性之一，并不代表麥克風性能的全部。

模拟麥克風的靈敏度很簡單，不難理解。該指标一般表示為對數單位 dBV（相對于 1 V 的分貝數)，代表着給定 SPL 下輸出信号的伏特數。對于模拟麥克風，靈敏度（表示為線性單位 mV/Pa）可以用對數表示為分貝:

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

有了該信息和正确的前置放大器增益，則可輕松将麥克風信号電平匹配至電路或系統其他部分的目标輸入電平。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，可将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. 模拟麥克風輸入信号鍊，以前置放大器使麥克風輸出電平與 ADC 輸入電平相匹配

數字麥克風的靈敏度（單位為 dBFS，相對于數字滿量程的分貝數）則并非如此簡單。單位的差異表明，數字麥克風與模拟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拟麥克風，輸出信号大小的唯一限制實際上是系統電源電壓的限制。雖然對多數設計來說并不實用，但從物理本質上講，模拟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号的輸出信号為 10 V。隻要放大器、轉換器和其他電路能支持所需的信号電平，完全可以實現這一水平的靈敏度。

數字麥克風的靈敏度沒有這樣靈活，而隻取決于一個設計參數，即，最大聲學輸入。隻要将滿量程數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号與 94 dB SPL 參考信号之差。因此，如果數字麥克風的最大 SPL 為 120 dB，則其靈敏度為–26 dBFS (94 dB – 120 dB)。除非将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字輸出信号變得更高。

對于數字麥克風，靈敏度表示為 94 dB SPL 輸入所産生的輸出占滿量程輸出的百分比。數字麥克風的換算公式為

其中 OutputDREF 為滿量程數字輸出電平。

現在來比較最後一個非常難懂的地方，數字和模拟麥克風在峰值電平和均方根電平的使用上并不一緻。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。模拟麥克風的輸出以 1 V rms 為參考，因為均方根測量值更常用于比較模拟音頻信号電平。然而，數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字字（即峰值）為參考的。一般來說，在配置可能依賴于精确信号電平的下遊信号處理時，必須記住用峰值電平指定數字麥克風輸出的慣例。例如，動态範圍處理器（壓縮器、限幅器和噪聲門）通常基于均方根信号電平來設置阈值，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)的對數測量）；對于更加複雜的信号來說，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)數字輸出的 MEMS 麥克風 的靈敏度為–26 一個 94 dB SPL 正弦輸入信号将産生–26 dBFS 的 峰值輸出電平，或–29 dBFS 的均方根 電平。

由于數字麥克風和模拟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拟電壓輸出，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，模拟麥克風和數字麥克風的聲學輸入信号與輸出電平之間的關系。圖 2(a)所示為 ADMP504 模拟麥克風，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，結果會導緻以下情況：向上滑動 dBV 輸出條将降低靈敏度，向下滑動輸出條則會提高靈敏度。

圖 2.(a)将聲學輸入電平映射到電壓輸出電平（模拟麥克風） (b)将聲學輸入電平映射到數字輸出電平（數字麥克風）

圖 2(b)所示為 ADMP521 數字麥克風，其靈敏度為 -26 dBFS，信噪比為 65 dB。該數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字字之間的映射。與靈敏度相比，SNR、動态範圍、電源抑制比、THD 等規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适用于特定應用。高靈敏度麥克風在模數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，産生削波現象，最後導緻失真。另一方面，較高的靈敏度可能适合遠場應用（如會議電話和安保攝像頭），因為在這類應用中，随着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 産生什麼影響。與聲源的距離每增加一倍，聲學信号電平将下降 6 dB（一半）。

圖 3. 随着與聲源距離的增加，麥克風聲壓電平将下降

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）到痛阈（130 dB SPL 以下），痛阈指聲音給正常人帶來痛苦的點。麥克風很少能整個覆蓋——甚至大緻覆蓋——該範圍，因此，針對所需的 SPL 範圍選擇正确的麥克風是一個重要的設計決定。應利用靈敏度規格，使麥克風在整個目标動态範圍内的輸出信号電平與音頻信号鍊的常見信号電平相匹配。

圖 4. 各種聲源的聲壓電平 1

模拟麥克風的靈敏度範圍較寬。有些動态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。多數模拟駐極體麥克風和 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。這種水平代表着本底噪聲（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。模拟麥克風的靈敏度可以在前置放大器電路中調節，該電路通常與傳感器元件一起集成在封裝中。

盡管數字麥克風的靈敏度似乎缺乏靈活性，但可通過數字處理器中的增益輕松調節麥克風信号的電平。對于數字增益，隻要處理器的位數足以完全表示原始麥克風信号的動态範圍，就不會導緻信号的噪聲電平降低。在模拟設計中，每個增益級都會向信号中引入一些噪聲；需要系統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号。例如，我們可以看看 ADMP441， 這是一款數字(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)。該麥克風的動态範圍為其能可靠重現的最大信号（最大 SPL）與最小信号（本底噪聲）之間的差值（ADMP441 為：120 dB – 33 dB = 87 dB）。該動态範圍可用一個 15 位數據字再現。當數字字中的數據發生 1 位移位時，信号電平會出現 6 dB 移位。因此，即便是動态範圍為 98 dB 的 16 位音頻處理器也可使用 11 dB 的增益或衰減，而不會影響原始動态範圍。請注意，在許多處理器中，數字麥克風的最大聲學輸入被映射到 DSP 的内部滿量程電平。在這種情況下，增加任意增益都會使動态範圍等量下降，進而降低系統的削波點。以 ADMP441 為例，在一個滿量程以上無裕量的處理器中，增加 4 dB 的增益會導緻系統對 116 dB SPL 的信号削波。

圖 5 所示為一個數字麥克風，其提供 I2S 或 PDM 輸出并直接與一個 DSP 相連。在該信号鍊中，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 相連的數字麥克風輸入信号鍊

結束語

本文說明了如何理解麥克風的靈敏度規格，如何将其應用到系統的增益級中，同時解釋了雖然靈敏度與 SNR 相關，但并不像 SNR 一樣可以體現麥克風的質量的原因所在。無論是用模拟麥克風還是用數字 MEMS 麥克風進行設計，本文都有助于設計師選擇最适合具體應用的麥克風，從而發揮麥克風的最大潛能。

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