【導讀】靈敏度，即模擬輸出電壓或數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字麥克風在靈敏度規格方面的差異，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）數字增益可以增強麥克風信號。
模擬與數字
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擬或數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單位dBV（相對于1 V的分貝數)，代表著給定SPL下輸出信號的伏特數。對于模擬麥克風，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，完全可以實現這一水平的靈敏度。
數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，即，最大聲學輸入。只要將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號與94 dB SPL參考信號之差。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字輸出信號變得更高。
對于數字麥克風，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。
現在來比較最后一個非常難懂的地方，數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字麥克風輸出的慣例。例如，動態范圍處理器（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、動態范圍、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適用于特定應用。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，產生削波現象，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。應利用靈敏度規格，使麥克風在整個目標動態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1
模擬麥克風的靈敏度范圍較寬。有些動態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，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號的電平。對于數字增益，只要處理器的位數足以完全表示原始麥克風信號的動態范圍，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)。該麥克風的動態范圍為其能可靠重現的最大信號（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）。該動態范圍可用一個15位數據字再現。當數字字中的數據發生1位移位時，信號電平會出現6 dB移位。因此，即便是動態范圍為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范圍。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的內部滿量程電平。在這種情況下，增加任意增益都會使動態范圍等量下降，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的增益會導致系統對116 dB SPL的信號削波。
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格，如何將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。無論是用模擬麥克風還是用數字MEMS麥克風進行設計，本文都有助于設計師選擇最適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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參考電路
1John Eargle, “The Microphone Book,” Elsevier/Focal Press, 2004.
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