麥克風(fēng)靈敏度規(guī)格闡釋及其應(yīng)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(duì)任何麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。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(fēng)輸出信號(hào)的幅度。

本文將探討模擬麥克風(fēng)與數(shù)字麥克風(fēng)在靈敏度規(guī)格方面的差異，如何根據(jù)具體應(yīng)用選擇靈敏度最佳的麥克風(fēng)，同時(shí)還會(huì)討論為什么增加一位(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)靈敏度一般在94 dB的聲壓級(jí)(SPL)(或者1帕(Pa)壓力)下，用1 kHz正弦波進(jìn)行測(cè)量。麥克風(fēng)在該輸入激勵(lì)下的模擬或數(shù)字輸出信號(hào)幅度即是衡量麥克風(fēng)靈敏度。該基準(zhǔn)點(diǎn)只是麥克風(fēng)的特性之一，并不代表麥克風(fēng)性能的全部。

模擬麥克風(fēng)的靈敏度很簡(jiǎn)單，不難理解。該指標(biāo)一般表示為對(duì)數(shù)單位dBV(相對(duì)于1 V的分貝數(shù))，代表著給定SPL下輸出信號(hào)的伏特?cái)?shù)。對(duì)于模擬麥克風(fēng)，靈敏度(表示為線性單位mV/Pa)可以用對(duì)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(fēng)信號(hào)電平匹配至電路或系統(tǒng)其他部分的目標(biāo)輸入電平。圖1顯示了如何設(shè)置麥克風(fēng)的峰值輸出電壓 (VMAX) 以匹配ADC的滿(mǎn)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(gè)最大輸出電壓為0.25 V的ADMP504匹配至一個(gè)滿(mǎn)量程峰值輸入電壓為1.0 V的ADC。

圖1.模擬麥克風(fēng)輸入信號(hào)鏈，以前置放大器使麥克風(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(mǎn)量程的分貝數(shù))則并非如此簡(jiǎn)單。單位的差異表明，數(shù)字麥克風(fēng)與模擬麥克風(fēng)的靈敏度在定義上存在細(xì)微差異。對(duì)于提供電壓輸出的模擬麥克風(fēng)，輸出信號(hào)大小的唯一限制實(shí)際上是系統(tǒng)電源電壓的限制。雖然對(duì)多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)并不實(shí)用，但從物理本質(zhì)上講，模擬麥克風(fēng)完全可以擁有20 dBV的靈敏度，其中用于基準(zhǔn)電平輸入信號(hào)的輸出信號(hào)為10 V。只要放大器、轉(zhuǎn)換器和其他電路能支持所需的信號(hào)電平，完全可以實(shí)現(xiàn)這一水平的靈敏度。

數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度沒(méi)有這樣靈活，而只取決于一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，即最大聲學(xué)輸入。只要將滿(mǎn)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，這是唯一有用的映射)，則靈敏度一定是該最大聲學(xué)信號(hào)與94 dB SPL參考信號(hào)之差。因此，如果數(shù)字麥克風(fēng)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(xué)輸入降低相同的量，否則無(wú)法通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)使給定聲學(xué)輸入的數(shù)字輸出信號(hào)變得更高。

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

其中OutputDREF為滿(mǎn)量程數(shù)字輸出電平。

現(xiàn)在來(lái)比較最后一個(gè)非常難懂的地方，數(shù)字和模擬麥克風(fēng)

在峰值電平和均方根電平的使用上并不一致。麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入電平(單位為dB SPL)始終為均方根測(cè)量值，與麥克風(fēng)的類(lèi)型無(wú)關(guān)。模擬麥克風(fēng)的輸出以1 V rms為參考，因?yàn)榫礁鶞y(cè)量值更常用于比較模擬音頻信號(hào)電平。然而，數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度和輸出電平卻表示為峰值電平，因?yàn)樗鼈兪且詽M(mǎn)量程數(shù)字字(即峰值)為參考的。一般來(lái)說(shuō)，在配置可能依賴(lài)于精確信號(hào)電平的下游信號(hào)處理時(shí)，必須記住用峰值電平指定數(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(mén))通?；诰礁盘?hào)電平來(lái)設(shè)置閾值，因此，必須通過(guò)降低dBFS值從峰值到均方根值按比例調(diào)整數(shù)字麥克風(fēng)的輸出。對(duì)于正弦輸入，其均方根電平比峰值電平低3 dB(即(FS√2)的對(duì)數(shù)測(cè)量);對(duì)于更加復(fù)雜的信號(hào)來(lái)說(shuō)，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(diào)制 (PDM)數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng)的靈敏度為–26一個(gè)94 dB SPL正弦輸入信號(hào)將產(chǎn)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(fēng)和模擬麥克風(fēng)的輸出采用不同的單位，因此，對(duì)兩類(lèi)麥克風(fēng)進(jìn)行比較時(shí)可能會(huì)使人難以理解;但二者在聲域中卻有一個(gè)共同的測(cè)量單位，SPL。一種麥克風(fēng)可能為模擬電壓輸出，另一種為調(diào)制PDM輸出，還一種為I2S輸出，但它們的最大聲學(xué)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(gè)規(guī)格為比較不同麥克風(fēng)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(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入信號(hào)與輸出電平之間的關(guān)系。圖2(a)所示為ADMP504模擬麥克風(fēng)，其靈敏度為–38 dBV，信噪比為65 dB。相對(duì)于左側(cè)的94 dB SPL基準(zhǔn)點(diǎn)改變靈敏度時(shí)，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致以下情況：向上滑動(dòng)dBV輸出條將降低靈敏度，向下滑動(dòng)輸出條則會(huì)提高靈敏度。

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

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

選擇靈敏度和設(shè)置增益

高靈敏度麥克風(fēng)并非始終優(yōu)于低靈敏度麥克風(fēng)。雖然靈敏度可以顯示麥克風(fēng)的部分特性，但不一定能體現(xiàn)麥克風(fēng)的性能。麥克風(fēng)噪聲電平、削波點(diǎn)、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風(fēng)是否適用于特定應(yīng)用。高靈敏度麥克風(fēng)在模數(shù)轉(zhuǎn)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(fēng)。

在手機(jī)等近場(chǎng)應(yīng)用中，麥克風(fēng)接近聲源，靈敏度較高的麥克風(fēng)更可能達(dá)到最大聲學(xué)輸入，產(chǎn)生削波現(xiàn)象，最后導(dǎo)致失真。另一方面，較高的靈敏度可能適合遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)用(如會(huì)議電話和安保攝像頭)，因?yàn)樵谶@類(lèi)應(yīng)用中，隨著麥克風(fēng)與聲源之間距離的增加，聲音會(huì)被衰減。圖3顯示了麥克風(fēng)與聲源之間的距離會(huì)對(duì)SPL產(chǎn)生什么影響。與聲源的距離每增加一倍，聲學(xué)信號(hào)電平將下降6 dB(一半)。

圖3.隨著與聲源距離的增加，麥克風(fēng)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(lái)痛苦的點(diǎn)。麥克風(fēng)很少能整個(gè)覆蓋——甚至大致覆蓋——該范圍，因此，針對(duì)所需的SPL范圍選擇正確的麥克風(fēng)是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)決定。應(yīng)利用靈敏度規(guī)格，使麥克風(fēng)在整個(gè)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)鏈的常見(jiàn)信號(hào)電平相匹配。

圖4.各種聲源的聲壓電平

模擬麥克風(fēng)的靈敏度范圍較寬。有些動(dòng)態(tài)麥克風(fēng)的靈敏度可能低至–70 dBV。有些電容麥克風(fēng)模塊集成前置放大器，因而具有極高的靈敏度，達(dá)到–18 dBV。多數(shù)模擬駐極體麥克風(fēng)和MEMS麥克風(fēng)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(fēng)可能低至29 dB SPL)與最大聲學(xué)輸入(典型值約為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調(diào)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(fēng)的靈敏度似乎缺乏靈活性，但可通過(guò)數(shù)字處理器中的增益輕松調(diào)節(jié)麥克風(fēng)信號(hào)的電平。對(duì)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(fēng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，就不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的噪聲電平降低。在模擬設(shè)計(jì)中，每個(gè)增益級(jí)都會(huì)向信號(hào)中引入一些噪聲;需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)保證每個(gè)增益級(jí)的噪聲足夠低，以避免其注入噪聲而降低音頻信號(hào)。例如，我們可以看看ADMP441， 這是一款數(shù)字(I2S )輸出麥克風(fēng)，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(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍為其能可靠重現(xiàn)的最大信號(hào)(最大SPL)與最小信號(hào)(本底噪聲)之間的差值(ADMP441為：120 dB – 33 dB = 87 dB)。該動(dòng)態(tài)范圍可用一個(gè)15位數(shù)據(jù)字再現(xiàn)。當(dāng)數(shù)字字中的數(shù)據(jù)發(fā)生1位移位時(shí)，信號(hào)電平會(huì)出現(xiàn)6 dB移位。因此，即便是動(dòng)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(huì)影響原始動(dòng)態(tài)范圍。請(qǐng)注意，在許多處理器中，數(shù)字麥克風(fēng)的最大聲學(xué)輸入被映射到DSP的內(nèi)部滿(mǎn)量程電平。在這種情況下，增加任意增益都會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍等量下降，進(jìn)而降低系統(tǒng)的削波點(diǎn)。以ADMP441為例，在一個(gè)滿(mǎn)量程以上無(wú)裕量的處理器中，增加4 dB的增益會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)116 dB SPL的信號(hào)削波。

圖5所示為一個(gè)數(shù)字麥克風(fēng)，其提供I2S或PDM輸出并直接與一個(gè)DSP相連。在該信號(hào)鏈中，不需要使用中間增益級(jí)，因?yàn)辂溈孙L(fēng)的峰值輸出電平已經(jīng)與DSP的滿(mǎn)量程輸入字相匹配。

圖5.直接與一個(gè)DSP相連的數(shù)字麥克風(fēng)輸入信號(hào)鏈

結(jié)束語(yǔ)

本文說(shuō)明了如何理解麥克風(fēng)的靈敏度規(guī)格，如何將其應(yīng)用到系統(tǒng)的增益級(jí)中，同時(shí)解釋了雖然靈敏度與SNR相關(guān)，但并不像SNR一樣可以體現(xiàn)麥克風(fēng)的質(zhì)量的原因所在。無(wú)論是用模擬麥克風(fēng)還是用數(shù)字MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文都有助于設(shè)計(jì)師選擇最適合具體應(yīng)用的麥克風(fēng)，從而發(fā)揮麥克風(fēng)的最大潛能。