本(ben)文(wen)將(jiang)探(tan)討(tao)模(mo)擬(ni)麥(mai)克(ke)風(feng)與(yu)數(shu)字(zi)麥(mai)克(ke)風(feng)在(zai)靈(ling)敏(min)度(du)規(gui)格(ge)方(fang)麵(mian)的(de)差(cha)異(yi)，如(ru)何(he)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)選(xuan)擇(ze)靈(ling)敏(min)度(du)最(zui)佳(jia)的(de)麥(mai)克(ke)風(feng)，同(tong)時(shi)還(hai)會(hui)討(tao)論(lun)為(wei)什(shen)麼(me)增(zeng)加(jia)一(yi)位(wei)（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zheng弦xian波bo進jin行xing測ce量liang。麥mai克ke風feng在zai該gai輸shu入ru激ji勵li下xia的de模mo擬ni或huo數shu字zi輸shu出chu信xin號hao幅fu度du即ji是shi衡heng量liang麥mai克ke風feng靈ling敏min度du。該gai基ji準zhun點dian隻zhi是shi麥mai克ke風feng的de特te性xing之zhi一yi，並bing不bu代dai表biao麥mai克ke風feng性xing能neng的de全quan部bu。

 

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（相對於1 V的分貝數)
，代表著給定SPL下輸出信號的伏特數。對於模擬麥克風
，靈敏度（表示為線性單位mV/Pa）可以用對數表示為分貝:

 

 

其中Output_AREF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，則可輕鬆將麥克風信號電平匹配至電路或係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 (V_MAX) 以匹配ADC的滿量程輸入電壓 (V_IN) 其增益為 V_IN/V_MAX。 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
，相對於數字滿量程的分貝數）則(ze)並(bing)非(fei)如(ru)此(ci)簡(jian)單(dan)。單(dan)位(wei)的(de)差(cha)異(yi)表(biao)明(ming)
，數(shu)字(zi)麥(mai)克(ke)風(feng)與(yu)模(mo)擬(ni)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)在(zai)定(ding)義(yi)上(shang)存(cun)在(zai)細(xi)微(wei)差(cha)異(yi)。對(dui)於(yu)提(ti)供(gong)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)的(de)模(mo)擬(ni)麥(mai)克(ke)風(feng)
，輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)大(da)小(xiao)的(de)唯(wei)一(yi)限(xian)製(zhi)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)係(xi)統(tong)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)限(xian)製(zhi)。雖(sui)然(ran)對(dui)多(duo)數(shu)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)並(bing)不(bu)實(shi)用(yong)
，但(dan)從(cong)物(wu)理(li)本(ben)質(zhi)上(shang)講(jiang)，模(mo)擬(ni)麥(mai)克(ke)風(feng)完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)擁(yong)有(you)20 dBV的靈敏度，其中用於基準電平輸入信號的輸出信號為10 V。隻要放大器、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，而隻取決於一個設計參數，即
，最大聲學輸入。隻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。

 

對於數字麥克風，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Output_DREF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，數字和模擬麥克風在峰值電平和均方根電平的使用上並不一致。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wei參can考kao，因yin為wei均jun方fang根gen測ce量liang值zhi更geng常chang用yong於yu比bi較jiao模mo擬ni音yin頻pin信xin號hao電dian平ping。然ran而er
，數shu字zi麥mai克ke風feng的de靈ling敏min度du和he輸shu出chu電dian平ping卻que表biao示shi為wei峰feng值zhi電dian平ping
，因yin為wei它ta們men是shi以yi滿man量liang程cheng數shu字zi字zi（即峰值）為wei參can考kao的de。一yi般ban來lai說shuo
，在zai配pei置zhi可ke能neng依yi賴lai於yu精jing確que信xin號hao電dian平ping的de下xia遊you信xin號hao處chu理li時shi，必bi須xu記ji住zhu用yong峰feng值zhi電dian平ping指zhi定ding數shu字zi麥mai克ke風feng輸shu出chu的de慣guan例li。例li如ru，動dong態tai範fan圍wei處chu理li器qi（壓縮器、限幅器和噪聲門）通常基於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。對於正弦輸入，其均方根電平比峰值電平低3 dB（即(FS√2)的對數測量）；對於更加複雜的信號來說，均方根電平與峰值電平之間的差值可能與此不同。例如，ADMP421，提供脈衝密度調製(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。

 

由於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
，另一種為調製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係。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。相對於左側的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(gai)數(shu)字(zi)麥(mai)克(ke)風(feng)輸(shu)入(ru)到(dao)輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)映(ying)射(she)示(shi)意(yi)圖(tu)表(biao)明(ming)，調(tiao)整(zheng)該(gai)麥(mai)克(ke)風(feng)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)會(hui)破(po)壞(huai)最(zui)大(da)聲(sheng)學(xue)輸(shu)入(ru)與(yu)滿(man)量(liang)程(cheng)數(shu)字(zi)字(zi)之(zhi)間(jian)的(de)映(ying)射(she)。與(yu)靈(ling)敏(min)度(du)相(xiang)比(bi)，SNR、動態範圍、電源抑製比
、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gao靈ling敏min度du麥mai克ke風feng並bing非fei始shi終zhong優you於yu低di靈ling敏min度du麥mai克ke風feng。雖sui然ran靈ling敏min度du可ke以yi顯xian示shi麥mai克ke風feng的de部bu分fen特te性xing，但dan不bu一yi定ding能neng體ti現xian麥mai克ke風feng的de性xing能neng。麥mai克ke風feng噪zao聲sheng電dian平ping、削波點

、shizhenhelingminduzhijiandepinghengjuedinglemaikefengshifoushiyongyutedingyingyong。gaolingmindumaikefengzaimoshuzhuanhuanzhiqianxuyaodeqianzhifangdaqizengyikenengjiaoshao，danqizaixueboqiandeyuliangkenengshaoyudilingmindumaikefeng。

 

zaishoujidengjinchangyingyongzhong，maikefengjiejinshengyuan，lingmindujiaogaodemaikefenggengkenengdadaozuidashengxueshuru，chanshengxueboxianxiang，zuihoudaozhishizhen。lingyifangmian，jiaogaodelingmindukenengshiheyuanchangyingyong（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產生什麼影響。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——該範圍，因此
，針對所需的SPLfanweixuanzezhengquedemaikefengshiyigezhongyaodeshejijueding。yingliyonglingminduguige
，shimaikefengzaizhenggemubiaodongtaifanweineideshuchuxinhaodianpingyuyinpinxinhaoliandechangjianxinhaodianpingxiangpipei。

 

圖4.各種聲源的聲壓電平¹

 

模擬麥克風的靈敏度範圍較寬。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。

 

jinguanshuzimaikefengdelingmindusihuquefalinghuoxing，danketongguoshuzichuliqizhongdezengyiqingsongtiaojiemaikefengxinhaodedianping。duiyushuzizengyi，zhiyaochuliqideweishuzuyiwanquanbiaoshiyuanshimaikefengxinhaodedongtaifanwei，jiubuhuidaozhixinhaodezaoshengdianpingjiangdi。zaimonishejizhong，meigezengyijidouhuixiangxinhaozhongyinruyixiezaosheng；需要係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)。該麥克風的動態範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，信號電平會出現6 dB移位。因此，即便是動態範圍為98 dB的16位音頻處理器也可使用11 dB的增益或衰減
，而不會影響原始動態範圍。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的內部滿量程電平。在這種情況下，增加任意增益都會使動態範圍等量下降，進而降低係統的削波點。以ADMP441為例，在一個滿量程以上無裕量的處理器中，增加4 dB的增益會導致係統對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輸出並直接與一個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，如何將其應用到係統的增益級中


，同時解釋了雖然靈敏度與SNR相關
，但並不像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，本文都有助於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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