靈敏度，即模擬輸出電壓或數字輸出值與輸入壓力的比值，是任何麥克風的關鍵規格。將聲學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輸出信號的大小。

本文將討論模擬麥克風和數字麥克風在靈敏度規格上的區別，如何為應用選擇靈敏度最佳的麥克風，以及為什么增加一點（或更多）數字增益可以增強麥克風信號。

模擬與數字

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

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

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

根據這些信息，通過適當的前置放大器增益，麥克風信號電平可以很容易地與電路或系統其余部分的所需輸入電平相匹配。圖1顯示了麥克風的峰值輸出電壓（V.MAX） 可設置為匹配 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進行匹配。

圖1.帶前置放大器的模擬麥克風輸入信號鏈，可將麥克風輸出電平與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），并不是那么簡單。單位的差異表明，與模擬麥克風相比，數字麥克風的靈敏度定義存在微妙的對比。對于具有電壓輸出的模擬麥克風，輸出信號大小的唯一限制是系統電壓電源的實際限制。雖然對于大多數設計來說可能不切實際，但沒有物理原因說明模擬麥克風不能具有20 dBV靈敏度，10 V輸出信號作為參考電平輸入信號。只要放大器、轉換器和其他電路能夠支持所需的信號電平，就可以實現這種靈敏度。

數字麥克風的靈敏度不太靈活;它取決于單個設計參數，最大聲學輸入。只要滿量程數字字映射到麥克風的最大聲學輸入（實際上是唯一合理的映射），靈敏度就必須只是該最大聲學信號與94 dB SPL基準之間的差異。因此，如果數字麥克風的最大聲壓級為 120 dB，則其靈敏度將為 –26 dBFS （94 dB – 120 dB）。對于給定的聲學輸入，無法調整設計以使數字輸出信號更高，除非最大聲學輸入降低相同的量。

對于數字麥克風，靈敏度以94 dB SPL輸入產生的滿量程輸出的百分比來衡量。對于數字麥克風，轉換公式為

哪里輸出DREF是滿量程數字輸出電平。

這種比較中最后一個非常令人困惑的部分是數字和模擬麥克風之間峰值和均方根電平的使用不一致。無論麥克風的類型如何，以dB SPL為單位的麥克風的聲學輸入電平始終是均方根測量值。模擬麥克風的輸出以1 V rms為基準，因為均方根測量更常用于比較模擬音頻信號電平。但是，數字麥克風的靈敏度和輸出電平作為峰值電平給出，因為它們被稱為滿量程數字字，這是一個峰值。通常，在配置可能依賴于精確信號電平的下游信號處理時，必須牢記使用峰值電平來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）通常根據均方根信號電平設置閾值，因此數字麥克風的輸出必須通過降低dBFS值從峰值調整到均方根。對于正弦輸入，均方根電平比峰值電平低3 dB（（FS√2）的對數測量值）;對于更復雜的信號，均方根和峰值之間的差異可能不同。例如，具有脈沖密度調制（PDM）數字輸出的MEMS麥克風ADMP421的靈敏度為–26 dBFS。94 dB SPL正弦輸入信號將提供–26 dBFS峰值輸出電平或–29 dBFS rms電平。

由于數字和模擬麥克風的輸出具有不同的單元，因此將一種類型與另一種類型進行比較可能會令人困惑;但是，它們在聲學域中共享一個共同的測量單位，即SPL。一個可能具有模擬電壓輸出，另一個可能具有調制PDM輸出，第三個具有I2S輸出，但它們的最大聲學輸入和信噪比（SNR，94 dB SPL參考與噪聲電平之間的差異）可以直接比較。通過參考聲學域，而不是輸出格式，這兩個規格提供了一種比較不同麥克風的便捷方法。圖2顯示了給定靈敏度下聲學輸入信號與模擬和數字麥克風輸出電平之間的關系。圖2（a）顯示了ADMP504模擬麥克風，其靈敏度為–38 dBV，SNR為65 dB。相對于左側的94 dB SPL參考點，改變其靈敏度將導致dBV輸出條向上滑動以降低靈敏度或向下滑動以增加靈敏度。

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

圖2（b）顯示了ADMP521數字麥克風，其靈敏度為–26 dBFS，SNR為65 dB。數字麥克風的輸入到輸出電平映射圖顯示，如果不破壞最大聲學輸入和滿量程數字字之間的映射，就無法調整該麥克風的靈敏度。SNR、動態范圍、電源抑制和THD等規格是麥克風質量的更好指標，而不是靈敏度。

選擇靈敏度和設置增益

高靈敏度麥克風并不總是比低靈敏度麥克風好。靈敏度可以說明麥克風的特性，但不一定能說明其質量。麥克風的噪聲水平、削波點、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風是否適合特定應用。在模數轉換之前，具有高靈敏度的麥克風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具有更少的動態余量。

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

圖3.麥克風的聲壓級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，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。麥克風很少能覆蓋這個范圍的全部，甚至大部分，因此為所需的SPL范圍選擇合適的麥克風是一項重要的設計決策。靈敏度規格應用于將麥克風在目標動態范圍內的輸出信號電平與音頻信號鏈的公共信號電平相匹配。

圖4.各種來源的聲壓級。1

模擬麥克風具有廣泛的靈敏度。某些動圈麥克風的靈敏度可能低至 –70 dBV。一些電容式麥克風模塊集成了前置放大器，因此具有–18 dBV的超高靈敏度。大多數模擬駐極體和MEMS麥克風的靈敏度在–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麥克風可低至29 dB SPL）與最大聲學輸入（通常約為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進行調諧，前置放大器電路通常與換能器元件集成在封裝中。

盡管數字麥克風的靈敏度不靈活，但麥克風信號的電平可以通過數字處理器中的增益輕松調整。使用數字增益時，只要處理器具有足夠的位數來完全表示原始麥克風信號的動態范圍，就不存在降低信號噪聲水平的危險。在模擬設計中，每個增益級都會在信號中引入一些噪聲;系統設計人員有責任確保每個增益級足夠安靜，以防止其注入的噪聲降低音頻信號。例如，我們可以看一下ADMP441，一款數字（I2S） 輸出麥克風，最大聲壓級為 120 dB（–26 dBFS 靈敏度），等效輸入噪聲為 33 dB SPL（61 dB SNR）。麥克風的動態范圍是它可以忠實再現的最大（最大聲壓級）和最小（本底噪聲）信號之間的差值（ADMP441為120 dB – 33 dB = 87 dB）。該動態范圍可以用15位數據字再現。數字字中數據的1位偏移會導致信號電平偏移6 dB，因此即使是具有98 dB動態范圍的16位音頻處理器也可能在原始動態范圍受到影響之前使用11 dB的增益或衰減。請注意，在許多處理器中，數字麥克風的最大聲學輸入映射到DSP的內部滿量程電平。在這種情況下，添加任意數量的增益都會將動態范圍減小等量，并降低系統的削波點。以ADMP441為例，在滿量程以上沒有裕量的處理器中增加4 dB增益會導致系統削波116 dB SPL信號。

圖 5 顯示了一個數字麥克風，其中2S 或 PDM 輸出，直接連接到 DSP。在該信號鏈中，不需要中間增益級，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.數字麥克風輸入信號鏈直接連接到DSP。

結論

本文解釋了如何理解麥克風的靈敏度規格，如何將其應用于系統的增益分級，以及為什么雖然靈敏度與SNR有關，但它不能像SNR那樣指示麥克風的質量。無論是使用模擬還是數字MEMS麥克風進行設計，這都應該有助于設計人員為應用選擇最佳麥克風，并從該器件獲得最大的性能。

審核編輯：郭婷