模拟麦克风和数字麦克风在灵敏度规格上的区别和选择

灵敏度，即模拟输出电压或数字输出值与输入压力的比值，是任何麦克风的关键规格。将声学域中的单元映射到电域中的单元可确定给定已知输入的麦克风输出信号的大小。

本文将讨论模拟麦克风和数字麦克风在灵敏度规格上的区别，如何为应用选择灵敏度最佳的麦克风，以及为什么增加一点（或更多）数字增益可以增强麦克风信号。

模拟与数字

麦克风灵敏度通常使用 1 kHz 正弦波在 94 dB 声压级 （SPL） 或 1 帕斯卡 （Pa） 压力下测量。来自麦克风的模拟或数字输出信号与该输入激励的大小是其灵敏度的量度。这个参考点只是麦克风的一个特征，绝不是其性能的全部。

模拟麦克风的灵敏度简单易懂。通常以dBV的对数单位（相对于1 V的分贝）指定，它告诉给定SPL的输出信号将有多少伏特。对于模拟麦克风，灵敏度（以 mV/Pa 的线性单位表示）可以用分贝对数表示：

其中utputAREF是 1000 mV/Pa （1 V/Pa） 基准输出比。

根据这些信息，通过适当的前置放大器增益，麦克风信号电平可以很容易地与电路或系统其余部分的所需输入电平相匹配。图1显示了麦克风的峰值输出电压（V.MAX） 可设置为匹配 ADC 的满量程输入电压 （V在） 增益为 V在/V.MAX.例如，最大输出电压为0.25 V的ADMP504可以通过使用4 （12 dB）增益与具有1.0 V满量程峰值输入电压的ADC进行匹配。

图1.带前置放大器的模拟麦克风输入信号链，可将麦克风输出电平与ADC输入电平相匹配。

数字麦克风的灵敏度，单位为dBFS（相对于数字满量程的分贝），并不是那么简单。单位的差异表明，与模拟麦克风相比，数字麦克风的灵敏度定义存在微妙的对比。对于具有电压输出的模拟麦克风，输出信号大小的唯一限制是系统电压电源的实际限制。虽然对于大多数设计来说可能不切实际，但没有物理原因说明模拟麦克风不能具有20 dBV灵敏度，10 V输出信号作为参考电平输入信号。只要放大器、转换器和其他电路能够支持所需的信号电平，就可以实现这种灵敏度。

数字麦克风的灵敏度不太灵活;它取决于单个设计参数，最大声学输入。只要满量程数字字映射到麦克风的最大声学输入（实际上是唯一合理的映射），灵敏度就必须只是该最大声学信号与94 dB SPL基准之间的差异。因此，如果数字麦克风的最大声压级为 120 dB，则其灵敏度将为 –26 dBFS （94 dB – 120 dB）。对于给定的声学输入，无法调整设计以使数字输出信号更高，除非最大声学输入降低相同的量。

对于数字麦克风，灵敏度以94 dB SPL输入产生的满量程输出的百分比来衡量。对于数字麦克风，转换公式为

哪里输出DREF是满量程数字输出电平。

这种比较中最后一个非常令人困惑的部分是数字和模拟麦克风之间峰值和均方根电平的使用不一致。无论麦克风的类型如何，以dB SPL为单位的麦克风的声学输入电平始终是均方根测量值。模拟麦克风的输出以1 V rms为基准，因为均方根测量更常用于比较模拟音频信号电平。但是，数字麦克风的灵敏度和输出电平作为峰值电平给出，因为它们被称为满量程数字字，这是一个峰值。通常，在配置可能依赖于精确信号电平的下游信号处理时，必须牢记使用峰值电平来指定数字麦克风输出的惯例。例如，动态范围处理器（压缩器、限幅器和噪声门）通常根据均方根信号电平设置阈值，因此数字麦克风的输出必须通过降低dBFS值从峰值调整到均方根。对于正弦输入，均方根电平比峰值电平低3 dB（（FS√2）的对数测量值）;对于更复杂的信号，均方根和峰值之间的差异可能不同。例如，具有脉冲密度调制（PDM）数字输出的MEMS麦克风ADMP421的灵敏度为–26 dBFS。94 dB SPL正弦输入信号将提供–26 dBFS峰值输出电平或–29 dBFS rms电平。

由于数字和模拟麦克风的输出具有不同的单元，因此将一种类型与另一种类型进行比较可能会令人困惑;但是，它们在声学域中共享一个共同的测量单位，即SPL。一个可能具有模拟电压输出，另一个可能具有调制PDM输出，第三个具有I2S输出，但它们的最大声学输入和信噪比（SNR，94 dB SPL参考与噪声电平之间的差异）可以直接比较。通过参考声学域，而不是输出格式，这两个规格提供了一种比较不同麦克风的便捷方法。图2显示了给定灵敏度下声学输入信号与模拟和数字麦克风输出电平之间的关系。图2（a）显示了ADMP504模拟麦克风，其灵敏度为–38 dBV，SNR为65 dB。相对于左侧的94 dB SPL参考点，改变其灵敏度将导致dBV输出条向上滑动以降低灵敏度或向下滑动以增加灵敏度。

图2.将声学输入电平映射到（a）模拟麦克风的电压输出电平;（b） 数字麦克风的数字输出电平。

图2（b）显示了ADMP521数字麦克风，其灵敏度为–26 dBFS，SNR为65 dB。数字麦克风的输入到输出电平映射图显示，如果不破坏最大声学输入和满量程数字字之间的映射，就无法调整该麦克风的灵敏度。SNR、动态范围、电源抑制和THD等规格是麦克风质量的更好指标，而不是灵敏度。

选择灵敏度和设置增益

高灵敏度麦克风并不总是比低灵敏度麦克风好。灵敏度可以说明麦克风的特性，但不一定能说明其质量。麦克风的噪声水平、削波点、失真和灵敏度之间的平衡决定了麦克风是否适合特定应用。在模数转换之前，具有高灵敏度的麦克风可能需要较少的前置放大器增益，但在削波之前可能比具有较低灵敏度的麦克风具有更少的动态余量。

在近场应用中，例如手机，麦克风靠近声源，灵敏度较高的麦克风更有可能达到最大声学输入、削波并导致失真。另一方面，在远场应用中可能需要更高的灵敏度，例如会议电话和安全摄像头，在这些应用中，声音会随着从声源到麦克风的距离增加而衰减。图 3 显示了麦克风与声源的距离如何影响 SPL。每次与声源的距离加倍时，声学信号的电平就会降低 6 dB（一半）。

图3.麦克风的声压级随着与声源距离的增加而降低。

作为参考，图4显示了各种声源的典型声压级，从安静的录音室（低于10 dB SPL）到疼痛阈值（高于130 dB SPL），即声音给普通人带来疼痛的点。麦克风很少能覆盖这个范围的全部，甚至大部分，因此为所需的SPL范围选择合适的麦克风是一项重要的设计决策。灵敏度规格应用于将麦克风在目标动态范围内的输出信号电平与音频信号链的公共信号电平相匹配。

图4.各种来源的声压级。1

模拟麦克风具有广泛的灵敏度。某些动圈麦克风的灵敏度可能低至 –70 dBV。一些电容式麦克风模块集成了前置放大器，因此具有–18 dBV的超高灵敏度。大多数模拟驻极体和MEMS麦克风的灵敏度在–46 dBV和–35 dBV（5.0 mV/Pa至17.8 mV/Pa）之间。该电平是本底噪声（ADMP504和ADMP521 MEMS麦克风可低至29 dB SPL）与最大声学输入（通常约为120 dB SPL）之间的良好折衷。模拟麦克风的灵敏度可以在前置放大器电路中进行调谐，前置放大器电路通常与换能器元件集成在封装中。

尽管数字麦克风的灵敏度不灵活，但麦克风信号的电平可以通过数字处理器中的增益轻松调整。使用数字增益时，只要处理器具有足够的位数来完全表示原始麦克风信号的动态范围，就不存在降低信号噪声水平的危险。在模拟设计中，每个增益级都会在信号中引入一些噪声;系统设计人员有责任确保每个增益级足够安静，以防止其注入的噪声降低音频信号。例如，我们可以看一下ADMP441，一款数字（I2S） 输出麦克风，最大声压级为 120 dB（–26 dBFS 灵敏度），等效输入噪声为 33 dB SPL（61 dB SNR）。麦克风的动态范围是它可以忠实再现的最大（最大声压级）和最小（本底噪声）信号之间的差值（ADMP441为120 dB – 33 dB = 87 dB）。该动态范围可以用15位数据字再现。数字字中数据的1位偏移会导致信号电平偏移6 dB，因此即使是具有98 dB动态范围的16位音频处理器也可能在原始动态范围受到影响之前使用11 dB的增益或衰减。请注意，在许多处理器中，数字麦克风的最大声学输入映射到DSP的内部满量程电平。在这种情况下，添加任意数量的增益都会将动态范围减小等量，并降低系统的削波点。以ADMP441为例，在满量程以上没有裕量的处理器中增加4 dB增益会导致系统削波116 dB SPL信号。

图 5 显示了一个数字麦克风，其中2S 或 PDM 输出，直接连接到 DSP。在该信号链中，不需要中间增益级，因为麦克风的峰值输出电平已经与DSP的满量程输入字相匹配。

图5.数字麦克风输入信号链直接连接到DSP。

结论

本文解释了如何理解麦克风的灵敏度规格，如何将其应用于系统的增益分级，以及为什么虽然灵敏度与SNR有关，但它不能像SNR那样指示麦克风的质量。无论是使用模拟还是数字MEMS麦克风进行设计，这都应该有助于设计人员为应用选择最佳麦克风，并从该器件获得最大的性能。

审核编辑：郭婷