AN-938： 用于数字CMOS麦克风前置放大器ASIC的数字和模拟测量单元

Rebecca Reich

本应用笔记旨在解释使用音频分析仪测量数字麦克风前置放大器的输入和输出时模拟值和数字值之间的差异。具体而言，检查以数字方式（FFS或dBFS）或在模拟域（V或dBV）中测量时的峰值和均方根值之间的差异。以下各节中的一些示例计算说明了各种定义之间的必要转换。

数字域和模拟域中的单元

系统图如图1所示。ASIC 的传递函数标记为 A。

图1.模拟域和数字域之间的转换，当 a = 1.0 时

一些音频分析仪使用0 dBFS作为满量程正弦波的定义，并且这些分析仪的正弦波在数字域中的均方根和峰值相等。相同的分析仪显示，与模拟域中均方根电平的定义相比，数字域输出端测得的均方根电平高出3 dB。因此，顶部和底部处于最大数字码的方波的均方根值为1.414 FFS或3.01 dBFS，峰值为1.0 FFS或0.0 dBFS，而在模拟域中，相应方波的均方根值对于峰值和均方根值均为0 dBV。

对于ASIC，有两种表示传递函数的方式，A：一种是峰值，一种是均方根。这是必需的，因为传递函数A存在3 dB的差异，这是由于使用市售数字音频分析仪时模拟/数字域中的峰值/均方根定义不一致，如前所述。

从模拟域和数字域之间转换的一般公式开始，假设抽取器（跟随前置放大器输出）在通带中的增益为0 dB。

其中 A 在感兴趣的频段（音频频段）中是常数，可以按如下方式估计：

在均方根中，

在高峰期，

例如，如果正弦波为 14.1 mV峰施加在ASIC的输入端，输出测量为−22.1 dBFS有效值（与 −22.1 dBFS 相同峰），则 ASIC 的传递函数计算如下：

在均方根中，

在高峰期，

请注意，峰值增益APEAK比均方根增益ARMS低3 dB。同样，这是因为数字正弦输出的均方根和峰值相等。

很多时候，计算ASIC的最大输入幅度（以伏特为单位）以产生满量程输出很有趣。设 x（t） 的振幅表示为 VAPEAK，vo[n] 的振幅表示为 VDPEAK。

为了实现最大满量程输出（无削波），对应于vo[n]的幅度为1.0 FFS，模拟域中输入的计算如下：

测量麦克风前置放大器 ASIC 上的噪声

另一个经常进行的测量是ASIC（嵌入麦克风模块内部）的噪声水平。麦克风前置放大器ASIC的噪声是通过抽取ASIC的输出并将抽取的输出运行到音频分析仪中，将放大器的输入保持在0 V来数字测量的。然而，考虑到ASIC的传递函数，不仅目标输出端的噪声，而且噪声也回馈到输入端。假设抽取器通带内的增益为0 dB。如果A加权噪声测量为−87.5 dBFS有效值在ASIC的输出端，折合到输入端的噪声可以计算如下（使用之前计算的相同传递函数）：

 

 

因此，放大器输入端的噪声为5.37 μVVRMS.

总结

测量设备具有不同的解释满量程的方法，这会影响测试模拟和数字电路中记录的值。在某些情况下，均方根的数字和模拟定义相差约3 dB。

在计算模拟域和数字域中的信号电平时，了解测量设备中使用的定义和单位非常重要，并验证这些定义是否与ASIC规范数据手册中报告的值一致。

审核编辑：郭婷