浅谈麦克风的灵敏度

降低灵敏度，向下滑动输出条则会提高灵敏度。

　　图2. （a）将声学输入电平映射到电压输出电平（模拟麦克风）

　　（b）将声学输入电平映射到数字输出电平（数字麦克风）

　　图2（b）所示为 ADMP521 digital 数字麦克风，其灵敏度为-26 dBFS，信噪比为65 dB。该数字麦克风输入到输出电平映射示意图表明，调整该麦克风的灵敏度会破坏最大声学输入与满量程数字字之间的映射。与灵敏度相比，SNR、动态范围、电源抑制比、THD等规格能更好地显示麦克风的性能。

　　选择灵敏度和设置增益

　　高灵敏度麦克风并非始终优于低灵敏度麦克风。虽然灵敏度可以显示麦克风的部分特性，但不一定能体现麦克风的性能。麦克风噪声电平、削波点、失真和灵敏度之间的平衡决定了麦克风是否适用于特定应用。高灵敏度麦克风在模数转换之前需要的前置放大器增益可能较少，但其在削波前的裕量可能少于低灵敏度麦克风。

　　在手机等近场应用中，麦克风接近声源，灵敏度较高的麦克风更可能达到最大声学输入，产生削波现象，最后导致失真。另一方面，较高的灵敏度可能适合远场应用（如会议电话和安保摄像头），因为在这类应用中，随着麦克风与声源之间距离的增加，声音会被衰减。图3显示了麦克风与声源之间的距离会对SPL产生什么影响。与声源的距离每增加一倍，声学信号电平将下降6 dB（一半）。

　　图3. 随着与声源距离的增加，麦克风声压电平将下降

　　作为参考，图4显示了各种声源的典型SPL，从安静的录音棚（10 dB SPL以下）到痛阈（130 dB SPL以下），痛阈指声音给正常人带来痛苦的点。麦克风很少能整个覆盖——甚至大致覆盖——该范围，因此，针对所需的SPL范围选择正确的麦克风是一个重要的设计决定。应利用灵敏度规格，使麦克风在整个目标动态范围内的输出信号电平与音频信号链的常见信号电平相匹配。

　　图4. 各种声源的声压电平

　　模拟麦克风的灵敏度范围较宽。有些动态麦克风的灵敏度可能低至–70 dBV。有些电容麦克风模块集成前置放大器，因而具有极高的灵敏度，达到–18 dBV。多数模拟驻极体麦克风和MEMS麦克风的灵敏度在–46 dBV至–35 dBV（5。0 mV/Pa至17。8 mV/Pa）之间。这种水平代表着本底噪声（ADMP504和ADMP521 MEMS麦克风可能低至29 dB SPL）与最大声学输入（典型值约为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调节，该电路通常与传感器元件一起集成在封装中。

　　尽管数字麦克风的灵敏度似乎缺乏灵活性，但可通过数字处理器中的增益轻松调节麦克风信号的电平。对于数字增益，只要处理器的位数足以完全表示原始麦克风信号的动态范围，就不会导致信号的噪声电平降低。在模拟设计中，每个增益级都会向信号中引入一些噪声；需要系统设计师来保证每个增益级的噪声足够低，以避免其注入噪声而降低音频信号。例如，我们可以看看 ADMP441， 这是一款数字（I2S ）输出麦克风，最大SPL为120 dB（灵敏度为–26 dBFS），等效输入噪声为33 dB SPL（61 dB SNR）。该麦克风的动态范围为其能可靠重现的最大信号（最大SPL）与最小信号（本底噪声）之间的差值（ADMP441为：120 dB – 33 dB = 87 dB）。该动态范围可用一个15位数据字再现。当数字字中的数据发生1位移位时，信号电平会出现6 dB移位。因此，即便是动态范围为98 dB的16位音频处理器也可使用11 dB的增益或衰减，而不会影响原始动态范围。请注意，在许多处理器中，数字麦克风的最大声学输入被映射到DSP的内部满量程电平。在这种情况下，增加任意增益都会使动态范围等量下降，进而降低系统的削波点。以ADMP441为例，在一个满量程以上无裕量的处理器中，增加4 dB的增益会导致系统对116 dB SPL的信号削波。

　　图5所示为一个数字麦克风，其提供I2S或PDM输出并直接与一个DSP相连。在该信号链中，不需要使用中间增益级，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. 直接与一个DSP相连的数字麦克风输入信号链

　　结束语

　　本文说明了如何理解麦克风的灵敏度规格，如何将其应用到系统的增益级中去，同时解释了灵敏度虽然与SNR相关，但并不像SNR一样可以体现麦克风的质量的原因所在。无论是用模拟麦克风还是用数字MEMS麦克风进行设计，本文都有助于设计师选择最适合具体应用的麦克风，从而发挥麦克风的最大潜能。