探討模擬與數(shù)字麥克風(fēng)靈敏度方面的差異

靈敏度，即模擬輸出電壓或數(shù)字輸出值與輸入壓力之比，對任何麥克風(fēng)來說都是一項關(guān)鍵指標。在輸入已知的情況下，從聲域單元到電域單元的映射決定麥克風(fēng)輸出信號的幅度。模擬麥克風(fēng)與數(shù)字麥克風(fēng)在靈敏度規(guī)格方面的差異，如何根據(jù)具體應(yīng)用選擇靈敏度最佳的麥克風(fēng)，同時還會討論為什么增加一位（或更多）數(shù)字增益可以增強麥克風(fēng)信號。

麥克風(fēng)靈敏度一般在94dB的聲壓級(SPL)（或者1帕(Pa)壓力）下，用1kHz正弦波進行測量。麥克風(fēng)在該輸入激勵下的模擬或數(shù)字輸出信號幅度即是衡量麥克風(fēng)靈敏度。該基準點只是麥克風(fēng)的特性之一，并不代表麥克風(fēng)性能的全部。

模擬麥克風(fēng)的靈敏度很簡單，不難理解。該指標一般表示為對數(shù)單位dBV（相對于1V的分貝數(shù))，代表著給定SPL下輸出信號的伏特數(shù)。

有了該信息和正確的前置放大器增益，則可輕松將麥克風(fēng)信號電平匹配至電路或系統(tǒng)其他部分的目標輸入電平。圖1顯示了如何設(shè)置麥克風(fēng)的峰值輸出電壓(VMAX)以匹配ADC的滿量程輸入電壓(VIN)其增益為VIN/VMAX。例如，以4(12dB)的增益，可將一個最大輸出電壓為0.25V的ADMP504匹配至一個滿量程峰值輸入電壓為1.0V的ADC。

數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度（單位為dBFS，相對于數(shù)字滿量程的分貝數(shù)）則并非如此簡單。單位的差異表明，數(shù)字麥克風(fēng)與模擬麥克風(fēng)的靈敏度在定義上存在細微差異。對于提供電壓輸出的模擬麥克風(fēng)，輸出信號大小的唯一限制實際上是系統(tǒng)電源電壓的限制。雖然對多數(shù)設(shè)計來說并不實用，但從物理本質(zhì)上講，模擬麥克風(fēng)完全可以擁有20dBV的靈敏度，其中用于基準電平輸入信號的輸出信號為10V。只要放大器、轉(zhuǎn)換器和其他電路能支持所需的信號電平，完全可以實現(xiàn)這一水平的靈敏度。

數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度沒有這樣靈活，而只取決于一個設(shè)計參數(shù)，即最大聲學(xué)輸入。只要將滿量程數(shù)字字映射到麥克風(fēng)的最大聲學(xué)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(xué)信號與94dBSPL參考信號之差。因此，如果數(shù)字麥克風(fēng)的最大 SPL為120dB，則其靈敏度為–26dBFS(94dB–120dB)。除非將最大聲學(xué)輸入降低相同的量，否則無法通過調(diào)整設(shè)計使給定聲學(xué)輸入的數(shù)字輸出信號變得更高。

現(xiàn)在來比較最后一個非常難懂的地方，數(shù)字和模擬麥克風(fēng)在峰值電平和均方根電平的使用上并不一致。麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入電平（單位為dBSPL）始終為均方根測量值，與麥克風(fēng)的類型無關(guān)。模擬麥克風(fēng)的輸出以1Vrms為參考，因為均方根測量值更常用于比較模擬音頻信號電平。然而，數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度和輸出電平卻表示為峰值電平，因為它們是以滿量程數(shù)字字（即峰值）為參考的。一般來說，在配置可能依賴于精確信號電平的下游信號處理時，必須記住用峰值電平指定數(shù)字麥克風(fēng)輸出的慣例。

由于數(shù)字麥克風(fēng)和模擬麥克風(fēng)的輸出采用不同的單位，因此，對兩類麥克風(fēng)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(fēng)可能為模擬電壓輸出，另一種為調(diào)制PDM輸出，還一種為I2S輸出，但它們的最大聲學(xué)輸入與信噪比（SNR，即94dBSPL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(guī)格為比較不同麥克風(fēng)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(fēng)和數(shù)字麥克風(fēng)的聲學(xué)輸入信號與輸出電平之間的關(guān)系。

高靈敏度麥克風(fēng)并非始終優(yōu)于低靈敏度麥克風(fēng)。雖然靈敏度可以顯示麥克風(fēng)的部分特性，但不一定能體現(xiàn)麥克風(fēng)的性能。麥克風(fēng)噪聲電平、削波點、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風(fēng)是否適用于特定應(yīng)用。高靈敏度麥克風(fēng)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要的前置放大器增益可能較少，但其在削波前的裕量可能少于低靈敏度麥克風(fēng)。

在手機等近場應(yīng)用中，麥克風(fēng)接近聲源，靈敏度較高的麥克風(fēng)更可能達到最大聲學(xué)輸入，產(chǎn)生削波現(xiàn)象，最后導(dǎo)致失真。另一方面，較高的靈敏度可能適合遠場應(yīng)用（如會議電話和安保攝像頭），因為在這類應(yīng)用中，隨著麥克風(fēng)與聲源之間距離的增加，聲音會被衰減。圖3顯示了麥克風(fēng)與聲源之間的距離會對SPL產(chǎn)生什么影響。與聲源的距離每增加一倍，聲學(xué)信號電平將下降6dB（一半）。