解釋 MEMS 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊(cè)中出現(xiàn)的技術(shù)規(guī)格和術(shù)語(yǔ)資料下載

作者 ：Jerad Lewls 簡(jiǎn)介 在 ADI 公司的眾多產(chǎn)品中，MEMS 麥克風(fēng) IC 的獨(dú)特之處在于其輸入為聲壓波。因此，這些器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中包括的某些技術(shù)規(guī)格可能不為大家所熟悉，或者雖然熟悉，但其應(yīng)用方式卻比較陌生。本應(yīng)用筆記解釋 MEMS 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊(cè)中出現(xiàn)的技術(shù)規(guī)格和術(shù)語(yǔ)，以便幫助設(shè)計(jì)人員將麥克風(fēng)正確集成到系統(tǒng)之中。 靈敏度 麥克風(fēng)的靈敏度是指其輸出端對(duì)于給定標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)輸入的電氣響應(yīng)。用于麥克風(fēng)靈敏度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)參考輸入信號(hào)為 94 dB 聲壓級(jí) (SPL) 或 1 帕（Pa，衡量壓力的單位）的 1 kHz正弦波。對(duì)于固定的聲學(xué)輸入，靈敏度值較高的麥克風(fēng)的輸出水平高于靈敏度值較低的麥克風(fēng)。麥克風(fēng)靈敏度（用dB 表示）通常是負(fù)值，因此，靈敏度越高，其絕對(duì)值越小。務(wù)必注意麥克風(fēng)靈敏度規(guī)格的表示單位。如果兩個(gè)麥克風(fēng)的靈敏度不是采用同一單位來(lái)規(guī)定，則直接比較靈敏度值是不恰當(dāng)?shù)摹?a href='http://www.ttokpm.com/analog/' target='_blank' class='arckwlink_none'>模擬麥克風(fēng)的靈敏度通常用 dBV 來(lái)規(guī)定，即相對(duì)于 1.0 V rms 的 dB 數(shù)。數(shù)字麥克風(fēng)的靈敏度通常用dBFS 來(lái)規(guī)定，即相對(duì)于滿量程數(shù)字輸出 (FS) 的 dB 數(shù)。對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，滿量程信號(hào)是指麥克風(fēng)能夠輸出的最高信號(hào)水平 ；對(duì)于 ADI 公司 MEMS 麥克風(fēng)，該水平為 120 dB SPL。有關(guān)該信號(hào)水平的更完整描述，請(qǐng)參見(jiàn)“最大聲學(xué)輸入”部分。 靈敏度指輸入壓力與電氣輸出（電壓或數(shù)字字）的比值。對(duì)于模擬麥克風(fēng)，靈敏度通常用 mV/Pa 來(lái)衡量，其結(jié)果可通過(guò)下式轉(zhuǎn)換為 dB 值 ： 其中OutputREF 為 1 V/Pa (1000 mV/Pa) 參考輸出比。對(duì)于數(shù)字麥克風(fēng)，靈敏度表示為 94 dB SPL 輸入所產(chǎn)生的輸出占滿量程輸出的百分比。數(shù)字麥克風(fēng)的換算公式為 ： 其中OutputREF 為滿量程數(shù)字輸出水平 (1.0)。 較高的靈敏度并不總是意味著麥克風(fēng)的性能更佳。麥克風(fēng)的靈敏度越高，則它在典型條件（如交談等）下的輸出水平與最大輸出水平之間的裕量通常也越小。在近場(chǎng)（近距離談話）應(yīng)用中，高靈敏度的麥克風(fēng)可能更容易引起失真，這種失真常常會(huì)降低麥克風(fēng)的整體動(dòng)態(tài)范圍。 方向性 方向性描述麥克風(fēng)的靈敏度隨聲源空間位置的改變而變化的模式。ADI 公司的所有 MEMS 麥克風(fēng)都是全向麥克風(fēng)，即它們對(duì)來(lái)自所有方向的聲音都同樣敏感，與麥克風(fēng)所處的方位無(wú)關(guān)。圖 1 所示為麥克風(fēng)響應(yīng)的 2 軸極坐標(biāo)圖。無(wú)論麥克風(fēng)的收音孔位于 x-y 平面、x-z 平面還是 y-z 平面，此圖看起來(lái)都相同。 圖 1. 全向麥克風(fēng)響應(yīng)圖 將全向麥克風(fēng)集成到手機(jī)等較大的機(jī)殼中后，系統(tǒng)的方向響應(yīng)可能不是全向的。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，與定向響應(yīng)的麥克風(fēng)相比，利用全向麥克風(fēng)能夠更靈活地設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)聲學(xué)輸入的響應(yīng)。 多個(gè)全向麥克風(fēng)可以組成陣列來(lái)產(chǎn)生各種不同的方向模式，以及用于波束成形應(yīng)用。 信噪比 (SNR) 信噪比 (SNR) 表示參考信號(hào)與麥克風(fēng)輸出的噪聲水平的比值。這種測(cè)量包括麥克風(fēng)元件和 MEMS 麥克風(fēng)封裝中集成的 ASIC 二者所貢獻(xiàn)的噪聲。SNR 為噪聲水平與標(biāo)準(zhǔn) 1kHz、94 dB SPL 參考信號(hào)的 dB 差。 要計(jì)算 SNR，須在安靜、消聲環(huán)境下測(cè)量麥克風(fēng)的噪聲輸出。該參數(shù)通常表示為 20 kHz 帶寬內(nèi)的 A 加權(quán)值 (dBA)，這意味著它包括一個(gè)與人耳對(duì)不同頻率聲音的靈敏度相對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)。當(dāng)比較不同麥克風(fēng)的 SNR 時(shí)，必須確保它們采用相同的加權(quán)方式和帶寬 ；在較窄帶寬下測(cè)得的 SNR 優(yōu)于在整個(gè) 20 kHz 帶寬下測(cè)得的 SNR。 動(dòng)態(tài)范圍 麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍衡量麥克風(fēng)能夠做出線性響應(yīng)的最大SPL 與最小 SPL 之差，它不同于 SNR（相比之下，音頻ADC 或 DAC 的動(dòng)態(tài)范圍與 SNR 通常是等同的）。 麥克風(fēng)的 SNR 衡量噪底與 94 dB SPL 的參考水平之差，但在該參考水平以上，麥克風(fēng)仍然有相當(dāng)大的有用信號(hào)響應(yīng)范圍。麥克風(fēng)能夠?qū)?94 dB SPL 至最高 120 dB SPL 的聲學(xué)輸入信號(hào)做出線性響應(yīng)。因此，MEMS 麥克風(fēng)的動(dòng)態(tài)范圍等于其 SNR 26 dB，其中 26 dB = 120 dB ? 94 dB。例如，ADMP404 的 SNR 為 62 dB，而動(dòng)態(tài)范圍為 88 dB。 圖2顯示了聲學(xué)輸入（用dB SPL衡量）與麥克風(fēng)電壓輸出（用dBV 衡量）的關(guān)系。動(dòng)態(tài)范圍和 SNR 顯示于這兩個(gè)刻度軸之間，以供參考。圖 2 利用 ?38 dBV 靈敏度和 62 dB SNR的 ADMP404 來(lái)顯示這些關(guān)系。 圖 3 顯示了數(shù)字麥克風(fēng)的 dB SPL 輸入與 dBFS 輸出之間的類(lèi)似關(guān)系。注意，在此圖中，120 dB SPL 的最大聲學(xué)輸入直接映射到 0 dBFS 輸出信號(hào)。只要最大聲學(xué)輸入對(duì)應(yīng) 0 dBFS 并且設(shè)置為 120 dB SPL，則數(shù)字麥克風(fēng)始終具有 ?26 dB 的靈敏度。這是由靈敏度的定義（在 94 dB SPL 下測(cè)量）所決定的，而不是可以通過(guò)改變麥克風(fēng) ASIC 的增益進(jìn)行調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)。 圖 2. 模擬麥克風(fēng)的 dB SPL 輸入與 dBV 輸出的關(guān)系圖 3. 數(shù)字麥克風(fēng)的 dB SPL 輸入與 dBFS 輸出的關(guān)系 等效輸入噪聲 (EIN) 等效輸入噪聲 (EIN) 是將麥克風(fēng)的輸出噪聲水平 (SPL) 表示為一個(gè)施加于麥克風(fēng)輸入端的理論外部噪聲源。低于EIN 水平的輸入（SPL）在麥克風(fēng)的噪底以下，并且在麥克風(fēng)能夠產(chǎn)生輸出的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍以外。EIN 可以從動(dòng)態(tài)范圍或 SNR 參數(shù)導(dǎo)出，如下式所示 ： EIN = 最大聲學(xué)輸入 ? 動(dòng)態(tài)范圍 EIN = 94 dB ?SNR 對(duì)于一個(gè)具有 62 dB SNR 和 120 dB 最大聲學(xué)輸入的麥克風(fēng)，其 EIN 為 32 dB SPL，這大約是在安靜的圖書(shū)館中 5 米開(kāi)外的輕聲低語(yǔ)所產(chǎn)生的 SPL。圖 2 和圖 3 顯示了麥克風(fēng)的EIN。 頻率響應(yīng) 麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)描述其在整個(gè)頻譜上的輸出水平。頻率上限和下限用麥克風(fēng)響應(yīng)比 1 kHz 的參考輸出水平低 3 dB時(shí)的頻率點(diǎn)來(lái)描述。1 kHz 的參考水平通常歸一化為 0 dB。在這些條件下，ADI 公司的 MEMS 麥克風(fēng)通常具有統(tǒng)一的100 Hz 至 15 kHz 頻率響應(yīng)。 頻率響應(yīng)特性還包括通帶內(nèi)偏離平坦響應(yīng)的限值。這些值表示為 ±x dB，說(shuō)明 -3 dB 點(diǎn)之間輸出信號(hào)與標(biāo)稱(chēng) 0 dB 電平的最大偏差。 對(duì)于 ADI 公司的 MEMS 麥克風(fēng)，低頻 ?3 dB 點(diǎn)以下的低頻滾降為一階（6 dB/8 倍頻程或 20 dB/10 倍頻程），高頻?3 dB 點(diǎn)以上的高頻滾降為二階（?12 dB/8 倍頻程或 ?40 dB/10 倍頻程）。 MEMS 麥克風(fēng)數(shù)據(jù)手冊(cè)用兩幅圖來(lái)顯示此頻率響應(yīng) ：一幅圖顯示頻率響應(yīng)模板，另一個(gè)幅圖顯示典型實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)模板圖顯示整個(gè)頻率范圍內(nèi)麥克風(fēng)輸出的上限和下限，麥克風(fēng)輸出保證位于此模板范圍內(nèi)。典型頻率響應(yīng)圖顯示麥克風(fēng)在整個(gè)頻段內(nèi)的實(shí)際響應(yīng)。圖 4 和圖 5 的示例為選自 ADMP404 數(shù)據(jù)手冊(cè)的兩幅圖。 頻率響應(yīng)較寬且平坦的麥克風(fēng)有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自然、清晰的聲音。 圖 4. 頻率響應(yīng)模板圖 5. 典型頻率響應(yīng)（實(shí)測(cè)） 總諧波失真 (THD) 總諧波失真 (THD) 衡量在給定純單音輸入信號(hào)下輸出信號(hào)的失真水平，用百分比表示。此百分比為基頻以上所有諧波頻率的功率之和與基頻信號(hào)音功率的比值。 THD 值越高，說(shuō)明麥克風(fēng)輸出中存在的諧波水平越高。MEMS 麥克風(fēng)的 THD 利用基波的前五次諧波計(jì)算。 此測(cè)試的輸入信號(hào)通常為 105 dB SPL，比 94 dB SPL 參考高11 dB。與其它參數(shù)相比，THD 在較高的輸入 SPL 下測(cè)量，這是因?yàn)殡S著聲學(xué)輸入信號(hào)水平提高，THD 測(cè)量結(jié)果通常也會(huì)提高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輸入水平每提高 10 dB，THD 會(huì)提高 3 倍。因此，如果在 105 dB SPL 時(shí) THD 小于 3%，則在95 dB SPL 時(shí) THD 將小于 1%。 切勿將此參數(shù)與總諧波失真加噪聲 (THD N) 混為一談，后者不僅衡量諧波水平，而且包括輸出中的所有其它噪聲貢獻(xiàn)。