MEMS麥克風(fēng)技術(shù)規(guī)格和術(shù)語闡釋

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，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規(guī)定，則直接比較靈敏度值是不恰當(dāng)?shù)?。模擬麥克風(fēng)的靈敏度通常用dBV來規(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“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來衡量，其結(jié)果可通過下式轉(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)來自所有方向的聲音都同樣敏感，與麥克風(fēng)所處的方位無關(guān)。圖1所示為麥克風(fēng)響應(yīng)的2軸極坐標(biāo)圖。無論麥克風(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)1 kHz、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)?4 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來顯示這些關(guān)系。

圖2. 模擬麥克風(fēng)的dB SPL輸入與dBV輸出的關(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館中5米開外的輕聲低語所產(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，說明-3 dB點(diǎn)之間輸出信號(hào)與標(biāo)稱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。

圖4. 頻率響應(yīng)模板

圖5. 典型頻率響應(yīng)(實(shí)測(cè))

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。

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)。

電源抑制比(PSRR)

麥克風(fēng)的電源抑制比(PSRR)衡量其抑制電源引腳上的噪聲，使之不影響信號(hào)輸出的能力。PSRR通過將一個(gè)217 Hz、100 mV峰峰值正弦波施加于麥克風(fēng)的VDD引腳來測(cè)量。PSRR測(cè)量將給出從麥克風(fēng)的輸出來看，此輸入信號(hào)衰減了多少dB。此參數(shù)之所以使用217 Hz頻率，是因?yàn)樵贕SM電話應(yīng)用中，217 Hz開關(guān)頻率通常是電源的一個(gè)主要噪聲源。

MEMS麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)也會(huì)顯示100 Hz至10 kHz頻率范圍內(nèi)的PSRR。這些麥克風(fēng)具有出色的低頻噪聲抑制性能(模擬麥克風(fēng)小于-70 dBV，數(shù)字麥克風(fēng)小于-80 dBFS)。如圖6(選自ADMP404數(shù)據(jù)手冊(cè))所示，PSRR在高頻時(shí)提高到略低于-50 dB的水平。

圖6. 典型電源抑制比與頻率的關(guān)系

最大聲學(xué)輸入

最大聲學(xué)輸入指的是麥克風(fēng)能夠承受的最高聲壓級(jí)(SPL)。高于此參數(shù)的SPL會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重的非線性失真。最大聲學(xué)輸入用峰值SPL來規(guī)定，而不是均方根值。

ADI公司MEMS麥克風(fēng)的最大聲學(xué)輸入為120 dB，相當(dāng)于空氣中的20 Pa聲壓級(jí)。