工程師,您了解麥克風(fēng)靈敏度嗎?
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(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。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(hào)的幅度。
本文將探討模擬麥克風(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(shí)還會(huì)討論為什么增加一位(或更多)數(shù)字增益可以增強(qiáng)麥克風(fēng)信號(hào)。
模擬與數(shù)字
麥克風(fēng)靈敏度一般在94 dB的聲壓級(jí)(SPL)(或者1帕(Pa)壓力)下,用1 kHz正弦波進(jìn)行測量。麥克風(fēng)在該輸入激勵(lì)下的模擬或數(shù)字輸出信號(hào)幅度即是衡量麥克風(fēng)靈敏度。該基準(zhǔn)點(diǎn)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(biāo)一般表示為對數(shù)單位dBV(相對于1 V的分貝數(shù)),代表著給定SPL下輸出信號(hào)的伏特?cái)?shù)。對于模擬麥克風(fēng),靈敏度(表示為線性單位mV/Pa)可以用對數(shù)表示為分貝:
其中OutputAREF 為 1000 mV/Pa (1 V/Pa)參考輸出比。
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(hào)電平匹配至電路或系統(tǒng)其他部分的目標(biāo)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 (12 dB)的增益,可將一個(gè)最大輸出電壓為0.25 V的 ADMP504 匹配至一個(gè)滿量程峰值輸入電壓為1.0 V的ADC.
圖1.模擬麥克風(fēng)輸入信號(hào)鏈,以前置放大器使麥克風(fēng)輸出電平與ADC輸入電平相匹配
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(xì)微差異。對于提供電壓輸出的模擬麥克風(fēng),輸出信號(hào)大小的唯一限制實(shí)際上是系統(tǒng)電源電壓的限制。雖然對多數(shù)設(shè)計(jì)來說并不實(shí)用,但從物理本質(zhì)上講,模擬麥克風(fēng)完全可以擁有20 dBV的靈敏度,其中用于基準(zhǔn)電平輸入信號(hào)的輸出信號(hào)為10 V.只要放大器、轉(zhuǎn)換器和其他電路能支持所需的信號(hào)電平,完全可以實(shí)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(gè)設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)與94 dB SPL參考信號(hào)之差。因此,如果數(shù)字麥克風(fēng)的最大SPL為120 dB,則其靈敏度為–26 dBFS (94 dB – 120 dB)。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(jì)使給定聲學(xué)輸入的數(shù)字輸出信號(hào)變得更高。
對于數(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 OutputDREF 為滿量程數(shù)字輸出電平。
現(xiàn)在來比較最后一個(gè)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dB SPL)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1 V rms為參考,因?yàn)榫礁鶞y量值更常用于比較模擬音頻信號(hào)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?yàn)樗鼈兪且詽M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(hào)電平的下游信號(hào)處理時(shí),必須記住用峰值電平指定數(shù)字麥克風(fēng)輸出的慣例。例如,動(dòng)態(tài)范圍處理器(壓縮器、限幅器和噪聲門)通常基于均方根信號(hào)電平來設(shè)置閾值,因此,必須通過降低dBFS值從峰值到均方根值按比例調(diào)整數(shù)字麥克風(fēng)的輸出。對于正弦輸入,其均方根電平比峰值電平低3 dB(即(FS√2)的對數(shù)測量);對于更加復(fù)雜的信號(hào)來說,均方根電平與峰值電平之間的差值可能與此不同。例如, ADMP421, 提供 脈沖密度調(diào)制 (PDM)數(shù)字輸出的MEMS麥克風(fēng) 的靈敏度為–26 一個(gè) 94 dB SPL 正弦輸入信號(hào)將產(chǎn)生–26 dBFS的 峰值輸出電平,或–29 dBFS的均方根 電平。
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(jìn)行比較時(shí)可能會(huì)使人難以理解;但二者在聲域中卻有一個(gè)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94 dB SPL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(gè)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(hào)與輸出電平之間的關(guān)系。圖2(a)所示為ADMP504模擬麥克風(fēng),其靈敏度為–38 dBV,信噪比為65 dB.相對于左側(cè)的94 dB SPL基準(zhǔn)點(diǎn)改變靈敏度時(shí),結(jié)果會(huì)導(dǎo)致以下情況:向上滑動(dòng)dBV輸出條將降低靈敏度,向下滑動(dòng)輸出條則會(huì)提高靈敏度。
圖2.(a)將聲學(xué)輸入電平映射到電壓輸出電平(模擬麥克風(fēng))
?。╞)將聲學(xué)輸入電平映射到數(shù)字輸出電平(數(shù)字麥克風(fēng))
圖2(b)所示為 ADMP521 digital 數(shù)字麥克風(fēng),其靈敏度為-26 dBFS,信噪比為65 dB.該數(shù)字麥克風(fēng)輸入到輸出電平映射示意圖表明,調(diào)整該麥克風(fēng)的靈敏度會(huì)破壞最大聲學(xué)輸入與滿量程數(shù)字字之間的映射。與靈敏度相比,SNR、動(dòng)態(tài)范圍、電源抑制比、THD等規(guī)格能更好地顯示麥克風(fēng)的性能。