選擇靈敏度和設置增益

　　高靈敏度麥克風并非始終優于低靈敏度麥克風。雖然靈敏度可以顯示麥克風的部分特性，但不一定能體現麥克風的性能。麥克風噪聲電平、削波點、失真和靈敏度之間的平衡決定了麥克風是否適用于特定應用。高靈敏度麥克風在模數轉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。

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

　　圖3.隨著與聲源距離的增加，麥克風聲壓電平將下降

　　作為參考，圖4顯示了各種聲源的典型SPL，從安靜的錄音棚（10 dB SPL以下）到痛閾（130 dB SPL以下），痛閾指聲音給正常人帶來痛苦的點。麥克風很少能整個覆蓋--甚至大致覆蓋--該范圍，因此，針對所需的SPL范圍選擇正確的麥克風是一個重要的設計決定。應利用靈敏度規格，使麥克風在整個目標動態范圍內的輸出信號電平與音頻信號鏈的常見信號電平相匹配。

　　圖4.各種聲源的聲壓電平1

　　模擬麥克風的靈敏度范圍較寬。有些動態麥克風的靈敏度可能低至–70 dBV.有些電容麥克風模塊集成前置放大器，因而具有極高的靈敏度，達到–18 dBV.多數模擬駐極體麥克風和MEMS麥克風的靈敏度在–46 dBV至–35 dBV（5.0 mV/Pa至17.8 mV/Pa）之間。這種水平代表著本底噪聲（ADMP504和ADMP521 MEMS麥克風可能低至29 dB SPL）與最大聲學輸入（典型值約為120 dB SPL）之間的良好折衷。模擬麥克風的靈敏度可以在前置放大器電路中調節，該電路通常與傳感器元件一起集成在封裝中。

　　盡管數字麥克風的靈敏度似乎缺乏靈活性，但可通過數字處理器中的增益輕松調節麥克風信號的電平。對于數字增益，只要處理器的位數足以完全表示原始麥克風信號的動態范圍，就不會導致信號的噪聲電平降低。在模擬設計中，每個增益級都會向信號中引入一些噪聲；需要系統設計師來保證每個增益級的噪聲足夠低，以避免其注入噪聲而降低音頻信號。例如，我們可以看看 ADMP441， 這是一款數字（I2S ）輸出麥克風，最大SPL為120 dB（靈敏度為–26 dBFS），等效輸入噪聲為33 dB SPL（61 dB SNR）。該麥克風的動態范圍為其能可靠重現的最大信號（最大SPL）與最小信號（本底噪聲）之間的差值（ADMP441為：120 dB – 33 dB = 87 dB）。該動態范圍可用一個15位數據字再現。當數字字中的數據發生1位移位時，信號電平會出現6 dB移位。因此，即便是動態范圍為98 dB的16位音頻處理器也可使用11 dB的增益或衰減，而不會影響原始動態范圍。請注意，在許多處理器中，數字麥克風的最大聲學輸入被映射到DSP的內部滿量程電平。在這種情況下，增加任意增益都會使動態范圍等量下降，進而降低系統的削波點。以ADMP441為例，在一個滿量程以上無裕量的處理器中，增加4 dB的增益會導致系統對116 dB SPL的信號削波。

　　圖5所示為一個數字麥克風，其提供I2S或PDM輸出并直接與一個DSP相連。在該信號鏈中，不需要使用中間增益級，因為麥克風的峰值輸出電平已經與DSP的滿量程輸入字相匹配。

　　圖5.直接與一個DSP相連的數字麥克風輸入信號鏈

　　結束語

　　本文說明了如何理解麥克風的靈敏度規格，如何將其應用到系統的增益級中，同時解釋了雖然靈敏度與 SNR相關，但并不像SNR一樣可以體現麥克風的質量的原因所在。無論是用模擬麥克風還是用數字MEMS麥克風進行設計，本文都有助于設計師選擇最適合具體應用的麥克風，從而發揮麥克風的最大潛能。