MEMS麥克風技術規格和術語闡釋

簡介

在ADI公司的眾多產品中，MEMS麥克風IC的獨特之處在于其輸入為聲壓波。因此，這些器件的數據手冊中包括的某些技術規格可能不為大家所熟悉，或者雖然熟悉，但其應用方式卻比較陌生。本應用筆記解釋MEMS麥克風數據手冊中出現的技術規格和術語，以便幫助設計人員將麥克風正確集成到系統之中。

靈敏度

麥克風的靈敏度是指其輸出端對于給定標準聲學輸入的電氣響應。用于麥克風靈敏度測量的標準參考輸入信號為94 dB聲壓級(SPL)或1帕(Pa，衡量壓力的單位)的1 kHz正弦波。對于固定的聲學輸入，靈敏度值較高的麥克風的輸出水平高于靈敏度值較低的麥克風。麥克風靈敏度(用dB表示)通常是負值，因此，靈敏度越高，其絕對值越小。

務必注意麥克風靈敏度規格的表示單位。如果兩個麥克風的靈敏度不是采用同一單位來規定，則直接比較靈敏度值是不恰當的。模擬麥克風的靈敏度通常用dBV來規定，即相對于1.0 V rms的dB數。數字麥克風的靈敏度通常用dBFS來規定，即相對于滿量程數字輸出(FS)的dB數。對于數字麥克風，滿量程信號是指麥克風能夠輸出的最高信號水平;對于ADI公司MEMS麥克風，該水平為120 dB SPL。有關該信號水平的更完整描述，請參見“最大聲學輸入”部分。

靈敏度指輸入壓力與電氣輸出(電壓或數字字)的比值。對于模擬麥克風，靈敏度通常用mV/Pa來衡量，其結果可通過下式轉換為dB值：

其中OutputREF為1 V/Pa (1000 mV/Pa)參考輸出比。

對于數字麥克風，靈敏度表示為94 dB SPL輸入所產生的輸出占滿量程輸出的百分比。數字麥克風的換算公式為：

其中OutputREF為滿量程數字輸出水平(1.0)。

較高的靈敏度并不總是意味著麥克風的性能更佳。麥克風的靈敏度越高，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(近距離談話)應用中，高靈敏度的麥克風可能更容易引起失真，這種失真常常會降低麥克風的整體動態范圍。

方向性

方向性描述麥克風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麥克風都是全向麥克風，即它們對來自所有方向的聲音都同樣敏感，與麥克風所處的方位無關。圖1所示為麥克風響應的2軸極坐標圖。無論麥克風的收音孔位于x-y平面、x-z平面還是y-z平面，此圖看起來都相同。

圖1. 全向麥克風響應圖

將全向麥克風集成到手機等較大的機殼中后，系統的方向響應可能不是全向的。對于系統設計人員，與定向響應的麥克風相比，利用全向麥克風能夠更靈活地設計系統對聲學輸入的響應。

多個全向麥克風可以組成陣列來產生各種不同的方向模式，以及用于波束成形應用。

信噪比(SNR)

信噪比(SNR)表示參考信號與麥克風輸出的噪聲水平的比值。這種測量包括麥克風元件和MEMS麥克風封裝中集成的ASIC二者所貢獻的噪聲。SNR為噪聲水平與標準1 kHz、94 dB SPL參考信號的dB差。

要計算SNR，須在安靜、消聲環境下測量麥克風的噪聲輸出。該參數通常表示為20 kHz帶寬內的A加權值(dBA)，這意味著它包括一個與人耳對不同頻率聲音的靈敏度相對應的校正系數。當比較不同麥克風的SNR時，必須確保它們采用相同的加權方式和帶寬;在較窄帶寬下測得的SNR優于在整個20 kHz帶寬下測得的SNR。

動態范圍

麥克風的動態范圍衡量麥克風能夠做出線性響應的最大SPL與最小SPL之差，它不同于SNR(相比之下，音頻ADC或DAC的動態范圍與SNR通常是等同的)。

麥克風的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，麥克風仍然有相當大的有用信號響應范圍。麥克風能夠對94 dB SPL至最高120 dB SPL的聲學輸入信號做出線性響應。因此，MEMS麥克風的動態范圍等于其SNR + 26 dB，其中26 dB = 120 dB-94 dB。例如，ADMP404的SNR為62 dB，而動態范圍為88 dB。

圖2顯示了聲學輸入(用dB SPL衡量)與麥克風電壓輸出(用dBV衡量)的關系。動態范圍和SNR顯示于這兩個刻度軸之間，以供參考。圖2利用-38 dBV靈敏度和62 dB SNR的ADMP404來顯示這些關系。

圖2. 模擬麥克風的dB SPL輸入與dBV輸出的關系

圖3顯示了數字麥克風的dB SPL輸入與dBFS輸出之間的類似關系。注意，在此圖中，120 dB SPL的最大聲學輸入直接映射到0 dBFS輸出信號。只要最大聲學輸入對應0 dBFS并且設置為120 dB SPL，則數字麥克風始終具有-26 dB的靈敏度。這是由靈敏度的定義(在94 dB SPL下測量)所決定的，而不是可以通過改變麥克風ASIC的增益進行調整的設計參數。

圖3. 數字麥克風的dB SPL輸入與dBFS輸出的關系

等效輸入噪聲(EIN)

等效輸入噪聲(EIN)是將麥克風的輸出噪聲水平(SPL)表示為一個施加于麥克風輸入端的理論外部噪聲源。低于EIN水平的輸入(SPL)在麥克風的噪底以下，并且在麥克風能夠產生輸出的信號動態范圍以外。EIN可以從動態范圍或SNR參數導出，如下式所示：

EIN = 最大聲學輸入-動態范圍

EIN = 94 dB-SNR

對于一個具有62 dB SNR和120 dB最大聲學輸入的麥克風，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生的SPL。圖2和圖3顯示了麥克風的EIN。