作者 ：Jerad Lewls 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 1kHz、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 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 2. 模擬麥克風的 dB SPL 輸入與 dBV 輸出的關系圖 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。 頻率響應 麥克風的頻率響應描述其在整個頻譜上的輸出水平。頻率上限和下限用麥克風響應比 1 kHz 的參考輸出水平低 3 dB時的頻率點來描述。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 麥克風通常具有統一的100 Hz 至 15 kHz 頻率響應。 頻率響應特性還包括通帶內偏離平坦響應的限值。這些值表示為 ±x dB，說明 -3 dB 點之間輸出信號與標稱 0 dB 電平的最大偏差。 對于 ADI 公司的 MEMS 麥克風，低頻 ?3 dB 點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 麥克風數據手冊用兩幅圖來顯示此頻率響應 ：一幅圖顯示頻率響應模板，另一個幅圖顯示典型實測頻率響應。頻率響應模板圖顯示整個頻率范圍內麥克風輸出的上限和下限，麥克風輸出保證位于此模板范圍內。典型頻率響應圖顯示麥克風在整個頻段內的實際響應。圖 4 和圖 5 的示例為選自 ADMP404 數據手冊的兩幅圖。 頻率響應較寬且平坦的麥克風有助于系統設計實現自然、清晰的聲音。 圖 4. 頻率響應模板圖 5. 典型頻率響應（實測） 總諧波失真 (THD) 總諧波失真 (THD) 衡量在給定純單音輸入信號下輸出信號的失真水平，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音功率的比值。 THD 值越高，說明麥克風輸出中存在的諧波水平越高。MEMS 麥克風的 THD 利用基波的前五次諧波計算。 此測試的輸入信號通常為 105 dB SPL，比 94 dB SPL 參考高11 dB。與其它參數相比，THD 在較高的輸入 SPL 下測量，這是因為隨著聲學輸入信號水平提高，THD 測量結果通常也會提高。根據經驗，輸入水平每提高 10 dB，THD 會提高 3 倍。因此，如果在 105 dB SPL 時 THD 小于 3%，則在95 dB SPL 時 THD 將小于 1%。 切勿將此參數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。