选择麦克风灵敏度：模拟与数字对比及应用指南

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"《了解麦克风灵敏度》是一篇深入探讨麦克风性能关键指标的文章，作者Jerad Lewis着重分析了模拟麦克风和数字麦克风在灵敏度规格上的区别。模拟麦克风的灵敏度通常以dBV表示，是输出电压与输入压力（如1kHz正弦波1Pa）的比率，这决定了在特定声压级下信号的电压输出。其线性单位为mV/Pa，可以通过对数公式计算，如1000mV/Pa相当于1V/Pa的10dB。文章指出，模拟麦克风的灵敏度设计相对直观，可以通过前置放大器调整，使之与电路或系统目标输入电平匹配，如图1所示的峰值输出电压匹配ADC的满量程输入电压。然而，实际应用中模拟麦克风的输出受限于系统电源电压，理论上理论上可达到很高的灵敏度。相比之下，数字麦克风的灵敏度以dBFS（相对于数字满量程分贝数）为单位，其定义更复杂。不同于模拟麦克风，数字麦克风的输出受到设计参数的约束，不像模拟麦克风那样受电源电压影响。这意味着数字麦克风的灵敏度不是无限可调的，它受限于转换器和其他电路的性能。选择麦克风时，需要考虑具体应用的需求，比如音频质量、动态范围、噪声级别以及系统架构。在某些情况下，增加数字增益可以提升信号强度，但过高的增益可能会引入噪声或失真。因此，理解麦克风的灵敏度特性和适配策略至关重要，这对于音频录制、音频处理或音响系统的设计都是基础性的知识。"

Analog Dialogue 46-05 Back Burner, May (2012) www.analog.com/analogdialogue 1

了解麦克风灵敏度

作者：Jerad Lewis

灵敏度

，即模拟输出电压或数字输出值与输入压力之比，对任

何麦克风来说都是一项关键指标。在输入已知的情况下，从声

域单元到电域单元的映射决定麦克风输出信号的幅度。

本文将探讨模拟麦克风与数字麦克风在灵敏度规格方面的差

异，如何根据具体应用选择灵敏度最佳的麦克风，同时还会讨

论为什么增加一位（或更多）数字增益可以增强麦克风信号。

模拟与数字

麦克风灵敏度一般在 94 dB 的声压级(SPL)（或者 1 帕(Pa)压力）

下，用 1 kHz 正弦波进行测量。麦克风在该输入激励下的模拟

或数字输出信号幅度即是衡量麦克风灵敏度。该基准点只是麦

克风的特性之一，并不代表麦克风性能的全部。

模拟麦克风的灵敏度很简单，不难理解。该指标一般表示为对

数单位 dBV（相对于 1 V 的分贝数)，代表着给定 SPL 下输出

信号的伏特数。对于模拟麦克风，灵敏度（表示为线性单位

mV/Pa）可以用对数表示为分贝：

其中 Output

AREF

为 1000 mV/Pa (1 V/Pa)参考输出比。

有了该信息和正确的前置放大器增益，则可轻松将麦克风信号

电平匹配至电路或系统其他部分的目标输入电平。图 1 显示了

如何设置麦克风的峰值输出电压(V

MAX

)，以匹配ADC的满量程

输入电压(V

)，其增益为 V

MAX

。例如，以 4 (12 dB)的增益，

可将一个最大输出电压为 0.25 V的ADMP504匹配至一个满量

程峰值输

入电压为 1.0 V的ADC。

图 1. 模拟麦克风输入信号链，以前置放大器使麦克风输出电

平与 ADC 输入电平相匹配。

数字麦克风的灵敏度（单位为 dBFS，相对于数字满量程的分

贝数）则并非如此简单。单位的差异表明，数字麦克风与模拟

麦克风的灵敏度在定义上存在细微差异。对于提供电压输出的

模拟麦克风，输出信号大小的唯一限制实际上是系统电源电压

的限制。虽然对多数设计来说并不实用，但从物理本质上讲，

模拟麦克风完全可以拥有 20 dBV 的灵敏度，其中用于基准电

平输入信号的输出信号为 10 V。只要放大器、转换器和其他电

路能支持所需的信号电平，完全可以实现这一水平的灵敏度。

数字麦克风的灵敏度没有这样灵活，而只取决于一个设计参

数，即

最大声学输入

。只要将满量程数字字映射到麦克风的最

大声学输入（实际上，这是唯一有用的映射），则灵敏度一定

是该最大声学信号与 94 dB SPL 参考信号之差。因此，如果数

字麦克风的最大 SPL 为 120 dB，则其灵敏度为–26 dBFS (94 dB

– 120 dB)。除非将最大声学输入降低相同的量，否则无法通过

调整设计使给定声学输入的数字输出信号变得更高。

对于数字麦克风，灵敏度表示为 94 dB SPL 输入所产生的输出

占满量程输出的百分比。数字麦克风的换算公式为：

其中 Output

DREF

为满量程数字输出电平。

现在来比较最后一个

非常

难懂的地方，数字和模拟麦克风在峰

值电平和均方根电平的使用上并不一致。麦克风的声学输入电

平（单位为 dB SPL）始终为

均方根

测量值，与麦克风的类型无

关。模拟麦克风的输出以 1 V rms为参考，因为均方根测量值

更常用于比较模拟音频信号电平。然而，数字麦克风的灵敏度

和输出电平却表示为峰值电平，因为它们是以满量程数字字

（即峰值）为参考的。一般来说，在配置可能依赖于精确信号

电平的下游信号处理时，必须记住用峰值电平指定数字麦克风

输出的惯例。例如，动态范围处理器（压缩器、限幅器和噪声

门）通常基于均方根信号电平来设置阈值，因此，必须通过降

低dBFS值从峰值到均方根值按比例调整数字麦克风的输出。

对于正弦输入，其均方根电平比峰值电平低 3 dB（即(FS√2)

的对数测量）；对于更加复杂的信号来说，均方根电平与峰值

电平之间的差值可能与此不同。例如，ADMP421（提供

脉冲

密度调制

(PDM)数字输出的MEMS麦克风）的灵敏度为–26

dBFS。一个 94 dB SPL正弦输入信号将产生–26 dBFS的

峰值

输

出电平，或–29 dBFS的

均方根

电平。

由于数字麦克风和模拟麦克风的输出采用不同的单位，因此，

对两类麦克风进行比较时可能会使人难以理解；但二者在声域

中却有一个共同的测量单位，SPL。一种麦克风可能为模拟电

压输出，另一种为调制 PDM 输出，还一种为 I

S 输出，但它

们的最大声学输入与信噪比（SNR，即 94 dB SPL 参考电平与

噪声电平之差）却是可以直接比较的。以声域而非输出格式为

参考，这两个规格为比较不同麦克风提供了一种便利的方式。

图 2 显示了给定灵敏度下，模拟麦克风和数字麦克风的声学输

入信号与输出电平之间的关系。图 2(a)所示为 ADMP504 模拟

麦克风，其灵敏度为–38 dBV，信噪比为 65 dB。相对于左侧

的 94 dB SPL 基准点改变灵敏度时，结果会导致以下情况：向

上滑动 dBV 输出条将降低灵敏度，向下滑动输出条则会提高

灵敏度。

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