前言

MEMS 麦克风有许多独特的 spec，这些 spec 融合了声学和电学特性，再加上 MEMS 麦克风又有模拟与数字之分，这使得理解麦克风的数据手册具有一定难度，本期我们就来解读一下。

按惯例声明一下：我的解释不一定是对的，还可能存在错误，所以仅供参考，欢迎讨论。

模拟 MEMS 麦克风

我们先拿模拟 MEMS 麦克风举例，因为模拟 MEMS 麦克风比较纯粹。

下述截图来自于 Wolfson WM7133L 的数据手册，Wolfson 现已被 Cirrus Logic 收购：

图1 Wolfson WM7133L 数据手册

图1 Wolfson WM7133L 数据手册，来源[1]

图2 Wolfson WM7133L 数据手册

图2 Wolfson WM7133L specs，来源[1]

我在图中加了序号，因为按照这种顺序介绍，比较容易理解。

灵敏度（Sensitivity）

灵敏度是指麦克风对于基准声音的输出。

这个基准声音是频率 1 KHz、94 dB SPL 的正弦波。SPL 指声压等级（Sound Pressure Level）。94 dB SPL 相当于 1 Pascal (Pa) 的压强。如果用耳朵听，这个声音挺响的，属于噪声的范畴。

WM7133L 的灵敏度是 -38 dBV。也就是在 1 KHz、94 dB SPL 输入下，具有 -38 dBV 的输出。转换成电压单位，大概为 0.013 V 的电压有效值。

在相同的声压输入下，灵敏度高的麦克风比灵敏度低的麦克风具有更大的输出。比如，-26 dBV 的灵敏度高于 - 38 dBV 的灵敏度。

灵敏度仅表示麦克风在基准声音下的输出。从器件设计的角度，如果我们加大电源电压和放大倍数，就可以获得更大的输出，但增大灵敏度不是目的，因为噪声的输出也会跟着放大，于是就要说到信噪比的概念。

信噪比（SNR）

麦克风信噪比的测量方法如下：

  • 首先，获得上述 1 KHz、94 dB SPL 基准声音输入下的输出，也就是灵敏度。
  • 其次，将麦克风置于“安静环境”中，再次获得输出。
  • 最后，将上述两个输出相减，得到的就是信噪比。

根据 WM7133L 的数据手册，这个“安静环境”的输入是 Acoustic Noise Floor，其声压等级是 29.5 dB SPL，如果用耳朵听，应该是非常安静的。此时，对应的输出是 Electrical Noise Floor，其电压是 -102.5 dBV。

将两者相减，即 94 dB SPL - 29.5 dB SPL = - 38 dBV - (-102.5 dBV) = 64.5 dB。

64.5 dB，正是 WM7133L 的信噪比。

在同样的灵敏度情况下，高信噪比意味着麦克风有着更低的底噪，也就更好。

那么，如果施加到麦克风上的声音低于 Acoustic Noise Floor，麦克风将无法识别，因为信号会被噪声淹没，此时输出将等同于 Electrical Noise Floor。

动态范围（Dynamic Range，DR）

动态范围与麦克风所支持的最大输入有关。

这里有一个 总谐波失真 THD（Total Harmonic Distortion） 的概念。因为随着输入信号变大，输出逐渐产生失真。又因为输入的是正弦波，这种失真可以量化。

WM7133L 列举了 3 个 THD，分别对应 100 db SPL、114 db SPL、122 db SPL 的声音输入，其中， 1% THD 失真发生在 122dB SPL 的情况。

动态范围，就是将发生 1% THD 失真的情况与底噪相减，即 122 dB SPL - 29.5 dB SPL = 92.5 dB。按照这种计算，它比麦克风的 SNR 大很多。

此外，对于 发生 10% THD 失真的情况，还有一个专有名词，叫做 Acoustic Overload 或 Acoustic Overload Point（AOP），即 声学过载点。

图示对比

Cirrus Logic 有一篇应用笔记（参考资料[2]），用图示展示了 WM7133L 麦克风上述几个指标之间的关系：

图2 WM7133L 的灵敏度、信噪比、动态范围

图3 WM7133L 的灵敏度、信噪比、动态范围，来源[2]

你可以用计算器加减运算一下，看看 WM7133L 声学、电学指标等之间的 dB 差异是否一致。

ADC 的情况

模拟 MEMS 麦克风的输出需要与 ADC 的输入进行匹配。在此， ADC 可以是独立的，也可以在 Codec 之中。

ADC 也有信噪比（SNR）和动态范围（Dynamic Range，DR）的指标，不过定义与麦克风不太一样。

ADC 的 SNR 指最大的输入信号与底噪之间的差值。而 ADC 的 DR 指最大的输入信号与最小的输入信号之间的差值。从 Infineon AN558 “MEMS microphone electrical implementation” 应用笔记来看（参考资料[3]），它没有区分 ADC SNR / DR 两者的差异，而是直接引用了经典公式：

图4 ADC SNR / DR 的计算公式

图4 ADC SNR / DR 的计算公式，来源[3]

我们在早期文章里通过 ADI 的教程解读过这个公式，其过程是拿最大的输入信号与量化噪声进行比较，最终揭示出 ADC SNR / DR 的性能与 ADC 的位数有关。

如果你记不住这个公式的话，也可以用 N*6 来简单近似 ADC SNR / DR。

常见 ADC 的位数有 16 位、20 位或 24 位。比如，对于一个 16 位 ADC，其 N 的取值为16，套用近似公式可得 ADC SNR / DR 为 16*6 = 96 dB。

现在我们看一下如何将麦克风的输出与 ADC 的输入进行匹配，在 Infineon AN558 中有一个图示如下：

图5 麦克风与 ADC 的匹配

图5 麦克风与 ADC 的匹配，来源[3]

图中左侧代表了模拟 MEMS 麦克风的 spec ，它具有 105 dB 的 DR。右侧列举了 16 位、20 位或 24 位 等三个 ADC，分别对应 96 dB、120 dB、144 dB 的 ADC SNR / DR。

另外，图中 dBFS 的 “FS” 指 Full Scale（最大量程）。0 dBFS 即 最大量程，其他所有值均与 0 dBFS 进行比较，所以都是负数。

关键的看点是，麦克风与 ADC 两者的 0 dBFS 映射为一样，但底噪会不同，所以 ADC SNR / DR 需要大于麦克风的 DR。

比如，如果采用 16 位的 ADC， 对于这款麦克风来说，就没有足够的动态范围来支持，整体的性能会受到 ADC SNR / DR 的限制。

数字 MEMS 麦克风

介绍完模拟 MEMS 麦克风与 ADC 之后，我们再看数字 MEMS 麦克风就容易很多。

在 Infineon AN558 中又举了一个例子，IM69D130 和 IM69D120 都是数字 MEMS 麦克风，它们声学部分的 底噪 与 SNR 一样，但灵敏度一高一低（IM69D120 电学部分整体抬高 10 dB），动态范围与 AOP 也做了调整：

图6 IM69D130 和 IM69D120 对比

图6 IM69D130 和 IM69D120 对比，来源[3]

对应的数字部分，由表格最后一列可知，前者 IM69D130 需要 20 位或 24 位的 ADC，而后者 IM69D120 只需要 16 位的 ADC 即可。

小结

本文介绍了 MEMS 麦克风的常见 spec：

  • 声学输入用 dB SPL 单位表示，电学输出用 dBV、dBFS 表示；
  • 灵敏度（Sensitivity），可以看出麦克风的基准输入及其输出；
  • 信噪比（SNR），可以看出麦克风的底噪及其输出；
  • 动态范围（Dynamic Range，DR），可以看出麦克风的最大输入及其输出；

对于与麦克风适配的 ADC 来说，ADC SNR / DR 可以近似用位数 N*6 表示，这个指标更接近麦克风的 DR。所以，下次如果看到麦克风 SNR 只有 60 多个 dB ，不要觉得很烂，因为它可能依然需要一个 24 位的 ADC 来协同工作。

参考资料

  1. WM7133L Datasheet: https://www.digikey.ca/en/products/detail/cirrus-logic-inc/WM7133LIMS-RV/5036723
  2. Cirrus Logic WAN_0290: https://www.mouser.com/catalog/additional/Cirrus%20Logic_WAN0290_v1.0.pdf
  3. Infineon AN558: https://www.mouser.com/pdfDocs/Infineon-AN558_MEMS_Electrical_Implementation-AN-v01_00-EN.pdf

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