Comprender la sensibilidad del micrófono | Dispositivos analógicos

Sensibilidad, la relación entre el voltaje de salida analógica o el valor de salida digital y la presión de entrada es una especificación clave de cualquier micrófono. La asignación de unidades en el dominio acústico a unidades en el dominio eléctrico determina la magnitud de la señal de salida del micrófono, dada una entrada conocida.

Este artículo discutirá la distinción en las especificaciones de sensibilidad entre micrófonos analógicos y digitales, cómo elegir un micrófono con la mejor sensibilidad para la aplicación y por qué agregar un poco (o más) de ganancia digital puede mejorar la señal del micrófono.

Analógico vs. Digital

La sensibilidad del micrófono generalmente se mide con una onda sinusoidal de 1 kHz a un nivel de presión de sonido (SPL) de 94 dB, o una presión de 1 pascal (Pa). La magnitud de la señal de salida analógica o digital del micrófono con ese estímulo de entrada es una medida de su sensibilidad. Este punto de referencia es solo una característica del micrófono, de ninguna manera toda la historia de su desempeño.

La sensibilidad de un micrófono analógico es sencilla y fácil de entender. Normalmente se especifica en unidades logarítmicas de dBV (decibeles con respecto a 1 V), indica cuántos voltios tendrá la señal de salida para un SPL determinado. Para un micrófono analógico, la sensibilidad, en unidades lineales de mV/Pa, se puede expresar logarítmicamente en decibelios:

Ecuación 1

dónde ProducciónAREF es la relación de salida de referencia de 1000 mV/Pa (1 V/Pa).

Dada esta información, con la ganancia adecuada del preamplificador, el nivel de la señal del micrófono puede adaptarse fácilmente al nivel de entrada deseado del resto del circuito o sistema. La Figura 1 muestra cómo el voltaje de salida pico del micrófono (VMÁX.) se puede configurar para que coincida con el voltaje de entrada de escala completa de un ADC (VEN) con una ganancia de VEN/VMÁX.. Por ejemplo, un ADMP504 con un voltaje de salida máximo de 0,25 V podría combinarse con un ADC con un voltaje de entrada máximo de escala completa de 1,0 V usando una ganancia de 4 (12 dB).

Figura 1
Figura 1. Cadena de señal de entrada de micrófono analógico con preamplificador para hacer coincidir el nivel de salida del micrófono con el nivel de entrada del ADC.

La sensibilidad de los micrófonos digitales, con unidades dBFS (decibelios con respecto a la escala completa digital), no es tan sencilla. La diferencia en unidades apunta a un sutil contraste en la definición de sensibilidad de los micrófonos digitales en comparación con los micrófonos analógicos. Para un micrófono analógico con salida de voltaje, el único límite para el tamaño de la señal de salida es el límite práctico de los suministros de voltaje del sistema. Aunque puede que no sea práctico para la mayoría de los diseños, no existe ninguna razón física por la que un micrófono analógico no pueda tener una sensibilidad de 20 dBV, con una señal de salida de 10 V para una señal de entrada de nivel de referencia. Esta sensibilidad podría lograrse siempre que los amplificadores, convertidores y otros circuitos pudieran admitir los niveles de señal requeridos.

La sensibilidad de un micrófono digital es menos flexible; depende de un único parámetro de diseño, entrada acústica máxima. Siempre que la palabra digital a gran escala se asigne a la entrada acústica máxima del micrófono (la única asignación sensata, en realidad), la sensibilidad deber ser simplemente la diferencia entre esta señal acústica máxima y la referencia de 94 dB SPL. Entonces, si el SPL máximo de un micrófono digital es de 120 dB, entonces su sensibilidad será de –26 dBFS (94 dB – 120 dB). No hay forma de modificar un diseño para hacer que la señal de salida digital sea más alta para una entrada acústica determinada, a menos que la entrada acústica máxima se reduzca en la misma cantidad.

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Para los micrófonos digitales, la sensibilidad se mide como un porcentaje de la salida de escala completa generada por una entrada de 94 dB SPL. Para un micrófono digital, la ecuación de conversión es

ecuación 2

dónde ProducciónPUEBLO es el nivel de salida digital de escala completa.

Una ultima muy La parte confusa de esta comparación es el uso inconsistente de los niveles de pico y rms entre los micrófonos digitales y analógicos. Los niveles de entrada acústica del micrófono en dB SPL son siempre valor eficaz mediciones, independientemente del tipo de micrófono. La salida de los micrófonos analógicos está referenciada a 1 V rms, ya que las mediciones rms se usan más comúnmente para comparar niveles de señales de audio analógico. Sin embargo, la sensibilidad y el nivel de salida de los micrófonos digitales se dan como niveles máximos porque se refieren a la palabra digital de escala completa, que es un valor máximo. En general, esta convención de usar niveles máximos para especificar la salida de los micrófonos digitales debe tenerse en cuenta al configurar el procesamiento de señales descendentes que puede basarse en niveles de señal precisos. Por ejemplo, los procesadores de rango dinámico (compresores, limitadores y puertas de ruido) normalmente establecen umbrales en función de los niveles de señal rms, por lo que la salida de un micrófono digital debe escalarse de pico a rms reduciendo el valor de dBFS. Para una entrada sinusoidal, el nivel rms es de 3 dB (la medida logarítmica de (FS√2) por debajo del nivel de pico; esta diferencia entre rms y pico puede ser diferente para señales más complejas. Por ejemplo, el ADMP421, un micrófono MEMS con modulado por densidad de pulso (PDM) salida digital, tiene una sensibilidad de –26 dBFS. Una señal de entrada sinusoidal de 94 dB SPL dará una señal de –26 dBFS cima nivel de salida, o un –29 dBFS valor eficaz nivel.

Como las salidas de los micrófonos digitales y analógicos tienen unidades diferentes, comparar un tipo con otro puede resultar confuso; sin embargo, comparten una unidad de medida común en el dominio acústico, SPL. Uno puede tener una salida de voltaje analógico, otro una salida PDM modulada y un tercero un I2S, pero su entrada acústica máxima y la relación señal/ruido (SNR, la diferencia entre la referencia de 94 dB SPL y el nivel de ruido) se pueden comparar directamente. Al referirse al dominio acústico, no al formato de salida, estas dos especificaciones brindan una manera conveniente de comparar diferentes micrófonos. La Figura 2 muestra la relación entre una señal de entrada acústica y los niveles de salida de micrófonos analógicos y digitales para una sensibilidad determinada. La Figura 2(a) muestra el micrófono analógico ADMP504, que especifica una sensibilidad de –38 dBV y una SNR de 65 dB. Cambiar su sensibilidad, en relación con el punto de referencia de 94 dB SPL a la izquierda, resultaría en deslizar la barra de salida de dBV hacia arriba para disminuir la sensibilidad o hacia abajo para aumentar la sensibilidad.

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Figura 2
Figura 2. Asignación del nivel de entrada acústica a (a) nivel de salida de voltaje para un micrófono analógico; (b) nivel de salida digital para un micrófono digital.

La Figura 2(b) muestra el micrófono digital ADMP521, que especifica una sensibilidad de –26 dBFS y una SNR de 65 dB. Esta ilustración del mapeo de nivel de entrada a salida para un micrófono digital muestra que la sensibilidad de este micrófono no se puede ajustar sin romper el mapeo entre la entrada acústica máxima y la palabra digital de escala completa. Especificaciones como SNR, rango dinámico, rechazo de fuente de alimentación y THD son mejores indicadores de la calidad del micrófono que la sensibilidad.

Elección de sensibilidad y ajuste de ganancia

Un micrófono de alta sensibilidad no siempre es mejor que un micrófono de baja sensibilidad. La sensibilidad dice algo sobre el características del micrófono, pero no necesariamente sobre su calidad. Un equilibrio entre el nivel de ruido del micrófono, el punto de recorte, la distorsión y la sensibilidad determina si un micrófono es adecuado para una aplicación en particular. Un micrófono con alta sensibilidad puede necesitar menos ganancia de preamplificador antes de la conversión de analógico a digital, pero puede tener menos headroom antes de la saturación que un micrófono con menor sensibilidad.

En aplicaciones de campo cercano, como teléfonos celulares, donde el micrófono está cerca de la fuente de sonido, es más probable que un micrófono con mayor sensibilidad alcance la entrada acústica máxima, recorte y cause distorsión. Por otro lado, una mayor sensibilidad puede ser deseable en aplicaciones de campo lejano, como teléfonos de conferencia y cámaras de seguridad, donde el sonido se atenúa a medida que aumenta la distancia desde la fuente hasta el micrófono. La Figura 3 muestra cómo la distancia del micrófono a la fuente de sonido puede afectar el SPL. El nivel de una señal acústica disminuye en 6 dB (la mitad) cada vez que se duplica la distancia desde la fuente.

figura 3
Figura 3. El nivel de presión del sonido en el micrófono se reduce a medida que aumenta la distancia desde la fuente.

Como referencia, la Figura 4 muestra el SPL típico de varias fuentes de sonido, desde estudios de grabación silenciosos (por debajo de 10 dB SPL) hasta el umbral del dolor (por encima de 130 dB SPL), el punto en el que el sonido causa dolor a la persona promedio. Los micrófonos rara vez pueden cubrir todo, o incluso la mayor parte, de este rango, por lo que elegir el micrófono adecuado para el rango SPL requerido es una decisión de diseño importante. La especificación de sensibilidad debe usarse para hacer coincidir el nivel de la señal de salida del micrófono en el rango dinámico de interés con el nivel de señal común de la cadena de señales de audio.

Figura 4
Figura 4. Nivel de presión sonora de varias fuentes.1

Los micrófonos analógicos tienen una amplia gama de sensibilidades. Algunos micrófonos dinámicos pueden tener una sensibilidad tan baja como –70 dBV. Algunos módulos de micrófono de condensador tienen preamplificadores integrados, por lo que tienen una sensibilidad extra alta de –18 dBV. La mayoría de los micrófonos MEMS y electret analógicos tienen una sensibilidad entre –46 dBV y –35 dBV (5,0 mV/Pa a 17,8 mV/Pa). Este nivel es un buen compromiso entre el ruido de fondo, que puede ser tan bajo como 29 dB SPL para los micrófonos MEMS ADMP504 y ADMP521, y la entrada acústica máxima, que suele ser de unos 120 dB SPL. La sensibilidad de un micrófono analógico se puede ajustar en el circuito de preamplificador que a menudo está integrado en el paquete con el elemento transductor.

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A pesar de la inflexibilidad percibida de la sensibilidad de un micrófono digital, el nivel de la señal del micrófono se puede ajustar fácilmente con ganancia en el procesador digital. Con la ganancia digital, no hay peligro de degradar el nivel de ruido de la señal siempre que el procesador tenga una cantidad suficiente de bits para representar completamente el rango dinámico de la señal original del micrófono. En un diseño analógico, cada etapa de ganancia introducirá algo de ruido en la señal; depende del diseñador del sistema asegurarse de que cada etapa de ganancia sea lo suficientemente silenciosa para evitar que el ruido inyectado degrade la señal de audio. Como ejemplo, podemos mirar el ADMP441, un digital (yo2S) micrófono de salida con un SPL máximo de 120 dB (sensibilidad de –26 dBFS) y un ruido de entrada equivalente de 33 dB SPL (61 dB SNR). El rango dinámico del micrófono es la diferencia entre el mayor (máx. SPL) y el menor (ruido). piso) señales que puede reproducir fielmente (120 dB – 33 dB = 87 dB para el ADMP441). Este rango dinámico se puede reproducir con una palabra de datos de 15 bits. Un cambio de 1 bit de los datos en una palabra digital da como resultado un cambio de 6 dB en el nivel de la señal, por lo que incluso un procesador de audio de 16 bits con un rango dinámico de 98 dB podría usar 11 dB de ganancia o atenuación antes del rango dinámico original. está comprometido. Tenga en cuenta que en muchos procesadores, la entrada acústica máxima del micrófono digital se asigna al nivel de escala completa interno del DSP. En este caso, agregar cualquier cantidad de ganancia reduce el rango dinámico en la misma cantidad y reduce el punto de recorte del sistema. Usando el ADMP441 como ejemplo, agregar 4 dB de ganancia en un procesador sin headroom por encima de la escala completa haría que el sistema se saturara con una señal SPL de 116 dB.

La Figura 5 muestra un micrófono digital, ya sea con I2Salida S o PDM, conectada directamente a un DSP. En esta cadena de señal, no es necesaria una etapa de ganancia intermedia porque el nivel máximo de salida del micrófono ya coincide con la palabra de entrada de escala completa del DSP.

Figura 5
Figura 5. Cadena de señal de entrada de micrófono digital conectada directamente a un DSP.

Conclusión

Este artículo explica cómo entender la especificación de sensibilidad de un micrófono, cómo aplicarla a la etapa de ganancia de un sistema y por qué, aunque la sensibilidad está relacionada con la SNR, no es una indicación de la calidad del micrófono como lo es la SNR. Ya sea que diseñe con un micrófono MEMS analógico o digital, esto debería ayudar a un diseñador a elegir el mejor micrófono para una aplicación y obtener el máximo rendimiento de ese dispositivo.

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Referencias

1John Eargle, “El libro del micrófono”, Elsevier/Focal Press, 2004.

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