有人的地方都差不多，看老外撕动圈式麦克风放大话题（笔记）

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在动圈式麦克风放大这一话题上，工程师们存在诸多误解，甚至可能走入误区，尤其是关于幻象电源供电的内置放大器解决方案。本文将尝试厘清这一问题。

麦克风最常见的类型可分为两类：动圈式麦克风和电容式麦克风。这两类麦克风在阻抗与输出电平方面特性几乎相反；电容式音头具有极高的阻抗（也就是说，它提供电流的能力非常有限），因此需要在音头处配备一个放大器，但该音头能产生较高的输出电压。

相比之下，动圈式麦克风阻抗低、输出也低，所以麦克风内通常不需要放大器（除了少数铝带式麦克风）。

动圈式麦克风还可进一步分为动圈式和铝带式设计。从电学角度看，这两种设计较为相似，即都具有低阻抗、低输出的特点。实际上，二者的输出电平都极低，以至于强烈暗示了在麦克风内部使用升压变压器的必要性，大多数动圈式麦克风也确实采用了这种方式。

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动圈式麦克风的电气特性
首先简要回顾一下信号电平和阻抗的概念。信号电平通过设备的开路（或无负载）输出进行测量，既可以用麦克风灵敏度（以分贝为单位，最常见的是 dBV，意即相对于 1VRMS）来表示，也可以直接用电压表示。无论哪种测量方式，都是针对音头处 1Pa（94dBSPL）的信号。因此，我们可能会看到某一动圈式麦克风的规格说明如下：

• 灵敏度：2mV/Pa （-54dBV/Pa）
  

我们还应该找到麦克风输出或源阻抗的规格参数。输出阻抗可以简单理解为提供电流的能力，或者说是驱动负载的能力。标准专业麦克风的这一数值标称值为 150Ω，实际范围在 50Ω 到 300Ω 之间 。标准专业麦克风放大器的标称阻抗为 1.5kΩ，但实际型号的阻抗可能在 600Ω 到 4kΩ 之间，甚至更高。有些型号可能具备可变输入阻抗功能，最低可降至 150Ω。


这两类动圈式麦克风元件的源阻抗实际上非常低；动圈式麦克风在几欧姆的范围内，而铝带式元件仅有零点几欧姆。然而，这些音头的输出比完整动圈式麦克风通常 -60 到 -50dBV/Pa 的灵敏度还要低。

实际上，它们的输出电平太低，以至于任何放大器都难以直接连接并提供合理的信噪比。因此，大多数动圈式麦克风内部都放置了一个升压变压器，以提高输出电平，但代价是阻抗会增加：变压器是一种很便利的设备，能依据其两个线圈的匝数比，让我们将电压与电流相互转换。这也意味着阻抗比是匝数比的平方，例如对于一个 1:4 的动圈式变压器，输出阻抗会增大 16 倍；对于 1:40 的铝带式变压器，输出阻抗会增大 1600 倍！不过，我们能接受 150Ω 左右的源阻抗，而且我们需要提高输出，所以这算是公平的权衡。


我自己的备注：在这段话中提到的150Ω是动圈式麦克风加了升压变压器之后，经过设计优化后的输出阻抗。原始的动圈式麦克风元件（即音头）本身的源阻抗实际上是非常低的，在几欧姆的范围内。家庭动圈卡拉OK话筒阻抗会大于它的直流电阻，只是需要一个粗略的估计，可以尝试使用万用表测量直流电阻，这至少能给出音头内部线圈电阻的一个大致概念。不过，要记住这并不代表麦克风在实际工作条件下的交流阻抗。

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动圈式麦克风放大
小信号音频频率传输的标准工程实践是桥接阻抗。这意味着负载阻抗应大于源阻抗，以最大程度减少信号（电压）损耗。这与匹配阻抗的概念相反，匹配阻抗旨在实现最大功率传输，不过在小信号放大中我们并不关心这一点（匹配阻抗在射频信号传输中很重要，这超出了本文的范围）。一般建议阻抗比为 1:10 或更高，标准麦克风和放大器的阻抗分别为 150Ω 和 1.5kΩ，刚好能满足这一要求。

在阻抗较为简单（即它们不随频率变化）的情况下，我们可以用这个公式来描述任何频率下的信号损耗：
Vout = Vin * Zload / (Zload + Zsource)
代入标准数值进行计算，信号损耗为：
Vout = Vin * 1500 / (150 + 1500) = 0.909 Vin
转换为分贝：
Vout = 20 * log (0.909) = -0.8dB
损耗确实非常小！

好了，我们通过使用升压变压器成功设计出了具有合理输出电平和阻抗的动圈式麦克风，并将其连接到了合适输入阻抗的放大器上。让我们花点时间来看看，为什么使用升压变压器提高输出电平如此重要：噪声！

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麦克风与放大器中的噪声
在小信号放大中，我们首要关注的是噪声。所有电子设备都会产生噪声，所以作为工程师，我们的工作就是挑选电路元件，尽量减少音频信号链路中的噪声积累，从而扩大动态范围。要知道所有电路都会有噪声。声称某个电路 “无噪声” 的人，肯定是在推销产品！那么，让我们来看看动圈式麦克风信号链路中的主要噪声源。

第一个噪声源是麦克风音头本身。在电容式麦克风中，音头必须带有放大电路，所以我们会得到麦克风自噪声的规格参数，这在很大程度上是放大电路的有源噪声，但也包括音头噪声。它是相对于麦克风输出给出的，例如：

• 自噪声：18dBA
  这表明麦克风的噪声大致相当于麦克风音头处该等级的声学噪声。这个测量值是否完全准确有点复杂，尤其是因为可以采用不同的加权系数。在这个例子中，使用的是 A 加权，这种加权方式在给出较低规格数值方面最为宽松。还有其他加权方式，比如 CCIR 准峰值，旨在更精准地与声学噪声进行对比衡量，但这对本文来说并不重要。重要的是，无论我们使用哪种噪声测量方式，都可以将该数值与麦克风的灵敏度相结合，得出一个绝对噪声数值。假设这是一个比给定动圈式麦克风灵敏度高十倍的电容式麦克风，即：
• 灵敏度：20mV/Pa （-34dBV/Pa）
  使用这个公式：
  噪声电平 = 灵敏度 – 94dB + 自噪声
  噪声 = -34dBV – 94dB + 18dBA = -110dBA
  我们得到该麦克风本底噪声的绝对测量值为 -110dBA。顺便说一下，这里我们稍微混用了一下单位，但没关系，因为麦克风的灵敏度是在 1kHz 下测量的，在 A 加权标度上，1kHz 的加权值为 0dB。
  

我们可以用这个测量值与麦克风放大器的等效输入噪声（EIN）进行比较，从而确定系统的总噪声。关于噪声的经验法则是，后级电路的噪声应比前级电路至少低 6dB，理想情况下低 10dB，以尽量减少噪声积累。确定累积噪声或噪声系数的公式有点复杂，如下所示：
NF = sqrt (Vnoisemic ^ 2 + Vnoiseamp ^ 2) / Vnoisemic
对于一个 -120dBA EIN 的放大器，你算出是 0.5dB 了吗？很好！对于 -114dBA EIN 的放大器，是 1.5dB 吗？很棒！如果没算出来，那就信我的吧

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噪声与增益
人们常说，在录制安静声源（<94dBSPL）时，动圈式麦克风需要 “大量干净的增益” 。大体上确实如此，但我们该如何量化呢？这里提到了 “干净” 和 “增益” 两个要点，涉及放大器的三个特性：噪声、失真和增益。设计出具有高增益的放大器是完全有可能的，要是选用运算放大器（“运放”）这类电路拓扑就更是如此。一个典型运放的规格能提供大约 120dB + 的增益！希望我们用不到那么高的增益！实际上，常见的通用麦克风前置放大器的最大增益大约在 +40 - 60dB。专门的动圈式麦克风前置放大器可能会有更高的增益。不过，我们得问问，真有人需要前置放大器提供超过 +60dB 的增益吗？对于录音应用来说，可能不需要：我们已经算出绝对本底噪声大约是 -134dBA；加上 +60dB 就是 -74dBA。我们接入的什么设备会有比这更高的本底噪声呢？如果我们使用的模数转换器（ADC）的 0dBFS = +19dBu （比 +4dBu 有 15dB 的余量，这是常见规格），也就是 +17dBV，这意味着 -84dBA 的本底噪声（比输入本底噪声低 10dB），动态范围仅为 101dB。对于现代 ADC 来说，即便在便携式设备中，这也不是一个很好的规格！更常见的是，我们期望至少有 110dB 的动态范围。显然，对于任何麦克风连接 ADC 来说，前置放大器 60dB 的增益已经绰绰有余。

话虽如此，有更高的增益当然也会更方便，特别是在尝试与输出电平更高的麦克风匹配电平，或是直接给功率放大器供电的时候。但要注意，不要一味追求不必要的高增益，仅仅为了获得更高的峰值信号电平，这在动态范围上并没有实际优势。因为在单级中增加增益可能会产生负面影响，具体取决于电路设计：可能会导致带宽减小、失真增加。设计师会尽量避免这种情况，所以他们会限制增益，以便在必要时保持性能，通常的做法是将增益分配到两个或更多个放大器级。

关于前置放大器的噪声与增益，还有另一个误解，即认为前置放大器在高增益设置下噪声更大。实际上，通常情况恰恰相反：EIN 在最大增益时通常是最低的。可能更容易听到本底噪声，但这只是因为信号也响亮得多。这是因为许多前置放大器设计有多个级，后级比输入增益级噪声更大。设计中的假设是，较低增益下较高的 EIN 数值无关紧要，因为输入信号足够强，足以掩盖前置放大器的噪声。所以，如果前置放大器设计合理，我们通常不必担心使用较高的增益设置。

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现实情况
要找到一款噪声极低的麦克风放大器并不总是那么容易，比如中低端调音台，尤其是便携式设备。我们经常会发现，这类设备的 EIN 比理想值差 10dB 甚至更多。有些可能噪声还要大 20dB！如果我们需要在低（声学）噪声环境中录制非常安静的声源，该怎么办呢？

我建议，最简单的办法是使用自噪声低、输出高的电容式麦克风，这样就不需要极低噪声的放大器了。但我这么说可能有偏袒之嫌，而且你看这篇文章也不是因为想用电容式麦克风。你为自己的应用选择了动圈式麦克风，而且需要它噪声低。该怎么做呢？
内置放大器解决方案及问题！
出于成本、尺寸或功耗的考虑，使用噪声极低的专用动圈式麦克风放大器可能不太可行。考虑到这些因素，市场上推出了一系列内置放大解决方案来满足这一需求。Naiant 多年来一直提供此类解决方案，如 PFA、IPA，现在又有了新的 IFA 系列（注意：在动圈式麦克风放大应用中，IFA 已取代 PFA）。

不过，我越来越担心市场上某些其他解决方案被宣传得很出色，但实际上存在设计缺陷，可能会抵消产品所宣称的任何优势。

首先让我们描述一下，一个合格的动圈式麦克风内置放大器应该具备哪些功能：它应该具有极低的等效输入噪声（我建议最大值为 -127dBA，理想情况下更低）、相对较高的负载阻抗（>1.5kΩ，越高越好），同样关键的是，要具备低输出阻抗（不超过 150Ω）。它应提供 +20dB 或更高的增益，以便使其输出噪声远高于后续哪怕是最可疑的麦克风前置放大器的噪声水平。其输出应良好平衡，并且要么有差分输入级，要么每条输入支路的增益要精确匹配，这样后续级就能消除整个信号链路的干扰。

我们已经讨论过输入噪声和负载阻抗；从这一点出发，增益就很容易理解了。并非所有制造商都会标明内置放大器的输出阻抗，但它同样重要，特别是因为我们假定这个设备能让我们在不损失信号的情况下驱动长电缆。在这项任务上，它至少得和麦克风本身一样出色 —— 但我们肯定想要更好的，对吧？高信号电平难道不就能驱动更长的电缆吗？也许能，也许不能。
麦克风电缆的维护与使用
如前所述，输出或源阻抗可以理解为驱动负载的能力。到目前为止，我们只考虑了放大器的负载，而且只是将其视为简单的电阻性（即不随频率变化）负载。我们还必须考虑麦克风电缆的负载，就我们的目的而言，它主要是电容性的（与系统中的其他阻抗相比，任何合格麦克风电缆的电阻都可以忽略不计，所以我们可以忽略它）。

连接到电缆的设备的源阻抗会形成一个简单的单极点 RC 滤波器，也就是一个低通滤波器。根据这个公式，高于转折频率的频率将以 6dB / 倍频程的速率衰减：
Corner freq = 1 / (2 * pi * Ω * C)
其中 C 是以法拉为单位的电容。一根优质的麦克风电缆每米电容约为 100pF ，因此标准专业麦克风能够轻松驱动 100 米长的电缆：
1 / ( 2 * pi * 150 Ω * 100pF/m * 100m) = 106kHz
太好了，这远远高于我们 20kHz 的音频带宽。所以只要我们的内置放大器的源阻抗也是 150Ω，那也不用担心！

但是，如果我们的内置设备输出阻抗过高，比如说 3kΩ，那接上 100 米电缆后的带宽就只有 5.3kHz 了！

在使用长电缆时，我们自然也会担心干扰问题。平衡信号传输在消除干扰方面效果很好，但要实现这一点，必须满足两个条件：输出设备的两条支路必须有良好匹配的阻抗（匹配的、极性相反的信号并不重要，实际上无关紧要 —— 只要阻抗匹配，一条支路上完全可以没有信号），而且接收设备要么是具有高共模抑制比（CMRR）的差分输入设备，要么，如果我们知道后续设备是这种设备，我们的中间内置设备只需有良好匹配的输入输出阻抗，以及良好匹配的增益。

如果这些要求有任何一项没满足，我们的内置放大器设备可能会产生比不使用它时更严重的感应干扰，甚至可能使整体信噪比变得比没有任何内置放大器时更差。市场上有这样的设备吗？恐怕是有的。

现在，如果你有这样一个设备，可以使用足够短的电缆来避免这类问题（我建议长度小于 10 米），或者可以试着把它接在电缆的放大器端，而不是麦克风端 —— 这样能解决带宽问题，也许还能解决一些干扰问题。也可能没用。购买需谨慎！

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内置放大器设计
等等，你可能会问，市场上为什么会有这类设备呢？设计出一款合适的内置放大器难道不是一件易事吗？第一个问题我只能猜测，但第二个问题的答案显然是肯定的。

那我们来推测一下第一个问题。我注意到，一些制造商宣称结型场效应晶体管（JFET，常简称为 FET）是满足这种电路要求的恰当解决方案。我对此公开表示质疑。用于小信号音频放大的另一种常见晶体管是双极结型晶体管，即 BJT（音频电路中有时也会用到 MOSFET，但由于在本应用中不常见，所以暂时忽略） 。这两种晶体管各有特点；并非简单地说一种就比另一种好，而是要看在电路的特定功能中哪种最为适用，很多电路会同时用到二者。

简单来讲，JFET 可以被视作一种电压输入器件，它的输入阻抗极高，所以会用在源阻抗较高的应用场景中，比如乐器放大器以及电容式麦克风的音头放大器，这里仅举几例。与同等级的 BJT 相比，JFET 的增益更低，噪声却更高。没错，就是噪声更高！别光听我说；要是你不想查阅一堆数据表，这里有几页参考资料介绍了 BJT 和 JFET 的特性：

• 网址：http://www.renardson-audio.com/ip-dist.html ，其中提到：“2SK170 及其他一些高跨导 FET 的价格大约是优质低噪 BJT 的 10 倍。与 2SC2547 BJT 相比，2SK170 FET 的噪声电压通常是其两倍，反馈电容也是两倍，在 3mA 电流下跨导仅为其五分之一。”
• 网址：https://www.embedded.com/print/4015906 （链接已失效 ），提到 “对于一个工作在 2mA 漏极电流下的典型 JFET 而言，如果图 9.13 中的 R2 为 10kΩ ，其跨导值 gfs 大约在 1 - 4mS 量级，这能带来最高 40 的级增益。这个增益远低于 BJT 所能达到的增益，这就是 JFET 在音频系统中不常作为电压放大器件的主要原因，除非它们极高的输入阻抗（典型值大约在 10¹²Ω 量级）或者高且基本恒定的漏极阻抗特性具有优势。”
  

既然 JFET 相较于同类 BJT 噪声更高、增益更低，那为什么还要将它用于动圈式麦克风内置放大器呢？原因并非是输入阻抗，要设计出输入阻抗远超我们内置放大器所需的 3kΩ 的 BJT 电路并非难事，达到 30kΩ、甚至 100kΩ 都没问题，我们肯定也不需要 JFET 能实现的 10MΩ 以上的输入阻抗。这似乎是用我们真正需要的东西（低噪声、高增益），去换我们并不需要的东西（高输入阻抗）。

那么，为什么有人会这么做呢？我猜最主要的原因是简单，仅用四个元件（两个 JFET 和两个电阻），就能在狭小空间内点对点搭建出一个简易的幻象供电 JFET 电路。但这会是一个相当糟糕的放大器：它没有差分输入，两条支路间增益不匹配（因为 JFET 的增益匹配度出了名的差），由于输入端采用 “自偏置” 且无反馈，导致裕量很低，增益取决于后续器件的输入阻抗，输出阻抗等同于后续器件的输入阻抗。

这种 JFET 放大器拓扑结构被称为共源极放大器。看看维基百科条目中关于其特性的部分就知道了：
共源放大器特性
如果你想用它驱动长电缆，输出阻抗特性就会成为一个大问题，而且随着后续设备（麦克风前置放大器）输入阻抗的增加，问题会愈发严重。一家内置设备制造商展示了一幅增益与后续输入阻抗的关系图（这强烈暗示了放大器的拓扑结构 ），还建议使用更高的前置放大器输入阻抗来最大化增益。但我们前面已经讲过，在长电缆传输中，更高的阻抗会给带宽及可能产生的感应干扰带来什么影响。这根本就不是正确的工程实践！还有一家制造商宣传其信号路径仅由 JFET 构成，仿佛 BJT、电阻和电容比失真、噪声、干扰以及带宽不足还要糟糕。但极有可能的是，那些所谓禁用的元件最终还是会用在麦克风前置放大器中。

通过增加几个电阻（也许是为了改善偏置，或是构建差分输入）、增加一级 JFET 来提升增益、并联 JFET 来降低噪声、匹配 JFET 的增益、采用反馈等方式，可以让这个简单的 JFET 电路有所改善。但到了某个节点，设计师就得问问自己，比起使用 40 多年前就有详尽描述与公开资料的标准高增益、低噪声、差分输入 BJT 电路，这么大费周章是为什么呢？老实说，我回答不了这个问题。我觉得这不是成本问题，因为无论是 JFET 还是 BJT，批量采购时单价都不到 0.2 美元。那想必就是组装便利性的问题，又或者只是营销话术，为了把产品卖出去。

我强烈建议，在购买之前，向每一家内置设备制造商索要以下参数：输入阻抗、输出阻抗、增益、最大输入电平（在给定的 THD 水平下）、等效输入噪声（EIN）、共模抑制比（如果相关的话 ）。如果他们不愿或不能提供这些参数，那就要好好想想信号经过该设备时的完整性了，因为他们在设计时可能就没怎么考虑过这个问题。



本来，我倒向JFET 阵营，因为全球知名设备大厂就是采用JFET ，看完我是学到了不少新知识

猪小呆

女主播用哪种麦克风好？

纯今

猪小呆 发表于 2025-1-8 16:45
女主播用哪种麦克风好？

领夹麦是不二选择

这里聊的比女主播用麦克风专业

直播卖货，大差不差，有声就行