Neumann.Berlin Digital Microphones For High Resolution Audio Manuel D’Utilisation

AES 31st International Conference, London, UK, 2007 June 25–27 

 

3

The essential requirement then for digital microphones 
remains to integrate A-to-D conversion providing 
dynamic range and resolution comparable to their high 
quality analogue counterparts. 

3  DYNAMIC RANGE AND NOISE 
In order to be able to compare possible benefits of 
analogue and digital microphones, one has to look at the 
limiting factors, i.e. the behaviour at very small and 
large signal levels, corresponding to the noise floor and 
the overload characteristics, as well as the typical signal 
resolution, with a medium level signal present. 
As mentioned, the typical dynamic range of the output 
of a condenser microphone capsule can exceed 130 dB, 
with typical maximum levels at a surprisingly high 
+10 dBu  (2.5 V

RMS

) and microphone self noise at  

-120 dBu (A-weighted). In the most noise free of 
current studio microphones this corresponds to sound 
pressure levels of 7 to 137 dB SPL, covering the needs 
of most applications. Only in excessively loud settings 
will there be a need to (manually) switch the pre-
attenuation on, shifting the microphone’s dynamic range 
to higher levels. 
 

 

Figure 2: Simple analogue signal chain, with condenser 

microphone. 

The typical noise voltage n

 of a condenser micro-

phone in Fig. 2 roughly follows a pink noise charact-
eristic, whereas dynamic microphones, preamplifiers 
and AD converter inputs produce basically white noise. 
Preamplifier equivalent input noise n

 (EIN) depends 

on the amount of gain v chosen. Concentrating all 
necessary gain inside the preamplifier, the sum of 
analogue equivalent input noise in an analogue 
recording chain with ADC will be 

2

2

2

2

,

)

(

+

+

=

. (1) 

The physical limit for preamplifier noise is determined 
by the thermal noise of the input load R

  

∆

= 4

min

,

  

(2) 

with  k = 1,38*10-23 J/K (Boltzmann constant), T as 
temperature, and ∆f as the bandwidth. For a typical 
microphone output impedance of R

 =  200  Ω,  n

 

calculates to -129 dBu (∆f = 23 kHz), or -131.7 dBu-A. 
At high gain settings many preamplifiers show noise 
figures close to this physical limit, but at low gain 

settings n

 might be as high as -100…-80 dBu, and is 

seldom published in the specifications. One sees that 
preamplifier noise is higher or lower than the above 
mentioned microphone self noise of -120 dBu-A, and 
one main task for the recording engineer is then to 
optimise this sum, keeping preamplifier and ADC input 
headroom in mind. In analogue set-ups, the rule is to 
pull up the gain to studio reference level, trying to avoid 
clipping or distortion even with unforeseen very high 
sound pressure levels. 
The working dynamic range of a typical microphone / 
preamplifier combination is shown in Fig. 3. The output 
level of the preamplifier U

 is shown over gain v. 

ADC noise is left out, for simplification, and assuming 
that the preamplifier gain will be optimally set, so that 
microphone and preamplifier noise dominate. The 
limitations are then given by: 

o

  n

: -131.7 dBu-A thermal resistive noise as 

physical limitation, 

o

  n

: preamplifier equivalent input noise (A-

weighted), 

o

  Max

: maximum preamplifier output level, 

here: +20 dBu 

o

  n

: microphone self noise, here: -120 dBu-A 

o

  Max

: maximum microphone output level, 

here: +6 dBu 

One sees that the preamplifier noise n

 reduces the 

maximum dynamic range of the microphone Dyn(Mic) 
by approx. 16 dB, to a maximum resultant working 
dynamic range Dyn(Max) of 110 dB. At the upper/right 
axis the diagonal curves of constant equivalent input 
sound pressure level are given values, for a microphone 
with sensitivity M

 = 12mV/Pa. 

 

 

Figure 3: Dynamic range of a combination analogue 

microphone / preamplifier 

The situation is different in the case of digital 
microphones with integrated ADC, as in Fig. 4. The 
capsule parameters can be chosen by the designer so 
that the capsule output levels are perfectly matched to 
the ADC input requirements. The noise sum then 
reduces to 

2

2

,

+

=

. (3) 

Accordingly, the curve for preamplifier noise in Fig. 3 
is replaced by the ADC noise n

. The noise over gain