KR100427709B1 - 마이크로폰 전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로폰으로부터의 신호를 증폭하는 회로에 관한 것으로, 전원 및 일렉트리트 마이크로폰과 같은 마이크로폰에 펄스 형태의 전기 에너지를 공급하는 전류 발생기를 포함한다. 회로 클록이 전원 장치가 마이크로폰에 활성 펄스 시간 t1으로 마이크로폰에 공급되고, 샘플링 회로는 공급 펄스의 활성부의 리어 플랭크로부터 계산된 t2 기간으로 윈도우에서 마이크로폰 신호를 판독하여, t1은 샘플링 주파수 1/T에 해당하는 시간 주기 T보다 짧고, t1의 길이는 사용가능한 값에 이르도록 마이크로폰 전류를 가능케하기에 충분하며, t2는 t1보다 짧다.

Description

마이크로폰 전원장치{power supply for microphone}

마이크로폰과 오디오내에 1개 유니트에서 D/A 변환 및 마이크로폰 증폭을 일체화시켜, 샘플링 포인트가 마이크로폰에 가능한한 가깝게 이동되어, 긴 신호 경로로 인해 야기될 수 있는 신호 왜곡, 잡음 및 험(hum)을 감소시키는 기술이 공지되어 있다. 잡음 펄스를 감소시키기 위해, 특허 출원 GB-A-2 293 740호에 동일한 회로판에 A/D 변환기를 내장시키고 마이크로폰 전원을 공급하는 것이 공지되어 있고, 여기서 마이크로폰 전원장치는 A/D 변환기에서 샘플링 주파수로부터 유도된 주파수에서 펄스 변조로 작동한다. 상기 특허 출원은 분원의 청구항 제 1 항의 전제부를 구성한다.

원격통신, 비디오 및 청력측정기 내의 휴대용 생산품의 광범위한 범위에 관련하여, 뿐만 아니라 보청기 및 그밖의 마이크로-전자공학에 관련하여, 장치의 중량 및 물리적 치수는 장치의 응용분야 및 시장성에서 중요한 역할을 한다.

전력 소비는 일반적으로 배터리 기술에 관련하여 휴대용 장치의 정확한 중량 및 물리적 치수 결정에 있어 중요한 요인에 해당한다. 따라서, 많은 것과 관련하여 가능한 전력 소비를 줄이려는 시도가 중요시된다.

일렉트리트(electret) 마이크로폰과 같은 액티브 마이크로폰은, 100-600㎂ 크기의 일정 전류가 공급된다. 상기 출원에 있어, 이는 전류 소비가 크다. 따라서 본 발명의 주목적은 전류 소비를 감소시키는 것이다.

이러한 목적은, 본원의 청구항 제 1항에 기재된 바와 같이, 펄스 형태로 전기 에너지를 마이크로폰 장치(MCU)에 공급하는 전원장치(SPL), 샘플링 주파수 1/T에서 샘플링이 작동하는, 마이크로폰 신호의 변환을 위한 샘플링 회로를 포함하는 마이크로폰 장치(MCU)로부터의 신호를 증폭하는 회로로서, 전원장치(SPL)가 활성 펄스 시간 t1동안 마이크로폰 장치(MCU)로 펄스 형태인 에너지를 전송하고, 샘플링 회로는 공급 펄스의 활성부 리어 플랭크로부터 계산된 t2 동안 윈도우에서 마이크로폰 신호를 판독하며, 여기서 t1은 샘플링 주파수 1/T에 해당하는 시간 주기 T보다 작고, t2가 t1보다 작은 것을 특징으로 하는 회로에 의해 달성된다.

본 발명은, 전기 에너지를 펄스 형태로 마이크로폰 장치(MCU)에 공급하는 전원장치(SPL), 및 샘플링 주파수 1/T에서 샘플링을 수행하여, 마이크로폰 신호를 변환시키는 샘플링 회로로 이루어지는, 마이크로폰으로부터의 신호를 증폭, 아날로그 신호 처리 및 A/D 변환시키기 위한 회로에 관한 것이다.

도 1은 기본 회로도를 나타낸 것이다,

도 2는 발명의 실시예를 나타낸 것이다,

도 3은 발명에 따른 회로에 대한 신호 순차를 나타낸 것이다.

본원의 청구항 제 2 항 내지 제 4 항에 따르면, t1이 시간 주기 T보다 10 배 이상 작고, t2는 t1보다 10 배 이상 작으며, t1은 약 0.2 내지 0.3㎲이고, t2는 0.05 내지 0.5㎲인 것을 특징으로 하는 회로가 제공되는데, 이에 따라서 적절한 값에 이르는 마이크로폰을 짧은 기간 전류 펄스를 공급하는 마이크로폰 커플링으로 전류 소비를 상당히 감소시키는 것이 달성된다.

또한, 본원의 청구항 제 5 항에 따르면, 마이크로폰 장치(MCU)가 마이크로폰(MIC) 및 트랜지스터(TMIC)를 포함하고, 단자중 1개는 마이크로폰(MIC)에 직접 가깝게 연결되어 위치되어, 트랜지스터(TMIC)는 t1 시간 동안 전원장치(SPL)로부터 전류를 연결하는 제 1 스위치(M1)를 통해 전류가 공급되고, 트랜지스터(TMIC)에서 증폭되는 출력 신호가 t2 시간 동안 폐쇄되는 제 2 스위치(M2)에 의해 순차 샘플링 회로로 전송되며, 스위치(M1, M2)는 제어 장치(CTU)에 의해 제어되는 회로가 제공되며, 특히 1개 유니트에서 마이크로폰과 증폭기를 서로 커플링시켜 가능한 높은 신호/잡음 비율을 이루는 것이 달성되는 장점이 있다.

도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1 기본 회로도에서는, 예를 들어 약 15kHz의 최고 한계 주파수를 수용할 수 있는 일렉트리트(electret) 마이크로폰을 나타낸 것이다. 상기 최고 한계 주파수는 고음질의 마이크로폰을 사용할 때 청취가능한 범위의 최대 한계 주파수에 가장 가까운 상태에 있을 수 있다. 마이크로폰은 포움 물질의 박층과 같은 얇은 보호망에 의해 보호될 수 있으나, 이는 마이크로폰 멤브레인의 최고 한계 주파수를감소시킨다.

일렉트리트 마이크로폰상에 멤브레인은 마이크로폰이 노출되도록 음향 신호에 따라 변화하는 가변 커패시터를 포함한다. 일렉트리트 마이크로폰의 제작시에, 멤브레인은 수년 동안 변하지 않고 남아 있을 수 있는 영구 전하를 제공한다. 따라서 일렉트리트 마이크로폰에 대한 등가 회로는 가변 커패시터와 직렬인 배터리로 간주될 수 있다.

도 1의 기본 회로도에서, 마이크로폰 장치, MCU는 멤브레인에 근접하게 물리적으로 위치되고 멤브레인의 단자에 연결된 일렉트리트 마이크로폰 및 트랜지스터류 TMIC을 포함한다. 트랜지스터 TMIC는 트랜지스터의 상기 형태의 이상(ideal) 무한 고입력 임피던스 때문에 J-FET 트랜지스터인 것이 장점이 될 수 있다. 고출력 임피던스를 갖춘 신호원부터의 작은 신호는 신호를 보다더 증폭되도록 처리될 수 있다.

멤브레인 동작 조절을 위해, 발명에 따라 전압 발생기 및 전기 에너지를 마이크로폰내의 트랜지스터 TMIC에 공급 및 차후 신호 처리를 위한 전류 발생기를 공개한다. 마이크로폰내에 트랜지스터 TMIC에 공급 및 전기 에너지로 다음 신호를 처리하는 전류 에너지를 공개한다. 도 1은 일정 전류 발생기와 병렬로 연결된 비-이상 임피던스와 등가인 전압 발생기 및 전류 발생기를 나타낸 것이다.

상술된 발생기들은 트랜지스터의 최적 작업 상황에 따라 선택된 일정한 작동 전류를 트랜지스터 TMIC에 제공하는 것이 목적이다.

주어진 시간 동안 멤브레인 디플렉션(deflection)은 마이크로폰 멤브레인의단자를 통해 일정 전류를 야기시켜, 트랜지스터 TMIC를 통해 멤브레인 디플렉션에 비례하는 전류를 야기시킨다.

따라서 일정한 작업 전류가 음향적으로-유도된 신호에 의해 변조되어, TMIC를 통한 전류가 일정한 작동 전류 부근으로 변화된다. 상기 일정한 작동 전류는 발명에 의해 감소될 것이다.

비용면에 있어서, 상술된 커플링으로 전류 발생기를 없앨수 있다. 그러나, 상기 선택은 트랜지스터가 이상 조건하에서 작동할 수 없기 때문에, 낮은 신호/잡음 비율이 야기될 것이다.

발명에 따라서, 트랜지스터 TMIC는 신호 MIC.PWR을 경유하여 디지털 제어 회로 CTU에 의해 제어되는 전기 스위치 M1를 통해 전류가 제공된다. 상기 스위치 M1은, T 시간 간격으로 개방 및 폐쇄되고 시간 t1동안 작동한다.

마이크로폰으로부터의 전압 Umic는 전기 스위치 M2를 경유하여 샘플링 커패시터 C5에 공급되며, 시간 t2동안 작동하고 제어 장치 CTU로부터 신호 MIC.SMPL에 의해 제어된다. 상기 신호는 다음 샘플링 회로(도시되지 않음)에 의해 디지털 값으로 반전되어, M1과 M2는 동시적으로 샘플링 주파수 1/T에서 작동한다.

샘플링 주파수 또는 나이퀴스트 주파수는 오디오 신호의 소망하는 최고 한계 주파수의 적어도 2배가 되는 일반 방식으로 선택할 수 있다. 샘플링은 또한 샘플링 프로세스로부터 높은 하모닉 컨트리뷰션(harmonic contribution) 여과의 역효과를 방지하기 위해 오버-샘플링의 종래 방식으로 행할 수 있다.

또한 샘플링 프로세스를 아날로그식으로 작동하는 회로에 의해 처리하는 것이 가능하다.

신호 MIC.PWR 및 MIC.SMPL의 시간 순서를 도 3에 나타냈다.

M1이 트랜지스터 TMIC로 전류를 유도하는 경우, 시간 t1은 시간 주기 T보다상당히 짧고, 사용가능한 값에 도달하도록 Umic에 대한 충분한 길이로 선택된다. 따라서, 마이크로폰 증폭기는 샘플링 시간 T와 비교하여 볼 때 상당히 짧은 펄스가 제공된다.

시간 t1 내에서, 마이크로폰으로부터의 출력 신호는 시간 T내에서의 변화량을 비교해 볼 때 다소 일정하며, 마지막 샘플에서 보다 높거나 낮은 일정값을 나타낸다. 상기 신호 변화는 트랜지스터 TMIC를 통한 전류 변화에 따른 것이다.

실제적으로 마이크로폰/트랜지스터 커플링 MIC/TMIC는 단자를 교차하여 기생 커패시턴스를 포함하고 있기 때문에, 트랜지스터를 통한 전류는 이들 커패시턴스가 충전 및 방전될 수 있는 속도보다 빠르게 상승할 수는 없다. 따라서 Umic는 마지막 샘플을 기준으로 주어진 멤브레인 디플렉션의 변화에 비례하는 값을 향해 점차적으로 수렴하여 차후 충전 및 방전이 이루어진다.

따라서 Umic의 일반적 순서를 도 3에 나타냈다.

도 3에서 점선으로 나타낸 신호 Umic'의 크기는 주어진 시간동안 오디오 신호의 크기에 의해 좌우된다.

샘플링 회로는 Umic가 t1의 마지막에서 최상의 신호/잡음 비율을 갖기 때문에 시간 t1 내에서 Umic를 가능하면 늦게 판독한다. 따라서 Usmpl은 M1에 의해 제어된 공급 펄스 t1의 활성부의 리어 플랭크로부터 보이는 기간 t2로 윈도우에서 활동한다. 시간 t2는 t1보다 짧고, C5가 방전되는 속도에 따라 t1 보다 상당히 짧게 선택될 수 있다.

Umic는 시간 t2 내에서 다소 일정하다고 간주할 수 있고, 전기 스위치 M2의 저항이 무시되기 때문에, 시간 t2에서 샘플링 커패시터 C5의 충전은 R이 500 ohm - 5Kohm으로 다변할 수 있는 RC 회로에 의해 추정될 수 있다. 일반적으로 t2 시간 동안 가해지는 일정 시간에 대한 값은 C5가 100pF일 경우 0.05-0.5㎲이다.

따라서 샘플링 커패시터 C5는 주어진 시간에서 마이크로폰 멤브레인을 통해 전압에 점차적으로 근접하는 레벨을 향해 이전 샘플값으로부터 t2 시간 동안에 가해지는 상술된 일정한 시간에서 충전 또는 방전된다.

실제적으로 t1이 얼마나 짧은가를 설정할 수 있는 것은 마이크로폰 트랜지스터 TMIC에서 발생되는 기생 커패시턴스와 일반적으로 샘플링 처리 및 사용의 정확성에 따라 선택되는 다른 것 중에서 Umic'에 대해 얼마나 낮은 신호/잡음 비율이 수용될 수 있느냐에 따라 달려있다. 실제적으로 2배의 시간 상수(2RC는 exp(-2RC/RC) = 0.86) 해당하는 t1-t2에서 이미 샘플링 펄스(M2)의 개시가 이용가능한 값으로 제공되는 것으로 밝혀졌다. t1의 일반적인 값은 0.2-0.3㎲일 수 있다.

예를 들어서, 오디오 신호가 20kHz에 이르게 변환되고, 44kHz의 샘플링 주파수(T=23㎲)가 사용되는 것이 바람직한 경우, 상기 서술된 t1 및 t2의 낮은 값은 전류의 상당한 절감을 이루게 된다.

음색 신호는 예를 들어 10kHz(T=100㎲)의 샘플링 주파수에서 수용가능한 결과로 전송될 수 있고, 이 경우에는 펄스 마이크로폰 회로에 대해 전류 절감이 보다크다는 증거가 된다.

도 2는, 도 1의 전류 발생기가 트랜지스터 T1의 베이스에 전기 스위치 M1을 통해 신호 Usmpl이 피드백 되는 운영 증폭기 OP1로 구성된 실시예를 나타낸 것으로, 결국 단자 MIC.IND로 전류를 연결하는 마이크로 장치 MCU(도 2에 도시되지 않음)로 공급한다.

운영 증폭기는 레지스터 R4, R5 및 R6 및 커패시터 C3에 연결된 것으로, OP1으로부터의 잡음을 제거하는 것이 가능하다.

트랜지스터 T1은 레지스터 네트워크 R1 및 R2에 의해 바이어스 된다.

마이크로폰 장치로부터의 출력은 샘플링 회로로 중간 샘플링 주파수 이상으로 가능한 주파수 컨트리뷰션(contribution)을 회피하도록 C1에 의해 도시된 것처럼 커패시터를 경유하여 감소될 수 있다.

마이크로폰 Umic로부터의 신호는 실제적으로 작은 기생 커패시턴스에 연결된 전기 스위치 M2를 통해 공급되어 리미터 회로로 차후 A/D 변환 회로와 연결되어 교차하는 샘플링 커패시터 C5를 향한다.

M1과 M2는 신호 Mic_pwr및 Mic_smpl을 경유하여 제어 회로 CTU에 의해 상술된 것처럼 작동하고 샘플링 회로 SMPL과 동시성을 갖도록 제어된다.

도 2에서 커플링의 목적은 마이크로폰을 통해 전류를 조절 및 조작하기 위한 것으로, 전압을 교차하는 C5에 대한 적합한 평균값을 얻을 수 있다. 전압 교차 C5는 조절가능한 레벨 V_bias'에 따라 제어되어, 마이크로폰에서 TMIC는 최적화된 작동점에서 작동한다.

본 발명은 실시예에 상술된 것처럼 일렉트리트 마이크로폰에만 제한되지는 않는다. 발명은 외부 전력원 및 압전-민감성 반도체 마이크로폰을 갖춘 커패시터 마이크로폰과 같은 액티브 마이크로폰 형태의 또다른 것에도 이롭게 사용될 수 있다. 유사하게, 반도체 성분의 또다른 형태가 J-FET 트랜지스터 대신 사용될 수 있다.

리미터 회로를 샘플링 회로 앞 신호 경로에 삽입할 수 있다. 발명에 따라서, 이들 회로 소자는 전류 소모를 보다 더 감소시키고 표본화된 방식으로 유사하게 작동할 수 있다.

도 2 회로에 대한 성분 목록:

R1 470 ohms

R2 330 ohms

R4 15 Kohm

R5 1 Megohm

R6 47 Kohms

C1 10 pF

C3 10 μF

C5 100 pF

T1 BSR 20 A - BF 411

M1 IC 101 A - HC 4066

M2 IC 101 B - HC 4066

Op1 IC 102 B - HC 4066

Claims (5)

1. 전기 에너지를 마이크로폰 장치(MCU)에 펄스 형태로 공급하는 전원장치(SPL); 및

   샘플링 주파수 1/T에서 샘플링을 수행하여, 마이크로폰 신호를 변환시키는 샘플링 회로를 포함하는, 마이크로폰 장치(MCU)로부터의 신호를 증폭하는 회로로서,

   상기 전원장치(SPL)가 활성 펄스 시간 t1동안 마이크로폰 장치(MCU)에 에너지를 펄스 형태로 전송하고,

   상기 샘플링 회로는 공급 펄스의 활성부 리어 플랭크로부터 계산된 t2 동안 윈도우에서 마이크로폰 신호를 판독하며,

   여기서 t1은 샘플링 주파수 1/T에 해당하는 시간 주기 T보다 작고, t2는 t1보다 작은 것을 특징으로 하는 회로.
2. 제 1 항에 있어서, t1이 시간 주기 T보다 10 배 이상 작은 것을 특징으로 하는 회로.*
3. 제 1 항에 있어서, t2가 t1보다 10 배 이상 작은 것을 특징으로 하는 회로.
4. 제 1 항에 있어서, t1이 약 0.2 내지 0.3㎲이고, t2는 0.05 내지 0.5㎲인 것을 특징으로 하는 회로.
5. 제 1 항에 있어서, 마이크로폰 장치(MCU)가 마이크로폰(MIC) 및 트랜지스터(TMIC)를 포함하고, 단자중 1개는 마이크로폰(MIC)에 직접 가깝게 연결되어 위치되어, 트랜지스터(TMIC)는 t1 시간 동안 전원장치(SPL)로부터 전류를 연결하는 제 1 스위치(M1)를 통해 전류가 공급되고, 트랜지스터(TMIC)에서 증폭되는 출력 신호가 t2 시간 동안 폐쇄되는 제 2 스위치(M2)에 의해 순차 샘플링 회로로 전송되며, 스위치(M1, M2)는 제어 장치(CTU)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 회로.