KR101205512B1 - 가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법 - Google Patents

가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기는, 마이크용 콘덴서로부터 입력 신호가 출력되면, 입력 신호에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스단과, 바이어스단에 의하여 바이어스 전압이 인가되는 적어도 하나의 가변 입력 임피던스 소자를 포함하는 임피던스부와, 입력 신호를 입력받아 출력 신호로 변환하여 출력하는 연산 증폭기와, 연산 증폭기로부터 출력되는 출력 신호의 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절하는 제어블록을 포함한다.

Description

가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법{ELECTRET CONDENSER MICROPHONE WITH VARIABLE INPUT IMPEDANCE PRE-AMPLIFIER AND VARIABLE INPUT IMPEDANCE CONTROLLING METHOD OF THE PRE-AMPLIFIER}
본 발명은 디지털 콘덴서형 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법에 관한 것이다.
콘덴서형 마이크로폰은 외부로부터 들어오는 음향 신호의 음압을 전압차로 변환하는 부품이다. 그 중 디지털 콘덴서형 마이크로폰(Electret Condenser Microphone, ECM)은 기존의 후처리단을 획기적으로 간소화시키고, 아날로그 신호의 잡음 간섭을 제거하는 특성이 있다. 그러나 디지털 콘덴서형 마이크로폰은 외부로부터 입력되는 음향 신호를 감지하는 감도가 작기 때문에 상기 입력 신호의 증폭 및 노이즈 제거를 위한 전처리 증폭기가 필수적이다. 특히나 최근의 콘덴서형 마이크로폰은 콘덴서의 크기가 소형화되고 집적화하게 됨에 따라 활성 커패시턴스(일반적으로 1pF 내지 10pF 정도)가 매우 작아져 감도가 더욱 낮아지고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰은 마이크로폰 센서부(1), 고 임피던스 인터페이스부(2), DC 차단 콘덴서(3), 전처리 증폭기(4) 및 A/D 컨버터(5)를 포함한다.
마이크로폰 센서부(1)는 입력 전원(Vs) 및 마이크용 콘덴서(Cmic)를 포함하며, 외부로부터 음향 신호(Vs)를 감지하여 전압(V1)으로 출력한다.
고 임피던스 인터페이스부(2)는 JFET(junction gate field-effect transistor)의 입력단에 고입력 임피던스를 갖는 저항(R1)을 포함한다. 고 임피던스 인터페이스부(2)는 마이크로폰 센서부(1)로부터 출력되는 전압(V1)을 입력받아서 전류 제어를 통하여 전압(V2)을 출력한다.
직류전압 차단 콘덴서(3)는 직류전압을 차단하고, 음향 신호만이 저항(R2)를 통하여 전류로 변환된다.
전류로 변환된 음향 신호는 전처리 증폭기(4)의 저항(R2, R4)에 의해 전류로 변환된 후, 다음 단에서 저항(R3, R5)에 의하여 전압(V3)으로 출력되어 A/D 컨버터(5)에 입력된다. 이때, 전처리 증폭기(4)의 이득은 R3/R2(R5/R4)로 결정된다.
상기와 같이 종래의 전처리 증폭기는, 임피던스 인터페이스부(2)와 전처리 증폭기(4)의 입력저항(R2, R4)을 통하여 입력전압(V1)이 여러 단계의 전압/전류, 전류/전압의 변환 단계를 거쳐 증폭된 전압신호(V3)를 출력한다.
그러나 종래의 JFET를 이용하여 전처리 증폭기를 구현한 디지털 콘덴서형 마이크로폰은 입력 전원으로부터 발생하는 노이즈에 영향을 받기 쉽다. 또한 종래의 디지털 콘덴서형 마이크로폰은 JFET 개별 소자를 필요로 하며, 입력단의 높은 임피던스 저항 및 직류 전압 차단 콘덴서에 따른 면적 증가로 마이크로폰 인터페이스, 전처리 증폭기와 아날로그-디지털 컨버터를 하나의 칩에 집적화시키기 부적합한 단점을 가지고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기는, 마이크용 콘덴서로부터 입력 신호가 출력되면, 상기 입력 신호에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스단과, 상기 바이어스단과 연결되고, 상기 바이어스단에 의하여 상기 바이어스 전압이 인가되는 적어도 하나의 가변 입력 임피던스 소자를 포함하는 임피던스부와, 상기 입력 신호를 입력받아 출력 신호로 변환하여 출력하는 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 상기 출력 신호의 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절하는 제어블록을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰은, 마이크용 콘덴서로부터 입력 신호가 출력되면, 상기 입력 신호에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스단과, 상기 바이어스단과 연결되고, 상기 바이어스단에 의하여 상기 바이어스 전압이 인가되는 적어도 하나의 가변 입력 임피던스 소자를 포함하는 임피던스부와, 상기 입력 신호를 입력받아 출력 신호로 변환하여 출력하는 연산 증폭기와, 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 상기 출력 신호의 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절하는 제어블록을 포함하는 전처리 증폭기와, 상기 마이크용 콘덴서를 포함하고, 상기 마이크용 콘덴서를 이용하여 외부로부터 입력되는 음향 신호를 상기 입력 신호로 변환하여 상기 전처리 증폭기로 출력하는 마이크로폰 센서부와, 상기 전처리 증폭기로부터 출력된 상기 출력 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법은, 연산 증폭기로부터 출력된 출력 신호의 직류전압 레벨을 감지하는 과정과, 상기 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하는 과정과, 상기 직류전압 레벨이 기준값에 도달하지 않은 경우, 임피던스부에 포함된 복수 개의 트랜지스터들 각각에 대응하는 복수 개의 스위치들 중에서 오프된 스위치를 하나씩 온시키는 과정을 포함한다.
본 발명에 따르면, 가변 입력 임피던스 전처리 증폭기를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰 및 상기 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절함으로써 마이크로폰 센서부로부터 출력되는 입력 신호의 직류전압 레벨이 빠르게 동작 영역으로 수렴하도록 할 수 있다.
또한 입력 신호가 동작 영역으로 수렴하게 된 이후에는, 임피던스부의 총 임피던스 값을 증가시킴으로써, 입력 신호의 직류전압 레벨 및 감도를 일정하게 유지하도록 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기는 간결한 구조를 가지므로 트랜지스터들로부터 발생하는 열 노이즈(Thermal Noise)를 감소시킬 수 있고, 출력 신호의 전압 레벨을 이용하여 입력 신호의 전압 레벨을 조절하는 피드백 구조를 가지는 보정 회로를 사용함으로써 입력 임피던스에 따른 준비 시간(start time)을 단축시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 대략적인 구성을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 임피던스를 상세히 나타낸 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 제어블록의 임피던스 조절 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 대략적인 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)은 마이크로폰 센서부(10), 전처리 증폭기(20), A/D 컨버터(30) 및 제어블록(40)을 포함할 수 있다.
마이크로폰 센서부(10)는 외부 신호(Vs) 및 마이크용 콘덴서(Cmic)를 포함한다. 외부 신호(Vs)는 외부로부터 입력되는 신호, 즉 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)의 외부로부터 취합될 수 있는 음성 신호 또는 음향 신호일 수 있다. 외부 신호(Vs)는 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)을 이용하여 음성 신호 또는 음향 신호를 입력받을 때 상기 음성 신호 또는 음향 신호에 의하여 발생하는 진동에 따른 전기적 신호를 가리킨다.
외부 신호(Vs)가 마이크용 콘덴서(Cmic)에 인가되면, 마이크용 콘덴서(Cmic)의 커패시턴스값은 상기 외부 신호(Vs)의 음압에 따라 변화한다. 입력 신호(Vin)는 상기 마이크용 콘덴서(Cmic)의 커패시턴스값이 외부 신호(Vs)의 음압에 따라 변화하면서 생성된 신호이다.
실시예에 따라 마이크로폰 센서부(10)는 일렉트렛을 이용한 개별 소자의 센서이거나 반도체 기판에 집적되는 콘덴서형 실리콘 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰으로써 구현될 수 있다.
전처리 증폭기(20)는 임피던스부(Z), 바이어스단(Bias), 연산 증폭기(Amp)를 포함한다.
임피던스부(Z)는 고 임피던스 소자로서, 바이어스단(Bias)에 의하여 바이어스 전압(VBias)이 인가된다. 임피던스부(Z)는 제어블록(40)에 의하여 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값이 조절되는 적어도 하나의 가변 입력 임피던스 소자다. 실시예에 따라 임피던스부(Z)는 능동소자인 가변 입력 임피던스일 수 있다.
바이어스단(Bias)은 연산 증폭기(Amp)로 입력되는 입력 신호(Vin)에 직류 전압인 바이어스 전압(VBias)을 인가한다. 입력 신호(Vin)는 마이크로폰 센서부(10)로부터 출력되는 전압으로, 제1노드(N1)에서 감지되는 전압이다. 입력 신호(Vin)는 연산 증폭기(Amp)로 입력되어 저항(R1)에 의하여 전류로 변환된 후, 다음 단의 저항(R2)에 의하여 출력 신호(Vout)로 출력되어 A/D 컨버터(30)에 입력된다. 이때 연산 증폭기(Amp)의 이득은 R2/R1로 결정될 수 있다.
연산 증폭기(Amp)는 이득(gain)을 늘리기 위하여 folded-cascode 구조 및 two-stage 구조를 혼합한 형태로 구현될 수 있다. 또한 실시예에 따라 연산 증폭기(Amp) 내에 포함된 트랜지스터들의 개수를 줄이기 위하여 common-mode feedback 회로가 생략된 단일 출력 구조로 상기 연산 증폭기(Amp)가 구현될 수 있다.
A/D 컨버터(30)는 델타-시그마 모듈레이터(delta-sigma modulator)로 구현될 수 있다. 또한 델타-시그마 모듈레이터는 스위치드 커패시터(switched capacitor) 또는 시연속(continuous-time) 구조로 구현될 수 있다.
제어블록(40)은 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 조절한다. 제어블록(40)은 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)이 동작하는 초기에는 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 감소시켜 빠른 시간 내에 바이어스단(Bias)이 활성화되어 바이어스 전압(VBias)이 입력 신호(Vin)에 인가되도록 한다. 또한 바이어스단(Bias)이 이미 활성화된 경우에는 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 증가시켜 입력 신호(Vin)에 인가되는 바이어스 전압(VBias)을 유지한다. 그에 따라 연산 증폭기(Amp)로 입력되는 입력 신호(Vin)가 A/D 컨버터(30)로 온전히 전달될 수 있다.
본 실시예에서는 전처리 증폭기(20)와 제어블록(40)이 별도로 구현되는 것으로 기재하였으나, 다른 실시예에 따라 제어블록(40)은 전처리 증폭기(20)에 포함되어 구현될 수도 있다.
도 3은 도 2에 도시된 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 임피던스부를 상세히 나타낸 것이다.
디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)의 임피던스부(Z)는 복수 개의 트랜지스터들(Tr1, Tr2, ..., Trn) 및 상기 복수 개의 트랜지스터들(Tr1, Tr2, ..., Trn) 각각과 대응하여 연결된 복수 개의 스위치들(SW1, SW2, ..., SWn)을 포함할 수 있다. 이때 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 각각과 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 각각은 직렬 연결된다. 예를 들어, 제1트랜지스터(Tr1)과 제1스위치(SW1)는 직렬연결되고, 제2트랜지스터(Tr2)와 제2스위치(SW2)는 직렬연결된다.
또한 복수의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 각각은 서로 병렬 연결된다. 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 각각도 복수의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 각각과 마찬가지로 서로 병렬 연결된다. 예를 들어, 제1트랜지스터(Tr1)과 제1스위치(SW1)는 직렬 연결되지만, 제1트랜지스터(Tr1)과 제2트랜지스터(Tr2), 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)는 각각 병렬 연결된다.
본 실시예에서 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 및 상기 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 각각과 대응하는 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn)은 가변 저항으로서 동작한다. 도 2에 도시된 바와 같이 임피던스부(Z)는 바이어스단(Bias)과 직렬 연결되어 바이어스 전압(VBias)이 인가된다. 즉, 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 및 상기 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn) 각각과 대응하는 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn)에는 바이어스 전압(VBias)이 인가된다. 또한 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 각각은 직렬 연결된 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn)과 바이어스단(Bias)과의 연결을 온/오프(on/off)하는 역할을 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)은 마이크로폰 센서부(10)를 활성화하기 위하여 먼저 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 낮춘다. 바이어스단(Bias)을 통하여 바어이스 전압(VBias)이 인가된 상태에서, 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 중 온 상태인 스위치들(SW1 내지 SWn)이 많으면 많을수록 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값은 작아진다.
임피던스부(Z)의 총 임피던스 값이 작아지면, 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 빠르게 동작 영역으로 수렴할 수 있게 된다. 즉, 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)의 마이크로폰 센서부(10)로부터 전달되는 입력 신호(Vin)의 전압 레벨이 바이어스 전압(VBIAS)에 도달하여 상기 입력 신호(Vin)가 빠르고 효과적으로 A/D 컨버터(30)로 전달될 수 있다.
입력 신호(Vin)가 동작 영역으로 수렴하게 된 이후에는, 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)은 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 증가시킨다. 바이어스단(Bias)을 통하여 바어이스 전압(VBias)이 인가된 상태에서, 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 중 오프 상태인 스위치들(SW1 내지 SWn)이 많으면 많을수록 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값은 커져서 상기 임피던스부(Z)는 수 기가 옴(Ω)의 총 임피던스 값을 가질 수 있다.
임피던스부(Z)의 총 임피던스 값이 수 기가 옴에 가까워지면, 상기 임피던스부(Z)를 통해 누수되는 전류가 극히 미세해져 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨은 일정하게 유지될 수 있다.
상기와 같이, 임피던스부(Z)에 포함된 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 중 온(on) 상태인 스위치들의 수와, 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값과는 반비례한다. 또한 본 실시예에서 임피던스부(Z)에 포함된 복수 개의 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn)은 동일한 특성을 가진 트랜지스터들(Tr1 내지 Trn)일 수 있다. 마찬가지로 임피던스부(Z)에 포함된 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn)은 모두 동일한 특성을 가진 스위치들(SW1 내지 SWn)일 수 있다.
제어블록(40)은 임피던스부(Z)에 포함된 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 각각의 온오프(on/off)를 제어하여 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 조절한다. 제어블록(40)은 연산 증폭기(Amp)로부터 출력되는 출력 신호(Vout)의 레벨을 기초로 하여 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn)의 온오프 여부를 결정한다.
본 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰은 연산 증폭기(Amp)로부터 출력되는 출력 신호(Vout)의 레벨을 측정하기 위하여 레벨 감지부(45)를 더 포함할 수 있다. 레벨 감지부(45)는 연산 증폭기(Amp)로부터 출력되는 전압의 레벨, 즉 제2노드(N2)에서의 출력 신호(Vout)의 직류전압 레벨을 감지하고, 감지된 상기 직류전압 레벨을 제어블록(40)에 전달한다.
제어블록(40)은 출력 신호(Vout)의 직류전압 레벨을 기초로 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨을 결정할 수 있다. 이때, 기준값이 되는 직류전압 레벨은, 입력 신호(Vin)가 동작 영역으로 수렴하는 바이어스 전압(VBIAS)일 수 있다. 제어블록(40)은 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 상기 기준값(VBIAS)에 도달하지 못한 경우, 즉 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)보다 작은 경우 임피던스부(Z)의 스위치들(SW1 내지 SWn)을 하나씩 순차적으로 온시켜서 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 낮춘다.
반면에 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)에 도달한 경우, 즉 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)인 경우 임피던스부(Z)의 스위치들(SW1 내지 SWn)을 오프시켜서 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값을 높일 수 있다. 임피던스부(Z)의 스위치들(SW1 내지 SWn)을 오프시키면, 입력 임피던스, 즉 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값이 높아져 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 일정하게 유지될 수 있다.
실시예에 따라 제어블록(40)은 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)인 경우 임피던스부(Z)의 스위치들(SW1 내지 SWn)을 하나씩 순차적으로 오프시킬 수도 있다.
또한 본 실시예에서는 제어블록(40)과 레벨 감지부(45)가 별도로 구현되는 것으로 설명하였으나, 다른 실시예에 따라 레벨 감지부(45)는 제어블록(40)에 포함되어 구현될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 제어블록의 임피던스 조절 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 제어블록(40)은 레벨 감지부(45)로부터 출력 신호(Vout)의 직류전압 레벨을 수신한다(S102). 이를 위하여 레벨 감지부(45)는 연산 증폭기(Amp)로부터 출력되는 출력 신호(Vout)을 감지하여 상기 출력 신호(Vout)의 직류전압 레벨을 결정할 수 있다.
제어블록(40)은 단계 S102에서 수신한 출력 신호(Vout)의 직류전압 레벨을 참조하여 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)에 도달하였는지 여부를 판단한다(S104). 실시예에 따라 기준값(VBIAS)은 제어블록(40)에 미리 저장된 값일 수 있다.
본 실시예에 따른 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)은 일종의 하이패스필터(high pass filter)로서 동작한다. 마이크로폰 센서부(10)의 콘덴서(Cmic)가, 예를 들어 1pF~10pF이면 음성 영역의 신호(20Hz~20KHz)를 처리하기 위해서는 수백 메가 옴에서 수 기가 옴 이상의 입력 저항이 요구된다. 상기 입력 저항을 구현할 때, 면적과 노이즈 등을 고려하여 컷오프(cut-off) 영역의 MOS 트랜지스터 또는 다이오드(diode)를 사용하고 있다. 본 실시예에서는 마이크로폰 센서부(10)로부터 제1노드(N1)를 통해 들어오는 입력 신호(Vin)에 상기의 MOS 트랜지스터나 다이오드를 통해 바이어스 전압(VBIAS)을 인가하고 있다.
컷오프 영역의 트랜지스터 또는 역방향 다이오드로부터 누수되는 전류의 양은 극히 미세하므로 측정이 어렵다. 그로 인하여 디지털 콘덴서형 마이크로폰(100)에 적합한 저항을 만들어내기가 용이하지 않다. 또한 마이크로폰 센서부(10)와의 연결 및 레이아웃(layout), 피씨비(PCB), 온도, 습도 등의 주변 회로 상황에 따라 제1노드(N1)에서 측정되는 임피던스 값은 일정하지 않다. 이때 임피던스 값이 너무 크면, 시상수(time constant)의 증가로 마이크로폰 센서부(10)로부터 전달되는 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 동작 영역으로 수렴하는데 걸리는 시간이 증가한다.
입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)에 도달하지 못한 것은, 임피던스부(Z)의 임피던스에 의하여 바이어스 전압(VBIAS)이 제1노드(N1), 즉 입력 신호(Vin)에 인가되지 못함을 의미한다. 즉 임피던스부(Z)의 총 임피던스 값이 커서 마이크로폰 센서부(10)로부터 출력된 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 동작 영역까지 수렴하는데 걸리는 시간이 증가함을 의미한다.
단계 S104의 판단결과 기준값(VBIAS)에 도달하지 못한 경우(S104:No), 제어블록(40)은 임피던스부(Z)에 포함된 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 중 어느 하나를 온시킨다(S106). 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)에 도달할 때까지 제어블록(40)은 단계 S102 내지 단계 S106를 반복하여 수행한다. 즉, 제어블록(40)은 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)에 도달할 때까지 레벨 감지부(45)로부터 출력 신호(Vout)의 직류전압 레벨을 수신하고(S102), 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하여(S104) 상기 기준값(VBIAS)에 도달하지 못하였으면 임피던스부(Z)에 포함된 복수 개의 스위치들(SW1 내지 SWn) 중 오프 상태인 스위치 하나를 온시킨다(S106).
반면에 단계 S104의 판단결과 기준값(VBIAS)에 도달한 경우(S104:Yes), 제어블록(40)은 임피던스부(Z)의 스위치들(SW1 내지 SWn)을 오프시킨다(S108). 상기와 같이 스위치들(SW1 내지 SWn)을 오프시킴으로써, 제어블록(40)은 임피던스부(Z)의 총 임피던스값을 증가시킨다. 즉 제어블록(40)은 입력 신호(Vin)의 직류전압 레벨을 기준값(VBIAS)으로 유지시킨다.
한편 단계 S108의 동작을 지속적으로 수행하는 경우, 임피던스부(Z)의 총 임피던스값이 일시에 또는 지속적으로 증가하게 된다. 임피던스부(Z)의 총 임피던스값이 일시에 또는 지속적으로 증가하면, 직류전압 레벨이 기준값(VBIAS)과 달라질 수도 있다. 직류전압 레벨이 상기 기준값(VBIAS)과 다르면, 제어블록(40)은 단계 S108에서 오프된 스위치들을 다시 하나씩 또는 모두 온시킴으로써 총 임피던스값을 줄일 수도 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 디지털 콘덴서형 마이크로폰 10: 마이크로폰 센서부
20: 전처리 증폭부 30: A/D 컨버터
40: 제어블록 45: 레벨 감지부

Claims (15)

  1. 마이크용 콘덴서로부터 입력 신호가 출력되면, 상기 입력 신호에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스단과,
    복수 개의 트랜지스터들과, 상기 복수 개의 트랜지스터들 각각에 대응하는 복수 개의 스위치들을 포함하고, 상기 복수 개의 스위치들 각각은 대응하는 상기 복수 개의 트랜지스터들 각각과 직렬 연결되고, 상기 복수 개의 트랜지스터들 각각 및 상기 복수 개의 스위치들 각각은 서로 병렬 연결되며, 상기 바이어스단과 연결되어 상기 바이어스 전압이 인가되는 임피던스부와,
    상기 입력 신호를 입력받아 출력 신호로 변환하여 출력하는 연산 증폭기와,
    상기 연산 증폭기로부터 출력되는 상기 출력 신호의 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과에 따라 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절하는 제어블록을 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 신호의 상기 직류전압 레벨을 감지하는 레벨 감지부를 더 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어블록은,
    상기 출력 신호의 상기 직류전압 레벨이 상기 기준값에 도달할 때까지 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 서서히 감소시키는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어블록은,
    상기 출력 신호의 상기 직류전압 레벨이 상기 기준값에 도달한 경우, 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 유지 또는 증가시키는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어블록은 상기 복수 개의 스위치들 각각의 온오프를 제어하여 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기.
  7. 제1항에 기재된 전처리 증폭기와,
    상기 마이크용 콘덴서를 포함하고, 상기 마이크용 콘덴서를 이용하여 외부로부터 입력되는 음향 신호를 상기 입력 신호로 변환하여 상기 전처리 증폭기로 출력하는 마이크로폰 센서부와,
    상기 전처리 증폭기로부터 출력된 상기 출력 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 출력 신호의 상기 직류전압 레벨을 감지하는 레벨 감지부를 더 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어블록은,
    상기 출력 신호의 상기 직류전압 레벨이 상기 기준값에 도달할 때까지 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 서서히 감소시키는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제어블록은,
    상기 출력 신호의 상기 직류전압 레벨이 상기 기준값에 도달한 경우 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 유지 또는 증가시키는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제어블록은 상기 복수 개의 스위치들 각각의 온오프를 제어하여 상기 임피던스부의 총 임피던스 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰.
  13. 연산 증폭기로부터 출력된 출력 신호의 직류전압 레벨을 감지하는 과정과,
    상기 직류전압 레벨이 기준값에 도달하였는지 여부를 판단하는 과정과,
    상기 직류전압 레벨이 기준값에 도달하지 않은 경우, 임피던스부에 포함된 복수 개의 트랜지스터들 각각에 대응하는 복수 개의 스위치들 중에서 오프된 스위치를 하나씩 온시키는 과정을 포함하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 직류전압 레벨이 기준값에 도달한 경우, 상기 임피던스부에 포함된 복수 개의 트랜지스터들 각각에 대응하는 복수 개의 스위치들을 하나씩 또는 모두 오프시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 직류전압 레벨이 상기 기준값과 비교하여 달라진 경우, 상기 오프 된 스위치들을 다시 하나씩 또는 모두 온시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 콘덴서형 마이크로폰의 전처리 증폭기의 가변 입력 임피던스 조절 방법.
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