KR102404283B1 - 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로 - Google Patents

마이크로폰 센서용 리드아웃 회로 Download PDF

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박영채
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로는, 마이크로폰 센서로부터 센싱 신호가 입력되는 입력단자(IN)와, 상기 센싱 신호가 출력되는 출력단자(OUT)를 구비하는 리드아웃 회로에 있어서, 상기 입력단자(IN)에 제1 게이트단이 연결되고, 상기 출력단자(OUT) 및 전원단자(VDD)에 제1 소스단이 연결되며, 접지에 제1 드레인단이 연결된 제1 트랜지스터(M1); 상기 출력단자(OUT) 및 상기 제1 소스단에 제2 드레인단이 연결되고, 상기 전원단자(VDD)에 제2 소스단이 연결되며, 제2 게이트단이 기준단자(N)에 연결되는 제2 트랜지스터(M2); 상기 제1 소스단, 상기 제2드레인단 및 상기 출력단자(OUT)에 제3 드레인단이 연결되고, 상기 기준단자(N)에 제3 게이트단이 연결되며, 접지에 제3 소스단이 연결되는 제3 트랜지스터(M3); 상기 기준단자(N) 및 상기 전원단자(VDD)에 제4 드레인단이 연결되고, 상기 출력단자(OUT), 상기 제3드레인단에 제4 게이트단이 연결되며, 상기 제1 드레인단에 제4 소스단이 연결되는 제4 트랜지스터(M4); 그리고 상기 제4 드레인단, 상기 제4 소스단 및 상기 제1 드레인단에 연결된 다이오드부;를 포함한다.

Description

마이크로폰 센서용 리드아웃 회로{READOUT CIRCUIT FOR MICROPHONE SENSOR}
본 발명은 리드아웃에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저잡음 특성의 소스팔로워에 피드백 회로를 구비함으로써 낮은 출력임피던스 및 넓은 동적영역(Wide Dynamic Range)을 구현함으로써 리드아웃 회로를 단순하게 구현하여 칩을 소형화 시킴으로써 원가경쟁력을 확보할 수 있는 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로에 관한 것이다.
MEMS(Micro Eletro Mechanical System)은 반도체 제조 공정을 응용해 마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터) 크기의 초미세 기계부품과 전자회로를 동시 집적하는 기술이다. MEMS 공정으로 생산된 마이크 칩은 기존 전자콘덴서마이크(Electret Condenser Microphone, ECM) 대비 크기와 전력 소모량이 작아 스마트폰, 태블릿, 이어마이크 등 하이엔드 모바일 기기로의 채용이 늘고 있는 추세다.
MEMS 마이크로폰은 크게 정전용량형(Capacitive-type)과 압전형(Piezoelectric-type) 방식으로 구분된다. 여기서, 정전 용량형 MEMS 마이크로폰은 크게 외부 음압에 반응해 물리적 신호를 전기적 신호로 변환해주는 센서 부분과 음향 센서에서 발생되는 높은 출력 임피던스 신호를 처리하는 판독 집적회로(ROIC: Readout integrated circuits) 부분으로 구성된다.
일반적으로, MEMS 마이크로폰 센서의 리드아웃 회로에서는 MEMS 센서에서 발생하는 음압에 따른 capacitor 변화를 전압으로 변환하는 초단 증폭기로 소스팔로워가 사용된다.
그러나, 이러한 소스팔로워 회로만으로는 넓은 동적영역(Wide Dynamic Range)을 가지면서 수[kΩ]에서 수[nF]에 해당하는 부하를 구동할 수 없기 때문에 낮은 출력 임피던스를 갖는 버퍼를 추가해야 한다는 문제가 있다.
이에 따라 리드아웃회로의 칩 크기가 커지게 되어 원가경쟁력을 확보하기 어렵게 된다.
대한민국등록특허공보 제10-1718079호(2017.03.20.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 버퍼를 추가하지 않고도 넓은 동적영역(Wide Dynamic Range)의 낮은 출력 임피던스를 구현할 수 있는 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 리드아웃 회로를 단순하게 구현하여 칩을 소형화 시킴으로써 원가경쟁력을 확보할 수 있는 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로는, 마이크로폰 센서로부터 센싱 신호가 입력되는 입력단자(IN)와, 상기 센싱 신호가 출력되는 출력단자(OUT)를 구비하는 리드아웃 회로에 있어서, 상기 입력단자(IN)에 제1 게이트단이 연결되고, 상기 출력단자(OUT) 및 전원단자(VDD)에 제1 소스단이 연결되며, 접지에 제1 드레인단이 연결된 제1 트랜지스터(M1); 상기 출력단자(OUT) 및 상기 제1 소스단에 제2 드레인단이 연결되고, 상기 전원단자(VDD)에 제2 소스단이 연결되며, 제2 게이트단이 기준단자(N)에 연결되는 제2 트랜지스터(M2); 상기 제1 소스단, 상기 제2드레인단 및 상기 출력단자(OUT)에 제3 드레인단이 연결되고, 상기 기준단자(N)에 제3 게이트단이 연결되며, 접지에 제3 소스단이 연결되는 제3 트랜지스터(M3); 상기 기준단자(N) 및 상기 전원단자(VDD)에 제4 드레인단이 연결되고, 상기 출력단자(OUT), 상기 제3드레인단에 제4 게이트단이 연결되며, 상기 제1 드레인단에 제4 소스단이 연결되는 제4 트랜지스터(M4); 그리고 상기 제4 드레인단, 상기 제4 소스단 및 상기 제1 드레인단에 연결된 다이오드부;를 포함한다.
여기서, 상기 제2 트랜지스터(M2)는, NTR 및 PTR 중 어느 하나의 트랜지스터이고, 상기 제3 트랜지스터(M3)는, NTR 및 PTR 중 다른 하나의 트랜지스터인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 다이오드부(M5)는, NTR diode connection, PTR diode connection 및 normal junction diode 중 어느 하나가 사용되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)는 P형 트랜지스터이며, 상기 제3 트랜지스터(M3), 상기 제4 트랜지스터(M4) 및 상기 다이오드부는 N형 트랜지스터인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 저잡음 특성의 소스팔로워에 피드백 회로를 구비함으로써 낮은 출력임피던스를 구현할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 클래스 AB의 특성으로 넓은 동적영역(Wide Dynamic Range) 특성을 갖는다는 이점이 있다.
셋째, 리드아웃 회로를 단순하게 구현하여 칩을 소형화 시킴으로써 원가경쟁력을 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 기존의 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로의 낮은 출력 임피던스 특성 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 기존 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로 대비 도 2의 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로의 출력 동적영역(Output Dynamic Range)을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 기존의 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(1)는 트랜지스터1(T1), 트랜지스터2(T2) 및 트랜지스터3(T3)를 이용하여 피드백 회로를 구성한다. 기존의 마이크로 센서용 리드아웃 회로(1)는 이러한 피드백 회로를 이용하여 출력 임피던스를 낮출 수는 있다.
반면, 출력단(OUT)에 부하가 존재할 때, 출력 동적범위(Output Dynamic Range)가 감소되는 문제점이 있다. 따라서, 이하에서는 상술한 문제점을 해결 가능한 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)을 설명한다.
우선, 마이크로폰 센서(미도시)는 바이어스 전압을 통해 음압의 변화를 감지하고 센싱 신호를 생성한다. 예를 들면, 마이크로폰 센서(미도시)는 입력되는 바이어스 전압에 대응하여 내장된 센서를 통해 센싱 신호를 생성할 수 있다. 이때, 바이어스 전압은 마이크로폰 센서(미도시)의 바이어싱을 위한 전압으로 차지펌프(Charge Pump)에 의해 전원전압(VDD)의 승압에 의해 생성될 수 있다.
마이크로폰 센서(미도시)는 수신된 음파의 진동을 기반으로 센싱 신호를 발생시키는 센서로 구성될 수 있다. 예를 들면, MEMS(Micro Eletro Mechanical System) 마이크로폰과 같은 커패시터형 마이크로폰 센서가 사용될 수 있다
이러한 마이크로폰 센서(미도시)는 음압에 따라 간격이 변화될 수 있는 전극층을 포함할 수 있다. 이렇게 변화된 전극층의 간격에 따라 커패시턴스 값이 변화하는 가변 커패시터의 성격을 가질 수 있다. 따라서, 마이크로폰 센서(미도시)가 수신하는 음압의 크기에 따라 센싱 신호의 크기가 변화하게 된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)는 마이크로폰 센서(미도시)로부터 전송된 센싱 신호가 입력단자(IN)로 입력되어 출력단자(OUT)를 통해 출력된다. 즉, 마이크로폰 센서(미도시)의 출력단자가 리드아웃 회로(100)의 입력단자(IN)에 연결된다.
본 발명의 실시예에 의한 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)는 버퍼부(110), 피드백부(120) 및 다이오드부(130)를 포함한다. 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)의 구성요소들은 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100) 상에 하나의 칩으로 집적되어 구현될 수 있다.
버퍼부(110)는 상기 센싱 신호를 증폭하여 출력단자(OUT)에 전달하기 위한 것으로 마이크로폰 센서(미도시)로부터 제공되는 센싱 신호에 대한 전압 버퍼 기능을 수행한다. 이때, 버퍼부(110)에 입력되는 센싱 신호의 위상과 버퍼부(110)로부터 증폭되어 출력되는 센싱 신호의 위상은 동상인 것이 바람직하다.
버퍼부(110)는 전원단자(VDD)로부터 인가되는 바이어스 전압에 의하여 구동되고, 내부에 버퍼 기능 수행을 위한 소스 팔로워 회로가 사용될 수 있다. 이때, 버퍼부(110)에는 PMOSFET 구조의 제1 트랜지스터(M1)가 사용될 수 있다.
제1 트랜지스터(M1)의 제1 게이트단은 입력단자(IN)에 연결된다. 제1 트랜지스터(M1)의 제1 소스단은 출력단자(OUT), 전원단자(VDD), 제2 트랜지스터(M2)의 제2 드레인단, 제3 트랜지스터(M3)의 제3 드레인단에 연결된다. 제1 트랜지스터(M1)의 제1 드레인단은 접지에 연결된다. 제1 트랜지스터(M1)의 제1 소스단에는 전류원(I1)이 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(M1)의 제1 드레인단과 접지 사이에는 전류원(I3)이 연결될 수 있다.
피드백부(120)는 출력 전압(Vout)에 대응하는 피드백 전압을 생성하여 피드백 경로(미도시)를 통해 제1 트랜지스터(M1)의 제1 드레인단에 인가할 수 있다.
이렇게 피드백 경로를 구성함으로써, 출력단자(OUT)에서 바라본 출력 임피던스(Zin)가 부하의 임피던스 값(수[㏀])에 비해 상대적으로 매우 낮은 임피던스 값을 가지게 된다. 따라서, 수[㏀]의 저항 값을 가지는 부하라도 구동할 수 있게 된다.
피드백부(120)는 제2 트랜지스터(M2), 제3 트랜지스터(M3), 제4 트랜지스터(M4)를 포함할 수 있다.
제2 트랜지스터(M2) 및 제3 트랜지스터(M2)는 서로 동작 영역이 다른 트랜지스터가 사용될 수 있다. 예를 들면, 제2 트랜지스터(M2)는 NTR 및 PTR 중 어느 하나의 트랜지스터가 사용될 수 있다. 제3 트랜지스터(M3)는 NTR 및 PTR 중 다른 하나의 트랜지스터인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 제2 트랜지스터(M2)는 PMOS가 사용되고, 제3 트랜지스터(M3)는 NMOS가 사용되었다. 이렇게 함으로써, 출력의 동적 영역(Output Dynamic Range)을 개선(확대)하였다.
제2 트랜지스터(M2)의 제2 소스단은 전원단자(VDD)에 연결된다. 제2 트랜지스터(M2)의 제2 드레인단은 출력단자(OUT), 제1 트랜지스터(M1)의 제1 소스단, 제3 트랜지스터(M3)의 제3 드레인단에 연결된다. 제2 트랜지스터(M2)의 제2 게이트단은 기준단자(N)에 연결된다.
제3 트랜지스터(M3)의 제3 드레인단은 제1 트랜지스터(M1)의 제1 소스단, 제2 트랜지스터(M2)의 제2 드레인단 및 출력단자(OUT)에 연결된다. 제3 트랜지스터(M3)의 제3 게이트단은 기준단자(N)에 연결된다. 제3 트랜지스터(M3)의 제3 소스단은 접지에 연결된다.
제4 트랜지스터(M4)의 제4 드레인단은 기준단자(N), 전원단자(VDD) 밑 제5 트랜지스터(M5)의 제5 드레인단에 연결된다. 제4 트랜지스터(M4)의 제4 게이트단은 출력단자(OUT), 제3 트랜지스터(M3)의 제3드레인단에 연결된다. 제4 트랜지스터(M4)의 제4 소스단은 제1 트랜지스터(M1)의 제1 드레인단 및 제5 트랜지스터(M5)의 제5 소스단에 연결된다. 제4 트랜지스터(M4)의 제4 드레인단과 전원전압 사이에는 전류원(I3)이 연결될 수 있다.
다이오드부(130)는 제4 트랜지스터(4)의 출력 전압 레벨과 무관하게 피드백 회로의 동작을 유지하게 할 수 있다. 즉, CLASS AB 특성을 구현하여 동적 범위(Dynamic Range)를 넓히기 위해서 추가된 제3 트랜지스터(M3) 때문에 입력에(-)전압의 인가로 인해 출력이 낮은 전압으로 내려가는 경우 제5 트랜지스터(M5)로 구성된 피드백 구성이 동작하지 않으면서 출력이 0으로 고정되는 문제가 발생할 수 있다. 여기서, 제4 트랜지스터(4)를 추가하여 출력전압과 무관하게 피드백 구성이 유지되도록 하여 넓은 동적영역(Wide Dynamic Range)을 확보하게 된다.
이때, 다이오드부(130)는 NTR diode connection, PTR diode connection 및 normal junction diode가 사용될 있다. 본 실시예에서는 제4 트랜지스터(M4) 및 제5 트랜지스터(M5)는 NMOS가 사용되었다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로의 낮은 출력 임피던스 특성을 나타낸 도면이다. 여기서, 본 실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로의 출력단(OUT)에 100[kΩ]의 저항과 1[uF]의 커패시터를 직렬로 연결한 상태에서 출력 임피던스를 측정하였다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로는 약 12[Ω]의 출력 임피던스 특성을 가지므로, 수[kΩ]의 부하를 구동하는데도 전혀 문제가 없음을 알 수 있다.
도 4는 도 1의 기존 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로 대비 도 2의 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로의 출력 동적범위(Output Dynamic Range)를 나타낸 도면이다.
여기서, 본 실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로의 출력단(OUT)에 100[kΩ]의 저항과 1[uF]의 커패시터를 직렬로 연결한 상태에서 동적 범위(Dynamic Range)를 측정하였다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 붉은 선은 도 2의 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)의 출력 동적범위(Output Dynamic Range)이며, 초록 선은 기존 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(1)의 출력 동적범위(Output Dynamic Range)이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로(100)는 기존의 마이크로 센서용 리드아웃 회로(1) 대비 출력 동적범위 (Output Dynamic Range)가 약 2배 정도가 넓은 것을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로는 별도의 버퍼를 추가하지 않고도, 저잡음, 낮은 출력 임피던스, 넓은 동적영역(Wide Dynamic Range)의 특성을 갖게 된다. 따라서, 리드아웃 회로를 단순하게 구현하여 칩을 소형화 시킴으로써 원가경쟁력을 확보할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
100: 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로 110: 버퍼부
120: 피드백부 130: 다이오드부

Claims (4)

  1. 마이크로폰 센서로부터 센싱 신호가 입력되는 입력단자(IN)와, 상기 센싱 신호가 출력되는 출력단자(OUT)를 구비하는 리드아웃 회로에 있어서,
    상기 입력단자(IN)에 제1 게이트단이 연결되고, 상기 출력단자(OUT) 및 전원단자(VDD)에 제1 소스단이 연결되며, 접지에 제1 드레인단이 연결된 제1 트랜지스터(M1);
    상기 출력단자(OUT) 및 상기 제1 소스단에 제2 드레인단이 연결되고, 상기 전원단자(VDD)에 제2 소스단이 연결되며, 제2 게이트단이 기준단자(N)에 연결되는 제2 트랜지스터(M2);
    상기 제1 소스단, 상기 제2 드레인단 및 상기 출력단자(OUT)에 제3 드레인단이 연결되고, 상기 기준단자(N)에 제3 게이트단이 연결되며, 접지에 제3 소스단이 연결되는 제3 트랜지스터(M3);
    상기 기준단자(N) 및 상기 전원단자(VDD)에 제4 드레인단이 연결되고, 상기 출력단자(OUT), 상기 제3 드레인단에 제4 게이트단이 연결되며, 상기 제1 드레인단에 제4 소스단이 연결되는 제4 트랜지스터(M4);및
    상기 제4 드레인단, 상기 제4 소스단 및 상기 제1 드레인단에 연결된 다이오드부(M5);를 포함하는, 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 트랜지스터(M2)는, NTR 및 PTR 중 어느 하나의 트랜지스터이고,
    상기 제3 트랜지스터(M3)는, NTR 및 PTR 중 다른 하나의 트랜지스터인, 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드부(M5)는,
    NTR diode connection, PTR diode connection 및 normal junction diode 중 어느 하나가 사용되는, 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)는 P형 트랜지스터이며,
    상기 제3 트랜지스터(M3), 상기 제4 트랜지스터(M4) 및 상기 다이오드부는 N형 트랜지스터인, 마이크로폰 센서용 리드아웃 회로.
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