KR20020083868A - 아날로그-디지털 변환기(adc)가 집적된 디지털 일렛트릿트콘덴서 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여러 가지 문제점을 수반하는 종래의 아날로그 마이크로폰 (microphone)이 갖고 있는 신호 왜곡 및 주파수 간섭 등의 문제점을 근원적으로 제거할 뿐 아니라 마이크의 신호 출력이 기존의 아날로그 신호가 아닌 디지틸 신호를 생성하는 새로운 디지털 마이크로폰에 관한 것이다.

본 발명은, 진동막과 함께 신호를 생성시키는 Electret등의 음향 부품과 반도체 ADC(analog-to-digital converter)을 집적시키는 구조 및 제조 방법을 특징으로 한다.

Description

아날로그-디지털 변환기(ADC)가 집적된 디지털 일렛트릿트 콘덴서 마이크로폰 {The digital electret condenser microphone integrated with Analog-to-Digital Converter}

본 발명은 음성 신호를 전기적 신호로 변화시키는 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 마이크로폰의 출력이 아날로그이었던 것을 디지털 신호가 발생되는 새로운 마이크로폰의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 마이크로폰은 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 소형case(1) 속에 얇은 박막의 진동막(2)이 있다. 외부 음원으로부터 음성 신호에 따른 음압 (sound pressure)이 진동막을 진동시키면, 미세한 진동막의 진동을 감지하여 전기적 신호로 변환시키게 되는데, 이 때에 어떻게 전기적 신호로 변환시키는 원리에 따라 여러 가지 종류의 마이크로폰이 존재한다.

현재 마이크로폰 중 가장 널리 쓰이고 있는 마이크로폰은 ECM (Electret Condenser Microphone)이라는 방식으로, 진동막을 얇은 금속막 (전극)으로 구성하고, 그 진동막 과 일정 간격을 두고 전하가 주입되어 분극상태로 보존되는 electret(4) 를 위치시켜 진동막의 진동에 의하여 electret 와 진동막 사이에 형성되는 정전기장을 변화시켜 음성 신호를 전기신호로 변환시키는 것을 기본 원리로 한다.

이 경우 진동막과 electret에 의해 발생한 미세한 신호를 외부로 전달하기 위하여 보통 소형의 FET(Field Effect Transistor)(5) 를 내장하여 진동막과 electlet 에 의해 발생하는 음향 Impedance 값과 마이크로폰 외부 회로의 Impedance 값을 서로 매칭 시켜준다. 이와같이 음성신호가 진동막과 electret 에 의해 전기신호로 변환되어 FET에 의해 외부단자에 전달되는 방식이 가장 보편화된 종래의 ECM 방식이다. 보통의 경우 FET로는 JFET(Junction FET)를 사용하고 있는데 이 경우 FET의 출력은 음성 신호를 동일한 형태의 전기신호로 전달하는 아날로그 신호이다.

이런 아날로그 마이크로폰의 경우의 문제점은, 마이크로폰의 출력이 주변의 음성 신호 증폭기 혹은, 디지털화하는 주변기기까지의 전송선로 도중에서 주변 전자회로 등과의 간섭 등으로 신호의 왜곡이 쉽게 발생하여 원래의 음성 신호로부터 왜곡되는 치명적인 단점이 있다. 특히 선로의 길이가 걸거나 주변 전자파와의 간섭이 있는 경우는 더욱 심각하게되며, 점점 더 미세한 PCB 기판 상에서 선폭이 좁아지거나 다층의 PCB 기판이 사용되어질 때 이런 아날로그 음성 신호를 그대로 보존한다는 것은 매우 어렵다. 특히 크고 작은 간섭에 의해 왜곡된 신호의 원인을 규명하기는 더욱 난제이다.

또 다른 문제점은 주변의 전자회로부터 잡음이 마이크로폰으로 역류되어 내장된 FET와 간섭하여 원래 신호에 없는 잡음을 생성하는 문제점 역시 심각하다. 또한 최근 통신상에 사용되는 주파수들은 전송 효율 및 감쇠를 최소화하기 위하여 고주파대(Radio-Frequency)의 반송파를 사용하고 있다. 그러나 이러한 고주파대 신호들은 반사특성도 높아지기 때문에 반사된 신호가 역류되어 잡음의 원인이 되는 문제점들이 나타나고 있다. 따라서 이러한 문제들을 방지하기 위하여 휴대폰에 사용되는 마이크로폰은 FET 출력단에 외부 신호의 반송파 주파수에 해당하는 공진주파수를 가진 capacitor를 추가로 내장하여 이 신호의 간섭을 배제시키기도 한다. 특히 dual mode 휴대폰의 경우 (예를 들면, 900MHz 주파수와 1.8GHz 주파수) 두 개의 반송파 주파수대에 해당하는 공진주파수를 가진 capacitor 두 개를 병렬로 달아, 사용 반송파대의 신호를 감쇠 (필터링) 하여 이런 문제를 해결하려고 하기도 한다. 그러나, 이 경우도 두 개의 capacitor의 위치 간격 이라던지, 정전용량의 변화에 따라 capacitor 의 공진점이 이동하는 현상 등으로 인하여 필요 반송파대에서의 감쇠(필터링)가 제대로 이루어지지 않아 , 예측하지 못했던 고주파 잡음이 발생 하게된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 아날로그 마이크로폰의 약점 및 취약점을 원천적으로 해결하기 위하여 마이크로폰 내에서 음압(sound pressure)의 변화에 따라 진동판과 electret 의해 발생된 아날로그 신호를 디지털로 변환시켜, 마이크로폰의 출력을 디지털 신호로 출력하여, 음성 신호가 원하는 곳까지 디지털 신호로 전송하고자 하는 것이 목적이다.

이를 위하여서 음성 신호에 의한 음압( sound pressure)의 변화에 따라 진동할수 있는 진동막과 이와함께 정전기장을 형성하여 전기신호로 변환시키는 electret를 포함한 구조를 이루어야 하며 이 진동막과 electret를 통하여 생성된 전기신호를 가장 인접한 곳에서 바로 디지털 변환기에 접속시켜 외부와의 간섭을 극소화 시킴과동시에, 주변 회로와 고주파 간섭 등을 일으키지 못하는 회로를 포함하는 반도체 ADC(analog-to-digital converter) chip을 내장하여 디지털화된 신호를 출력하는 마이크로폰을 이루고자 하는 것이다.

도 1은 종래 analog 마이크로폰의 구조를 도시한 단면도.

도 2는 종래 analog 마이크로폰의 신호 왜곡 문제점을 설명한 모식도.

도 3(a), 3(b) 종래 analog 마이크로폰의 고주파 간섭의 문제점을 설명한 모식도.

도 4는 본 발명에 따른 디지털 마이크로 폰의 구조도

도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 디지털 마이크로 폰의 실시예

도 6은 인쇄회로기판을 이용한 디지털 마이크로폰의 출력단자 형태

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 디지털 마이크로폰은 음성신호를 전기신호로 변환하기 위하여 기본적으로 진동막과 electret의 음향 소자로 구성되며, 이 두소자 사이의 정전기장의 변화를 통해서 생긴 전기적 음성 신호를 증폭기 및 ADC 기능, capacitor 기능 등을 포함한 chip의 반도체로 구성하여, electret의 가장 인접한 곳에 위치 시켜 연결시키는 것으로 구성한다.

이 때의 반도체 chip은 electret로부터의 아날로그 음성 신호를 디지털로 변환시키는 기본적 ADC 구성이고, 출력은 변환된 디지털 신호가 series로 출력할 수도 있고, parallel로 출력할 수도 있다.

이 때의 반도체 chip은 기본적인 ADC 기능 이외에 Impedance matching 을 위하여 FET를 내장할 수 있다.

이 때의 반도체 chip은 출력단 으로부터 들어오는 고주파 간섭을 차단하기 위해서, capacitor, 저항, 다이오드로 구성된 고주파 차단 filter 기능을 내장할 수 있다.

이 때의 반도체 chip은 외부의 강력한 정전기에 대한 보호로 ESD 보호 회로를 내장 할 수있다.

이 때의 반도체 chip은 외부와의 data통신을 위해 외부로부터 clock 신호를 받아들이는 구조를 가진다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 기존의 아날로그 신호를 출력하는 마이크로폰이 디지털 신호를 출력하기 때문에, 마이크로폰으로부터 출발한 신호의 왜곡을 근원적으로 차단할 수 있다. 또한 ADC가 마이크로폰내의 음향 소자 ( 진동판 및 electret )로부터 가장 인접한 곳에서 아날로그 신호를 디지털로 변환하기 때문에 신호의 잡음에 대한 비율( S/N ratio )이 매우 우수하다.

또한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 ADC chip 을 (도)5b에서 보는바와 같이 기존의 아날로그 마이크로폰 인쇄회로기판 (PCB)에 적용함으로서 아날로그 마이크로폰의 장점이라고 할 수 있는 Air-chamber 공간을 확보 ( 진동판의 진동특성 향상 )를 통해 감도특성을 향상 시킬 수 있다 .

또한 아날로그 마이크로폰 인쇄회로기판 (PCB) 에 ADC chip 을 적용함으로서 외부 출력단의 형태를 (도)6 에 나타난 바와 같이 여러형태로 적용 생산할 수 있다.

Claims (7)

1. 마이크로폰에서 외부의 입력 음성 신호를 수신하여 전지적 신호로 변환시키는 진동막 및 electret 소자의 가장 인접한 위치에, 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 ADC(analog-to-digital converter)가 마이크로폰내에 집적되어 진동막, electret, ADC로 구성되고 출력이 디지털인 마이크로폰.
2. 제 1항에 있어서, 마이크로폰내의 ADC의 출력은, 1pin의 port를 갖는 디지털 신호가 series로 출력할 수도 있고, 디지털 변환의 resolution에 따라 6pin이하의 출력을parallel로 출력할 수 있는 마이크로폰
3. 제 1항에 있어서, 상기의 ADC는 기본적인 ADC 기능 이외에 impedance matching 을 위한 FET를 내장 한다.
4. 제 1항에 있어서, 상기 ADC는 출력단으로부터 들어오는 고주파 간섭을 차단하기 위해서, capacitor, 저항, 다이오드로 구성된 고주차 차단 filter 기능을 내장할 수 있다.
5. 제 1항에 있어서, 상기 ADC는 외부의 강력한 정전기에 대한 보호로 ESD 보호 회로를 내장 할 수있다
6. 제 1항에 있어서, 상기 ADC는 외부와의 data 통신을 위해 외부로부터 clock 신호를 받을 수 있다
7. 제 1항에 있어서, 상기 ADC는 기존 아날로그 마이크로폰의 장점과 결합할 수 있도록 인쇄회로기판에 부착된 형태로 만들어질 수 있다.