KR200319753Y1 - 정전방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용전계효과트랜지스터 - Google Patents

정전방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용전계효과트랜지스터 Download PDF

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Abstract

본 고안은 외부로부터 인가되는 정전기 방전(Electro-Static Discharge; ESD)에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터에 관한 것이다. 이러한 본 고안의 집적화된 FET는 소스가 접지로 연결되고 게이트가 음향모듈과 연결되며 드레인이 출력단으로 연결되어 상기 음향모듈을 통해 전달된 신호를 증폭하여 드레인 측으로 출력하기 위한 전계효과트랜스터; 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 저항(RG); 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 다이오드(DG); 전계효과트랜스터(FET)의 드레인에 직렬로 연결되는 저항(RD); 및 상기 드레인에 연결된 저항(RD)과 소스 사이에 병렬로 연결되는 정전방전(ESD) 보호소자가 단일 웨이퍼상에 집적화되어 단입칩으로 구현된 것이다. 따라서, 본 고안은 게이트와 소스에 병렬로 연결된 저항과 다이오드, 드레인에 직렬 연결된 저항, 및 드레인과 소스 사이에 연결된 정전방전(ESD) 보호소자가 개별 FET와 동일 실리콘 웨이퍼상에 집적되어 구성됨으로써 회로구성을 간단히 하면서 ESD에 강한 내성을 갖는 장점이 있다.

Description

정전방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터{ A Field Effect Transistor for a Micro-Phone }
본 고안은 콘덴서 마이크로폰에서 전치 증폭기로서 사용되는 전계효과트랜지스터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부로부터 인가되는 정전기 방전(Electro-Static Discharge; ESD)에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로폰은 음압에 의한 물리적인 진동을 전기적인 신호로 변환하는 방식에 따라 탄소입자의 전기적 저항 특성을 이용한 카본형과, 로셀염(rochelle salt)의 압전기 효과를 이용하는 결정형, 코일이 장착된 진동판을 자기장 속에 진동시켜 유도전류를 발생시키는 가동코일형, 자기장 내에 설치된 금속박이 음파를 받아 진동하면 유도 전류가 발생하는 것을 이용하는 속도형(velocity microphone), 음파에 의한 막의 진동으로 정전용량이 변하는 것을 이용한 콘덴서형 등으로 구분된다.
여기서, 소형 마이크로폰으로서 콘덴서형이 널리 사용되나 콘덴서형은 콘덴서에 전압을 인가하기 위한 직류전원이 필요하다는 문제점이 있었다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 반영구적인 전하를 지닌 일렉트릿(eletret)을 이용한 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰이 사용되는데, 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰은 바이어스 전원이 필요 없으므로 전치 증폭기가 간단해지는 동시에 저렴한 가격으로 성능을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
한편, 이동통신 단말기의 송신부에서는 대략 수 밀리와트(mW) 내지 수 와트(W)에 이르는 큰 순간전력의 고주파신호를 안테나를 통해서 방사하는데, 이 고주파 신호는 마이크로폰과 외부 음성신호처리회로 사이의 선로에 유기되어 마이크로폰 내부 또는 외부에 있는 전치증폭기인 전계효과트랜지스터(Junction Field Effect Transistor; JFET)에 인가된다. 이때 전계효과트랜지스터(JFET)에 인가되는 고주파신호의 크기가 일정 레벨 이상이 되면, 전계효과트랜지스터(JFET)가 비선형적으로 동작하게 되어 고조파(Harmonics wave)와 더불어 피이크 인벨로프(Peak envelop)에 해당하는 잡음성분을 발생시키게 되며, 이 피이크 인벨로프의 주파수 대역은 대체로 음성 가청 주파수와 겹쳐 있기 때문에, 이 신호가 음성신호와 함께 증폭되어 음성신호처리회로로 들어가 마이크로폰의 가장 큰 잡음이 된다.
따라서, 이러한 잡음을 제거하기 위해서 이동통신 단말기에 사용되는 마이크로폰은 내부에 칩 커패시터 1개 혹은 2개로 구성된 LC 공진기를 이용하여 노치(notch)필터를 구성함으로써 특정 주파수에서의 고주파 신호를 차단한다.
도 1은 2개의 칩 커패시터를 이용한 듀얼모드 단말기에 사용되는 마이크로폰의 회로도로서, 종래의 마이크로폰은 음향모듈(ECM)과, JFET(Q1), 2개의 커패시터(C1,C2)가 병렬로 연결된 RF필터(10)로 이루어진다. 이와 같이 마이크로폰에 사용되는 종래의 JFET로는 일본국 공개특허공보에 공개번호 소61-160963호로서 공개된 콘덴서 마이크용 반도체장치가 있는 데, 상기 일본국 공개특허에 따르면 전계효과트랜지스터(Q1)의 게이트(G)와 소스(S)에 저항(RG)과 다이오드(DG)가 병렬로 연결되어 전계효과트랜지스터(Q1)와 함께 하나의 칩으로 구현되어 있다.
도 1을 참조하면, 음향모듈(ECM)은 등가적으로 가변 커패시터로 표현되어 전계효과트랜지스터(Q1)의 게이트(G)에 연결되어 있고, 전계효과트랜지스터(Q1)의 드레인(D)에는 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)로 구현된 RF필터(10)가 병렬로 연결되어 있다.
그리고 전계효과트랜지스터(Q1)의 게이트(G)와 소스(S)에 역방향으로 연결된 다이오드(DG)는 접합형 다이오드로서, 음향모듈(ECM)로부터 입력되는 입력신호의 저주파 부분을 감쇠시켜 원하는 주파수 성분이 JFET(Q1)로 입력되도록 한다. 이러한 접합형 다이오드는 전원 투입시 소스(S)로부터 다이오드(DG)를 거쳐 게이트(G)로 역방향 소비전류가 흘러 과도특성을 열화시키는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 약 1GΩ 정도의 고저항(RG)을 다이오드(DG)와 병렬로 연결하고, 이에 따라 JFET 입력단에서 정전방전(ESD)에 의한 내성을 강화하면서 과도특성을 개선할 수 있다.
또한 RF필터(10)를 구성하는 제1 커패시터(C1)는 약 10㎊으로서 1800㎒ 주파수를 제거하는 역할을 하고, 제2 커패시터(C2)는 약 33㎊으로서 900㎒에 동작하는 주파수를 제거하는 역할을 한다. 즉, 현재 널리 사용되는 이동통신용 단말기는 900㎒ 대역의 이동 가입무선전화와, 1800㎒ 대역의 개인휴대전화(Personal Communication System; PCS)로 구분되어 서비스되고 있기 때문에 듀얼모드 단말기에서는 900㎒ 대역의 고주파신호와 1800㎒ 대역 고주파신호 모두를 차단할 수 있다.
한편, 이동통신 단말기의 신뢰성을 향상시키기 위하여 각 부품들에 대한 정전방전(ESD) 특성이 엄격히 요구되는데, 이동통신 단말기용으로 요구되는 ESD 특성은 마이크로폰을 접지한 상태에서 공기 중에서 정전방전시 인가전압 15KV, 직접 단자에 접촉한 상태로 정전방전시 인가전압 8KV로 하였을 때 내부 회로소자의 손상이 전혀 없어야 한다. 그러나 종래의 마이크로폰은 외부에서 인가되는 ESD에 대하여 상기의 조건을 만족시키지 못하는 문제점이 있다. 특히, 일본국 공개특허에 공개된 바와 같이, 전계효과트랜지스터(JFET)의 게이트와 소스 사이에 고저항과 다이오드를 병렬로 연결하여 단일칩으로 구현할 경우에 ECM모듈과 연결되는 입력단에서의 정전방전에 대한 내성은 개선될 수 있으나 외부단자로부터 드레인측을 통해 전달되는 정전방전에는 취약한 문제점이 있다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 외부로부터 인가되는 정전방전(Electro-Static Discharge; ESD)에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 마이크로폰 모듈을 도시한 회로도,
도 2는 본 고안에 따른 전계효과트랜지스터가 채용된 마이크로폰의 회로도,
도 3은 본 고안에 따른 다른 실시예의 회로도,
도 4는 본 고안에 따른 또다른 실시예의 회로도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
10: RF필터 20,30,40: 집적화된 FET
22,24: 정전방전(ESD) 보호소자 Q10: 개별 FET
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 마이크로폰에 있어서, 소스가 접지로 연결되고 게이트가 음향모듈과 연결되며 드레인이 출력단으로 연결되어 상기 음향모듈을 통해 전달된 신호를 증폭하여 드레인 측으로 출력하기 위한 전계효과트랜스터(FET); 상기 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 저항(RG); 상기 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 다이오드(DG); 상기 전계효과트랜스터(FET)의 드레인에 직렬로 연결되는 저항(RD); 및 상기 드레인에 연결된 저항(RD)과 소스 사이에 병렬로 연결되는 정전방전(ESD) 보호소자가 단일 웨이퍼상에 집적화되어 단입칩으로 구현된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 정전방전(ESD) 보호소자는 다이오드, 제너 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드, 스위치 다이오드, 터널 다이오드, 바랙터, 바리스터, PN 결합 다이오드, PIN 다이오드로 이루어진 다이오드 그룹중에서 어느 하나로 된 것이고, 상기 다이오드들은 단방향이나 양방향으로 구성된 것이다. 또한 상기 저항은 저항값이 10Ω∼3GΩ의 범위이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 고안이 적용된 콘덴서 마이크로폰의 회로를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 고안이 적용된 콘덴서 마이크로폰은 음향모듈(ECM)과, 게이트(G)와 소스(S)에 병렬로 연결된 저항(RG) 및 다이오드(DG), 드레인(D)에 연결된 저항(RD), 및 드레인에 연결된 저항(RD)과 소스(S) 사이에 병렬로 연결된 정전방전(ESD) 보호소자(22)와 개별 FET(Q10)가 단입칩으로 집적화된 FET(20), 2개의 커패시터(C1,C2)가 병렬로 연결된 RF필터(10)로 이루어진다.
음향모듈(ECM)은 미도시된 다이어프램과 배극판을 포함하고, 음압에 따라 다이어프램이 진동되면 다이어프램의 진동에 의해 배극판과의 간격이 변화되면서 다이어프램과 배극판에 의한 정전용량이 변화되고, 이에 따라 FET(Q10)로 출력되는 신호전압이 변동되도록 되어 있다. 음향모듈(ECM)은 등가적으로 가변용량으로 표시된다.
음향모듈(ECM)의 전기적인 신호는 전치 증폭기인 전계효과트랜지스터(Q10)로 입력되어 증폭된 후 마이크로폰이 실장된 이동 단말기 등의 신호처리회로로 전달되는 데, 본 고안에 따른 집적화된 전계효과트랜지스터(FET 혹은 JFET)(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 게이트(G)와 소스 (S)사이, 드레인(D)과 소스(S) 사이에 연결되는 회로소자들과 함께 단일칩으로 구현되어 있다.
도 2에서 게이트(G)와 소스(S) 사이에 저항(RG)과 다이오드(DG)가 병렬로 연결되어 있는데, 저항(RG)은 대략 1GΩ의 값을 가지며 게이트(G) 단자로 입력되는 정전기를 방지하는 역할을 한다. 그리고 게이트(G) 입력단의 다이오드(DG)는 역방향으로 연결되어 역전류가 흐르는 것을 차단한다.
또한 본 고안에 따라 외부로부터 인가되는 정전방전(ESD)에 대한 내성을 강화하기 위하여 드레인(D)과 소스(S) 사이에는 병렬로 정전방전(ESD) 보호소자(22)가 연결되어 있고, 드레인(D)과 출력단자(out1) 사이에는 직렬로 저항(RD)이 연결되어 있다. 여기서, 저항(RD)은 저항값이 10Ω∼3GΩ의 범위에서 선택적으로 사용되고, 정전방전(ESD)에 의해 드레인측으로 향하는 전류의 흐름을 억제하는 기능을 한다.
그리고 병렬 연결된 정전방전(ESD) 보호소자(22)로는 다이오드, 제너 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드, 스위치 다이오드, 터널 다이오드, 바랙터, 바리스터, PN정션 다이오드, PIN 다이오드 중 어느 하나로 구현되어 정전기에 의해 유도되는 고전류가 FET(Q10)로 전달되기 전에 접지로 바이패스(bypass)시킴으로써 회로소자(Q10)를 보호하는 역할을 한다. 이때 다이오드들은 단방향이나 양방향으로 구성될 수 있다.
이와 같이 본 고안에 따른 집적화된 FET(20)는 개별 FET(Q10)의 게이트(G)와 소스(S)에 병렬로 연결된 저항(RG)과 다이오드(DG), 드레인(D)에 직렬 연결된 저항(RD)과, 드레인에 연결된 저항(RD)과 소스(S) 사이에 병렬로 연결된 정전방전(ESD) 보호소자(22)가 개별 FET(Q10)와 동일 실리콘 웨이퍼상에 집적되어 구성됨으로써 회로구성을 간단히 하면서 ESD에 강한 내성을 갖는 콘덴서 마이크로폰용 FET를 구현할 수 있다.
도 2에서 미설명부호 T1, T2는 마이크로폰을 휴대 단말기와 같은 외부 장치와 연결하기 위한 터미널이다.
도 3은 본 고안에 따른 다른 실시예의 회로도로서, 도 2와 회로가 동일하나도 2의 단일칩 구조의 전계효과트랜지스터(20) 구성에서 정전방전 보호소자(22)를 제외하여 별도로 구성한 예이다. 이와 같이, 다른 실시예에서는 본 고안에 따른 전계효과트랜지스터(30)와 정전방전 보호소자(22)를 별개로 분리하여 구성함으로써 정전방전 보호소자(22)가 파손될 경우에 교체가 용이하고, 다양한 방식의 정전방전 보호소자(22)를 쉽게 사용할 수 있는 잇점이 있다.
도 4는 본 고안에 따른 또다른 실시예의 회로도로서, 도 2의 회로에서 드레인(D)측에 저항(RD)을 사용하지 않고 드레인(D)과 소스(S)에 서로 병렬로 연결된 2개의 정전방전 보호소자(22,24)도 함께 단일칩으로 구현한 경우이다. 즉, 도 4에서 본 고안에 따른 단입칩구조의 전계효과 트랜지스터(40)는 게이트(G)와 소스(S) 사이에 병렬로 연결되는 저항(RG)과 다이오드(DG), 개별 FET(Q10), 드레인(D)과 소스(S) 사이에 병렬로 연결되는 2개의 정전방전 보호소자(22,24)로 이루어진다. 이와 같이 정전방전 보호소자(22,24)를 2개 사용함으로써 입력되는 정전방전에 의한 전류를 이중 분산시킴으로써 드레인에 과도전류가 흐르지 않도록 하여 정전방전에 대한 내성을 더욱 강화시킬 수 있고, 드레인측에 별도의 저항(RD)을 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.
이어서, 상기와 같이 구성되는 FET의 동작을 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 정상상태에서 개별 FET(Q10)는 게이트(G)로 입력되는 음향모듈(ECM)의 신호전압을 증폭하여 드레인(D)과 저항(RD)을 통해 출력단자(Out1)로 출력한다.
만일, 외부로부터 고압의 정전기 방전(ESD)이 발생되면, 드레인(D)과 소스(S)에 병렬로 연결된 정전방전(ESD) 보호소자(22,24)가 도통되어 ESD 전류가 바이패스되도록 함으로써 개별 FET(Q10)가 ESD에 의해 손상되는 것을 방지한다. 즉, 정전방전(ESD) 보호소자(22,24)는 순간적으로 고압이 인가될 경우에 저항이 급격히 낮아지는 특성을 갖는 다이오드류로 구현된다.
또한, 드레인측의 저항(RD)은 외부로부터 정전방전에 의해 전류가 FET로 흐르는 것을 방지한다.
이와 같은 마이크로폰이 휴대폰에 사용될 경우에 출력단자(Out1,Out2) 사이에는 통상 필터링 역할을 하는 커패시터(C1,C2)가 한개 혹은 두개 삽입되어 RF필터링 역할을 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 마이크로폰용 집적화된 FET는 게이트와 소스에 병렬로 연결된 저항과 다이오드, 드레인에 직렬 연결된 저항과 이 저항(RD)과 소스 사이에 연결된 정전방전(ESD) 보호소자가 개별 FET와 동일 실리콘 웨이퍼상에 집적되어 구성됨으로써 마이크로폰에 사용되는 부품의 회로구성을 간단히 하면서 ESD에 강한 내성을 갖는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 마이크로폰에 있어서,
    소스가 접지로 연결되고 게이트가 음향모듈과 연결되며 드레인이 출력단으로 연결되어 상기 음향모듈을 통해 전달된 신호를 증폭하여 드레인 측으로 출력하기 위한 개별 전계효과트랜스터(FET);
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 저항(RG);
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 다이오드(DG);
    상기 전계효과트랜스터(FET)의 드레인에 직렬로 연결되는 저항(RD); 및
    상기 드레인에 연결된 저항(RD)과 소스 사이에 병렬로 연결되는 정전방전(ESD) 보호소자가 단일 웨이퍼 상에 집적화되어 단입칩으로 구현된 것을 특징으로 하는 정전기 방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터.
  2. 마이크로폰에 있어서,
    소스가 접지로 연결되고 게이트가 음향모듈과 연결되며 드레인이 출력단으로 연결되어 상기 음향모듈을 통해 전달된 신호를 증폭하여 드레인 측으로 출력하기위한 개별 전계효과트랜스터(FET);
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 저항(RG);
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 다이오드(DG); 및
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 드레인과 소스 사이에 병렬로 연결되는 적어도 두개 이상의 정전방전(ESD) 보호소자가 단일 웨이퍼상에 집적화되어 단입칩으로 구현된 것을 특징으로 하는 정전기 방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터.
  3. 마이크로폰에 있어서,
    소스가 접지로 연결되고 게이트가 음향모듈과 연결되며 드레인이 출력단으로 연결되어 상기 음향모듈을 통해 전달된 신호를 증폭하여 드레인 측으로 출력하기 위한 개별 전계효과트랜스터(FET);
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 저항(RG);
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 게이트와 소스 사이에 병렬로 연결되는 다이오드(DG); 및
    상기 개별 전계효과트랜스터(FET)의 드레인에 직렬로 연결되는 저항(RD)이 단일 웨이퍼상에 집적화되어 단입칩으로 구현되고, 상기 드레인에 연결된 저항과 소스에 병렬로 개별 정전방전 보호소자가 연결된 것을 특징으로 하는 정전기 방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정전방전(ESD) 보호소자는
    다이오드, 제너 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드, 스위치 다이오드, 터널 다이오드, 바랙터, 바리스터, PN 결합 다이오드, PIN 다이오드로 이루어진 다이오드 그룹중에서 어느 하나로 된 것을 특징으로 하는 정전기 방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 다이오드들은 단방향이나 양방향으로 구성된 것을 특징으로 하는 정전기 방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터.
  6. 제1항 또는 제3에 있어서, 상기 저항은 저항값이 10Ω∼3GΩ의 범위인 것을 특징으로 하는 정전기 방전에 대한 내성이 강화된 콘덴서 마이크로폰용 전계효과트랜지스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005101902A1 (en) * 2004-04-19 2005-10-27 Bse Co., Ltd Esd protection circuit for condenser microphone
KR100919939B1 (ko) * 2007-06-15 2009-10-01 (주) 알에프세미 초소형 커패시터 마이크로폰

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