KR20040036027A

KR20040036027A - 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰

Info

Publication number: KR20040036027A
Application number: KR1020020064789A
Authority: KR
Inventors: 송청담; 김현호
Original assignee: 주식회사 비에스이
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-04-30

Abstract

본 발명은 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로, 본 발명의 마이크로폰은, 음향부와 상기 음향부의 신호를 입력받아 증폭 및 디지털 변환을 하기 위한 회로부로 이루어진 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 있어서, 상기 회로부가 상기 음향부의 신호를 입력받아 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 아날로그신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기로 이루어져 단일칩으로 구현된다. 그리고 아날로그-디지털 변환기는 시그마-델타 변조기이고, 상기 시그마-델타 변조기는 입력신호 나이퀴스트 샘플링 레이트보다 높은 샘플링 레이트로 샘플링하기 위한 샘플러와, 입력신호와 궤환신호의 차를 출력하는 가산기와, 상기 가산기의 출력을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력을 디지털로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와, 상기 디지털 출력을 다시 아날로그신호로 변환한 후 상기 가산기에 제공하는 디지털 아날로그 변환기로 이루어진다. 따라서 본 발명의 마이크로폰을 이용하는 외부장치에서는 별도의 변환과정없이 디지털 데이터를 직접 처리할 수 있으므로 여러가지 잡음에 민감하지 않아 깨끗한 음질을 제공할 수 있고, 인터페이스가 용이하며, 음성신호의 처리속도가 빨라지는 장점이 있다.

Description

일렉트렛 콘덴서 마이크로폰 { An Electret Condenser Microphone }

본 발명은 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

일반적으로, 마이크로폰은 기계적인 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 가동 코일형, 자기장 내에 장치된 금속박이 음파를 받아 진동하면 유도전류가 발생하는 것을 이용하는 속도형(velocity microphone), 음파에 의한 막의 진동으로 정전용량이 변하는 것을 이용한 콘덴서형 등으로 구분된다.

전형적인 콘덴서 마이크로폰은 전압 바이어스 요소(통상 일렉트렛으로 이루어진다)와, 음압(sound pressure)에 대응하여 변화하는 커패시터(C)를 형성하는 다이어프램/백플레이트 쌍, 그리고 출력신호를 버퍼링하기 위한 전계 효과 트랜지스터(JFET)로 이루어진다. 여기서, 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰은 다이어프램이나 백플레이트중 어느 하나에 일렉트렛이 형성되어 있는데, 다이어프램에 일렉트렛이 형성된 것을 프론트 일렉트렛이라 하고, 백플레이트상에 형성된 것을 백 일렉트렛이라 한다. 통상적으로 일렉트렛은 유기 필름에 전하를 강제적으로 주입시켜 형성된다.

도 1은 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 전기적 회로도이다.

도 1을 참조하면, 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(10)은 전압원 Vmic와 직렬 연결된 커패시터 Cmic로 등가적으로 표현되고, 임피던스 변환기(12)로 연결되어 있다. 그리고 임피던스 변환기(12)의 출력단에는 부하저항(R_L)을 통해 전원(Vdd)이 연결됨과 아울러 부하 커패시터(C)를 통해 아날로그 신호가 출력(Vout)된다. 이와 같이 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰(10)에서는 임피던스 변환기로서 FET를 주로 사용하였다.

도 2는 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰이 응용된 디지털 장치의 예로서, 디지털 장치는 마이크로폰(10)의 아날로그 신호(Analog in)를 증폭하기 위한 증폭기(Amp: 21)와, 증폭기(21)의 출력을 디지털로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기(ADC: 22), 응용 장치로 디지털 입출력 인터페이스를 제공하기 위한 디지털 인터페이스부(23), 디지털 데이터(Digital data)를 아날로그로 변환하기 위한 디지털 아날로그 변환기(DAC: 24), 아날로그신호를 증폭하기 위한 증폭기(Amp:25), 전기적인 신호를 청각으로 들을 수 있는 음파로 변환하기 위한 스피커(26)로 구성된다.

그런데 종래의 아날로그신호를 출력하는 마이크로폰은 디지털을 처리하는 외부장치에서 아날로그신호를 증폭하고 아날로그신호를 디지털 데이터로 변환하기 위한 회로소자들이 필요하므로 응용 장치의 회로기판상에 부품이 추가되어 공간을 차지하게 되고 제조비용도 증가되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 디지털 데이터를 바로 출력하여 응용장치에서 별도의 처리과정 없이 바로 처리할 수 있도록 된 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 회로도,

도 2는 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰이 응용된 디지털 장치의 예,

도 3은 본 발명에 따른 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 회로도,

도 4는 도 3에 도시된 시그마-델타 변조기의 구성 예,

도 5는 본 발명에 따른 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰이 응용된 디지털 장치의 예이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

30: 마이크로폰 31: 칩모듈

32: 증폭기34: 시그마-델타 변조기

41: 샘플러42: 가산기

43: 적분기44: 아날로그-디지털 변환기

45: 디지털-아날로그 변환기

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 마이크로폰은, 음향부와 상기 음향부의 신호를 입력받아 증폭 및 아날로그 디지털 변환을 하기 위한 회로부로 이루어진 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 있어서, 상기 회로부가 상기 음향부의 신호를 입력받아 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 아날로그신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기로 이루어져 단일칩으로 구현된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 아날로그-디지털 변환기는 시그마-델타 변조기이고, 상기 시그마-델타 변조기는 입력신호 나이퀴스트 샘플링 레이트보다 높은 샘플링 레이트로 샘플링하기 위한 샘플러와, 입력신호와 궤환신호의 차를 출력하는 가산기와, 상기 가산기의 출력을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력을 디지털로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와, 상기 디지털 출력을 다시 아날로그신호로 변환한 후 상기 가산기에 제공하는 디지털 아날로그 변환기로 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 회로도로서, 본 발명의 마이크로폰(30)은 칩모듈(31)을 내장하여 사운드신호를 감지하고 이를 증폭하여 디지털 데이터로 변환한 후 이 디지털 데이터를 출력하도록 되어 있다. 여기서, 칩모듈(31)은 감지된 아날로그신호를 증폭하기 위한 증폭기(32)와, 증폭된 아날로그신호를 디지털로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기(34)로 구성된다. 그리고 본 발명의 마이크로폰(30)은 외부 장치와 4개의 신호단자 즉, 접지(GND), 클럭입력(Colck in), 디지털 출력(Data out), 전원(Vdd)으로 연결된다.

도 5는 본 발명에 따른 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 개략도로서, 본 발명의 마이크로폰은 케이스(51)와, 제1 베이스(52), 제2 베이스(53), 폴라링(54), 다이어프램(55), 스페이서(56), 백일렉트렛(57), PCB기판(59) 상에 실장되는 칩모듈(58)로 구성된다. 여기서, 음압을 전기적인 신호로 변환하기 위한 기구적인 구성 부분을 음향부라 하고, 전기적인 신호를 처리하는 PCB 기판상의 회로부분을 회로부라 한다.

도 5를 참조하면, 스페이서(spacer: 56)를 사이에 두고 다이어프램 (Diaphragm: 55)과 백플레이트(Backplate: 57)가 마주하고 있고, 다이어프램(55)은 폴라링(54)을 통해 음공이 형성된 케이스(51)측에 지지되며, 백 플레이트(57)는 제1 베이스(52)와 제2 베이스(53)에 의해 PCB 기판(59) 상에 지지되어 있다. 여기서, 다이어프램으로는 통상 금속이 증착된 유기 필름을 이용하고, 백 플레이트 또는 다이어프램에는 일렉트렛이 형성되어 있다. 이와 같은 구성의 음향부는 음압에 의해 다이어프램(55)과 백 플레이트(57)간의 간격이 변하게 되어 다이어프램(55)과 백 플레이트(57)에 의해 형성된 정전용량(C)이 변화되므로 등가적으로 전압원(Vmic)과 가변 커패시터(Cmic)로 표현될 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 칩모듈(31)은 증폭기(32)와 아날로그 디지털 변환기(34)를 포함하여 음향부가 감지한 아날로그신호를 디지털로 변환하여 출력하는데, 증폭기(32)는 내부 구조에서 피드백(feedback)의 사용 유무에 따라 2 와이어 또는 3 와이어로 제작 가능하고, 반도체 집적기술을 이용하여 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)상에 만들어진다.

또한 아날로그 디지털 변환기(34)는 다수의 루프를 갖는 회로로 구현될 수도 있으나 한 개의 루프를 갖는 아날로그 디지털 변환기는 도 4에 도시된 바와 같이 샘플러(41), 가산기(42), 적분기(43), 1비트 아날로그-디지털 변환기(44), 1비트 디지털 아날로그 변환기(45)로 구성된다. 즉, 시그마 델타 변조기는 개념적으로 샘플러, 적분기, 양자화기, 및 데시메이션 필터로 구성되며, 양자화기에서 발생한 양자화 잡음전력을 적분기에 의해서 신호대역 밖의 고주파 영역으로 이동시킨 다음, 데시메이션 필터에서 신호대역만 통과시키므로써 높은 SNR을 얻을 수 있도록 된 것이다.

도 4를 참조하면, 입력신호(X(k))는 나이퀴스트 샘플링 레이트보다 높은 샘플링 레이트로 샘플러(41)에 의해 샘플링되어 가산기(42)를 거쳐 적분기(43)로 전달되고, 적분기(43)를 이를 적분 연산한 후 1비트 아날로그 디지털 변환기(44)로 출력한다. 아날로그 디지털 변환기(44)는 적분기(43)의 출력을 입력받아 디지털데이터(Y(n))로 변환하여 출력하고, 디지털 아날로그 변환기(45)는 디지털 출력(Y(n))을 다시 아날로그신호로 변환한 후 가산기(42)에 제공하여 가산기(42)가 입력신호에서 궤환신호를 감한 차신호를 적분기(43)로 제공하도록 한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 마이크로폰을 이용하는 디지털 장치는 음압에 의한 다이어프램의 진동으로 전기적인 음성신호를 생성한 후 이를 디지털 데이터로 변환하여 디지털 출력을 제공하는 마이크로폰(30)과, 마이크로폰(30)의 디지털 데이터(Digital in)를 입력받아 디지털 입출력 인터페이스를 제공하기 위한 디지털 인터페이스부(61), 디지털 데이터(Digital out)를 아날로그로 변환하기 위한 디지털 아날로그 변환기(DAC: 62), 아날로그 음성신호를 증폭하여 스피커(64)를 구동하기 위한 증폭기(63), 및 스피커(64)로 구성된다.

이러한 디지털 장치의 구성은 도 2의 종래 구성과 비교할 때 증폭기와, 아날로그 디지털 변환기가 마이크로폰의 내부에 실장되어 회로 구성이 간단해진 것을 알 수 있다. 그리고 이와 같이 본 발명이 적용될 수 있는 디지털 장치로는 각종 이동전화기(휴대폰)와, 무선통신기기, 오디오장치 등 그 범위가 다양하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 마이크로폰이 직접 디지털 출력을 제공하므로 마이크로폰을 이용하는 외부장치에서 별도의 변환과정 없이 디지털 데이터를 직접 처리할 수 있으므로 인터페이스가 용이하고, 음성신호의 처리속도가 빨라지는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에서는 낮은 동작전압으로 동작할 수 있고, 여러가지 잡음에 민감하지 않아 깨끗한 음질을 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰을 설명한 하나의 실시 예에 불과한 것으로써, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다고 할 것이다.

Claims

음향부와 상기 음향부의 신호를 입력받아 증폭 및 아날로그 디지털 변환을 하기 위한 회로부로 이루어진 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 있어서,

상기 회로부가

상기 음향부의 신호를 입력받아 증폭하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 증폭된 아날로그신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기로 이루어져 단일칩으로 구현된 것을 특징으로 하는 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.
제1항에 있어서, 상기 음향부는,

음압(sound pressure)에 대응하여 변화하는 커패시터(C)를 형성하는 다이어프램/백플레이트 쌍으로 이루어지고, 상기 다이어프램이나 백플레이트 중 어느 하나에는 일렉트렛이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.
제1항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환기는,

시그마-델타 변조기 및 연속적 가변 슬롭 변조기와 같은 다양한 변조방식을 이용한 것을 특징으로 하는 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.
제3항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환기는

입력신호 나이퀴스트 샘플링 레이트보다 높은 샘플링 레이트로 샘플링하기 위한 샘플러와, 입력신호와 궤환신호의 차를 출력하는 가산기와, 상기 가산기의 출력을 적분하는 적분기와, 상기 적분기의 출력을 디지털로 변환하는 아날로그 디지털 변환기와, 상기 디지털 출력을 다시 아날로그신호로 변환한 후 상기 가산기에 제공하는 디지털 아날로그 변환기로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.
제1항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 변환기는,

디지털 회로로부터의 잡음에 영향을 받지 않고, 원하는 샘플 비율로 순시적인 신호값의 샘플을 나타내는 스트림(stream)을 제공하는 것을 특징으로 하는 디지털 출력을 갖는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.