KR20070021148A - Digital microphone - Google Patents

Digital microphone Download PDF

Info

Publication number
KR20070021148A
KR20070021148A KR1020067018482A KR20067018482A KR20070021148A KR 20070021148 A KR20070021148 A KR 20070021148A KR 1020067018482 A KR1020067018482 A KR 1020067018482A KR 20067018482 A KR20067018482 A KR 20067018482A KR 20070021148 A KR20070021148 A KR 20070021148A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
preamplifier
input
microphone
amplifier
signal
Prior art date
Application number
KR1020067018482A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
클라우스 에르트만 퓌르스트
헨릭 톰슨
이고르 무차
Original Assignee
아우디오아시스 에이/에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아우디오아시스 에이/에스 filed Critical 아우디오아시스 에이/에스
Priority to KR1020067018482A priority Critical patent/KR20070021148A/en
Publication of KR20070021148A publication Critical patent/KR20070021148A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/32Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion
    • H03F1/3211Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion in differential amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/34Negative-feedback-circuit arrangements with or without positive feedback
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45928Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection using IC blocks as the active amplifying circuit
    • H03F3/45968Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection using IC blocks as the active amplifying circuit by offset reduction
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/02Casings; Cabinets ; Supports therefor; Mountings therein
    • H04R1/04Structural association of microphone with electric circuitry therefor
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/01Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H04R19/016Electrostatic transducers characterised by the use of electrets for microphones
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/002Damping circuit arrangements for transducers, e.g. motional feedback circuits
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003Mems transducers or their use

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

본 발명은 마이크로폰 신호들을 처리하도록 구성된 집적 회로에 관한 것이며, 상기 집적 회로는 제 1 입력(φ) 및 제 2 입력(φ*) 및 출력(

Figure 112006065173530-PCT00025
)을 가지는 증폭기 섹션(301), 출력(
Figure 112006065173530-PCT00026
;
Figure 112006065173530-PCT00027
,
Figure 112006065173530-PCT00028
) 및 제 2 입력(φ') 사이에 접속된 피드백 필터 네트워크(Z1; Z1, Z1*, Z2)를 가지는 전치 증폭기(306)를 포함하는데, 상기 증폭기 섹션으로의 제 1 입력(φ)은 증폭기 섹션의 입력 임피던스에 의해 입력 임피던스와 관련하여 피드백 네트워크와 실질적으로 분리되는 입력 임피던스를 포함하고, 전치 증폭기는 낮은 주파수들을 억제하는 주파수-이득 변환 기능을 가지고, 안티 에일리어싱 필터링된 입력 신호를 수신하여 디지털 출력 신호(DO) 신호를 제공하기 위해 접속된 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다.The present invention relates to an integrated circuit configured to process microphone signals, the integrated circuit comprising a first input φ and a second input φ * and an output (
Figure 112006065173530-PCT00025
Amplifier section 301, with output (
Figure 112006065173530-PCT00026
;
Figure 112006065173530-PCT00027
,
Figure 112006065173530-PCT00028
) And a preamplifier 306 having a feedback filter network Z1 (Z1, Z1 *, Z2) connected between the second input φ ', the first input φ to the amplifier section being an amplifier. An input impedance substantially separated from the feedback network with respect to the input impedance by the input impedance of the section, the preamplifier has a frequency-gain conversion function that suppresses low frequencies, and receives the antialiased filtered input signal to It includes an analog-to-digital converter connected to provide an output signal (D O ) signal.

Description

디지털 마이크로폰{DIGITAL MICROPHONE}Digital microphone {DIGITAL MICROPHONE}

본 발명은 마이크로폰 전치 증폭기 및 디지털 출력 신호를 제공하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 집적 회로에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 마이크로폰 엘리먼트 및 전술된 집적 회로를 포함하는 디지털 마이크로폰에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated circuit comprising a microphone preamplifier and an analog-to-digital converter for providing a digital output signal. The invention also relates to a digital microphone comprising a microphone element and the integrated circuit described above.

마이크로폰 엘리먼트에 의해 검출된 음압(sound pressure)은 상기 엘리먼트의 막이 흔들리도록 하며, 따라서 상기 막과 마이크로폰 엘리먼트의 이른바 뒤판에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스를 변화시킨다. 상기 2개의 멤버들에 의해 형성된 커패시터에서의 변화가 일정하게 지속될 때, 2개의 커패시터 멤버들 사이의 전압은 막에 작용하는 음압에 따라 변화할 수 있다. 마이크로폰 커패시터에서의 변화가 음압 및 커패시터 멤버들 사이의 전압 간의 비례를 유지하기 위해 일정하게 지속되어야 하기 때문에, 마이크로폰 커패시턴스를 저항성 로드로 로딩하는 것은 중요하지 않다. 저항성 로드는 커패시터를 방전시키며, 따라서 마이크로폰으로서의 커패시터 성능을 감소시키거나 제거한다.The sound pressure detected by the microphone element causes the film of the element to shake, thus changing the capacitance of the capacitor formed by the so-called backplate of the film and the microphone element. When the change in the capacitor formed by the two members continues constant, the voltage between the two capacitor members may change depending on the sound pressure acting on the film. Loading the microphone capacitance into the resistive load is not important because the change in the microphone capacitor must be constant to maintain a proportionality between the negative pressure and the voltage between the capacitor members. The resistive load discharges the capacitor, thus reducing or eliminating the capacitor performance as a microphone.

따라서, 커패시터로부터 마이크로폰 신호를 픽업하기 위해, 높은 입력 저항을 제공하고자 하는 목적으로 구성된 증폭기들은 다른 목적들에 사용되는 회로들로 부터 커패시터를 버퍼링하는데 선호된다. 마이크로폰 신호를 픽업하기 위해 접속된 증폭기는 일반적으로 전치 증폭기 또는 버퍼 증폭기 또는 간단히 버퍼라 표시된다. 전치 증폭기는 일반적으로 커패시터에 물리적으로 매우 인접하게 - 수 밀리미터 또는 밀리미터의 일부의 거리 내에서 - 접속된다.Thus, to pick up a microphone signal from a capacitor, amplifiers configured for the purpose of providing a high input resistance are preferred for buffering the capacitor from circuits used for other purposes. An amplifier connected to pick up a microphone signal is generally referred to as a preamplifier or buffer amplifier or simply a buffer. The preamplifier is generally connected physically very close to the capacitor-within a distance of several millimeters or part of a millimeter.

소형 마이크로폰들에 대하여, 활성 커패시턴스는 매우 작다(일반적으로 1 내지 10pF). 이는 일반적으로 높은 입력 저항 및 커패시턴스에 대한 요구조건을 증가시킨다. 따라서, 소형 마이크로폰들을 위한 전치 증폭기들의 입력 저항은 매우 높아야 - 기가옴(GΩ)의 크기 - 한다. 또한, 상기 증폭기의 입력 커패시턴스는 음압에 적당한 민감도를 달성하기 위해 매우 작아야 한다.For small microphones, the active capacitance is very small (typically 1 to 10 pF). This generally increases the requirement for high input resistance and capacitance. Therefore, the input resistance of the preamplifiers for small microphones must be very high-the size of GΩ. In addition, the input capacitance of the amplifier must be very small in order to achieve adequate sensitivity to sound pressure.

특히, 전치 증폭기가 결합된 이른바 원격통신 마이크로폰들은 매우 낮은 가격에서 대량으로 팔린다. 원격통신 마이크로폰에 대한 증폭기의 가격이 전치 증폭기 칩 다이의 크기와 직접적으로 연관되기 때문에, 가격을 줄이고자하는 목적에서 전치 증폭기 칩 다이가 가능한 한 소형이 되도록 하는 것은 중요하다. 따라서, 회로들을 소형이 되도록 하기 위해 특별한 처리가 요구되며, 상기 회로들은 수요가 매우 높다. 그러나, 이와 관련하여 회로들을 매우 낮은 잡음 레벨로 제공하는 것이 중요하다. 낮은 잡음은 잡음이 영역과 교환될 수 있기 때문에 중요하며, 즉 만약 회로가 낮은 잡음을 가지고, 잡음이 요구되는 것보다 낮으면, 상기 잡음 레벨은 작은 칩 다이 영역과 교환될 수 있고, 따라서 더 낮은 비용으로 전치 증폭기를 제작할 수 있다. In particular, so-called telecommunication microphones with preamplifiers are sold in bulk at very low prices. Since the price of the amplifier for the telecommunication microphone is directly related to the size of the preamplifier chip die, it is important to make the preamplifier chip die as small as possible for the purpose of reducing the price. Thus, special processing is required to make the circuits compact, which are in high demand. However, in this regard it is important to provide circuits at very low noise levels. Low noise is important because noise can be exchanged with the area, i.e. if the circuit has a low noise and the noise is lower than required, the noise level can be exchanged with a small chip die area and thus lower Preamps can be manufactured at cost.

마이크로폰을 위한 CMOS 기술로 전치 증폭기를 설계할 때, 일반적으로 3가지 잡음원들이 존재한다. 상기 잡음원들은 바이어스 저항으로부터의 잡음, 입력 트랜지스터로부터의 1/f 잡음 및 입력 트랜지스터로부터의 백색 잡음이다. 우리는 입력 트랜지스터 잡음이 우위에 있다고 가정한다. 백색 잡음 및 1/f 잡음 모두는 입력 트랜지스터(들)의 길이와 폭을 활용하여 최소화될 수 있다. 이와 같은 사실은 임의의 입력 스테이지, 예를 들면, 단일 트랜지스터 스테이지 또는 차동 스테이지에 적용된다. 바이어스 저항으로부터의 잡음 또한 최소화될 수 있다. 만약 바이어스 저항이 매우 크게 형성되면, 저항으로부터의 잡음은 고역 통과 필터링되고, 대역내 잡음은 매우 낮아질 것이다. 이는 증폭기의 더 낮은 대역폭 제한이 매우 적어지도록 수행된다. 이는 증폭기의 입력이 파워 업 이후의 매우 긴 기간이 지나서 증폭기의 입력이 공칭값으로 안정되기 때문에 문제가 될 수 있다. 또한, 예를 들면, 차량 내부에서 문 닫힘 또는 불가청음으로부터 발생하는 낮은 강도의 주파수 컨텐츠를 가지는 신호들은 증폭기를 오버로딩할 수 있다. 또다른 문제는 마이크로폰 모듈 내부의 다이의 장착부로부터 작은 누설 전류들이 발생하는 것이다. 상기 전류들은 DC 오프셋을 형성하는 극단적인 입력 임피던스로 인해 발생한다. 상기 임피던스는 증폭기의 오버로드 마진(margin)을 감소시킨다.When designing a preamplifier with CMOS technology for a microphone, there are typically three sources of noise. The noise sources are noise from bias resistors, 1 / f noise from input transistors and white noise from input transistors. We assume that input transistor noise is dominant. Both white noise and 1 / f noise can be minimized by utilizing the length and width of the input transistor (s). This fact applies to any input stage, for example a single transistor stage or a differential stage. Noise from the bias resistors can also be minimized. If the bias resistor is made very large, the noise from the resistor will be high pass filtered and the in-band noise will be very low. This is done so that the lower bandwidth limit of the amplifier is very small. This can be a problem because the input of the amplifier has settled to its nominal value after a very long period of time after the power up. Also, for example, signals with low intensity frequency content resulting from door closure or inaudible sound inside the vehicle can overload the amplifier. Another problem is that small leakage currents arise from the mounting of the die inside the microphone module. The currents are due to the extreme input impedance which forms the DC offset. The impedance reduces the overload margin of the amplifier.

부가적으로, 디지털 출력 신호를 제공하기 위해 전치 증폭기와 아날로그-디지털 컨버터를 구비한 집적 회로 및 마이크로폰 엘리먼트를 포함하는 디지털 마이크로폰이 요구된다. 일반적으로 원격통신 마이크로폰은 실제 디지털 신호 처리량이 디지털 집적 회로 칩들에 의해 수행되는 소비자 전자 디바이스에 결합되기 때문에, 센서들(마이크로폰들과 같은)로부터의 신호들이 디지털 신호들로 제공되는 것 이 바람직하다. 이는 마이크로폰들이 삽입된 집적 회로 내에서의 신호 처리와 관련하여 - 특히 디지털 영역에서의 왜곡과 관련하여 - 새로운 도전 과제들을 제공한다.Additionally, there is a need for a digital microphone that includes a microphone element and an integrated circuit with a preamplifier and an analog-to-digital converter to provide a digital output signal. In general, since telecommunication microphones are coupled to consumer electronic devices where the actual digital signal processing is performed by digital integrated circuit chips, it is desirable that signals from sensors (such as microphones) be provided as digital signals. This presents new challenges with respect to signal processing in integrated circuits in which microphones are inserted, especially with regard to distortion in the digital domain.

최근에, 이른바 시그마-델타 변조기들은 A/D 컨버터들을 구현하는데 있어서 매우 대중적이다. 상기 변조기들은 다수의 장점들: 고정밀도의 구성요소들을 필요로 하지 않음; 고선형성; 및 이른바 단일 루프 변조기들에 대하여 작은 다이 영역을 가지는 장점들을 갖는다. 이는 단일 칩 구현에 매우 적합한 시그마 델타 변조기들을 형성하는데 유리하다.Recently, so-called sigma-delta modulators are very popular in implementing A / D converters. The modulators have a number of advantages: no need for high precision components; High linearity; And small die area for so-called single loop modulators. This is advantageous for forming sigma delta modulators well suited for single chip implementations.

특정 클래스의 시그마 델타 변조기들은 1비트 크기의 시그마 델타 변조기들이다. 상기 형태의 변조기들은 특히 A/D 컨버터의 아날로그 부분에 대한 복잡성이 다른 형태의 A/D 컨버터들과 비교하여 낮기 때문에 저비용 구현에 적합하다. 완전한 1비트 시그마 델타 컨버터는 1비트 아날로그 시그마 델타 변조기 및 디지털 데시메이션 필터만으로 구성된다. 정상적으로 요구되는 고차 안티-에일리어싱 필터는 단일 RC-필터에 의해 구현될 수 있다. 이는 높은 오버 샘플링이 사용되기 때문이며, 따라서 디지털 데시메이션 필터는 안티-에일리어싱 필터링을 수행한다.Sigma delta modulators of a particular class are 1-bit sigma delta modulators. Modulators of this type are particularly suitable for low cost implementations because the complexity of the analog part of the A / D converter is low compared to other types of A / D converters. The complete 1-bit sigma delta converter consists of only a 1-bit analog sigma delta modulator and a digital decimation filter. Normally required higher order anti-aliasing filters may be implemented by a single RC-filter. This is because high oversampling is used, so the digital decimation filter performs anti-aliasing filtering.

1비트 시그마 델타 변조기들은 아날로그 영역에서 구현하기가 매우 간단하다. 따라서 상기 변조기들은 저비용의 소형 디지털 마이크로폰들에 매우 적합하다. 불행하게도, 상기 변조기들 또한 단점들을 갖는다. 특히, 1비트 시그마 델타 변조기들은 이른바 유휴 모드 톤들을 발생하며, 상기 톤들은 변조기의 입력에서 낮은 주파수 또는 DC 레벨들로 인해 발생된 오디오 대역 내의 낮은 레벨 톤들이다. 이는 1비트 시그마 델타 변조기들이 다수의 장점들에도 불구하고 사용될 수 없는 이유이다. 상기 문제를 제거하거나 복잡한 변조기들을 설계하기 위해 한가지 해결책이 사용될 수 있지만, 상기 해결책들 모두는 설계 복잡성이 동적으로 증가하도록 영향을 미친다. 따라서, 전력 소비와 다이 영역이 동적으로 증가한다.1-bit sigma delta modulators are very simple to implement in the analog domain. The modulators are therefore well suited for low cost small digital microphones. Unfortunately, the modulators also have disadvantages. In particular, 1-bit sigma delta modulators generate so-called idle mode tones, which are low level tones in the audio band generated due to low frequency or DC levels at the input of the modulator. This is why one bit sigma delta modulators cannot be used despite a number of advantages. One solution can be used to eliminate the problem or to design complex modulators, but all of these solutions affect the design complexity to increase dynamically. Thus, power consumption and die area increase dynamically.

상기 유휴-모드-톤들의 영향은 높은 품질의 오디오 응용장치들에 덜 적합한 시그마 델타 변조기들로 인해 발생된다. 명백하게, 상기 영향은 소비자/원격통신 응용장치들에서 관련이 적은 것으로 보여질 수 있다. 그러나, 낮은 비용의 디지털 마이크로폰들에 대한 요구가 증가함에 따라 고품질 오디오 성능과 거의 동일할 수 있는 성능에 대한 요구 또한 높아진다. 따라서, 유휴-모드-톤들의 영향은 원격통신 응용장치들에 대한 문제가 증가하게 한다.The effect of the idle-mode-tones is caused by sigma delta modulators that are less suitable for high quality audio applications. Clearly, the impact can be seen as less relevant in consumer / telecommunications applications. However, as the demand for low-cost digital microphones increases, so does the demand for performance, which can be almost equal to high-quality audio performance. Thus, the impact of idle-mode-tones causes an increase in problems for telecommunication applications.

디지털 마이크로폰의 높은 성능을 달성하기 위해, 디지털 마이크로폰 ASIC의 전치 증폭기는 가능한 한 높은 성능, 즉 낮은 잡음, 낮은 왜곡, 높은 동적 범위들을 가져야만 한다. 최근에 사용가능한 기술에 따라, CMOS 기술은 저잡음 성능을 달성하는데 필수적이며, 증폭기의 입력 스테이지의 잡음과 관련하여 활용될 수 있음을 보여준다. 또한, 입력 임피던스는 잡음을 최소화하기 위해 가능한 한 클 수 있다. 상기 입력 임피던스는 특히 이전에 경험되었던 것보다 훨씬 낮은 감도 및 카트리지 용량을 가지는 새로운 더 얇은 형태의 원격통신 마이크로폰들에 유력하다.To achieve the high performance of the digital microphone, the preamplifier of the digital microphone ASIC must have as high performance as possible, low noise, low distortion, and high dynamic ranges. According to the technology available recently, CMOS technology is essential for achieving low noise performance and shows that it can be utilized in relation to the noise of the input stage of the amplifier. In addition, the input impedance can be as large as possible to minimize noise. The input impedance is particularly potent for new thinner forms of telecommunication microphones with much lower sensitivity and cartridge capacity than previously experienced.

불행하게도, 상기 임피던스는 전치 증폭기가 문 닫힘, 즉 차량 소음과 같은 음압으로부터 발생하는 낮은 주파수 신호들을 증폭할 수 있거나, 습도 변화로 인해 마이크로폰 엘리먼트의 감도가 변화하는 결과를 갖는다. 이는 1비트 시그마 델타 변조기가 사용되는 경우에 전술된 유휴 톤 모드들의 문제에 부가된다. 사실, 더 많은 레벨들을 가지는 2비트 변조기들 또한 상기와 같은 낮은 주파수 신호들에 노출될 때 상기와 같이 작용할 것이다.Unfortunately, the impedance may result in the preamplifier being able to amplify low frequency signals resulting from door closure, ie sound pressure such as vehicle noise, or the sensitivity of the microphone element changes due to humidity changes. This adds to the problem of the idle tone modes described above when a 1 bit sigma delta modulator is used. In fact, two-bit modulators with more levels will also act as above when exposed to such low frequency signals.

또한, 상기 낮은 주파수 신호들은 동적 범위를 감소시키며, 낮은 주파수 신호들이 진폭이 과도하게 할 수 있기 때문에 상호 변조 왜곡을 발생할 수 있다.The low frequency signals also reduce the dynamic range and can cause intermodulation distortion because low frequency signals can cause excessive amplitude.

상기 문제는 원격통신 마이크로폰들이 더 작아지고 더 얇아질수록 악화되며, 따라서 전치 증폭기로부터 더 많은 이득이 요구된다. 그러나, 일반적으로 혼란스러운 낮은 주파수 신호들은 진폭이 더 작아지게 할 수 없다. 따라서 혼란과 관련된 영향은 증가할 것이다. The problem is exacerbated as telecommunication microphones become smaller and thinner, thus requiring more gain from the preamplifier. In general, however, confused low frequency signals cannot be made smaller in amplitude. Thus the impact associated with confusion will increase.

따라서, 매우 낮은 카트리지 감도 및 용량을 가지는 얇은 ECM 카트리지들에 적합한 전치 증폭기 및 A/D 컨버터의 구성이 요구된다. 또한, 상기 구성은 잡음, 동적 범위, 및 왜곡에 대하여 매우 높은 성능을 제공해야 한다. 또한, 상기 구성은 더 적은 외부 구성요소들이 결합되거나 결합되지 않고 매우 작은 영역을 가지는 단일 칩 다이에서 구현될 수 있다. Therefore, there is a need for the construction of a preamplifier and A / D converter suitable for thin ECM cartridges with very low cartridge sensitivity and capacity. In addition, the configuration should provide very high performance against noise, dynamic range, and distortion. In addition, the configuration can be implemented in a single chip die with less external components coupled or uncoupled and having a very small area.

하기의 설명에서, 용어 오디오 대역이 사용된다. 종래에 상기 용어는 그 내용과 관련하여 다양한 정의들을 갖는다. 그러나, 하기에서 상기 용어는 일반적으로 20Hz 내지 500Hz의 하위 코너 주파수 및 5KHz 내지 25kHz의 상위 코너 주파수를가지는 주파수 대역을 지정하는데 사용될 것이다. 대역에 대한 특정 한정은 설계 기준을 표시하지만, 하기의 설명에서 상기와 같은 상기 한정은 광범위하게 이해될 수 있다.In the following description, the term audio band is used. The term conventionally has various definitions with respect to the content thereof. However, the term below will generally be used to designate a frequency band having a lower corner frequency of 20 Hz to 500 Hz and an upper corner frequency of 5 KHz to 25 kHz. While specific limitations to the bands indicate design criteria, such limitations in the description below can be broadly understood.

관련 분야Related Fields

단일 버퍼 증폭기에 필터가 접속되는 이른바 2 스테이지 전치 증폭기 구성은 2가지 단점을 갖는데, 2개의 스테이지를 가지기 때문에 잡음이 더 심해지고, 제 1 스테이지에서 이득이 제공되지 않기 때문에 필터의 물리적 크기가 상대적으로 커야 한다. 필터의 크기는 제 1 스테이지의 이득을 증가시킴으로서 최소화될 수 있지만, 상기 증폭기는 후속 필터에서까지 감소되지 않는 낮은 주파수 성분들로 인해 오버로드에 민감하게 된다. 따라서, 청취 지원 마이크로폰을 위해 원래 개발되었던 해결책은 새로운 고감도의 원격통신 마이크로폰들에는 적용되지 않는다. 증폭기 다이의 영역은 매우 커질 수 있고, 따라서, 디바이스 비용은 높아질 수 있다.The so-called two-stage preamplifier configuration, in which the filter is connected to a single buffer amplifier, has two disadvantages: the two stages result in more noise and the physical size of the filter is relatively small because no gain is provided in the first stage. It must be large. The size of the filter can be minimized by increasing the gain of the first stage, but the amplifier is sensitive to overload due to the low frequency components that do not decrease until the subsequent filter. Thus, the solution originally developed for the listening support microphone does not apply to new high sensitivity telecommunication microphones. The area of the amplifier die can be very large and therefore the device cost can be high.

전치 증폭기에 의해 점유되는 칩 영역이 상대적으로 낮은 비용을 획득하기 위해 가능한 한 작아져야 하기 때문에 전치 증폭기는 가능한 한 작아져야 한다. 따라서, 청취 지원 마이크로폰으로부터 공지된 증폭기 구성들은 일반적으로 칩 영역에 대하여 원격통신 마이크로폰들과 동일한 범위에서 사용되지 않기 때문에, 상기 구성들은 원격통신 응용 장치들에 응용할 수 없다. 또한, 청취 지원 마이크로폰들에 적용된 버퍼들 또는 증폭기들은 원격 통신 응용장치들에서 사용된 저감도 마이크로폰들에 대하여 요구되는 것과 같이 높은 이득 레벨들을 제공하도록 구성되지 않음이 인식되어야 한다.The preamplifier should be as small as possible because the chip area occupied by the preamplifier must be as small as possible to obtain a relatively low cost. Thus, the amplifier configurations known from the listening support microphones are generally not used in the same range as the telecommunication microphones with respect to the chip area, so the above configurations are not applicable to telecommunications applications. It should also be appreciated that the buffers or amplifiers applied to the listening support microphones are not configured to provide high gain levels as required for the low sensitivity microphones used in telecommunications applications.

US 6,583,658 B1은 커패시터 마이크로폰의 제 1 터미널로부터의 아날로그 입력 신호를 대칭적인 출력 신호로 변환하기 위한 조정 회로 장치를 개시한다. 제 1 연산 증폭기는 전압 플라워로서 결합되고, 그 출력은 대칭적인 출력 신호의 제 1 출력 신호로서 제공된다. 커패시터 마이크로폰의 제 2 터미널은 제 2 연산 증폭기의 출력에 직접 결합되며, 따라서 대칭적인 출력 신호의 제 2 출력 신호를 제공한다. 제 2 연산 증폭기의 비반전 입력은 접지에 접속되지만, 반전 입력은 제 2 및 제 1 출력 신호 중간 정도의 전압을 제공하는 전압 분배기에 접속된다. 대칭적인 출력 신호는 2진 출력 신호를 제공하는 시그마-델타형 아날로그-디지털 컨버터에 제공된다.US 6,583,658 B1 discloses an adjusting circuit arrangement for converting an analog input signal from a first terminal of a capacitor microphone into a symmetrical output signal. The first operational amplifier is coupled as a voltage flower and its output is provided as the first output signal of the symmetrical output signal. The second terminal of the capacitor microphone is directly coupled to the output of the second operational amplifier, thus providing a second output signal of the symmetrical output signal. The non-inverting input of the second operational amplifier is connected to ground, but the inverting input is connected to a voltage divider providing a voltage halfway between the second and first output signals. The symmetrical output signal is provided to a sigma-delta analog-to-digital converter that provides a binary output signal.

개시된 구성은 커패시터 마이크로폰으로부터의 상대적으로 높은 전압 레벨들이 낮은 잡음을 제공하면서 처리될 수 있는 경우에 유리하다. 그러나, 증폭기의 입력 임피던스와 결합된 커패시터 마이크로폰은 매우 느린 감소하는 임펄스 응답으로 필터를 형성할 것이다. 마이크로폰이 큰 진폭 또는 낮은 주파수 신호들을 가지는 일시적인 사운드들에 노출되면, 차례로 매우 느리게 변화하는 신호 성분들을 제공하며, 상기 성분들은 시그마-델타 형태의 아날로그-디지털 컨버터에 입력된다. 시그마-델타형 아날로그-디지털 컨버터에서, 신호 성분들은 2진 출력 신호에서 이른바 유휴 모드 톤들을 발생할 것이다. 또한, 상기 구성은 마이크로폰에 의해 발생된 신호 스펙트럼의 불균일한 분포에 의해 발생된 오버로드에 민감하다.The disclosed configuration is advantageous where relatively high voltage levels from the capacitor microphone can be processed while providing low noise. However, the capacitor microphone combined with the input impedance of the amplifier will form a filter with a very slow decreasing impulse response. When the microphone is exposed to transient sounds with large amplitude or low frequency signals, it provides signal components that in turn change very slowly, which are input to an sigma-delta type analog-to-digital converter. In a sigma-delta analog-to-digital converter, signal components will generate so-called idle mode tones in the binary output signal. The configuration is also sensitive to overload caused by non-uniform distribution of the signal spectrum generated by the microphone.

US 2002/0106091-A1는 내부 아날로그-디지털 컨버터를 가지는 마이크로폰 유니트를 개시한다. 상기 유니트는 사운드 트랜듀서(전기 멤버를 가지는 커패시터 마이크로폰), 입력에서 상기 사운드 트랜듀서에 접속되고 출력에서 아날로그-디지털 컨버터에 접속되어 신호 입력을 제공하는 전치 증폭기를 포함한다. 상기 전치 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터 사이에 위치된 고역 통과 필터는 DC 신호들을 차단하고, 잡음 레벨을 감소시키도록 형성된다. 부가적으로, 저역 통과 필터는 전치 증폭기와 아날로그-디지털 컨버터 사이에 위치된 안티-에일리어싱 필터로서 형성될 수 있다.US 2002 / 0106091-A1 discloses a microphone unit having an internal analog-to-digital converter. The unit includes a sound transducer (a capacitor microphone with an electrical member), a preamplifier connected at the input to the sound transducer and at the output to an analog-to-digital converter to provide a signal input. A high pass filter located between the preamplifier and the analog-to-digital converter is configured to block the DC signals and reduce the noise level. In addition, the low pass filter may be formed as an anti-aliasing filter located between the preamplifier and the analog-to-digital converter.

상기 구성이 중요한 신호 처리 양상들을 다루기는 하지만, 비용 및 잡음과 관련하여 성능과 연관된 중요한 구현상의 문제는 해결되지 않는다. 개시된 구성은 몇가지 신호 처리 스테이지들을 포함한다. 각각은 잡음 레벨을 증가시키는데 기여한다. 또한, 몇몇 스테이지들은 더 높은 비용을 부과하는 넓은 칩 영역을 점유한다. 또한, 상기 구성은 마이크로폰에 의해 발생된 신호 스펙트럼의 상당히 불균일한 분포에 의해 야기된 오버로드에 민감하다.Although the configuration addresses important signal processing aspects, important implementation issues related to performance with respect to cost and noise are not addressed. The disclosed configuration includes several signal processing stages. Each contributes to increasing the noise level. In addition, some stages occupy a large chip area that charges higher costs. The configuration is also sensitive to overload caused by a fairly non-uniform distribution of the signal spectrum generated by the microphone.

US 5,339,286는 압전(piezoelectric) 센서를 위한 전치 증폭기를 개시한다. 전치 증폭기는 입력들이 압전 센서에 접속되고 출력들이 아날로그-디지털 컨버터에 접속되는 완전한 차동 증폭기로서 구성된다. 전치 증폭기는 센서의 커패시턴스와 결합하여 전치 증폭기와 결합된 고역 통과 필터를 구현하는 공통-모드 필터 피드백 구성을 포함한다. 상기 구성은 사이즈가 작으며, 상대적으로 작은 잡음을 가지며, 차동 구성은 실리콘 기판 잡음(전치 증폭기가 칩 상에 구현될 때)이 이후에 제거될 수 있는 공통 모드 신호로 발생하도록 한다. 그러나, 상기 구성은 증폭기의 이득이 마이크로폰에 따라 결정되기 때문에 부적합하다. 또한, 전치 증폭기의 잡음은 마이크로폰 엘리먼트에 독립적으로 사용될 수 없다.US 5,339, 286 discloses a preamplifier for a piezoelectric sensor. The preamplifier is configured as a fully differential amplifier with inputs connected to a piezoelectric sensor and outputs connected to an analog-to-digital converter. The preamplifier includes a common-mode filter feedback configuration that combines with the capacitance of the sensor to implement a high pass filter coupled with the preamplifier. The configuration is small in size, has relatively small noise, and the differential configuration allows silicon substrate noise (when a preamplifier is implemented on a chip) to be generated as a common mode signal which can then be removed. However, this configuration is inadequate because the gain of the amplifier is determined by the microphone. In addition, the noise of the preamplifier cannot be used independently of the microphone element.

따라서, 본 발명은 최저 가능 입력 커패시턴스, 최저 가능 자음, 최대 출력 신호 스윙을 가지며, 동시에 최소 가능 칩 영역을 제공하는 전치 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is therefore an object of the present invention to provide a preamplifier having the lowest possible input capacitance, the lowest possible consonant, the maximum output signal swing, and at the same time providing the minimum possible chip area.

본 발명의 목적은 큰 전원 제거(rejection) 및 낮은 왜곡을 가지는 전치 증폭기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a preamplifier with large rejection and low distortion.

본 발명의 목적은 입력 터미널에서 상대적으로 큰 진폭을 가지고 천천히 변화하는 신호들을 처리할 수 있고, 동시에 낮은 레벨 신호를 낮은 왜곡을 가지는 높은 주파수로 증폭할 수 있는 증폭기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an amplifier capable of processing slow changing signals with relatively large amplitude at an input terminal and at the same time amplifying low level signals to high frequencies with low distortion.

본 발명의 목적은 성능이 누설에 민감하지 못한 증폭기 및 그 입력에 접속된 플라스틱 커플링들을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an amplifier whose performance is insensitive to leakage and plastic couplings connected to its input.

또한, 낮은 왜곡을 가지는 디지털 출력 신호를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object to provide a digital output signal having a low distortion.

또한, 마이크로폰 회로에 독립적으로 사용될 수 있는 전치 증폭기 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object to provide a preamplifier configuration that can be used independently of the microphone circuit.

마이크로폰 신호들을 처리하도록 구성된 집적 회로가 제공되며, 상기 집적 회로는, 제 1 입력, 제 2 입력 및 출력을 가지는 증폭기 섹션 및 출력과 제 2 입력 사이에 접속된 피드백 필터 네트워크를 포함한다. 증폭기 섹션으로의 제 1 입력은 증폭기 섹션의 입력 임피던스에 의해 입력 임피던스와 관련하여 피드백 네트워크와 실질적으로 분리되는 입력 임피던스를 가지고, 전치 증폭기는 낮은 주파수들을 억압하는 주파수-이득 전송 기능을 갖는다. 또한, 상기 증폭기는 안티-에일리어싱 필터링된 입력 신호를 수신하여 디지털 출력 신호를 제공하도록 접속된 아날로그-디지털 컨버터를 포함한다. There is provided an integrated circuit configured to process microphone signals, the integrated circuit including an amplifier section having a first input, a second input and an output and a feedback filter network connected between the output and the second input. The first input to the amplifier section has an input impedance that is substantially separated from the feedback network with respect to the input impedance by the input impedance of the amplifier section, and the preamplifier has a frequency-gain transmission function that suppresses low frequencies. The amplifier also includes an analog-to-digital converter connected to receive the anti-aliased filtered input signal and provide a digital output signal.

안티-에일리어싱 필터링된 입력 신호는 전치 증폭기로부터 출력 신호를 수신하도록 접속된 안티-에일리어싱 필터에 의해 제공되거나, 상위 차단 대역이 안티-에일리어싱을 방지하는 대역 통과 필터로 구성된 주파수-이득 전송 기능의 결과로서 제공된다.The anti-aliased filtered input signal is provided by an anti-aliasing filter connected to receive the output signal from the preamplifier, or as a result of a frequency-gain transmission function consisting of a band pass filter whose upper cutoff band prevents anti-aliasing. Is provided.

안티-에일리어싱과는 관계없이, 전치 증폭기는 결정된 주파수-이득 전송 기능을 제공하도록 구성되며, 상기 기능은 전치 증폭기에 입력 신호를 제공하도록 접속된 마이크로폰 회로의 주파수-임피던스 특성과 상관없이 실질적으로 변경되지 않는다. 상기와 같은 사항은 종종 전치 증폭기와 마이크로폰 회로의 설계에서 마이크로폰 엘리먼트 자체는 모순을 발생하기 때문에 중요한 개선 사항이다. 특히, 마이크로폰 엘리먼트는 기계적 구성요소이고, 종종 전기적 특성과 관련하여 제어하기 어렵기 때문에, 주파수-이득 전송 기능에 대한 마이크로폰 엘리먼트의 독립적 특성은 유리하다. 이와 같은 상황은 집적 회로를 운반하는 칩과 이격된 유니트로서 위치된 콘덴서 마이크로폰 엘리먼트들 및 MEMS 디바이스의 마이크로 기계 부분으로서 위치된 MEMS 마이크로폰 엘리먼트들 모두에 적용된다. 전치 증폭기는 일반적으로 (연산 증폭기의) 차동 입력 스테이지를 가지기 때문에, 매우 높은 임피던스가 구현된다. 상기와 같이 높은 입력 임피던스는 피드백 필터에 의해 제거되지 않으며, 따라서 증폭기는 마이크로폰 회로를 로딩할 수 없다.Regardless of anti-aliasing, the preamplifier is configured to provide a determined frequency-gain transmission function that is substantially unchanged regardless of the frequency-impedance characteristics of the microphone circuit connected to provide the input signal to the preamplifier. Do not. This is an important improvement because the microphone element itself is often a contradiction in the design of preamplifier and microphone circuits. In particular, because the microphone element is a mechanical component and is often difficult to control with respect to electrical properties, the independent nature of the microphone element for the frequency-gain transmission function is advantageous. This situation applies to both condenser microphone elements located as a unit spaced apart from the chip carrying the integrated circuit and MEMS microphone elements located as the micromechanical portion of the MEMS device. Since the preamplifier generally has a differential input stage (of the operational amplifier), very high impedance is achieved. Such high input impedance is not eliminated by the feedback filter, so the amplifier cannot load the microphone circuit.

또한, 주파수 성분들에 의해 오디오 대역 밖의 낮은 주파수들에서 발생된 상호-변조 왜곡은 매우 낮아질 것이다. 피드백 구성에 의해 제공된 루프-이득 특성은 다른 구성요소들에 더 낮은 왜곡을 제공한다.In addition, the inter-modulation distortion generated at low frequencies outside the audio band by the frequency components will be very low. The loop-gain characteristic provided by the feedback arrangement provides lower distortion to other components.

전치 증폭기는 싱글-엔드 증폭기 또는 차동 증폭기 또는 차동 차분 증폭기(differential difference amplifier) 또는 몇 개의 입력들 및 출력들을 가지는 다른 증폭기로서 구현될 수 있다.The preamplifier may be implemented as a single-ended amplifier or differential amplifier or differential difference amplifier or other amplifier with several inputs and outputs.

그러나, 바람직한 실시예들에서 전치 증폭기는 차동 증폭기로 구성될 수 있다. 따라서, 유리하게 전치 증폭기는 제 1 및 제 2 증폭기 섹션에 의해 차동 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 상기 전치 증폭기는 대역 통과 특성을 포함하는 차동 모드 전송 기능을 갖는다. 전치 증폭기는 증폭기 섹션들의 개별 반전 입력들에 출력들을 접속하는 필터 피드백 경로들을 형성하는 피드백 필터 네트워크 및 반전 입력들을 상호접속하는 필터 상호접속 경로를 포함한다.However, in preferred embodiments the preamplifier may be configured as a differential amplifier. Thus, the preamplifier is advantageously configured to provide a differential output signal by the first and second amplifier sections, the preamplifier having a differential mode transmission function comprising a band pass characteristic. The preamplifier includes a feedback filter network that forms filter feedback paths connecting the outputs to the individual inverting inputs of the amplifier sections and a filter interconnection path that interconnects the inverting inputs.

전치 증폭기의 상이한 구성은 일반적으로 큰 공통-모드 제거율 및 매우 높은 입력 임피던스를 제공한다. 피드백 필터의 구성으로 인해 주파수-이득 전송 기능의 단일 회로 제어가 달성된다. 따라서, 전송 기능은 더 큰 자유 범위로 조절 또는 조정된다. 또한, 상기 상이한 구성 및 결합된 피드백 필터는 주파수 종속 방식으로 공통 모드 제거율을 사용하는 것을 허용한다.Different configurations of preamplifiers generally provide large common-mode rejection and very high input impedance. The configuration of the feedback filter results in single circuit control of the frequency-gain transmission function. Thus, the transmission function is adjusted or adjusted to a larger free range. In addition, the different configurations and combined feedback filters allow the use of common mode rejection in a frequency dependent manner.

바람직하게, 전치 증폭기에 의해 구현된 필터의 더 낮은 컷오프 주파수는 오디오 대역의 하위 코너 주파수 미만이 되도록 위치된다. 따라서, 아래쪽으로 넓어지는 오디오 대역과 마이크로폰 회로 및 이에 결합된 전치 증폭기의 임펄스 응답의 충분히 짧은 감소 시간 사이에서 절충되는 방식이 달성된다. 임펄스 응답의 짧은 감소 시간은 사운드 펄스들 또는 전기 방해들로부터 발생된 낮은 주파수 펄스들의 영향이 감소되는 경우에 유리하다. 그렇지 않으면, 상기 낮은 주파수 펄스들은 증폭기 및 후속 신호 처리 회로들을 오버로딩할 수 있고, 따라서 부적절한 비선형 왜곡을 발생할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 컷오프 주파수는 약 10Hz에 위치된다.Preferably, the lower cutoff frequency of the filter implemented by the preamplifier is positioned to be below the lower corner frequency of the audio band. Thus, a compromise is achieved between an audio band that widens downward and a sufficiently short decay time of the impulse response of the microphone circuit and its preamplifier coupled thereto. The short decay time of the impulse response is advantageous when the influence of low frequency pulses resulting from sound pulses or electrical disturbances is reduced. Otherwise, the low frequency pulses can overload the amplifier and subsequent signal processing circuits, thus resulting in inappropriate nonlinear distortion. In a preferred embodiment, the cutoff frequency is located at about 10 Hz.

유리하게, 전치 증폭기는 아날로그-디지털 컨버터의 샘플링 주파수의 1/2 미만인 상위 컷오프 주파수를 가지는 대역 통과 특성을 포함하는 차동 모드 전송 기능을 갖는다. 따라서, 칩 영역과 관련하여 안티-에일리어싱 필터의 효율적인 구현은 전치 증폭기에 의해 제공된다. 예를 들어, 샘플링 주파수는 약 2.4MHz가 될 수 있고, 약 40-70KHz의 상위 컷오프 주파수가 선택될 수 있다. 또한, 증폭기 섹션들의 대역 제한과 일치하는 컷오프 주파수의 회로 제어가 제공된다.Advantageously, the preamplifier has a differential mode transmission function that includes a band pass characteristic with an upper cutoff frequency that is less than half the sampling frequency of the analog-to-digital converter. Thus, an efficient implementation of the anti-aliasing filter with respect to the chip area is provided by the preamplifier. For example, the sampling frequency may be about 2.4 MHz, and an upper cutoff frequency of about 40-70 KHz may be selected. In addition, circuit control of the cutoff frequency is provided that matches the band limit of the amplifier sections.

일 실시예에서, 전치 증폭기는 공칭 통과 대역 및 이득 안정(plateau) 대역 을 가지는 대역 통과 특성을 포함하는 차동 모드 전송 기능을 가지며, 상기 공칭 통과 대역은 오디오 대역 주파수들로 연장되고, 이득 안정 대역은 오디오 대역을 초과하여 상위 컷오프 주파수까지의 주파수들로 연장된다. 따라서, 오디오 대역을 초과하여 위치되고 음향/기계 소스들 또는 전기 소스들로부터 발생하는 잡음 성분들이 댐핑된다(damped). 따라서, 잡음 신호들 및 마이크로폰 회로의 공진 피크의 이득/진폭 영향들에 의해 전치 증폭기가 오버로딩되는 것을 방지할 수 있다. 상기 피크는 예를 들어, 약 6dB의 진폭을 가질 수 있다.In one embodiment, the preamplifier has a differential mode transmission function that includes band pass characteristics having a nominal pass band and a gain plateau band, wherein the nominal pass band extends to audio band frequencies, and the gain stabilized band is It extends beyond the audio band to frequencies up to the upper cutoff frequency. Thus, noise components located beyond the audio band and resulting from acoustic / mechanical sources or electrical sources are damped. Thus, it is possible to prevent the preamplifier from being overloaded by the gain / amplitude effects of the noise signals and the resonance peak of the microphone circuit. The peak can, for example, have an amplitude of about 6 dB.

전치 증폭기는 저역 통과 특성을 포함하는 공통-모드 전송 기능을 가질 수 있다. 따라서, 전치 증폭기의 입력에서 전치 증폭기의 공통-모드 DC 출력 레벨을 세팅할 수 있고, 오디오 대역 주파수들에서 공통-모드 제거비가 사용된다. 전치 증폭기의 입력 임피던스가 매우 높기 때문에 풀-업 저항을 통한 DC 입력 레벨을 마이크로 회로를 실질적으로 로딩할 수 없는 매우 높은 옴 임피던스(예를 들면, 미약한 반전 모드 및 선형 영역에서 C<OS 트랜지스터들에 의해 수행된 1-20GOhm)로 세팅할 수 있다.The preamplifier may have a common-mode transmission function that includes low pass characteristics. Thus, the common-mode DC output level of the preamplifier can be set at the input of the preamplifier, and the common-mode rejection ratio is used at the audio band frequencies. Due to the very high input impedance of the preamplifier, very high ohmic impedances (e.g. C <OS transistors in a weak inversion mode and linear region) that cannot substantially load the microcircuit with a DC input level through the pull-up resistor Can be set to 1-20GOhm).

또한, 전치 증폭기는 차단-대역 특성을 포함하는 공통-모드 전송 기능을 가질 수 있고, 편평한(flat) 이득 응답이 낮은 주파수들에 대하여 제공된다. 따라서, DC 입력 세팅은 전치 증폭기가 2개의 주파수 대역들:낮은 주파수(오디오 대역 미만) 및 높은 주파수(오디오 대역 이상)에서 공통-모드 신호를 제공하는 동안 유지된다. 이에 따라, 오디오 사운드 재생과 관련하여, 원하지 않는 주파수 성분들의 효율적인 댐핑이 달성된다. 차단-대역은 오디오 대역을 포함할 것이다.In addition, the preamplifier may have a common-mode transmission function that includes cut-band characteristics, and a flat gain response is provided for low frequencies. Thus, the DC input setting is maintained while the preamplifier provides the common-mode signal at two frequency bands: low frequency (below the audio band) and high frequency (above the audio band). Thus, with respect to audio sound reproduction, efficient damping of unwanted frequency components is achieved. The cut-band will include the audio band.

일 실시예에서, 전치 증폭기는 공통-모드 전송 기능 및 차동 모드 전송 기능을 가지며, 상기 전치 증폭기는 공통-모드 이득이 낮은 주파수들에서 우세한 반면, 차동 모드 이득은 오디오 대역 주파수들에서 우세하도록 구성된다.In one embodiment, the preamplifier has a common-mode transfer function and a differential mode transfer function, wherein the preamplifier is configured to have a common-mode gain prevail at low frequencies, while the differential mode gain is configured to prevail at audio band frequencies. .

또한, 공통-모드 이득은 대역 통과 특성의 상위 컷오프 주파수 이상의 주파수들에서 우세할 수 있다.In addition, the common-mode gain may prevail at frequencies above the upper cutoff frequency of the bandpass characteristic.

바람직한 실시예에서, 위상-쉬프터는 제 1 증폭기 섹션의 출력 및 제 2 증폭기 섹션의 입력 사이에 교차 접속된다. 이는 우세한 차동 모드 이득이 오디오 대역 주파수들에서 요구될 때 제 2 증폭기 섹션이 제 1 증폭기 섹션과 180도 또는 그에 인접하는 위상 차이로 동작하는 것을 보장하는 효율적인 구성이다. 또한, 위상-쉬프터는 제 2 증폭기 섹션으로의 입력의 DC 레벨을 제어하도록 구성될 수 있다. 이는 위상-쉬프터가 개별 증폭기들의 입력 및 출력 사이의 저항성 경로를 포함할 때 달성된다.In a preferred embodiment, the phase-shifter is cross connected between the output of the first amplifier section and the input of the second amplifier section. This is an efficient configuration that ensures that the second amplifier section operates at 180 degrees or adjacent phase difference with the first amplifier section when a dominant differential mode gain is required at the audio band frequencies. In addition, the phase-shifter may be configured to control the DC level of the input to the second amplifier section. This is achieved when the phase-shifter includes a resistive path between the input and the output of the individual amplifiers.

선택적으로, 또는 부가적으로, 위상-쉬프터는 개별 증폭기 섹션들의 개별 입력들 사이에 접속된다. 상기 구성은 제 2 증폭기 섹션에 180도의 위상 쉬프트 및 선택적으로 DC 레벨 입력을 제공할 수 있다.Alternatively, or in addition, a phase-shifter is connected between the individual inputs of the individual amplifier sections. The configuration may provide a 180 degree phase shift and optionally a DC level input to the second amplifier section.

바람직하게, 전치 증폭기는 전치 증폭기의 출력에서 DC 쉬프트를 제공하기 위해 피드백 필터와 결합된 DC 오프셋 회로를 포함한다. 상기 결합은 AC 피드백 저항에 접속된 전압 분배기에 의해 제공될 수 있고, 상기 전압 분배기는 AC 피드백 저항보다 실제로 더 낮은, 예를 들면 약 1/5, 1/8, 또는 1/10의 인자만큼 더 낮은 임피던스를 갖는다. 선택적으로, DC 쉬프트는 능동 전류 소스들에 의해 실행될 수 있다.Preferably, the preamplifier comprises a DC offset circuit coupled with a feedback filter to provide a DC shift at the output of the preamplifier. The coupling may be provided by a voltage divider connected to an AC feedback resistor, which voltage divider is actually lower than the AC feedback resistor, for example by a factor of about 1/5, 1/8, or 1/10. Has a low impedance. Optionally, DC shift can be performed by active current sources.

또한, DC 오프셋 회로는 전치 증폭기의 출력에서 차동 모드 DC 쉬프트를 제공하기 위해 피드백 필터와 결합될 수 있다. 차동 모드 DC 쉬프트는 제 1 및 제 2 오프셋 회로에 의해 제공된 DC 오프셋들에서의 차이에 의해 결정된다. 따라서, 시그마-델타 변조기 형태의 아날로그-디지털 컨버터의 이른바 유휴 모드 톤들이 제어될 수 있다. 유휴 모드 톤의 위치는 차동 모드 DC 쉬프트( 및 시그마-델타 변조기의 샘플러 및 샘플링 주파수의 1/2에 의해 결정된 상수)와 비례한다.In addition, a DC offset circuit can be combined with a feedback filter to provide differential mode DC shift at the output of the preamplifier. The differential mode DC shift is determined by the difference in DC offsets provided by the first and second offset circuits. Thus, the so-called idle mode tones of an analog-to-digital converter in the form of a sigma-delta modulator can be controlled. The position of the idle mode tone is proportional to the differential mode DC shift (and a constant determined by one half of the sampler and sampling frequency of the sigma-delta modulator).

바람직하게, 아날로그-디지털 컨버터는 시그마-델타 변조기를 포함한다. 시그마-델타 변조기는 (예시적인 실행에서) 낮은 주파수들에 대하여 편평하고 상대적으로 낮은 잡음 플로어(floor) 이지만 코너 주파수를 초과하는 증가하는 잡음 레벨로 분포되는 잡음 전력 스펙트럼을 제공한다. 강한 오버-샘플링이 적용되기 때문에, 코너 주파수는 오디오 대역을 초과하여 발생한다. 유리하게, 변조기는 연속하는 출력 신호를 제공한다.Preferably, the analog-to-digital converter comprises a sigma-delta modulator. A sigma-delta modulator provides a noise power spectrum that is flat for low frequencies (in an exemplary implementation) and distributed with increasing noise levels above the corner frequency but with a relatively low noise floor. Since strong over-sampling is applied, the corner frequency occurs beyond the audio band. Advantageously, the modulator provides a continuous output signal.

시그마-델타 변조기는 시그마-델타 A/D 변환을 위한 싱글 엔드 입력 신호를 제공하기 위해 전치 증폭기에 의해 제공된 차동 신호를 샘플링하고, 싱글 엔드 입력 신호가 샘플링된 DC 전압 레벨에 증첩되도록 DC 전압 레벨을 샘플링하는 스위치-커패시터 샘플러를 포함할 수 있다. 이는 유휴-모드 톤 제어가 변조기에서 실행되기 때문에 시그마-델타 변조기의 용이한 사용을 제공한다. 샘플러(또는 샘플러의 제어)가 이미 전치 증폭기로부터의 신호를 샘플링하는데 사용될 수 있기 때문에 DC 레벨의 샘플링은 복잡성이 약간 부가되는 정도로 달성될 수 있다. 또한, 전치 증폭기는 결과적으로 출력 AC 스윙을 감소시키는 공통-모드 DC 오버헤드로 로딩되지 않는다.The sigma-delta modulator samples the differential signal provided by the preamplifier to provide a single-ended input signal for sigma-delta A / D conversion, and adjusts the DC voltage level so that the single-ended input signal is duplicated at the sampled DC voltage level. It may include a switch-capacitor sampler for sampling. This provides an easy use of the sigma-delta modulator because idle-mode tone control is performed in the modulator. Since the sampler (or control of the sampler) can already be used to sample the signal from the preamplifier, sampling of the DC level can be achieved to a degree that adds some complexity. Also, the preamplifier is not loaded with common-mode DC overhead, which in turn reduces the output AC swing.

바람직하게, 샘플러는 샘플러와 시그마-델타 변조기 루프의 결합된 부분인 합산 증폭기를 포함한다. 시그마-델타 변조기 루프는 당업계에 공지되어 있지만, 완벽함을 위해, 신호를 이산 레벨들, 예를 들면, 2, 3, 또는 4개의 레벨들로 양자화하는 양자화기에 적분된 에러 신호를 제공하도록 접속된 주어진 차수의 적분기 필터를 포함한다.Preferably, the sampler comprises a summing amplifier that is a combined portion of the sampler and sigma-delta modulator loop. Sigma-delta modulator loops are well known in the art, but for completeness, connections are provided to provide an integrated error signal to a quantizer that quantizes the signal to discrete levels, e.g., 2, 3, or 4 levels. Contains an integrator filter of the given order.

또한, 합산 증폭기는 제 1 지렬 커패시터를 통해 시그마-델타 변조기의 적분된 에러 피드백 신호를 제공할 수 있고, DC 전압 레벨은 제 2 직렬 커패시터를 통해 합산 증폭기로 제공된다. 이에 따라, 유휴 모드 톤들은 제 1 및 제 2 직렬 커패시터의 값들 사이의 비율에 의해 제공될 수 있다. 유휴 모드 톤들은 하기의 식에 의해 결정된다:In addition, the summing amplifier may provide an integrated error feedback signal of the sigma-delta modulator through the first ground capacitor, and the DC voltage level is provided to the summing amplifier through the second series capacitor. Accordingly, idle mode tones may be provided by the ratio between the values of the first and second series capacitors. Idle mode tones are determined by the equation:

Fidle = (VDCoffset ∑△/VREF ∑△)*(CS1/CS2)*½FS F idle = (V DCoffset ∑ △ / V REF ∑ △ ) * (C S1 / C S2 ) * ½F S

상기 Fidle은 유휴 모드 톤의 위치이고, CS1 및 CS2는 제 1 및 제 2 커패시터의 값들이며, FS는 샘플링 주파수이고, VDCoffset ∑△는 샘플링된 DC 전압이고, VREF ∑△는 시그마-델타 변조기에서 양자화기의 내부 기준이다.The F idle is the location of the idle mode tones, impediment C S1 and C S2 is the value of the first and second capacitors, and F S is the sampling frequency, V DCoffset Σ △ is the sampled DC voltage, V REF Σ △ is In sigma-delta modulators, it is the internal reference of the quantizer.

아날로그-디지털 컨버터가 시그마-델타 변조기를 포함하고, 시그마-델타 변조기로의 DC 오프셋 전압 레벨 입력이 전치 증폭기로 입력되어 처리된 낮은 주파수 펄스가 오디오 대역 이상의 유휴 모드 톤들을 제공하도록 선택될 때, 디지털 마이크로폰에서 비선형 왜곡의 실질적인 감소가 달성된다. DC 오프셋 전압 레벨은 전치 증폭기에 의해 차동 모드 DC 신호로 제공되거나, 전술된 것과 같은 샘플러에 의해 제공된다. 마이크로 회로와 전치 증폭기의 결합의 펄스 응답의 지속 시간은 전치 증폭기의 고역 통과 기능에 의해 한정되며, 추가로 유휴 모드 톤들의 생성에 대한 감도를 감소시킨다.When the analog-to-digital converter includes a sigma-delta modulator and the DC offset voltage level input to the sigma-delta modulator is input to the preamplifier and the processed low frequency pulse is selected to provide idle mode tones above the audio band, Substantial reduction of nonlinear distortion in the microphone is achieved. The DC offset voltage level is provided by the preamplifier as a differential mode DC signal or by a sampler as described above. The duration of the pulse response of the combination of the microcircuit and the preamplifier is limited by the highpass function of the preamplifier, further reducing the sensitivity to the generation of idle mode tones.

추가로, 전술된 것과 같은 집적 회로 및 마이크로폰 엘리먼트에서의 음압에 응답하여 마이크로폰 신호를 제공하도록 구성된 콘덴서 마이크로폰 엘리먼트를 포함하는 마이크로폰이 제공된다. 콘덴서 마이크로폰 엘리먼트는 전기층을 가지는 마이크로폰(즉, 전기 콘덴서 마이크로폰, ECM) 또는 DC 바이어싱된 콘덴서 마이크로폰이 될 수 있다.In addition, a microphone is provided comprising an integrated circuit as described above and a condenser microphone element configured to provide a microphone signal in response to sound pressure at the microphone element. The condenser microphone element can be a microphone having an electric layer (ie, electric condenser microphone, ECM) or a DC biased condenser microphone.

또한, 전술된 것과 같은 집적 회로 및 MEMS 마이크로폰 엘리먼트에서의 음압에 응답하여 마이크로폰 신호를 제공하기 위한 마이크 전자 기계 시스템(MEMS)을 포함하는 마이크로폰이 마이크로폰 증폭기에 제공된다.Also provided with a microphone amplifier is a microphone including an integrated circuit as described above and a microphone electromechanical system (MEMS) for providing a microphone signal in response to sound pressure at the MEMS microphone element.

본 발명은 하기의 동면을 참조로하여 상세히 설명된다. The present invention is explained in detail with reference to the following hibernation.

도 1는 마이크로폰 엘리먼트, 고역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기, 안티-에일리어싱 필터 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 디지털 마이크로폰을 도시한다.1 illustrates a digital microphone including a microphone element, a preamplifier with a high pass filter function, an anti-aliasing filter and an analog-to-digital converter.

도 2는 마이크로폰 엘리먼트, 결합된 대역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 디지털 마이크로폰을 도시한다.Figure 2 shows a digital microphone including a microphone element, a preamplifier with combined band pass filter function and an analog-to-digital converter.

도 3는 제 1 구성에서 필터 기능을 가지는 차동 전치증폭기 및 위상-쉬프터를 포함하는 마이크로폰을 도시한다.3 illustrates a microphone including a differential preamplifier and a phase-shifter with a filter function in a first configuration.

도 4는 제 2 구성에서 필터 기능을 가지는 차동 전치 증폭기 및 위상-쉬프터를 포함하는 마이크로폰을 도시한다.4 shows a microphone including a differential preamplifier with a filter function and a phase-shifter in a second configuration.

도 5는 제 1 위상-쉬프터를 도시한다.5 shows a first phase-shifter.

도 6는 제 2 위상-쉬프터를 도시한다.6 shows a second phase-shifter.

도 7는 증폭기 내부에 저역 통과 필터 기능을 제공하는 4-포트 고역 통과 피드백 네트워크를 도시한다.7 shows a four-port high pass feedback network providing a low pass filter function inside an amplifier.

도 8는 증폭기 내부에 대역 통과 필터 기능을 제공하는 4-포트 대역-차단 피드백 네트워크를 도시한다.8 illustrates a four-port band-blocking feedback network providing band pass filter functionality inside an amplifier.

도 9는 차동 모드 대역 통과 필터 기능와 공통-모드 저역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기를 상세히 도시한다.9 details a preamplifier having a differential mode band pass filter function and a common-mode low pass filter function.

도 10는 차동 모드 대역 통과 필터 기능와 공통-모드 저역 통과 필터 기능을 가지며, 차동 DC 쉬프트가 제공되는 전치 증폭기를 도시한다.10 illustrates a preamplifier with differential mode band pass filter function and common-mode low pass filter function, and provided with differential DC shift.

도 11는 전치 증폭기의 제 1 주파수-이득 전송 기능을 도시한다.Figure 11 shows the first frequency-gain transmission function of the preamplifier.

도 12는 전치 증폭기의 제 2 주파수-이득 전송 기능을 도시한다.12 shows the second frequency-gain transmission function of the preamplifier.

도 13는 스위치-커패시터가 접속된 차동 전치 증폭기를 도시하며, 샘플러는 시그마-델타 컨버터와 결합된다.Fig. 13 shows a differential preamplifier with a switch-capacitor connected thereto, and a sampler is coupled with a sigma-delta converter.

도 14는 디지털 마이크로폰의 제 1 구성을 도시한다.14 shows a first configuration of the digital microphone.

도 15는 디지털 마이크로폰의 제 2 구성을 도시한다.15 shows a second configuration of the digital microphone.

도 16는 필터 기능을 가지는 싱글 엔드 전치 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터를 도시한다.Figure 16 shows a single end preamplifier and analog-to-digital converter with filter function.

도 17는 집적 회로를 가지는 마이크로폰 및 마이크로폰 엘리먼트의 개략도를 도시한다.17 shows a schematic diagram of a microphone and microphone element having an integrated circuit.

도 18는 집적 회로를 가지는 마이크로폰 및 MEMS 마이크로폰 엘리먼트의 개략도를 도시한다. 18 shows a schematic diagram of a microphone and MEMS microphone element having an integrated circuit.

도 1는 마이크로폰 엘리먼트, 고역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기, 안티-에일리어싱 필터 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 디지털 마이크로폰을 도시한다. 마이크로폰 엘리먼트 Cm(105)는 막 위에 작용하는 음압에 응답하여 움직이는 막 또는 진동판 형태의 제 1 멤버를 포함한다. 막은 제 2 멤버와 관련하여 이른바 뒤판 또는 이동가능한 막을 고정하는 마이크로폰 케이스를 움직인다. 멤버들 중 하나, 일반적으로 제 2 멤버는 접지에 접속되는 반면, 다른 멤버, 일반적으로 막은 DC 바이어스 전압 Vmb에 접속된 바잉스 저항 Rmb 을 통해 바이어싱된다. 따라서, 마이크로폰 엘리먼트(105, Cm)의 막 또는 이동가능한 멤버에 전하가 제공된다. 전하량이 일정하게 유지되기 때문에(매우 낮은 주파수들 및 그 이상의 주파수들에 대하여), 전기 마이크로폰 신호는 막에 작용하는 음압에 응답하여 막이 움직일 때 막에 의해 제공된다. 막의 움직임들에 의해 야기되는 마이크로폰 신호는 바이어싱에 의해 발생된 DC 신호에 중첩된다. 마이크로폰 엘리먼트(105), 바이어스 저항(104) 및 DC 차단 커패시터를 가지는 회로는 마이크로폰 회로(107)에 포함된다.1 illustrates a digital microphone including a microphone element, a preamplifier with a high pass filter function, an anti-aliasing filter and an analog-to-digital converter. Microphone element C m 105 comprises a first member in the form of a membrane or diaphragm that moves in response to sound pressure acting on the membrane. The membrane moves the microphone case holding the so-called backplate or movable membrane in relation to the second member. One of the members, typically the second member, is connected to ground, while the other member, generally the membrane, is biased through a biasing resistor R mb connected to the DC bias voltage V mb . Thus, charge is provided to the film or movable member of the microphone element 105, C m . Because the amount of charge remains constant (for very low frequencies and higher frequencies), the electric microphone signal is provided by the film as the film moves in response to the sound pressure acting on the film. The microphone signal caused by the movements of the film is superimposed on the DC signal generated by biasing. Circuitry having a microphone element 105, a bias resistor 104 and a DC blocking capacitor is included in the microphone circuit 107.

마이크로폰 신호는 전치 증폭기의 입력에 DC 바이어스 신호가 도달하는 것을 차단하는 DC 차단 커패시터(106)를 통해 전치 증폭기(101)의 입력 φ에 제공된다.The microphone signal is provided to the input phi of the preamplifier 101 via a DC blocking capacitor 106 which blocks the DC bias signal from reaching the input of the preamplifier.

전치 증폭기(101)는 오디오 대역 미만의 주파수들에 대하여 상대적으로 낮은 이득을 가지고, 오디오 대역 내의 주파수들에 대하여 상대적으로 높은 이득을 가지는 고역 통과 이득 특성을 가지는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 이득 특성은 오디오 대역 아래로 1차, 2차, 3차 4차 또는 더 높은 차수로 하락한다. 바람직하 게, 저역 통과 이득 특성은 약 10Hz의 컷오프 주파수를 갖는다. 이에 부가하여, 증폭기는 낮은 주파수 마이크로폰 신호를 공통-모드 신호로 처리하고, 높은 주파수 마이크로폰 신호를 차동 모드 신호로 처리하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 낮은 주파수 성분들은 효율적으로 억제된다. 20Hz의 더 낮은 코너 주파수를 가지는 오디오 대역에 대하여, 낮은 주파수들은 약 50-20Hz 미만의 주파수들이고, 높은 주파수들은 약 10-30Hz를 초과하는 주파수들이다.The preamplifier 101 is characterized by having a high pass gain characteristic having a relatively low gain for frequencies below the audio band and a relatively high gain for frequencies in the audio band. Preferably, the gain characteristic drops to the first, second, third, fourth, or higher order below the audio band. Preferably, the low pass gain characteristic has a cutoff frequency of about 10 Hz. In addition, the amplifier is characterized by processing the low frequency microphone signal as a common-mode signal and processing the high frequency microphone signal as a differential mode signal. Thus, low frequency components are effectively suppressed. For an audio band with a lower corner frequency of 20 Hz, low frequencies are frequencies below about 50-20 Hz, and high frequencies are frequencies above about 10-30 Hz.

전치 증폭기(101)의 출력은 출력 포트들

Figure 112006065173530-PCT00001
Figure 112006065173530-PCT00002
에서 차동 신호로서 제공되고, 안티-에일리어싱 필터(AAF, 102)를 통해 시그마-델타 A/D 컨버터(103)로 제공된다. 시그마-델타 컨버터는 DO라 표시되는 오버 샘플링된 1-비트 출력 신호를 제공한다. 시그마-델타 컨버터는 약 2.4MHz 또는 그 이상의 샘플링 주파수에서 동작한다.The output of preamplifier 101 is output ports
Figure 112006065173530-PCT00001
And
Figure 112006065173530-PCT00002
Is provided as a differential signal at sigma-delta A / D converter 103 via an anti-aliasing filter (AAF) 102. The sigma-delta converter provides an oversampled 1-bit output signal labeled D O. Sigma-delta converters operate at sampling frequencies of about 2.4 MHz or higher.

도 1의 디지털 마이크로폰은 상대적으로 큰 진폭과 시간 영역에서 상대적으로 경사진 진폭 기울기를 가지는 환경에서 발생하는 사운드들에 노출될 수 있다. 상기 사운드들은 차량의 문 닫힘, 테이블 위에서 전화기를 떨어뜨리는 등으로부터 발생할 수 있고, 큰 진폭을 가지는 낮은 주파수 신호들을 가지는 입력 신호들을 발생한다. 마이크로폰이 전원에 접속되면, 마이크로폰의 전자 회로는 계단형 전원 펄스로 표시된다. 이는 스타트-업 또는 파워-업 펄스라 표시되고, 큰 진폭을 가지는 낮은 주파수 (입력) 신호들을 발생한다.The digital microphone of FIG. 1 may be exposed to sounds occurring in an environment having a relatively large amplitude and a relatively sloped amplitude slope in the time domain. The sounds may result from the closing of the door of the vehicle, dropping the phone on the table, etc., and generating input signals with low frequency signals with large amplitude. When the microphone is connected to a power source, the electronic circuit of the microphone is represented by a stepped power pulse. This is referred to as a start-up or power-up pulse and generates low frequency (input) signals with large amplitudes.

아날로그 영역에서 마이크로폰 엘리먼트의 바이어스 저항 Rmb 및 커패시턴스 는 상대적으로 짧은 개시 시간을 가지나, 상대적으로 긴 감소 시간을 가지는 임펄스 응답을 가지는 고역 통과 필터를 형성한다. 결과적으로, 매우 낮은 주파수 펄스(거의 DC라 고려됨) 전치 증폭기의 입력에서 유지된다. 임펄스 응답이 변경되지 않는다면, 디지털 영역에서 마이크로폰의 출력 신호의 약간의 왜곡이 발생한다.The bias resistance Rmb and capacitance of the microphone element in the analog region form a high pass filter with an impulse response with a relatively short onset time but with a relatively long decay time. As a result, very low frequency pulses (considered almost DC) are held at the input of the preamplifier. If the impulse response does not change, some distortion of the microphone's output signal occurs in the digital domain.

아날로그 영역에서, 잡음에 대한 고려 사항들은 바이어스 저항 Rmb이 수백 메카 옴 내지 기가 또는 테라 옴들의 정도로 큰 옴 값을 가지도록 설계할 것을 요구한다. 마이크로폰의 일반적인 커패시턴스 값은 큰 바이어스 저항과 결합하여 약 0.01Hz의 낮은 컷오프 주파수를 발생한다. 이는 몇 분 정도의 임펄스 응답의 감소 시간과 일치한다. 따라서, 큰 사운드 임펄스는 감소하지만 몇 분 동안 유지되는 전치 증폭기의 입력에서 DC 전위를 발생한다. 또한, 전치 증폭기는 0dB 이상의, 예를 들어 6dB의 이득을 제공하기 때문에, 상기 이득은 전치 증폭기의 고역 통과 기능을 위한 것이 아니라면 증폭기의 출력에서 높은 DC 레벨을 형성할 것이다.In the analog domain, noise considerations require that the bias resistor Rmb be designed to have an ohmic value as high as a few hundred mecha ohms to giga or tera ohms. The typical capacitance value of a microphone combines with a large bias resistor to produce a low cutoff frequency of about 0.01 Hz. This is consistent with the reduction time of the impulse response by several minutes. Thus, large sound impulses generate a DC potential at the input of the preamplifier that is reduced but maintained for several minutes. In addition, since the preamplifier provides a gain of 0 dB or more, for example 6 dB, the gain will form a high DC level at the output of the amplifier unless it is for the high pass function of the preamplifier.

전치 증폭기의 고역 통과 필터 기능은 약 10Hz의 낮은 컷오프 주파수를 제공한다. 증폭기의 상기 필터는 마이크로 엘리먼트와 전치 증폭기의 결합된 임펄스 응답이 더 빨리 - 일반적으로 0.5초보다 빨리 감소하도록 한다. 따라서, 시그마-델타 컨버터의 입력은 천천히 감소하는 DC 레벨이 아니라 빨리 감소하는 임펄스들로 부과된다.The high pass filter of the preamplifier provides a low cutoff frequency of about 10Hz. The filter of the amplifier allows the combined impulse response of the microelement and the preamplifier to decrease faster-typically faster than 0.5 seconds. Thus, the input of the sigma-delta converter is imposed with fast decreasing impulses rather than a slowly decreasing DC level.

시그마-델타 컨버터는 디지털 영역에서 출력 신호 DO를 제공한다. 상기 출력 신호는 편평한 잡음 플로어를 포함하는 전력 스펙트럼을 갖는다. 잡음 코너 주 파수 이상의 잡음 레벨은 더 높은 주파수들에서 점차 증가한다. 시그마-델타 컨버터의 특성은 컨버터가 상기 유휴 톤들이 디지털 출력 신호의 전력 스펙트럼에서 발생하는 전술된 낮은 주파수 신호들의 DC 레벨에 민감하게 한다. 상기 톤들은 디지털 출력 신호에서 사운드 신호의 재생에 약간의 왜곡을 제공한다. 상기 유휴 모드 톤들은 디지털 영역에서 양호한 사운드 재생을 제공하도록 제어되어야 한다.The sigma-delta converter provides the output signal D O in the digital domain. The output signal has a power spectrum that includes a flat noise floor. The noise level above the noise corner frequency gradually increases at higher frequencies. The nature of the sigma-delta converter makes the converter sensitive to the DC level of the aforementioned low frequency signals where the idle tones occur in the power spectrum of the digital output signal. The tones provide some distortion to the reproduction of the sound signal in the digital output signal. The idle mode tones should be controlled to provide good sound reproduction in the digital domain.

도 2는 마이크로 엘리먼트, 결합된 대역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 디지털 마이크로폰을 도시한다. 마이크로폰 엘리먼트(105)는 마이크로폰 회로(107)에 포함되며, 전술된 것과 같이 동작한다.2 shows a digital microphone including a micro element, a preamplifier with combined band pass filter function, and an analog-to-digital converter. The microphone element 105 is included in the microphone circuit 107 and operates as described above.

전치 증폭기(201)는 통과 대역에서 0dB 이상의 이득을 제공하는 대역 통과 필터로 구성된다. 통과 대역은 약 10Hz의 하위 컷오프 주파수와 시그마-델타 컨버터(103)의 샘플링 주파수의 1/2 미만으로 위치된 상위 컷오프 주파수를 갖는다. 약 2.4MHz의 샘플링 주파수 fs에 대하여, 상위 컷오프 주파수는 예를 들어, 40-70KHz이다.Preamplifier 201 is comprised of a band pass filter that provides more than 0 dB of gain in the pass band. The pass band has a lower cutoff frequency of about 10 Hz and an upper cutoff frequency located less than one half of the sampling frequency of the sigma-delta converter 103. For a sampling frequency f s of about 2.4 MHz, the upper cutoff frequency is 40-70 KHz, for example.

따라서, 전치 증폭기는 오디오 대역 미만의 주파수들에 대하여 상대적으로 낮은 이득을 가지고, 오디오 대역내의 주파수들에 대하여 상대적으로 높은 이득을 가지며, 오디오 대역을 초과하는 주파수들에 대하여 상대적으로 낮은 이득을 가지는 주파수-이득 특성을 가지는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 주파수-이득 특성은 가청 범위 미만 및 초과하는 범위에서 1차, 2차, 3차, 4차 또는 그 상위 차수 로 표시된다. 이에 부가하여, 전치 증폭기는 낮은 주파수 마이크로폰 신호를 공통-모드 신호로 처리하고, 높은 주파수 마이크로폰 신호를 차동 모드 신호로 처리하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 낮은 주파수 성분들은 효율적으로 억제된다. 따라서, 전치 증폭기는 대역 통과 필터를 실행한다. 하기에서, 전치 증폭기는 차동 전치 증폭기로 지정된다.Thus, the preamplifier has a relatively low gain for frequencies below the audio band, a relatively high gain for frequencies within the audio band, and a relatively low gain for frequencies above the audio band. It is characterized by having a gain characteristic. Preferably, the frequency-gain characteristic is expressed in the first, second, third, fourth, or higher order in the range below and above the audible range. In addition, the preamplifier is characterized by processing a low frequency microphone signal as a common-mode signal and processing a high frequency microphone signal as a differential mode signal. Thus, low frequency components are effectively suppressed. Thus, the preamplifier implements a band pass filter. In the following, the preamplifier is designated as a differential preamplifier.

대역 통과 필터 증폭기의 기능은 차동 증폭기의 입력 스테이지의 오버로드를 방지하기 위하여 통과-대역, 즉 오디오 대역 미만의 주파수들에서 신호들을 억제하고, 대역 통과 필터 증폭기로부터의 신호 출력의 후속 샘플링 및 디지털화 시 에일리어싱 문제들을 방지하기 위해 나이키스트(Nyquest) 주파수의 약 1/2를 초과하는 주파수들을 억제하는 것이다. 따라서, 개별 안티-에일리어싱 필터가 회피될 수 있다.The function of the bandpass filter amplifier suppresses signals in the pass-band, i.e., frequencies below the audio band, to prevent overloading the input stage of the differential amplifier, and in subsequent sampling and digitization of the signal output from the bandpass filter amplifier. It is to suppress frequencies above about 1/2 of the Nyquest frequency to prevent aliasing problems. Thus, individual anti-aliasing filters can be avoided.

도 3는 제 1 구성에서 필터 기능을 가지는 차동 전치 증폭기와 위상-쉬프터를 포함하는 마이크로폰을 도시한다. 차동 전치 증폭기(306)는 입력 터미널 φ 및 출력 터미널들

Figure 112006065173530-PCT00003
Figure 112006065173530-PCT00004
과 함께 도시된다. 전치 증폭기는 마이크로폰 회로(107)에 접속되어 입력 터미널 φ에서 마이크로폰 신호를 수신한다.FIG. 3 shows a microphone including a differential preamplifier with a filter function and a phase-shifter in a first configuration. Differential preamplifier 306 has input terminal φ and output terminals
Figure 112006065173530-PCT00003
And
Figure 112006065173530-PCT00004
Is shown with. The preamplifier is connected to the microphone circuit 107 to receive the microphone signal at the input terminal φ.

전치 증폭기는 임피던스들 Z1, Z2, Z2*(305, 303, 304)을 포함하는 필터 피드백 네트워크와 위상-쉬프터 네트워크(307)를 가지는 기계형 증폭기로 구성된다. 임피던스 Z2(303)는 출력 터미널

Figure 112006065173530-PCT00005
및 연산 증폭기(301)의 반전 입력 사이에 접속된다. 임피던스 Z2*(304)는 연산 증폭기(302)를 위한 피드백으로 접속된다. 임피 던스 Z1(305)는 각각 증폭기(301, 302)의 반전 및 비반전 입력 사이에 접속된다. 필터 피드백 네트워크는 차동 모드에서 차동 전치 증폭기의 고역 통과 필터 기능 및 대역 통과 필터 기능을 형성한다. 임피던스들(Z1, Z2, Z2*)은 용량성 또는 저항성 동작 또는 이들의 조합을 제공하는 칩 구현에 사용할 수 있는 구성요소들에 의해 구현된다.The preamplifier consists of a mechanical amplifier having a filter feedback network comprising impedances Z1, Z2, Z2 * 305, 303, 304 and a phase-shifter network 307. Impedance Z2 (303) is an output terminal
Figure 112006065173530-PCT00005
And an inverting input of the operational amplifier 301. Impedance Z2 * 304 is connected with feedback for the operational amplifier 302. Impedance Z1 305 is connected between the inverting and non-inverting inputs of amplifiers 301 and 302, respectively. The filter feedback network forms the high pass filter and band pass filter of the differential preamplifier in differential mode. Impedances Z1, Z2, Z2 * are implemented by components that can be used in a chip implementation to provide capacitive or resistive operation or a combination thereof.

위상-쉬프터 네트워크 PD(f)(307)는 (a)로 지정된 입력 포트 및 (b)로 지정된 출력 포트를 갖는다. 입력 포트(a)는 제 1 연산 증폭기(301)의 반전 입력에 접속되고, 출력 포트(b)는 제 2 연산 증폭기(302)의 반전 입력에 접속된다. 위상-쉬프터 네트워크는 높은 주파수에서 약 ±180도, 낮은 주파수에서 약 0도의 위상을 쉬프트하는 위상 쉬프트에 따라 결정되는 주파수를 제공한다. 이에 따라, 차동 모드 출력 신호는 낮은 주파수에서 공통 모드 신호로 동작하는 반면, 높은 주파수에서 실제 차동 모드 신호로 동작하는 것이 보장된다. 상기 위상 쉬프트는 출력 신호가 낮은 주파수들에서만 공통 모드 신호가 될 수 있기 때문에 효율적인 고역 통과 필터링을 제공한다.Phase-shifter network PD (f) 307 has an input port designated by (a) and an output port designated by (b). The input port a is connected to the inverting input of the first operational amplifier 301 and the output port b is connected to the inverting input of the second operational amplifier 302. The phase-shifter network provides a frequency that is determined by a phase shift that shifts the phase by about ± 180 degrees at high frequencies and about 0 degrees at low frequencies. This ensures that the differential mode output signal operates as a common mode signal at low frequencies while operating as a real differential mode signal at high frequencies. The phase shift provides efficient high pass filtering because the output signal can be a common mode signal only at low frequencies.

전치 증폭기의 상기 구성은 위상-쉬프터의 입력이 연산 증폭기(301)의 반전 입력을 통해 전치 증폭기의 입력에 접속될 때 유리하다.This configuration of the preamplifier is advantageous when the input of the phase-shifter is connected to the input of the preamplifier through the inverting input of the operational amplifier 301.

그러나, 선택적인 구성에서, 위상-쉬프터의 입력은 마이크로폰 블럭(107)과 전치 증폭기의 입력 사이에(연산 증폭기(301)의 비반전 입력에서) 형성되는 회로 노드에 접속된다.However, in an optional configuration, the input of the phase-shifter is connected to a circuit node formed between the microphone block 107 and the input of the preamplifier (at the noninverting input of the operational amplifier 301).

피드백 필터들이 능동 필터들 및/EH는 능동 DC 서보 장치에 의해 구현될 수 있음에 유의하여야 한다.It should be noted that the feedback filters may be implemented by active filters and / EH by an active DC servo device.

도 4는 제 2 구성에서 필터 기능을 가지는 차동 전치 증폭기와 위상-쉬프터를 포함하는 마이크로폰을 도시한다. 상기 구성은 도 3에 도시된 것과 거의 일치하지만, 위상-쉬프터(307)는 제 1 연산 증폭기(301)의 출력 터미널과 제 2 연산 증폭기의 비반전 입력 터미널 사이에 접속된다.4 shows a microphone including a differential preamplifier with a filter function and a phase-shifter in a second configuration. The configuration is almost identical to that shown in FIG. 3, but the phase-shifter 307 is connected between the output terminal of the first operational amplifier 301 and the non-inverting input terminal of the second operational amplifier.

따라서, 도 3, 4에 도시되고, 전술된 것과 같은 위상-쉬프터(307)는 차동 전치 증폭기의 2개의 공통 모드 증폭기들 사이에 교차 결합된다.Thus, a phase-shifter 307 as shown in Figures 3 and 4, as described above, is cross coupled between the two common mode amplifiers of the differential preamplifier.

증폭기들(301, 302)은 일반적으로 증폭기 섹션들로 지정되며, 이는 몇개의 증폭기 스테이지들을 가질 수 있기 때문이다.Amplifiers 301 and 302 are generally designated as amplifier sections because they may have several amplifier stages.

도 5는 제 1 위상-쉬프터를 도시한다. 위상 쉬프터(307)는 낮은 주파수에서 약 0도 및 높은 주파수에서 약 180도의 위상 쉬프트를 제공하는 1차 저역 통과 필터를 형성하기 위해 연산 증폭기와 결합하여 구현된다.5 shows a first phase-shifter. Phase shifter 307 is implemented in combination with an operational amplifier to form a first order low pass filter that provides a phase shift of about 0 degrees at low frequencies and about 180 degrees at high frequencies.

위상-쉬프터(307)는 전치 증폭기의 출력들

Figure 112006065173530-PCT00006
Figure 112006065173530-PCT00007
이 낮은 주파수에서 공통 모드로 동작하고 높은 주파수에서 차동 모드로 동작하도록 한다. 따라서, 위상-쉬프터를 가지는 전치 증폭기는 낮은 주파수의 효율적인 차동 모드 억압을 제공한다. 바람직하게, 상기 차동 모드 고역 통과 필터의 컷오프 주파수는 약 10Hz에 위치하지만, 약 30 또는 50Hz 까지의 범위에 위치할 수 있다.Phase-shifter 307 is the outputs of the preamplifier
Figure 112006065173530-PCT00006
And
Figure 112006065173530-PCT00007
It operates in common mode at this low frequency and in differential mode at high frequencies. Thus, preamplifiers with phase-shifters provide low frequency efficient differential mode suppression. Preferably, the cutoff frequency of the differential mode high pass filter is located at about 10 Hz, but may be in the range up to about 30 or 50 Hz.

도 6는 제 2 위상-쉬프터를 도시한다. 상기 실시예에서, 위상-쉬프터(401)는 낮은 주파수에서 약 0도, 중간 주파수에서 약 180도, 더 높은 주파수에서 약 0 도의 위상 쉬프트를 제공하는 대역 통과 필터를 형성하기 위해 연산 증폭기와 결합하여 구현된다. 중간 주파수들은 오디오 대역 및 대역 통과 필터의 상위 컷오프 주파수까지의 주파수들을 포함하는 주파수들로서 정의된다. 상위 컷오프 주파수는 일반적으로 연산 증폭기에 의해 제공되고 폴(pole) 주위에 위치되는 것으로 설계된다. 상기 상위 컷오프 주파수를 초과하는 주파수들은 더 높은 주파수들로 표시된다.6 shows a second phase-shifter. In this embodiment, phase-shifter 401 is combined with an operational amplifier to form a band pass filter that provides a phase shift of about 0 degrees at low frequencies, about 180 degrees at intermediate frequencies, and about 0 degrees at higher frequencies. Is implemented. Intermediate frequencies are defined as frequencies that include frequencies up to the upper cutoff frequency of the audio band and the band pass filter. The higher cutoff frequency is generally designed to be provided by an operational amplifier and located around the pole. Frequencies above the upper cutoff frequency are indicated by higher frequencies.

위상-쉬프터(401)는 전치 증폭기의 출력들

Figure 112006065173530-PCT00008
Figure 112006065173530-PCT00009
이 낮은 주파수들 및 더 높은 주파수들에서 공통 모드로 동작하도록 한다. 중간 주파수들에서, 위상-쉬프터는 전치 증폭기가 차동 모드로 동작하도록 한다. 따라서, 위상 쉬프터를 가지는 전치 증폭기는 낮은 주파수들 및 높은 주파수들에서 효율적인 차동 모드 억압을 제공한다. 따라서, 효율적인 안티-에일리어싱 필터가 추가로 제공된다.Phase-shifter 401 outputs the preamplifiers
Figure 112006065173530-PCT00008
And
Figure 112006065173530-PCT00009
It operates in common mode at these lower and higher frequencies. At intermediate frequencies, the phase-shifter allows the preamplifier to operate in differential mode. Thus, a preamplifier with phase shifter provides efficient differential mode suppression at low and high frequencies. Thus, an efficient anti-aliasing filter is further provided.

위상-쉬프터는 병렬로 접속된 커패시터(603) 및 저항(601)을 포함하며, 입력 포트(a) 및 출력 포트(b) 사이에 신호 경로를 형성한다. 커패시터(602)와 저항(604)의 직렬 접속은 출력 포트(b)와 접지 사이에 신호 경로를 제공한다.The phase-shifter includes a capacitor 603 and a resistor 601 connected in parallel, forming a signal path between the input port (a) and the output port (b). The series connection of capacitor 602 and resistor 604 provides a signal path between output port b and ground.

위상-쉬프터 PD(f)는 1차 또는 2차 또는 더 높은 차수의 위상-쉬프터로 구현되는지의 여부와 관계없이 중간 주파수가 아닌 낮은 주파수와 높은 주파수들에서 차동 모드 이득이 매우 낮을 것을 보장한다. 위상-쉬프터는 전치 증폭기 필터의 전송 기능에서 오디오 대역 이상의 주파수들에서 OHz(DC)에서 적어도 하나의 0 및 폴을 제공함으로써 매우 낮은 이득을 제공한다.The phase-shifter PD (f) ensures that the differential mode gain is very low at low and high frequencies, but not at intermediate frequencies, regardless of whether it is implemented as a primary, secondary or higher order phase-shifter. The phase-shifter provides very low gain by providing at least one zero and pole at OHz (DC) at frequencies above the audio band in the transmission function of the preamplifier filter.

도 7는 증폭기에 저역 통과 필터 기능을 제공하는 4-포트 고역 통과 피드백 네트워크를 도시한다. 피드백 네트워크는 포트들 (a), (b), (c), (d)을 포함한다. (b)로부터 (a)로, (d)로부터 (c)로의 피드백 경로들은 각각 커패시터들 C2(701) 및 C2*(704)에 의해 형성된다.7 shows a four-port high pass feedback network providing a low pass filter function to an amplifier. The feedback network includes ports (a), (b), (c) and (d). Feedback paths from (b) to (a) and from (d) to (c) are formed by capacitors C2 701 and C2 * 704, respectively.

포트들 (a) 및 (c) 사이에서 커패시터와 저항의 직렬 접속은 C1(703) 및 R1(702)에 의해 형성된다. 상기 직렬 접속은 증폭기 섹션들(301, 302)의 입력들을 접속한다.The series connection of the capacitor and the resistor between the ports (a) and (c) is formed by C1 703 and R1 702. The series connection connects the inputs of the amplifier sections 301, 302.

도 8는 증폭기에 대역 통과 필터 기능을 제공하는 4-포트 대역 차단 피드백 네트워크를 도시한다. 피드백 네트워크는 포트들 (a), (b), (c), (d)을 포함한다. (b)로부터 (a)로, (d)로부터 (c)로의 피드백 경로들은 저항(801)에 병렬 접속된 커패시터(802) 및 저항(806)에 병렬 접속된 커패시터(805)에 의해 형성된다.8 illustrates a four-port band cutoff feedback network providing bandpass filter functionality to an amplifier. The feedback network includes ports (a), (b), (c) and (d). Feedback paths from (b) to (a) and from (d) to (c) are formed by a capacitor 802 connected in parallel to the resistor 801 and a capacitor 805 connected in parallel to the resistor 806.

포트들 (a) 및 (c) 사이에서 커패시터와 저항의 직렬 접속은 C1(804) 및 R1(803)에 의해 형성된다. 상기 직렬 접속은 증폭기 섹션들(301, 302)의 입력들을 접속한다.The series connection of the capacitor and the resistor between the ports (a) and (c) is formed by C1 804 and R1 803. The series connection connects the inputs of the amplifier sections 301, 302.

그러나, 능동 필터들 및/또는 고차 필터들을 포함하는 다른 피드백 필터 구성들에 제공될 수 있음에 유의하여야 한다.However, it should be noted that other feedback filter configurations, including active filters and / or higher order filters, may be provided.

도 9는 차동 모드 대역 통과 필터 기능과 공통 모드 저역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기를 상세히 도시한다. 전치 증폭기(901)는 도 8에 도시된 것과 일치하는 AC 피드백 네트워크 및 도 4에 도시된 것과 같은 구성으로 도 5에 도시된 것과 일치하는 위상-쉬프터 네트워크를 포함한다. 피드백 네트워크 및 위상-쉬프 터는 차동 모드 고역 통과 필터 기능을 형성한다. 이와 결합하여, DC 피드백 네트워크는 공통 모드 저역 통과 필터 기능을 제공하며, 상기 기능은 DC와 낮은 주파수들에 대한 명확한 공통 모드 이득을 제공한다. 전치 증폭기는 DC 피드백 네트워크의 임피던스가 DC(낮은 주파수들)에서 우세한 반면, AC 피드백 네트워크의 임피던스가 높은 주파수들에서 우세하도록 구성된다. 따라서, 차동 신호가 제공되는 DC 레벨은 매우 한정된 회로를 사용하여 제어될 수 있고, 원하는 AC 필터 기능이 실현된다.9 details a preamplifier having a differential mode band pass filter function and a common mode low pass filter function. Preamplifier 901 includes an AC feedback network consistent with that shown in FIG. 8 and a phase-shifter network consistent with that shown in FIG. 5 in a configuration such as that shown in FIG. The feedback network and phase-shifter form a differential mode highpass filter. In combination with this, the DC feedback network provides a common mode low pass filter function, which provides a clear common mode gain for DC and low frequencies. The preamplifier is configured such that the impedance of the DC feedback network prevails at DC (low frequencies), while the impedance of the AC feedback network prevails at high frequencies. Thus, the DC level at which the differential signal is provided can be controlled using very limited circuitry, and the desired AC filter function is realized.

기준 DC 전압 레벨 Vb은 전치 증폭기의 입력에 적용되며, 공통 모드에 의해 명확한 DC 이득은 차동 신호가 제공되는 명확한 DC 레벨을 형성한다. The reference DC voltage level Vb is applied to the input of the preamplifier, and the common DC gain by the common mode forms the clear DC level at which the differential signal is provided.

전치 증폭기(901)의 입력 φ은 마이크로폰 회로(107)에 접속되며, 제어된 DC 전압 레벨은 전압원(비도시)에 의해 저항 Rb(902)를 통해 입력에 인가된다. 상기 DC 전압 레벨은 전치 증폭기의 원하는 공통 모드 DC 출력 레벨 및 공통 모드 DC 이득에 따라 세팅된다. 이를 위해 마이크로폰으로의 전원은 일반적으로 싱글 엔드, 즉 공칭 전원 전압 레벨 Vdd 및 접지 사이에 있다. 차동 모드에서 스윙하는 AC 출력의 대칭적 제한을 제공하기 위해, 공통 모드 DC 출력 레벨은 공칭 전원 전압의 1/2에 인접해야 한다. 따라서, 최대 차동 모드 AC 전압 스윙이 달성될 수 있다. 상기 제한은 큰 AC 이득을 획득하기 위해 가장 제한적임이 강조된다. 또한, 전치 증폭기 이득이 증가함에 따라 디지털 마이크로폰 신호에서의 잡음이 감소하기 때문에, 큰 전치 증폭기 이득(및 차례로 큰 AC 전압 스윙을 위한 룸)이 바람직하다. 더 큰 AC 신호 스윙은 시그마-델타 컨버터로부터의 잡음이 서로 다른 진폭들과 관련하여 일정하기 때문에 신호대 잡음비를 개선한다.The input phi of the preamplifier 901 is connected to the microphone circuit 107, and the controlled DC voltage level is applied to the input through the resistor Rb 902 by a voltage source (not shown). The DC voltage level is set according to the desired common mode DC output level and common mode DC gain of the preamplifier. To this end, the power supply to the microphone is typically between a single end, the nominal supply voltage level V dd and ground. To provide a symmetrical limitation of the AC output swinging in differential mode, the common mode DC output level should be close to half of the nominal supply voltage. Thus, maximum differential mode AC voltage swing can be achieved. It is emphasized that the above limitation is the most restrictive to obtain a large AC gain. Also, since the noise in the digital microphone signal decreases as the preamplifier gain increases, a large preamplifier gain (and, in turn, a room for a large AC voltage swing) is desirable. Larger AC signal swings improve the signal-to-noise ratio because the noise from the sigma-delta converter is constant with respect to different amplitudes.

일반적으로, 전치 증폭기의 입력 스테이지는 전원 전압과 비교하여 상대적으로 큰 입력 DC 레벨들에 노출도는 경우에 포화하기 때문에 출력된 DC 레벨은 0dB 이상의 DC 전치 증폭기 이득에 의해 달성되어야 한다.In general, the output DC level should be achieved by a DC preamplifier gain of 0 dB or more because the input stage of the preamplifier is saturated when exposed to relatively large input DC levels compared to the supply voltage.

만약, 예를 들어 공칭 전원 전압 레벨이 1.5V이면, 공통 모드 DC 출력 레벨은 1.5V의 1/2, 즉 0.75V이다. 1.5V의 전원 전압 및 PMOS 차동 쌍 형태의 입력 스테이지를 위해, 입력은 약 0.4V까지의 입력 DC 전압 레벨을 처리할 수 있어야 한다. 출력에서 DC 레벨을 세팅하기 위해, DC 이득은 적어도 약 2배가 되어야 한다. 0.75V의 DC 출력 레벨 및 2배의 DC 이득은 0.4V 미만이며 0.375V와 동일한 DC 기준 전압 Vb을 필요로 한다.If, for example, the nominal power supply voltage level is 1.5V, the common mode DC output level is 1/2 of 1.5V, or 0.75V. For input stages in the form of 1.5V supply voltage and PMOS differential pairs, the inputs must be able to handle input DC voltage levels up to about 0.4V. In order to set the DC level at the output, the DC gain should be at least about twice. A DC output level of 0.75V and a double DC gain are less than 0.4V and require a DC reference voltage Vb equal to 0.375V.

전치 증폭기는 2개의 연산 증폭기들(903, 904)로부터 형성된 차동 전치 증폭기로서 구현된다.The preamplifier is implemented as a differential preamplifier formed from two operational amplifiers 903 and 904.

차동 전치 증폭기의 DC 이득은 2개의 연산 증폭기들의 각각의 주변에 위치한 DC 피드백 네트워크에 의해 실현된다. DC 피드백 네트워크는 전압 분배기를 사용하여 개별 출력 신호를 감지한다. 전압 분배기는 연산 증폭기(903)에 대한 저항들(906, 907) 및 연산 증폭기(904)에 대한 저항들(909, 908)을 사용하여 구현된다.The DC gain of the differential preamplifier is realized by a DC feedback network located around each of the two operational amplifiers. The DC feedback network uses a voltage divider to sense the individual output signals. The voltage divider is implemented using resistors 906 and 907 for the operational amplifier 903 and resistors 909 and 908 for the operational amplifier 904.

AC 피드백 네트워크는 도 8에 도시된 것과 같이 구성된다. 그러나, DC 네트워크와 결합되기 때문에, AC 네트워크의 저항성 피드백 경로는 각각 증폭기들(903, 904)에 대하여 저항들(910, 906) 및 저항들(909, 913)을 포함한다. 커패시터 들(905, 914)은 저항성 피드백 경로들과 병렬로 접속된다. 커패시터(911) 및 저항(912)은 증폭기들(903, 904)의 반전 입력들 사이에 직렬 접속된다.The AC feedback network is configured as shown in FIG. However, because it is coupled with the DC network, the resistive feedback path of the AC network includes resistors 910, 906 and resistors 909, 913 for the amplifiers 903, 904, respectively. Capacitors 905 and 914 are connected in parallel with the resistive feedback paths. Capacitor 911 and resistor 912 are connected in series between the inverting inputs of amplifiers 903 and 904.

위상-쉬프터는 도 5에 도시된 것과 같이 구성된다. 그러나, DC 네트워크와 결합되기 때문에, 전압 분배기(906, 907)에 의해 형성된 회로 노드로부터 입력을 수신한다. The phase-shifter is configured as shown in FIG. However, because it is coupled with the DC network, it receives an input from the circuit node formed by the voltage dividers 906 and 907.

DC 입력에서, DC 피드백 네트워크의 임피던스는 우세하다. 따라서, DC 등가 도표를 보면, 전압 분배기(906, 907)에 의해 제공된 전압은 증폭기(903)의 반전 입력으로 피드백된 전압과 거의 동일하다. 따라서, 증폭기(903)의 DC 이득은 전압 분배기에 의해 결정된다. 예를 들어, 2개의 100킬로옴 저항들에 의해 2배의 DC 이득이 달성된다. 유사하게, 증폭기(904)의 DC 이득은 저항들(909, 908)에 의해 결정된다. 상기 DC 이득은 증폭기(903)의 이득과 매칭되도록 선택된다.At the DC input, the impedance of the DC feedback network is dominant. Thus, looking at the DC equivalent diagram, the voltage provided by the voltage dividers 906 and 907 is approximately equal to the voltage fed back to the inverting input of the amplifier 903. Thus, the DC gain of the amplifier 903 is determined by the voltage divider. For example, twice the DC gain is achieved by two 100 kiloohm resistors. Similarly, the DC gain of amplifier 904 is determined by resistors 909 and 908. The DC gain is selected to match the gain of amplifier 903.

또한, 증폭기(904)가 증폭기(903)와 동일한 레벨로 출력 전압을 제공하도록 하기 위해, 위상-쉬프터의 저항(912)은 전압 분배기(906, 907)에 의해 형성된 회로 노드에 접속된다. 따라서, 증폭기(904)의 출력 레벨은 증폭기(903)의 출력 레벨을 따른다.Also, in order for the amplifier 904 to provide an output voltage at the same level as the amplifier 903, the resistor 912 of the phase-shifter is connected to a circuit node formed by the voltage dividers 906 and 907. Thus, the output level of the amplifier 904 follows the output level of the amplifier 903.

선택적인 실시예로서, DC 오프셋 또는 DC 바이어스는 예를 들어, 입력 스테이지에서 차동쌍 PMOS 디바이스들의 소스 전압 레벨( 및 게이트 및 드레인 전압)을 쉬프트함으로써 증폭기(903)의 입력 스테이지에 제공될 수 있다. 상기 실시예는 전술된 것과 유사한 DC 및 AC 피드백 네트워크들에 기초할 수 있다. 상기 경우에, Vb는 DC 바이어스 레벨을 세팅하기 위해 접지에 접속된다. 2개의 구성들의 조합이 가능할 수 있음에 유의하여야 한다.As an alternative embodiment, a DC offset or DC bias can be provided to the input stage of the amplifier 903 by, for example, shifting the source voltage level (and gate and drain voltage) of the differential pair PMOS devices at the input stage. The embodiment may be based on DC and AC feedback networks similar to those described above. In that case, V b is connected to ground to set the DC bias level. It should be noted that a combination of the two configurations may be possible.

AC에서, AC 피드백 네트워크의 임피던스는 우세하다. 따라서, AC 등가 도면을 보면, 피드백 필터 및 위상-쉬프터는 도 4, 5, 8과 관련하여 설명된 것과 같이 동작한다. 그러나, 저항(512) 및 커패시터(513)를 포함하는 위상-쉬프터 네트워크는 위상-쉬프터로의 신호 입력의 점진적으로 쉬프트하는 위상을 제공하도록 구성된다. 이는 전치 증폭기가 DC를 포함하는 낮은 주파수들에서의 공통 모드 출력 신호 및 오디오 대역 및 오디오 대역을 초과하는 주파수들을 포함하는 더 높은 주파수들에서 차동 모드 신호를 제공한다.In AC, the impedance of the AC feedback network is dominant. Thus, looking at the AC equivalent diagram, the feedback filter and phase-shifter operate as described in connection with Figures 4, 5, and 8. However, a phase-shifter network comprising a resistor 512 and a capacitor 513 is configured to provide a gradual shifting phase of the signal input to the phase-shifter. This gives the preamplifier a differential mode signal at higher frequencies including the common mode output signal at lower frequencies including DC and frequencies above the audio and audio bands.

연산 증폭기(903) 주위에 구성된 차동 증폭기의 일 단부 및 연산 증폭기(904) 주위에 구성된 다른 단부 사이의 위상 쉬프트는 커패시터(916) 및 저항(915)에 의해 구현된다. 따라서, 위상 쉬프트는 위상 쉬프터에 의해 획득된다. 커패시터(916)와 직렬인 저항(915)은 하기에서 설명되는 폴(FP2) 및 제로(FZ1)를 형성한다.The phase shift between one end of the differential amplifier configured around the operational amplifier 903 and the other end configured around the operational amplifier 904 is implemented by a capacitor 916 and a resistor 915. Thus, phase shift is obtained by the phase shifter. Resistor 915 in series with capacitor 916 forms poles F P2 and zero F Z1 described below.

도 10는 차동 모드 대역 통과 필터 기능 및 공통 모드 저역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기를 도시하며, 차동 DC 쉬프트가 제공된다. 도 9와 결합하여 설명되는 전치 증폭기의 구성에서, 공통 모드 DC 출력은 전치 증폭기의 입력 터미널 또는 연산 증폭기들(903, 904) 중 하나 또는 모두의 입력 스테이지에서 제공된 DC 전압 기준에 의해 제공된다. 이와 함께, 공통 모드 DC 출력은 DC 전압 기준 및 전치 증폭기의 공통 모드 DC 이득에 의해 결정된다.10 shows a preamplifier with a differential mode band pass filter function and a common mode low pass filter function, with differential DC shift provided. In the configuration of the preamplifier described in conjunction with FIG. 9, the common mode DC output is provided by a DC voltage reference provided at the input terminal of the preamplifier or at the input stage of one or both of the operational amplifiers 903, 904. In addition, the common mode DC output is determined by the DC voltage reference and the common mode DC gain of the preamplifier.

그러나, 도 10에 도시된 전치 증폭기(1001)는 2개이 능동 전류 소스들(1001, 1002)을 사용하여 공통 모드 DC 쉬프트를 제공한다. 부가적으로, 차동 모드 DC 쉬프트는 2개의 전류 소스들에 의해 제공된 전류들에서의 차이에 의해 제공된다. 시그마-델타 컨버터는 전치 증폭기(100)에 의해 제공된 차동 신호를 검출하도록 접속되기 때문에, 유휴 모드 톤들은 전치 증폭기에서 제공된 차동-모드 DC 쉬프트에 의해 제어될 수 있다.However, the preamplifier 1001 shown in FIG. 10 provides two common mode DC shifts using the active current sources 1001, 1002. In addition, differential mode DC shift is provided by the difference in currents provided by the two current sources. Since the sigma-delta converter is connected to detect the differential signal provided by the preamplifier 100, the idle mode tones can be controlled by the differential-mode DC shift provided by the preamplifier.

DC 쉬프트가 차동 모드 DC 쉬프트인지 또는 공통 모드 DC 쉬프트인지, 또는 둘 다인지의 여부와 관계없이 능동 전류 소스들(1001, 1002)에 의해 제공될 때, 입력 터미널은 예를 들어, 저항(902)을 통해 입력을 접지에 접속하여(즉, Vb=0V, 그러나 실제 구현에서 Vb는 적어도 100mV가 되어야 함) 기준 레벨로 세팅되어야 한다. 그러나, 능동 전류 소스들과 결합하여 또 다른 DC 기준을 적용하는 것은 선택적이다. When provided by active current sources 1001 and 1002 regardless of whether the DC shift is a differential mode DC shift, a common mode DC shift, or both, the input terminal is for example a resistor 902. Must be set to the reference level by connecting the input to ground (ie V b = 0 V, but in practical implementation V b must be at least 100 mV). However, applying another DC reference in combination with active current sources is optional.

만약 예를 들어 전원 전압 Vdd이 1.5V로 싱글 엔드되고, 접지 Vb가 0V로 세팅되면, ½Vdd=0.75V인 공통 모드 DC 전압은 주위에 0.75V의 DC 전압을 형성하는 저항(906)을 통해 DC 전류를 인가하여 달성될 수 있다. 저항(906)이 100킬로옴을 가지면, 7.5㎂의 전류가 출력(출력 터미널

Figure 112006065173530-PCT00010
)에서 원하는 DC 전압을 제공할 것이다.For example, if the supply voltage V dd is single ended to 1.5V and ground V b is set to 0V, the common mode DC voltage with ½V dd = 0.75V causes the resistor 906 to form a DC voltage of 0.75V around. It can be achieved by applying a DC current through. If resistor 906 has 100 kiloohms, a current of 7.5 mA is output (output terminal
Figure 112006065173530-PCT00010
Will provide the desired DC voltage.

또한, 요구되는 경우에, 유휴 모드 톤들의 사용과 관련하여, 15mV의 차동 모 드 DC 쉬프트 및 카운터 파트(906)와 실질적으로 동일한 값을 가지는 저항(909)을 형성하기 위해, 7.35㎂의 전류는 0.735V의 증폭기(904) 출력(출력 터미널

Figure 112006065173530-PCT00011
)에서 DC 전압을 제공한다. 따라서, 요구되는 것과 같이 차동 모드 DC 출력은 15mV로 형성된다.In addition, if desired, with respect to the use of idle mode tones, to form a resistor 909 having a value substantially equal to the differential mode DC shift of 15 mV and the counter part 906, a current of 7.35 mA is applied. 0.735V Amplifier 904 Output (Output Terminals)
Figure 112006065173530-PCT00011
To provide the DC voltage. Thus, as required, the differential mode DC output is formed at 15mV.

AC의 관점에서, 위상-쉬프터, PD(f)는 도 5에 도시된 것과 같이 저항(1003) 및 커패시터(1004)를 사용하여 형성되며, 도 3에 도시된 것과 같은 전치 증폭기 내부에 삽입된다. 따라서, 저항(1003)은 연산 증폭기(903)의 반전 터미널 및 연산 증폭기(904)의 비반전 입력에 접속된다. 커패시터(1004)는 증폭기(904)의 비반전 입력 및 접지 사이에 접속된다.In terms of AC, the phase-shifter, PD (f), is formed using a resistor 1003 and a capacitor 1004 as shown in FIG. 5 and inserted inside a preamplifier as shown in FIG. Thus, resistor 1003 is connected to the inverting terminal of operational amplifier 903 and the non-inverting input of operational amplifier 904. Capacitor 1004 is connected between the non-inverting input of amplifier 904 and ground.

따라서, 전치 증폭기는 출력 AC 전압 스윙의 최대화를 위한 공통 모드 DC 레벨 및 유휴 모드 톤들의 제어를 위한 차동 모드 DC 레벨을 제공하도록 접속되며, AC에서 낮은 주파수의 출력 신호들은 공통 모드 신호들로 발생하고, 더 높은 주파수에서 출력 신호는 차동 모드 신호로 발생한다.Thus, the preamplifier is connected to provide a common mode DC level for maximization of the output AC voltage swing and a differential mode DC level for control of idle mode tones, where low frequency output signals are generated as common mode signals and At higher frequencies, the output signal occurs as a differential mode signal.

선택적인 실시예에서, 차동 모드 DC 쉬프트는 출력 터미널

Figure 112006065173530-PCT00012
및 접지 사이에 접속된 전압 분배기에 의해 구현될 수 있다. 전압 분배기는 저항(1003)이 증폭기(903)의 반전 입력에 접속되는 대신에 접속되는 회로 노드에서 분배된 출력 전압을 제공한다.In an alternative embodiment, the differential mode DC shift is an output terminal.
Figure 112006065173530-PCT00012
And a voltage divider connected between ground. The voltage divider provides the output voltage distributed at the circuit node to which resistor 1003 is connected instead of being connected to the inverting input of amplifier 903.

도 11은 전치 증폭기의 제 1 주파수 이득 전송 기능을 도시한다. 주파수 이득은 전치 증폭기가 공통 모드(ACM= 커브 1) 및 차동 모드(ADM=커브 2)로 동작하는 것으로 도시된다. 응답은 대수 주파수 축 및 대수 이득 축에서 직선 근사화로 도시된다.Figure 11 shows the first frequency gain transmission function of the preamplifier. The frequency gain is shown as the preamplifier operates in common mode (A CM = curve 1) and differential mode (A DM = curve 2). The response is shown as a linear approximation on the logarithmic frequency axis and the logarithmic gain axis.

커브 2는 공통 모드 동작을 도시한다. DC로부터 폴 FP1'의 위치까지, 편평한 응답이 제공된다. 상기 편평한 응답은 일반적으로 약 0dB의 이득으로 제공되지만, 이득의 양은 선택된 DC 오프셋의 실시예 및 원하는 DC 레벨에 따라 결정된다. FP1'을 초과하여 FZ1'까지, 응답은 낮은 이득 레벨로 진행한다. 상기 낮은 레벨은 FZ1' 위에서 편평하다. 상기 공통 모드 응답은 전치 증폭기와 함께 동작할 때 도 5에 도시된 위상-쉬프터에 의해 제공된다. Curve 2 illustrates common mode operation. From DC to the position of pole F PI ' a flat response is provided. The flat response is typically provided with a gain of about 0 dB, but the amount of gain is determined by the embodiment of the selected DC offset and the desired DC level. The response proceeds to a low gain level beyond F P1 ' to F Z1' . The low level is flat above F Z1 ' . The common mode response is provided by the phase-shifter shown in FIG. 5 when operating with a preamplifier.

커브 1는 차동 모드 동작을 도시한다. DC에서 적어도 하나의 폴은 폴 FP1 의 위치까지 계속되는 전송 기능의 양의 기울기를 형성한다. 따라서, 차동 모드 DC 신호들은 효율적으로 억제된다. 폴 FP1으로부터 폴 FP2까지, 편평한 응답이 제공된다. 바람직하게, 오디오 대역은 상기 편평한 응답의 주파수 범위에 포함된다. FP2 를 초과하여 FZ1까지, 응답은 낮은 이득 안정으로 진행한다. 이득 안정의 목적은 사운드 잡음, 전기 잡음과 같은 오디오 대역을 초과하는 잡음원들을 억제하고, 마이크로폰 엘리먼트의 공진 피크들의 이득 영향들을 감소시키는 것이다. 이득 안정 레벨은 잡음원들 및 이득 영향들이 전치 증폭기의 출력 스윙(이득)을 제한하지 못하도록 결정된다. 폴 FP3에서, 이득 기능은 더 높은 주파수들에 대하여 하락하기 시작한다. 폴 FP3은 상기와 같은 연산 증폭기들에 의해 제공되는 폴 주위에 위치될 수 있도록 설계되거나, 폴 FP3은 상기와 같은 연산 증폭기들에 의해 제공될 수 있다.Curve 1 illustrates the differential mode of operation. At least one pole in DC forms a positive slope of transmission function that continues up to the position of pole F P1 . Thus, differential mode DC signals are effectively suppressed. From pole F P1 to pole F P2 , a flat response is provided. Preferably, the audio band is included in the frequency range of the flat response. Above F P2 and up to F Z1 , the response proceeds to low gain stability. The purpose of gain stabilization is to suppress noise sources beyond the audio band, such as sound noise, electrical noise, and to reduce the gain effects of the resonance peaks of the microphone element. The gain stability level is determined so that noise sources and gain effects do not limit the output swing (gain) of the preamplifier. At pole F P3 , the gain function starts to fall for higher frequencies. Pole F P3 may be designed to be positioned around a pole provided by such operational amplifiers, or pole F P3 may be provided by such operational amplifiers.

피드백 네트워크 내의 직렬 저항 C1(702;804)은 폴 제로 쌍(FP2, FZ2)을 제공한다. 상기 폴 제로 쌍은 일반적으로 약 50-60KHz로 위치되고, 약 500KHz 주위에 위치된 FZ2 내지 FP3로부터 이득 안정을 형성하며, 상기 증폭기는 자체적으로 적어도 하나의 폴, 따라서 음의 기울기를 제공한다.Series resistor C1 702; 804 in the feedback network provides pole zero pairs F P2 , F Z2 . The pole zero pairs are generally located at about 50-60 KHz and form gain stability from F Z2 to F P3 located around about 500 KHz, and the amplifier itself provides at least one pole, thus negative slope. .

오디오 대역은 하위 코너 주파수 FAL 및 상위 코너 주파수 FAU 를 사용하여 도시된다.The audio band is shown using the lower corner frequency F AL and the upper corner frequency F AU .

도 12는 전치 증폭기의 제 2 주파수-이득 전송 기능을 도시한다. 다시 말해서, 주파수-이득은 전치 증폭기가 공통 모드(ACM=커브 1) 및 차동 모드(ADM=커브2)로 동작하도록 도시된다.12 shows the second frequency-gain transmission function of the preamplifier. In other words, the frequency-gain is shown for the preamplifier to operate in common mode (A CM = curve 1) and differential mode (A DM = curve 2).

커브 2는 공통 모드 동작을 도시한다. 공통 모드 전송 기능은 도 11에 도시된 것과 유사하게 동작하지만, 전송 기능 0을 초과하는 주파수들 FZ2'이 제공된다. FZ2'를 초과하여 양의 기울기가 시작한다. 이는 전치 증폭기가 FZ2'를 초과하는 주파수들에 대하여 공통 모드 증폭기로 동작하는 것을 시작하도록 한다. 따라서, 차동 모드 대역 통과 필터의 상위 차단 대역에서 신호 성분들의 억제는 점차적으로 우세한 공통 모드 동작에 의해 추가로 억제된다. 상기 공통 모드 응답은 전치 증폭기와 결합하여 동작할 때 도 6에 도시된 위상 쉬프트에 의해 제공된다.Curve 2 illustrates common mode operation. The common mode transmission function operates similarly to that shown in FIG. 11, but frequencies F Z2 ′ exceeding transmission function 0 are provided. The positive slope begins above FZ2 ' . This causes the preamplifier to start operating as a common mode amplifier for frequencies above F Z2 ' . Thus, the suppression of signal components in the upper cutoff band of the differential mode bandpass filter is further suppressed by a dominant common mode operation. The common mode response is provided by the phase shift shown in FIG. 6 when operating in conjunction with a preamplifier.

커브 1는 차동 모드 동작을 도시한다. 상기 전송 기능은 전치 증폭기의 피드백 네트워크에서 직렬 저항 R1(702; 803)에 의해 제공되는 이득 안정 없이 실제 대역 통과 필터 기능을 도시한다.Curve 1 illustrates the differential mode of operation. The transmission function illustrates the actual bandpass filter function without gain stabilization provided by the series resistor R1 702; 803 in the feedback network of the preamplifier.

도 13는 시그마-델타 컨버터가 결합된 스위치-커패시터 샘플러가 접속된 차동 전치 증폭기를 도시한다. 차동 전치 증폭기(201)는 그 입력 φ에서 마이크로폰 신호를 수신하여 2중 출력들

Figure 112006065173530-PCT00013
Figure 112006065173530-PCT00014
로 제공한다. 상기 출력들에 의해 제공되는 전치 증폭기로부터의 신호는 시그마-델타 컨버터(103)가 결합된 스위치-커패시터 검출기에 의해 서로 상이하게 샘플링된다. 스위치-커패시터 검출기는 선형 증폭기(1301) 주변에 형성된다. 차동 샘플링은 스위치들(S1-S4)에 의해 2개의 회로 구성들 사이에 접속된 입력 직렬 커패시터(1305) 및 피드백 커패시터(1304)에 이해 구현된다.FIG. 13 shows a differential preamplifier with a switch-capacitor sampler coupled to a sigma-delta converter. The differential preamplifier 201 receives a microphone signal at its input φ to output dual outputs.
Figure 112006065173530-PCT00013
And
Figure 112006065173530-PCT00014
To provide. The signals from the preamplifiers provided by the outputs are sampled differently from each other by a switch-capacitor detector to which the sigma-delta converter 103 is coupled. The switch-capacitor detector is formed around the linear amplifier 1301. Differential sampling is implemented in the input series capacitor 1305 and the feedback capacitor 1304 connected between the two circuit configurations by the switches S1-S4.

입력 직렬 커패시터(1305)는 입력 측에서 개별 스위치들(S1, S2)에 의해 전치 증폭기의 출력들

Figure 112006065173530-PCT00015
Figure 112006065173530-PCT00016
로 접속된다. 피드백 커패시터(1304)는 스위치 S3에 의해 피드백 경로로서 접속된다. 스위치 S4는 커패키서(1304) 및 스위치 S3의 직렬 접속과 병렬 접속된다.Input series capacitor 1305 is the outputs of the preamplifier by separate switches S1 and S2 at the input side.
Figure 112006065173530-PCT00015
And
Figure 112006065173530-PCT00016
Is connected. The feedback capacitor 1304 is connected as a feedback path by the switch S3. The switch S4 is connected in parallel with the series connection of the capacitor 1304 and the switch S3.

스위치들 S1-S4은 하부 우측 코너에 도시된 방식에 따라 개폐되도록 제어될 수 있으며, 즉, 스위치들 S1 및 S3이 함께 동작하고, 스위치들 S2 및 S4이 함께 동작하지만, S1과 S3 사이에서 180도의 위상이 쉬프트된다. 스위치들 S1-S4은 시그마-델타 컨버터의 샘플링 주파수와 같은 클럭 주파수를 사용하여 제어된다. 차동 신호들의 스위치-커패시터 샘플링은 당업자에게 공지되며, 상세히 설명되지는 않지만, 차동 전치 증폭기 및 시그마-델타 컨버터의 상호접속을 설명하는 것으로 도시된다.The switches S1-S4 can be controlled to open and close according to the manner shown in the lower right corner, i.e., the switches S1 and S3 work together, the switches S2 and S4 work together, but 180 The phase of the figure is shifted. The switches S1-S4 are controlled using the same clock frequency as the sampling frequency of the sigma-delta converter. Switch-capacitor sampling of differential signals is known to those skilled in the art and, although not described in detail, is shown to illustrate the interconnection of a differential preamplifier and a sigma-delta converter.

증폭기(301)는 시그마-델타 피드백 루프의 합산 증폭기를 구현하기 위해 커패시터(1303)에 의해 접속되는 것임에 유의하여야 한다. 당업자는 일반적으로 시그마-델타 변조기가 구성되는 방식을 알고 있다. 당업자는 합산 증폭기가 디지털 출력 신호 DO를 제공하는 양자화기로부터 획득된 피드백 신호와 입력 신호를 비교하는 것을 알 것이다. 합산 증폭기의 출력은 출력 신호를 양자화기에 제공하는 적분기(순서는 관계 없음)에 접속된다. 피드백 신호는 커패시터(1303)에 의해 합산 증폭기(1301)에 제공된다.It should be noted that the amplifier 301 is connected by a capacitor 1303 to implement a summing amplifier of the sigma-delta feedback loop. Those skilled in the art generally know how sigma-delta modulators are configured. Those skilled in the art will appreciate that the summing amplifier compares the input signal with the feedback signal obtained from the quantizer providing the digital output signal D O. The output of the summing amplifier is connected to an integrator (out of order) that provides an output signal to the quantizer. The feedback signal is provided to the summing amplifier 1301 by the capacitor 1303.

차동 신호의 스위칭된 커패시터 샘플링에 부가하여, DC 쉬프트의 일 실시예가 실행된다. DC 쉬프트의 상기 실시예는 전치 증폭기에 제공된 차동 DC 쉬프트에 대한 선택이며, 시그마-델타 컨버터의 유휴 모드 톤들을 제어하도록 구성된다.In addition to the switched capacitor sampling of the differential signal, one embodiment of DC shift is implemented. This embodiment of DC shift is a choice for the differential DC shift provided in the preamplifier and is configured to control the idle mode tones of the sigma-delta converter.

DC 쉬프트는 디지털 마이크로폰의 상기 스테이지에서 싱글 엔드 DC 쉬프트로서 구현될 수 있다. 이는 DC 전압 기준 및 접지에 교번하여 접속된 직렬 커패시터(1306)를 사용하여 DC 전압 기준 VDCoffset ∑△를 샘플링하여 구현될 수 있다. 커패시터는 스위치들 S5, S6에 의해 교번하여 접속된다. 스위치들 S5, S6의 스위칭 방식은 시그마-델타 컨버터의 양자화기의 출력에 접속된 로직 네트워크에 의해 제어된다.DC shift can be implemented as a single ended DC shift in the stage of the digital microphone. This can be implemented by sampling the DC voltage reference V DCoffset ? Δ using a series capacitor 1306 connected alternately to the DC voltage reference and ground. The capacitor is alternately connected by switches S5, S6. The switching scheme of the switches S5, S6 is controlled by a logic network connected to the output of the quantizer of the sigma-delta converter.

상기 설명에서, 안티-에일리어싱 필터는 전치 증폭기의 대역-통과 필터에 의해 구현된 상위 컷오프 주파수에 의해 구현될 수 있다. 컨버터의 샘플링 주파수를 초과하는 스펙트럼 성분들을 제거하는 것이 요구된다.In the above description, the anti-aliasing filter may be implemented by a higher cutoff frequency implemented by the band-pass filter of the preamplifier. It is desired to remove spectral components above the sampling frequency of the converter.

따라서, 합산 증폭기에는 제 1 직렬 커패시터를 통해 시그마-델타 변조기의 적분된 에러 피드백 신호가 제공될 수 있고, DC 전압 레벨이 제 2 직렬 커패시터를 통해 합산 증폭기에 제공될 수 있다. 따라서, 유휴 모드 톤들은 제 1 및 제 2 직렬 커패시터의 값들 사이의 비율에 의해 제어될 수 있다. 유휴 모드 톤의 위치는 하기의 식에 의해 결정된다:Thus, the summing amplifier may be provided with an integrated error feedback signal of the sigma-delta modulator through the first series capacitor, and a DC voltage level may be provided to the summing amplifier through the second series capacitor. Thus, idle mode tones can be controlled by the ratio between the values of the first and second series capacitors. The position of the idle mode tone is determined by the equation:

Fidle = (VDCoffset ∑△/VREF ∑△)*(C1306/C1304)*½FS F idle = (V DCoffset ∑ △ / V REF ∑ △ ) * (C 1306 / C 1304 ) * ½F S

상기 Fidle은 유휴 모드 톤의 위치이고, C1306 및 C1304는 wp 1 및 제 2 커패시터의 값들이며, FS는 샘플링 주파수이고, VDCoffset ∑△는 샘플링된 DC 전압이고, VREF ∑△는 시그마-델타 변조기에서 양자화기의 내부 기준이다.F idle is the position of the idle mode tone, C 1306 and C 1304 are the values of wp 1 and the second capacitor, F S is the sampling frequency, V DC offset ∑ △ is the sampled DC voltage, and V REF ∑ △ is In sigma-delta modulators, it is the internal reference of the quantizer.

아날로그-디지털 컨버터가 시그마-델타 변조기를 포함하고, 시그마-델타 변조기로 입력된 DC 오프셋 전압 레벨이 전치 증폭기로 입력되어 처리된 낮은 주파수 펄스가 오디오 대역 이상의 유휴 모드 톤들을 제공하도록 선택될 때, 디지털 마이크로폰에서 비선형 왜곡의 실질적인 감소가 달성된다. DC 오프셋 전압 레벨은 전치 증폭기에 의해 차동 모드 DC 신호로 제공되거나, 전술된 것과 같은 샘플러에 의해 제공된다. 마이크로 회로와 전치 증폭기의 결합의 펄스 응답의 지속 시간은 전치 증폭기의 고역 통과 기능에 의해 한정되며, 추가로 유휴 모드 톤들의 생성에 대 한 감도를 감소시킨다.When the analog-to-digital converter includes a sigma-delta modulator and the DC offset voltage level input to the sigma-delta modulator is input to the preamplifier and the processed low frequency pulse is selected to provide idle mode tones above the audio band, Substantial reduction of nonlinear distortion in the microphone is achieved. The DC offset voltage level is provided by the preamplifier as a differential mode DC signal or by a sampler as described above. The duration of the pulse response of the combination of the microcircuit and the preamplifier is limited by the highpass function of the preamplifier, further reducing the sensitivity to the generation of idle mode tones.

도 14는 디지털 마이크로폰의 제 1 구성을 도시한다. 콘덴서 마이크로폰 구현을 위해, 디지털 마이크로폰은 칩(1402)의 형태로 집적 회로를 둘러싸는 캡슐(1401)에 의해 봉합된다. 칩(1402)은 마이크로폰 엘리먼트(1408), 바이어스 전압, 접지 전위 및 전원 전압을 각각 접속하기 위한 터미널들 Tc1, Tc2, Tc3, Tc4을 포함한다. 터미널 Tc6은 A/D 컨버터로부터 디지털 마이크로폰 출력 신호 DO를 제공한다. 터미널 Tc5을 통해, 클럭 신호는 A/D 컨버터에 제공된다. 증폭기(1405) 및 A/D 컨버터로의 전원 전압은 터미널 Tc4이 생략될 수 있는 경우에 터미널 Tc6을 통해 제공될 수 있다.14 shows a first configuration of the digital microphone. For condenser microphone implementation, the digital microphone is sealed by a capsule 1401 surrounding the integrated circuit in the form of a chip 1402. Chip 1402 includes terminals Tc1, Tc2, Tc3, Tc4 for connecting the microphone element 1408, bias voltage, ground potential and power supply voltage, respectively. Terminal Tc6 provides the digital microphone output signal D O from the A / D converter. Through terminal Tc5, the clock signal is provided to the A / D converter. The power supply voltage to the amplifier 1405 and the A / D converter can be provided via terminal Tc6 in the case where terminal Tc4 can be omitted.

콘덴서 마이크로폰 캡슐 구현을 위해, 마이크로폰 엘리먼트(1408)는 마이크로폰 멤버들 중 하나에 적절한 전하를 제공하기 위해 DC 바이어스 공급을 요구하는 콘덴서 마이크로폰이 된다. 상기 DC 바이어스는 저항(1403)을 통해 제공된다. DC 차단 커패시터(1404)는 DC 바이어스 레벨이 전치 증폭기(905)의 입력 스테이지에 도달하는 것을 방지한다. 선택적인 실시예에서, 마이크로폰(1408)은 전기 콘덴서 마이크로폰(ECM)이다. 따라서, 마이크로폰 엘리먼트(1408)는 전치 증폭기(1405)의 입력 및 바이어스 저항에 직접 접속되고, DC 차단 커패시터는 요구되지 않는다. For the condenser microphone capsule implementation, the microphone element 1408 becomes a condenser microphone that requires a DC bias supply to provide adequate charge to one of the microphone members. The DC bias is provided through a resistor 1403. DC blocking capacitor 1404 prevents the DC bias level from reaching the input stage of preamplifier 905. In an alternative embodiment, the microphone 1408 is an electric condenser microphone (ECM). Thus, the microphone element 1408 is directly connected to the input and bias resistor of the preamplifier 1405 and no DC blocking capacitor is required.

마이크로 전기 기계 시스템(MEMS) 구현을 위해, 디지털 마이크로폰은 마이크로폰 엘리먼트(1408)를 구현하는 마이크로폰 전기 회로 부분 및 마이크로 기계 부분을 포함하는 MEMS 디바이스로 구현된다. 회로 원근법을 위해, 마이크로폰 엘리 먼트는 DC 차단 커패시터와의 회로 위치를 변경한다. 마이크로 전기 회로 부분 또는 칩 유니트는 경우에 EK라 대역 통과 필터 기능을 가지는 전치 증폭기(1405) 및 A/D 컨버터(1407)를 포함한다.For micro electromechanical system (MEMS) implementation, the digital microphone is implemented with a MEMS device that includes a microphone electrical circuit portion and a micro mechanical portion that implements the microphone element 1408. For circuit perspective, the microphone element changes the circuit position with the DC blocking capacitor. The micro electrical circuit portion or chip unit comprises a preamplifier 1405 and an A / D converter 1407 with EK band pass filter function.

도 15는 디지털 마이크로폰의 제 2 구성을 도시한다. 하기의 설명은 칩 및 콘덴서 마이크로폰에 의해 디지털 마이크로폰의 구현에 적용되는 것에 유의하라. 그러나, 도 14와 관련하여 제공된 설명에 기초하여, 당업자는 MEMS 구현을 수행할 수 있다.15 shows a second configuration of the digital microphone. Note that the following description applies to the implementation of a digital microphone by a chip and a condenser microphone. However, based on the description provided in connection with FIG. 14, those skilled in the art can perform a MEMS implementation.

디지털 마이크로폰(1501)은 증폭기(1509) 및 시그마-델타 컨버터(1011)에 조절된 전압을 제공하는 DC 전압 조정기(1503)를 구비한 집적 회로(1502)를 포함한다. 마이크로폰 바이어스 전압은 전압 크기를 가지는 오프칩 발진 신호를 수신하는 온칩 전압 업 컨버터(1504)에 의해 제공되며, 상기 발진 신호에 응답 하여, 업 컨버터는 큰 전압 크기를 가지는 출력 발진 신호를 제공한다. 상기 출력 신호는 저역 통과 필터(1505)에 의해 저역 통과 필터링되고, 직렬 저항(1506)에 의해 마이크로폰 엘리먼트(1508)에 제공된다. 커패시터(1507)는 DC 바이어스 전압이 전술된 전송 기능을 가지는 전치 증폭기(1509)의 입력에 도달하는 것을 차단한다. 전치 증폭기(1509)의 출력은 시그마-델타 컨버터(1511)에 의해 제공된다.Digital microphone 1501 includes an integrated circuit 1502 having a DC voltage regulator 1503 providing a regulated voltage to amplifier 1509 and sigma-delta converter 1011. The microphone bias voltage is provided by an on-chip voltage up converter 1504 that receives an off-chip oscillation signal having a voltage magnitude, and in response to the oscillation signal, the up converter provides an output oscillation signal having a large voltage magnitude. The output signal is low pass filtered by low pass filter 1505 and is provided to microphone element 1508 by series resistor 1506. Capacitor 1507 blocks the DC bias voltage from reaching the input of preamplifier 1509 with the transmission function described above. The output of preamplifier 1509 is provided by sigma-delta converter 1511.

전압 업 컨버터 또는 전압 펌프 UPC(1004)는 이른바 딕슨(Dickson)-컨버터 형태가 될 수 있다. 전압 펌프는 바람직하게 사각파 발진기 신호를 전압 펌프에 제공하는 발진기에 의해 동작된다. 예를 들면, 사인파 또는 필터링된 사각파와 같이 낮은 고조파 성분들을 가지는 다른 신호들은 더 낮은 잡음을 획득하는데 사용될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 발진기는 칩(1502)에 삽입된다.The voltage up converter or voltage pump UPC 1004 may be in the form of a so-called Dickson-converter. The voltage pump is preferably operated by an oscillator that provides a square wave oscillator signal to the voltage pump. For example, other signals with low harmonic components, such as sine waves or filtered square waves, can be used to obtain lower noise. In an alternative embodiment, the oscillator is inserted into chip 1502.

업 컨버터와 시그마-델타 컨버터가 터미널 Tc4을 통해 제공되는 것과 같은 동일한 발진기/클럭 신호를 공유하는 것이 도시된다. 상기 신호는 UPC 및 시그마-델타 컨버터에서 서로다른 발진/클럭 신호 주파수들을 획득하기 위해 분배되어야 함에 유의해야 한다.It is shown that the up converter and the sigma-delta converter share the same oscillator / clock signal as provided through terminal Tc4. It should be noted that the signal must be distributed to obtain different oscillation / clock signal frequencies in the UPC and sigma-delta converters.

도 16는 싱글 엔드 전치 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터를 도시한다. 상기 실시예에서, 마이크로폰 회로(107)는 신호를 싱글 엔드 전치 증폭기(1602)로 제공한다. 전치 증폭기(1602)의 출력은 시그마-델타 변조기 형태의 아날로그-디지털 컨버터(103)로 제공된다.16 shows a single ended preamplifier and analog-to-digital converter. In this embodiment, the microphone circuit 107 provides the signal to a single ended preamplifier 1602. The output of preamplifier 1602 is provided to an analog-to-digital converter 103 in the form of a sigma-delta modulator.

전치 증폭기(1602)는 증폭기 섹션(160)을 포함한다. 바람직하게, 상기 증폭기 섹션은 차동 입력을 가지는 연산 증폭기이다. 증폭기 섹션은 비반전 입력(+)에서 마이크로폰 회로(107)로부터의 신호를 수신하고, 피드백 필터(1603)는 증폭기 섹션(1601)으로부터 출력 신호를 수신하며, 증폭기 섹션(1601)의 반전 입력(-)에서 피드백 신호를 제공한다.Preamplifier 1602 includes an amplifier section 160. Advantageously, said amplifier section is an operational amplifier having a differential input. The amplifier section receives a signal from the microphone circuit 107 at a non-inverting input (+), the feedback filter 1603 receives an output signal from the amplifier section 1601, and the inverting input (−) of the amplifier section 1601. ) Provides a feedback signal.

피드백 필터(1603)의 주파수-이득 특성은 차례로 피드백 필터를 사용하여 전치 증폭기의 고역 통과 필터 특성을 실행하는 저역 통과 특성을 갖는다. 바람직하게, 피드백 필터의 통과 대역(낮은 주파수)는 DC로의 실질적으로 편평한 이득 응답 및 상기 이득 전이 대역을 초과하는 높은 주파수들에 대하여, 더 높은 주파수들에 대한 편평한 응답을 제공한다. 상기와 같은 사항은 피드백 필터에 의해 설명된다.The frequency-gain characteristic of the feedback filter 1603 has a low pass characteristic that in turn implements the high pass filter characteristic of the preamplifier using the feedback filter. Preferably, the pass band (low frequency) of the feedback filter provides a substantially flat gain response to DC and a flat response to higher frequencies for higher frequencies above the gain transition band. The above is explained by the feedback filter.

그러나, 주파수 이득 전송 기능은 필수 변화들을 가지는 차동 증폭기의 전송 기능과 일치하게 구성될 수 있다.However, the frequency gain transfer function can be configured to match the transfer function of the differential amplifier with the necessary changes.

도 17는 마이크로폰 엘리먼트 및 집적 회로를 가지는 마이크로폰의 개략도를 도시한다. 마이크로폰은 마이크로폰 막과 집적 회로를 포함하는 마이크로폰 멤버를 구비한 카트리지로서 도시된다.17 shows a schematic diagram of a microphone having a microphone element and an integrated circuit. The microphone is shown as a cartridge having a microphone member that includes a microphone film and an integrated circuit.

도 18는 집적 회로 및 MEMS 마이크로폰 엘리먼트를 구비하는 마이크로폰의 개략도를 도시한다. 마이크로폰(1902)은 제 1 기판에 결합된 MEMS 마이크로폰 멤버(1903) 및 제 2 기판에 결합된 전치 증폭기 회로(1901)를 포함한다. 전치 증폭기 회로는 전술된 다른 실시예들 중 하나를 포함하며, 즉 피드백 회로 및 예를 들어 전압 펌프 및/또는 피드백 회로를 구비하는 전치 증폭기를 포함하며, 상기 전치 증폭기는 차동 증폭기 또는 싱글 엔드 증폭기이다.18 shows a schematic diagram of a microphone having an integrated circuit and a MEMS microphone element. The microphone 1902 includes a MEMS microphone member 1903 coupled to the first substrate and a preamplifier circuit 1901 coupled to the second substrate. The preamplifier circuit comprises one of the other embodiments described above, i.e. a preamplifier comprising a feedback circuit and for example a voltage pump and / or a feedback circuit, the preamplifier being a differential amplifier or a single end amplifier. .

MEMS 마이크로폰 멤버(1903) 및 마이크로폰 전치 증폭기(1901)는 단일 반도체 기판에 집적될 수 있음에 유의해야 한다.It should be noted that the MEMS microphone member 1903 and microphone preamplifier 1901 may be integrated into a single semiconductor substrate.

일반적으로, 전치 증폭기는 싱글 엔드 증폭기, 차동 증폭기 또는 차동 차분 증폭기와 같은 다른 형태의 증폭기로 구현될 수 있음에 유의해야 한다. 몇몇 입력들 및 출력들을 가지는 전치 증폭기가 사용되는 경우에, 다수의 피드백 필터 경로들의 서로 다른 구현들은 원하는 주파수 전송 기능을 실행할 수 있다.In general, it should be noted that the preamplifier may be implemented as another type of amplifier such as a single end amplifier, a differential amplifier or a differential differential amplifier. In the case where a preamplifier with several inputs and outputs is used, different implementations of the multiple feedback filter paths may perform the desired frequency transfer function.

콘덴서 마이크로폰은 매우 가벼운 진동판 및 극성 전압이 인가되는 뒤판으로 구성된다. 이에 따라, 일정 전하(가 관련된 주파수들에 대하여 제공된다). 동작 원칙은 진동판에 충돌하는 음파들이 진동판과 뒤판 사이의 커패시턴스가 공진을 변경하도록 한다. 이는 차례로 뒤판에 AC 전압을 유도한다. The condenser microphone consists of a very light diaphragm and a back plate to which a polarity voltage is applied. Thus, a constant charge is provided for the frequencies involved. The principle of operation is that the sound waves impinging on the diaphragm cause the capacitance between the diaphragm and the backplate to change resonance. This in turn induces an AC voltage on the backplane.

전기 콘덴서 마이크로폰 ECM은 극성 전압을 제공하기 위해 전기 재료에 삽입된 영구 전하 전압을 가지는 것을 제외하고 유사한 방식으로 동작한다. 상기 마이크로폰은 3가지 방식들로 실행될 수 있는데, 진동판이 전기 재료일 때 가장 일반적이며, 상기 경우에 한쪽 측면은 금속 재료이다. 이는 박편 또는 진동판 형태로 공지된다. 전기 재료는 최적을 진동판을 형성하지 못하며, 더 높은 성능이 요구되는 경우에 진동판은 다른 재료로 형성되고 전기 제료는 뒤판에 적용된다. 이는 백 타입(back type)이라 공지된다. 가장 최근의 변형은 이른바 프론트 타입이라 한다. 여기에서, 전기 재료는 마이크로폰의 앞 커버 내부 및 전치 증폭기의 입력에 접속된 금속 진동판에 적용된다.The electric condenser microphone ECM operates in a similar manner except that it has a permanent charge voltage embedded in the electrical material to provide a polarity voltage. The microphone can be implemented in three ways, most commonly when the diaphragm is an electrical material, in which case one side is a metallic material. This is known in the form of flakes or diaphragms. The electrical material does not optimally form the diaphragm, and when higher performance is required, the diaphragm is formed of another material and the electrical material is applied to the back plate. This is known as the back type. The most recent variant is called the front type. Here, the electrical material is applied to the metal diaphragm connected inside the front cover of the microphone and to the input of the preamplifier.

오디오 대역은 오디오 대역의 일반적인 정의 내의 임의의 대역으로 정의될 수 있다. 일반적인 정의는 20Hz 내지 20KHz가 될 수 있다. 오디오 대역에 대한 예시적인 하위 컷오프 주파수들은 20Hz, 50Hz, 80Hz, 100Hz, 150Hz, 200Hz, 250Hz가 될 수 있다. 예시적인 상위 코너 주파수는 3KHz, 5KHz, 8KHz, 10KHz, 18KHz, 20KHz가 될 수 있다. 실질적으로 편평한 이득 응답 변화들은 약 ±1dB, ±3dB, ±4dB, ±6dB이내에 있음을 의미한다. 그러나, 다른 변화 값들이 용어 "실질적으로 편평한"을 정의하는데 사용될 수 있다.The audio band may be defined as any band within the general definition of the audio band. The general definition can be 20 Hz to 20 KHz. Exemplary lower cutoff frequencies for the audio band can be 20 Hz, 50 Hz, 80 Hz, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz. Exemplary upper corner frequencies may be 3KHz, 5KHz, 8KHz, 10KHz, 18KHz, 20KHz. Substantially flat gain response variations mean that they are within about ± 1 dB, ± 3 dB, ± 4 dB, and ± 6 dB. However, other variation values can be used to define the term "substantially flat."

앞서 차동 전치 증폭기 구성들이 개시되었다. 상기 구성들은 2-터미널 구성과 같은 서로 다른 입력/출력 터미널 구성들을 포함한다. 그러나, 3, 4, 또는 그 이상의 터미널들이 마이크로폰 및 전치 증폭기에 신호들의 입/출력을 위해 제공될 수 있음에 유의해야 한다. 특히, 개별 터미널들은 전원 전압(제 1 터미널에서) 및 전치 증폭기 출력(제 2 터미널에서)을 위해 제공될 수 있음에 유의해야 한다. 차동 전치 증폭기 출력의 경우에, 출력 신호들을 위한 2개의 터미널들은 전원의 터미널에 부가하여 제공될 수 있다. 별개의 터미널이 접지를 위해 제공된다. 상기 접지는 전원 및 출력 신호에 의해 공유되며, 이는 일반적이나 항상 그런 것은 아니다.Earlier differential preamp configurations have been disclosed. The configurations include different input / output terminal configurations, such as a two terminal configuration. However, it should be noted that three, four, or more terminals may be provided for input / output of signals to the microphone and preamplifier. In particular, it should be noted that individual terminals may be provided for the supply voltage (at the first terminal) and the preamplifier output (at the second terminal). In the case of a differential preamplifier output, two terminals for the output signals can be provided in addition to the terminal of the power supply. A separate terminal is provided for grounding. The ground is shared by the power and output signals, which is common but not always.

Claims (20)

마이크로폰 신호들을 처리하도록 구성된 집적 회로로서,An integrated circuit configured to process microphone signals, 제 1 입력(φ) 및 제 2 입력(φ*) 및 출력(
Figure 112006065173530-PCT00017
)을 가지는 증폭기 섹션(301) 및 상기 출력(
Figure 112006065173530-PCT00018
;
Figure 112006065173530-PCT00019
,
Figure 112006065173530-PCT00020
); 및
First input φ and second input φ * and output (
Figure 112006065173530-PCT00017
Amplifier section 301 and the output (
Figure 112006065173530-PCT00018
;
Figure 112006065173530-PCT00019
,
Figure 112006065173530-PCT00020
); And
상기 제 2 입력(φ') 사이에 접속된 피드백 필터 네트워크(Z1;Z1,Z1*,Z2)를 구비한 전치 증폭기 및 안티-에일리어싱 필터링된 입력 신호를 수신하여 디지털 출력 신호를 제공하도록 접속된 아날로그-디지털 컨버터를 포함하며,A preamplifier with a feedback filter network (Z1; Z1, Z1 *, Z2) connected between said second input ([phi] ') and an analog connected to receive an anti-aliased filtered input signal and provide a digital output signal. Includes a digital converter, 상기 증폭기 섹션(301)으로의 상기 제 1 입력(φ)은 입력 임피던스를 가지는데, 상기 입력 임피던스는 상기 증폭기 섹션의 입력 임피던스에 의해 상기 입력 임피던스와 관련하여 상기 피드백 네트워크로부터 실질적으로 분리되며, 상기 전치 증폭기는 낮은 주파수들을 억제하는 주파수-이득 전송 기능을 가지는 집적 회로.The first input φ to the amplifier section 301 has an input impedance, the input impedance being substantially separated from the feedback network with respect to the input impedance by the input impedance of the amplifier section, A preamplifier is an integrated circuit having a frequency-gain transmission function that suppresses low frequencies.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전치 증폭기(306)는 제 1 및 제 2 증폭기 섹션(301. 302)에 의해 차동 출력 신호(
Figure 112006065173530-PCT00021
,
Figure 112006065173530-PCT00022
)를 제공하도록 구성되고,
The preamplifier 306 is connected to the differential output signal by the first and second amplifier sections 301 and 302.
Figure 112006065173530-PCT00021
,
Figure 112006065173530-PCT00022
),
상기 전치 증폭기(306)는 대역 통과 특성(ADM)을 포함하는 차동 모드 전송 기능을 가지며,The preamplifier 306 has a differential mode transmission function including a band pass characteristic (A DM ), 상기 전치 증폭기(306)는 출력들을 상기 증폭기 섹션(301, 302)의 개별 반전입력들에 접속하는 필터 피드백 경로들(a-b; c-d)을 형성하고, 상기 반전 입력들을 상호접속하는 필터 상호접속 경로들(a-c)을 형성하는 피드백 필터 네트워크(303, 304, 305)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.The preamplifier 306 forms filter feedback paths (ab; cd) that connect outputs to the individual inverting inputs of the amplifier section 301, 302, and filter interconnection paths that interconnect the inverting inputs. and an feedback filter network (303, 304, 305) forming (ac).
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전치 증폭기(306)에 의해 구현된 필터의 하위 컷오프 주파수(FP1)는 오디오 대역의 하위 코너 주파수 미만이 되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.3. Integrated circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the lower cutoff frequency (F P1 ) of the filter implemented by the preamplifier (306) is located below the lower corner frequency of the audio band. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전치 증폭기(306)는 상기 아날로그-디지털 컨버터의 샘플링 주파수(FS)의 1/2 미만이 되도록 위치된 상위 컷오프 주파수(FP3; FP2)를 가지는 대역 통과 특성을 포함하는 차동 모드 전송 기능(ADM)을 가지는 것을 특징으로 하는 집적 회로.The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the pre-amplifier 306 is the analog to the upper position so that the cut-off frequency lower than half the sampling frequency (F S) of the digital converter (F P3; F And a differential mode transmission function (A DM ) comprising a band pass characteristic with P2 ). 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전치 증폭기(306)는 공칭 통과 대역(FP1-FP2) 및 이득 안정 대역(FZ2-FP3)을 가지는 대역 통과 특성을 포함하는 차동 모드 전송 기능(ADM)을 가지며, 상기 공칭 통과 대역은 오디오 대역 주파수들로 연장하고, 상기 이득 안정 대역은 상기 오디오 대역을 초과하여 상위 컷오프 주 파수(FP3)까지의 주파수들로 연장하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.5. The preamplifier 306 according to any one of claims 1 to 4, wherein the preamplifier 306 comprises a band pass characteristic having a nominal pass band (F P1 -F P2 ) and a gain stable band (F Z2 -F P3 ). Has a differential mode transmission function (A DM ), wherein the nominal pass band extends to audio band frequencies, and the gain stable band extends beyond the audio band to frequencies up to an upper cutoff frequency F P3 . Integrated circuit, characterized in that. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전치 증폭기(306)는 저역 통과 특성을 포함하는 공통 모드 전송 기능(ACM)을 가지는 것을 특징으로 하는 집적 회로.6. The integrated circuit of claim 1, wherein the preamplifier (306) has a common mode transfer function (A CM ) that includes low pass characteristics. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전치 증폭기는 차단-대역 특성(FZ1'-; FZ1'-FZ2')을 포함하는 공통 모드 전송 기능(ACM)를 가지며, 상기 편평한 이득 응답은 낮은 주파수들(DC-FP1)을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.7. The preamplifier according to any one of claims 1 to 6, wherein the preamplifier has a common mode transmission function (A CM ) comprising a cut-band characteristic (F Z1 ' -; F Z1' -F Z2 ' ), The flat gain response is provided for low frequencies (DC-F P1 ). 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전치 증폭기는 공통 모드 전송 기능(ACM) 및 차동 모드 전송 기능(ADM)을 포함하며, 공통 모드 이득(ACM)이 낮은 주파수들(DC-FP1')에서 우세한 반면, 차동 모드 이득(ADM)이 오디오 대역 주파수들(FAL-FAU)에서 우세하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.8. The preamplifier of claim 1, wherein the preamplifier comprises a common mode transfer function (A CM ) and a differential mode transfer function (A DM ), the frequencies of which the common mode gain (A CM ) is low. Dominant at (DC-F P1 ′ ), while the differential mode gain (A DM ) is configured to prevail at audio band frequencies (F AL -F AU ). 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공통 모드 이득(ACM)은 부가적으로 상기 대역 통과 특성의 상위 컷오프 주파수(FP2, FP3)를 초과하는 주파수들에서 우세한 것을 특징으로 하는 집적 회로.9. The method of claim 1, wherein the common mode gain A CM is additionally dominant at frequencies above the upper cutoff frequencies F P2 , F P3 of the bandpass characteristic. Integrated circuit. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상-쉬프터(307)는 제 1 증폭기 섹션(301)의 출력 및 제 2 증폭기 섹션(302)의 입력 사이에 교차 접속되는것을 특징으로 하는 집적 회로.10. The phase shifter 307 is cross-connected between the output of the first amplifier section 301 and the input of the second amplifier section 302. integrated circuit. 제 1항 내지 제 10중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상-쉬프터(307)는 상기 개별 증폭기 섹션들(301, 302)의 개별 입력들(-) 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.11. Integrated circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the phase-shifter (307) is connected between the individual inputs (-) of the individual amplifier sections (301, 302). 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전치 증폭기는 상기 전치 증폭기의 출력에서 DC 쉬프트를 제공하기 위해 상기 피드백 필터(Z1;Z1,Z1*,Z2)와 결합된 DC 오프셋 회로(907,908; 1001,1002)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.12. The circuit of claim 1, wherein the preamplifier is a DC offset circuit coupled with the feedback filter (Z1; Z1, Z1 *, Z2) to provide a DC shift at the output of the preamplifier. 907,908; 1001,1002. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피드백 필터가 결합되며, 상기 전치 증폭기의 출력에서 차동 모드 DC 쉬프트를 제공하도록 구성된 DC 오프셋 회로(907,908; 1001,1002)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.13. The apparatus of any of claims 1 to 12, wherein the feedback filter is coupled and includes DC offset circuits (907, 908; 1001, 1002) configured to provide differential mode DC shift at the output of the preamplifier. Integrated circuit. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 컨버터는 시그마-델타 변조기(1032)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.14. An integrated circuit as claimed in any preceding claim, wherein said analog-to-digital converter comprises a sigma-delta modulator (1032). 제 14항에 있어서, 상기 시그마-델타 변조기(1032)는 시그마-델타 A/D 변환을 위한 싱글 엔드 입력 신호를 제공하기 위해 전치 증폭기(201)에 의해 제공된 차동 신호(
Figure 112006065173530-PCT00023
,
Figure 112006065173530-PCT00024
)를 샘플링하고, 상기 싱글 엔드 입력 신호가 샘플링된 DC 전압 레벨에 중첩되도록 DC 전압 레벨(VRef ∑△)을 샘플링하는 스위치-커패시터 샘플러(1307)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.
15. The differential signal of claim 14, wherein the sigma-delta modulator 1032 is a differential signal provided by the preamplifier 201 to provide a single-ended input signal for sigma-delta A / D conversion.
Figure 112006065173530-PCT00023
,
Figure 112006065173530-PCT00024
And a switch-capacitor sampler (1307) for sampling the DC voltage level (V Ref ΣΔ ) so that the single-ended input signal overlaps the sampled DC voltage level.
제 15항에 있어서, 상기 샘플러는 상기 샘플러(1307) 및 상기 시그마-델타 변조기 루프의 결합된 부분인 합산 증폭기(1301)를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로.16. The integrated circuit of claim 15, wherein the sampler comprises a summing amplifier (1301) that is a combined portion of the sampler (1307) and the sigma-delta modulator loop. 제 16항에 있어서, 상기 합산 증폭기(1301)에는 제 1 직렬 커패시터(1303)를 통해 상기 시그마-델타 변조기의 결합 에러 피드백 신호가 제공되고, 상기 DC 전압 레벨은 제 2 직렬 커패시터(1306)를 통해 상기 합산 증폭기(1301)에 제공되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.17. The summing amplifier 1301 is provided with a coupling error feedback signal of the sigma-delta modulator via a first series capacitor 1303, and the DC voltage level is passed through a second series capacitor 1306. And an integrated circuit (1301). 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아날로그-디지털 컨버터는 시그마-델타 변조기를 포함하고, 상기 시그마-델타 변조기에 입력된 상기 DC 오프셋 전압 레벨은 전치 증폭기(201)에 입력되어 처리되는 낮은 주파수 펄스가 상기 오디오 대역을 초과하는 유휴 모드 톤들을 제공하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 집적 회로.18. The apparatus of claim 1, wherein the analog-to-digital converter comprises a sigma-delta modulator, the DC offset voltage level input to the sigma-delta modulator is input to a preamplifier 201. And wherein the low frequency pulse being processed is selected to provide idle mode tones above the audio band. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에서 설명된 것과 같은 집적 회로 및 마이크로폰 엘리먼트에서의 음압에 응답하여 마이크로폰 전치 증폭기(201)의 입력(φ)에 마이크로폰 신호를 제공하도록 구성된 콘덴서 마이크로폰 엘리먼트(105)를 포함하는 마이크로폰(108;202).19. A condenser microphone element 105 configured to provide a microphone signal to an input [phi] of microphone preamplifier 201 in response to sound pressure at the microphone element and integrated circuit as described in any of claims 1-18. Microphones (108; 202). 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에서 설명된 것과 같은 집적 회로 및 MEMS 마이크로폰 엘리먼트에서의 음압에 응답하여 마이크로폰 전치 증폭기에 마이크로폰 신호를 제공하도록 구성된 MEMS 마이크로폰 엘리먼트를 포함하는 마이크로폰.20. A microphone comprising an integrated circuit as described in any one of claims 1 to 19 and a MEMS microphone element configured to provide a microphone signal to the microphone preamplifier in response to sound pressure at the MEMS microphone element.
KR1020067018482A 2004-02-09 2005-02-09 Digital microphone KR20070021148A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020067018482A KR20070021148A (en) 2004-02-09 2005-02-09 Digital microphone

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US60/542,305 2004-02-09
DKPA200401531 2004-10-06
KR1020067018482A KR20070021148A (en) 2004-02-09 2005-02-09 Digital microphone

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070021148A true KR20070021148A (en) 2007-02-22

Family

ID=43653286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067018482A KR20070021148A (en) 2004-02-09 2005-02-09 Digital microphone

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20070021148A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140096015A (en) * 2012-04-16 2014-08-04 인피니언 테크놀로지스 아게 System and integrated circuit for amplifying a signal provided by a capacitive signal source
US10171046B2 (en) 2011-08-25 2019-01-01 Infineon Technologies Ag System and method for low distortion capacitive signal source amplifier

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10171046B2 (en) 2011-08-25 2019-01-01 Infineon Technologies Ag System and method for low distortion capacitive signal source amplifier
US10924069B2 (en) 2011-08-25 2021-02-16 Infineon Technologies Ag System and method for low distortion capacitive signal source amplifier
KR20140096015A (en) * 2012-04-16 2014-08-04 인피니언 테크놀로지스 아게 System and integrated circuit for amplifying a signal provided by a capacitive signal source
US9413317B2 (en) 2012-04-16 2016-08-09 Infineon Technologies Ag System and method for high input capacitive signal amplifier
US9722563B2 (en) 2012-04-16 2017-08-01 Infineon Technologies Ag System and method for high input capacitive signal amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7899196B2 (en) Digital microphone
US20110051954A1 (en) Signal conditioner with suppression of interfering signals
CN100521518C (en) Digital microphone
US7756279B2 (en) Microphone preamplifier
CN113038341B (en) Capacitive sensor assembly, operation method thereof and integrated circuit
KR101597040B1 (en) System and integrated circuit for amplifying a signal provided by a capacitive signal source
CN109479174B (en) Microphone assembly with digital feedback path including current output converter
KR101459831B1 (en) System and method for low distortion capacitive signal source amplifier
US8295512B2 (en) Microphone with voltage pump
KR20130009666A (en) System and method for capacitive signal source amplifier
US7978863B2 (en) Apparatus and method to provide advanced microphone bias
EP3694223A1 (en) Sensor arrangement and method for providing a sensor signal
WO2014174283A1 (en) Signal processing for mems capacitive transducers
WO2007009465A2 (en) Programmable microphone
US10080082B2 (en) Microphone system having high acoustical overload point
CN107592095B (en) Sensor device with optimized group delay and method for signal processing
EP3557882B1 (en) Interface electronic circuit for a microelectromechanical acoustic transducer and corresponding method
KR20070021148A (en) Digital microphone
CN109275071B (en) Audio processing device, chip, system and method
US20240088839A1 (en) An amplifier for a dual backplate mems microphone
KR20040036027A (en) An Electret Condenser Microphone
JPH04287411A (en) Analog signal level shift circuit
KR20060070999A (en) Electret condenser microphone

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application