KR20080109638A - 전기 음향 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음량 시에도 충분한 증폭을 행할 수 있어 대음량 입력시에 클립의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다. 마이크로폰 장치(1)는 음압을 전기 신호로 변환하는 마이크(11)와, 마이크(11)의 출력 신호를 증폭함과 함께 증폭율을 조정 가능한 가변 이득 증폭기(21)와, 가변 이득 증폭기(21)의 출력 신호 VCAout의 레벨을 감시하여 출력 신호 VCAout이 클립되지 않도록 가변 이득 증폭기(21)의 증폭율을 제어하는 제어 회로(22)를 1개의 칩에 내장한다. 제어 회로(22)는 컴퍼레이터 Comp1 및 Comp2를 이용하여 출력 신호 VCAout의 레벨을 감시한다.

마이크로폰, 전기 음향 변환기, 클립, 증폭기, 제어 회로

Description

전기 음향 변환기{ELECTRO-ACOUSTIC TRANSDUCER}

본 발명은 마이크로폰으로부터의 입력 신호를 증폭하는 전기 음향 변환기에 관한 것으로，특히 대음량 입력시의 연속된 전기적 클립을 방지하는 전기 음향 변환기에 관한 것이다．

본 출원은 2007년 6월 13일에 출원된 일본특허 출원 제2007-156203호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

예를 들면 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 집음 음원의 음량에 의해 마이크 앰프의 게인을 가변시킴으로써 자동으로 감도 보정되는 마이크로폰 장치가 알려져 있다. 도 7은 마이크로폰으로서 컨덴서형 마이크를 이용한 경우의 마이크로폰 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다. 컨덴서형의 마이크 CMIC는 입력되는 음압에 의해 미소한 용량 변화가 일어나고, 고저항 RB에 의해 바이어스된 전압에 의한 전하와의 작용으로 음압에 비례한 전압 변화가 발생한다. 이 전압 변화는 커플링 컨덴서 C1 및 고저항 RH에서 결합된 임피던스 변환용 FET의 소스측으로부터 추출되고, 증폭기 A에서 20㏈의 게인으로 증폭되어 출력 신호 Out로서 출력된다.

[특허 문헌 1] 특허 공개 2003-259479호 공보

종래의 마이크로폰 장치에서는 증폭기 A의 최대 무왜곡 출력 진폭의 - 20㏈이 증폭기 A의 허용 입력으로 된다. 대음량 시에 있어서, FET로부터의 출력 진폭이 이 허용 입력값을 초과하면, 증폭기 A에서 클립이 생겨, 출력 신호 Out이 왜곡된다.

이 왜곡을 회피하기 위해 증폭기 A의 이득을 낮게 하면 통상 시의 출력 진폭이 작아져서 S/N비의 열화를 초래하게 된다. 또한，특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 마이크 앰프의 게인을 가변으로 하는 것도 고려되지만, 특허 문헌 1에 기재된 기술은 대음량 시의 클립에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또한, 마이크로폰 장치 내에서 클립을 방지하기 위한 기능의 설계를 행할 수 있으면, 후속하는 설계 기법에 따를 필요가 없어지기 때문에 제품 설계가 용이해진다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 소음량 시에 충분한 증폭을 행할 수 있어, 대음량 입력시에 클립의 발생을 방지할 수 있는 증폭기 내장 마이크로폰 장치로서 기능하는 전기 음향 변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 전기 음향 변환기는, 1개의 패키지와, 상기 1개의 패키지에 설치되고 또한 음압을 전기 신호로 변환하는 마이크와, 상기 1개의 패키지에 설치되고 또한 상기 마이크의 출력 신호를 증폭함과 함께 증폭율을 조정 가능한 증폭 회로와, 상기 1개의 패키지에 설치되며 또한 상기 증폭 회로의 출력 신호의 레벨을 감시하여, 상기 출력 신호가 클립하지 않도록 상기 증폭 회로의 증폭율을 제어하는 제어 회로를 포함한다.

증폭 회로의 출력 신호의 레벨을 감시하여, 출력 신호가 클립하지 않도록 증폭 회로의 증폭율을 제어하고, 마이크와 증폭 회로와 제어 회로를 1개의 패키지에 내장하였기 때문에, 소음량 시에 충분한 증폭을 행할 수 있어, 대음량 입력시에 클립의 발생을 방지할 수 있는 증폭기 내장 마이크로폰 장치로서 기능하는 전기 음향 변환기를 실현할 수 있다.

여기서, 상기 마이크와 상기 증폭 회로 사이에 상기 마이크의 출력 임피던스를 저하시키는 임피던스 변환기를 구비하는 것이 바람직하다.

또한，제어 회로는, 증폭 회로의 출력 신호에 클립이 발생하는 고전위측의 전위에 대응한 전위를 제1 전위, 클립이 발생하는 저전위측의 전위에 대응한 전위를 제2 전위로 하였을 때, 증폭 회로의 출력 신호의 전위와 제1 전위를 비교하는 제1 비교 수단과, 증폭 회로의 출력 신호의 전위와 제2 전위를 비교하는 제2 비교 수단을 구비하고，제1 비교 수단 및 제2 비교 수단의 비교 결과에 기초하여, 증폭 회로의 출력 신호의 전위가 제1 전위를 상회하거나, 증폭 회로의 출력 신호의 전위가 제2 전위를 하회하는 경우, 증폭 회로의 증폭율을 내리도록 제어할 수 있다.

즉, 출력 신호의 진폭이 큰 경우에 증폭 회로의 증폭율을 내림으로써, 소음량 시에 충분한 증폭을 행하여, 대음량 입력시에 클립의 발생을 방지하고 있다.

또한，상기 마이크, 상기 증폭 회로 및 상기 제어 회로는, 동일한 반도체 칩 상에 설치될 수도 있다.

상기 마이크는 컨덴서형 마이크로폰, 다이내믹 코일형 마이크로폰, 일렉트릿(electret) 컨덴서형 마이크로폰 중 하나로 실현할 수 있다.

상기 1개의 패키지는 반도체 패키지로 실현할 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 먼저，본 발명의 개요에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 마이크로폰 장치의 기본적인 구성예를 나타내는 블록도이다. 본 실시 형태에서 마이크로폰 장치(1)는 입력된 음압을 전기 신호로 변환하고, 증폭하여 출력하는 전기 음향 변환기로서 기능한다. 도 1에 도시한 바와 같이 마이크로폰 장치(1)는 1개의 반도체 패키지를 갖고，이 반도체 패키지의 내부에 컨덴서 마이크 CMIC(11)와 임피던스 변환기(12)를 구비한 마이크부(10)와, 가변 이득 증폭기(21)와 제어 회로(22)를 구비한 증폭부(20)와, A/D 변환기(30)와, 마이크부(10)와 증폭부(20)를 결합하는 결합 컨덴서 C2를 구비하고 있다. 마이크부(10), 증폭부(20), A/D 변환기(30)에는 전원 전압 VL이 공급되고, 각각 접지 전위 GND에 접속되어 있다.

마이크부(10)에서, 입력되는 음압에 의해 발생된 컨덴서 마이크 CMIC(11)의 용량 변화에 기초한 전압 신호는 임피던스 변환기(12)에 의해 임피던스 변환된다. 이 전압 신호는 결합 컨덴서 C2를 통하여 증폭부(20)에 입력된다. 증폭부(20)에서는 가변 이득 증폭기(21)의 이득이 제어 회로(22)에 의해 제어되고, 입력된 전압 신호를 증폭하여 출력한다. 이 아날로그 신호를 A/D 변환기(30)가 디지털 변환하여 다음 단의 회로(도시생략)로 출력한다. 다만，A/D 변환기(30)를 이용하지 않고 아날로그 신호 상태 그대로 다음 단의 회로로 출력하도록 할 수도 있다.

본 실시 형태에서, 마이크부(10)는 마이크로 머시너리(MEMS) 기술에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 증폭부(20) 또는 증폭부(20) 및 A/D 변환기(30)의 양쪽은 마이크부(10)와 동일한 반도체 칩(예를 들면 실리콘 칩) 상에 형성하여도 되고, 또는 다른 반도체 칩(예를 들면 실리콘 칩) 상에 형성하여도 된다. 마이크부(10), 증폭부(20)가 형성된 칩을 금속 및 PCB(Printed Circuit Board) 등으로 구성되는 1개의 소형의 반도체 패키지(111)에 집어넣음으로써, 도 2에 도시한 바와 같이 마이크로폰 장치(1)를 컨덴서 마이크 CMIC(11)의 집음 부분이 노출된, 분리할 수 없는 1개의 기능 디바이스로서 모듈화할 수 있다. 이로써，마이크로폰 장치(1)의 기능 설계를, 마이크 케이블 등을 통하여 접속되는 후속하는 장치의 설계 기법에 따르지 않고, 마이크로폰 장치(1) 스스로 결정할 수 있기 때문에 실제적인 제품 설계가 용이해진다.

도 3은 마이크로폰 장치(1)의 마이크부(10)와 증폭부(20)의 구체적인 회로 구성을 나타내는 블록도이다. 마이크부(10)는 컨덴서형의 마이크 CMIC(11)를 구비하고 있다. 마이크 CMIC(11)는 3V의 전원 전압 VL을 차지 펌프(121)에 의해 12V로 승압된 VH가 고저항 RB를 통하여 바이어스되어 있다.

마이크 CMIC(11)에서는, 입력되는 음압에 의해 미소한 용량 변화가 일어나, 바이어스된 전압에 의한 전하와의 작용에 의해 음압에 비례한 전압 변화가 발생된다. 이 전압 변화는 커플링 컨덴서 C1과, 1.5V의 바이어스 전압이 인가되는 고저항 RH가 결합된 임피던스 변환 FET의 소스측으로부터 출력 전압 신호로서 추출된 다. 임피던스 변환 FET는 마이크 CMIC(11)의 출력 임피던스를 저하시키기 위해 이용된다.

증폭부(2O)는 가변 이득 증폭기[VCA: Voltage Controlled Amplifier(21)]와, 가변 이득 증폭기(21)의 이득을 제어하는 제어 회로(22)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서 가변 이득 증폭기(21)는 20㏈ 내지 0㏈ 사이에서 이득을 변화할 수 있도록 되어 있다. 이득의 변화는 제어 단자 Ctrl에 입력되는 전압값에 대응하도록할 수 있다. 즉, 제어 단자 Ctrl에 입력되는 전압값이 높을수록 증폭도를 낮추고, 제어 단자 Ctrl에 입력되는 전압값이 낮을수록 증폭도를 높이도록 한다. 도 3의 예에서는, 제어 단자 Ctrl의 전압이 OV인 경우에 + 20㏈의 이득으로 된다. 가변 이득 증폭기(21)에는 구동 전압 Vdd로서 3V의 VL이 인가되고, GND 단자는 GND에 접지되어 있다.

제어 회로(22)는 가변 이득 증폭기(21)의 출력 신호를 소정의 전압과 비교하는 2개의 컴퍼레이터(Comp1, Comp2)와, 2개의 컴퍼레이터 출력의 논리합을 출력하는 OR 회로(221)와, 시상수 회로(220)를 구비하고 있다. 컴퍼레이터 Comp1은 가변 이득 증폭기(21)의 출력 신호의 고전위측의 값을 검출하는 것으로, 전원 전압 VL 보다 Vp(0.5V) 낮은 전압과 가변 이득 증폭기(21)의 출력을 비교하여, 가변 이득 증폭기(21)의 출력이 상회하였을 경우에 하이 레벨을 출력한다. 컴퍼레이터 Comp2는 가변 이득 증폭기(21)의 출력의 저전위측의 값을 검출하는 것으로, GND보다Vn(0.5V) 높은 전압과 가변 이득 증폭기(21)의 출력을 비교하여, 가변 이득 증폭기(21)의 출력이 하회하였을 경우에 하이 레벨을 출력한다. VL-Vp를, 가변 이득 증폭기(21)의 출력이 클립하였을 때의 고전위측의 전압값으로 하고, Vn을 가변 이득 증폭기(21)의 출력이 클립하였을 때의 저전위측의 전압값으로 함으로써, 2개의 컴퍼레이터의 출력 신호는 왜곡 검출 신호로서 이용할 수 있다.

도 4는 가변 이득 증폭기(21)의 출력 신호 VCAOut와, 컴퍼레이터 Comp1 및 컴퍼레이터 Comp2의 출력 신호와, OR 회로(221)의 출력 신호 OROut와의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 출력 신호 VCAOut이 VL-Vp를 초과하는 기간은 컴퍼레이터 Comp1의 출력 신호가 하이 레벨로 되고, 출력 신호VCAOut이 GND+VN을 하회하고 있는 기간은 컴퍼레이터 Comp2의 출력 신호가 하이 레벨로 된다. 그리고，OR 회로(221)의 출력 신호 OROut은 컴퍼레이터 Comp1 및 컴퍼레이터 Comp2의 출력 신호 중 적어도 한쪽이 하이 레벨인 경우에 하이 레벨을 출력한다.

도 3으로 다시 돌아가 설명한다. 시상수 회로(220)는 OR 회로(221)와 다이오드 D를 통하여 접속되어 있으며, 또한 가변 이득 증폭기(21)의 제어 단자 Ctrl에 접속된다. 시상수 회로(220)를 이용함으로써 OR 회로(221)의 2치의 출력 신호ORout를, 가변 이득 증폭기(21)를 제어하기 위한 아날로그 신호로 변환하고 있다．본 실시 형태에서는, 컨덴서 CT에 직렬로 접속되는 저항 RA와 병렬로 접속되는 저항RB를 이용함으로써, 상승 시의 시상수와, 하강 시의 시상수를 개별적으로 설정할 수 있도록 하고 있다. 즉, 저항 RB의 값을 저항 RA의 값보다 충분히 크게 함으로써 출력 신호 ORout의 상승 시에는 저항 RA와 컨덴서 CT로 정해지는 시상수로 되고, 출력 신호 ORout의 하강 시에는 저항 RB와 컨덴서 CT로 정해지는 시상수로 된다. 물론, 통상적인 CR 시상수 회로를 이용하도록 하여도 된다．

이와 같이, 컴퍼레이터 Comp1 및 Comp2로부터의 출력 신호에 기초하여 가변 이득 증폭기(21)의 이득을 제어하고 있기 때문에，대음량이 연속하는 경우에도 가변 이득 증폭기(21)의 출력 신호 VCAout의 최대 진폭이 (VL-Vp)-Vn(본 예에서는，(3-0.5)-0.5=2V)로 되도록 조정된다. 도 5는 이 모습을 나타낸 것이다. 또한，도 6은 종래의 기술(도 7 참조)을 이용한 경우의 출력 결과를 나타내는 참고도이다.

도 5 및 도 6은 화자가 동일한 음압으로 발생하고 있는 상황에서, 마이크의 거리를 변화시켰을 경우, 가변 이득 증폭기(21)의 입력 신호의 진폭 [C], 출력 신호 VCAout의 진폭 [D] 등을 나타내고 있다.

도 5에 도시한 바와 같이 마이크의 거리가 멀고, 입력 진폭 [C]가 작을 때는 OR 회로의 출력 신호 OROut는 로우 레벨로 되고, 가변 이득 증폭기(21)의 이득은 최대의 20㏈이다. 이 때문에 충분한 증폭을 행할 수 있다. 입력 신호가 작기 때문에, 최대 이득에서도 출력 신호는 왜곡되지 않는다. 이것은, 도 6에 도시한 바와 같이 종래에도 마찬가지의 출력으로 된다.

또한 마이크의 거리가 가까워지면, 예를 들면, 입력 진폭 [C]가 0.25Vpp로 되면, 도 6에 도시한 바와 같이 종래의 기술에서는 20㏈ 증폭 후의 진폭이 2V를 초과하기 때문에 출력 진폭 [D]가 클립되어 왜곡이 생기게 된다. 한편，도 5에 도시한 바와 같이 본 발명을 이용하면，출력 진폭 [D]가 2V로 되도록 가변 이득 증폭기(21)의 이득이 조정되어 18㏈로 되기 때문에, 출력 신호 VCAout은 클립되지 않아 왜곡은 생기지 않는다.

마이크 거리가 더 가까워져서 입력 진폭 [C] 0.5Vpp 및 1Vpp로 된 경우에도 마찬가지이다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이 종래의 기술에서는，20㏈ 증폭 후의 진폭이 2V를 훨씬 초과하기 때문에 출력 진폭 [D]가 클립되어 큰 왜곡이 생기게 된다. 한편，도 5에 도시한 바와 같이 본 발명을 이용하면，출력 진폭 [D]가 2V로 되도록 가변 이득 증폭기(21)의 이득이 조정되어 각각 12㏈, 6㏈로 되기 때문에, 출력 신호 VCAout은 클립되지 않아 왜곡은 생기지 않는다.

본 발명은 대음량 시에 가변 이득 증폭기(21)가 왜곡되지 않도록 이득을 내리기 때문에 왜곡이 없는 일정한 출력으로 된다. 이 때문에, 마이크 거리에서 근방으로부터 떨어진 상태까지 양호한 품질을 얻을 수 있다. 또한，리얼타임으로 이득을 조정할 수 있기 때문에 특히 무음시와 유음시의 다이내믹 레인지가 넓은 통화용 음성 집음 마이크에 효과적으로 적용할 수 있다．

이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 설명하여 예증하였지만, 이들은 어디까지나 발명의 예시로서 한정적으로 고려되어서는 안 되며, 추가, 삭제, 치환 및 기타 변경은 본 발명의 정신 혹은 범위를 일탈하지 않는 범위에서 가능하다. 즉, 본 발명은 상술한 실시 형태에 의해 한정되는 것이 아니라, 이하의 특허청구범위에 의해 한정되는 것이다.

본 발명은 용량 검출형 컨덴서형 마이크로폰에 한정되지 않고, 일반적인 다이내믹 코일형 마이크로폰, 일렉트릿 컨덴서형 마이크로폰 등 다양한 방식의 마이크로폰을 이용할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태의 기본적인 구성예를 나타내는 블록도.

도 2는 본 실시 형태의 마이크로폰 장치의 외형예를 나타내는 도면.

도 3은 본 실시 형태의 구체적인 구성을 나타내는 블록도.

도 4는 출력 신호와 컴퍼레이터 출력과 OR 회로 출력의 관계를 나타내는 도면.

도 5는 본 실시 형태에서의 마이크의 거리를 변화시킨 경우의 입력 신호 및 출력 신호의 진폭 등을 나타내는 도면．

도 6은 종래 기술에서의 마이크의 거리를 변화시킨 경우의 입력 신호 및 출력 신호의 진폭 등을 나타내는 도면．

도 7은 종래의 마이크로폰 장치의 구성예를 나타내는 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 마이크로폰 장치

10: 마이크부

11: 컨덴서 마이크(CMIC)

12: 임피던스 변환기

20: 증폭부

21: 가변 이득 증폭기

22: 제어 회로

30: A/D 변환기

121: 차지 펌프

220: 시상수 회로

Claims (6)

1개의 패키지와,

상기 1개의 패키지에 설치되고 또한 음압을 전기 신호로 변환하는 마이크와,

상기 1개의 패키지에 설치되고 또한 상기 마이크의 출력 신호를 증폭함과 함께 증폭율을 조정 가능한 증폭 회로와,

상기 1개의 패키지에 설치되며 또한 상기 증폭 회로의 출력 신호의 레벨을 감시하여, 상기 출력 신호가 클립하지 않도록 상기 증폭 회로의 증폭율을 제어하는 제어 회로

를 포함하는 전기 음향 변환기.

제1항에 있어서,

상기 마이크와 상기 증폭 회로 사이에 상기 마이크의 출력 임피던스를 저하시키는 임피던스 변환기를 더 포함하는 전기 음향 변환기.

제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어 회로는

상기 증폭 회로의 출력 신호에 클립이 발생하는 고전위측의 전위에 따른 전위를 제1 전위, 클립이 발생하는 저전위측의 전위에 따른 전위를 제2 전위로 하였을 때, 상기 증폭 회로의 출력 신호의 전위와 상기 제1 전위를 비교하는 제1 비교 수단과,

상기 증폭 회로의 출력 신호의 전위와 상기 제2 전위를 비교하는 제2 비교 수단을 포함하고，

상기 제1 비교 수단 및 상기 제2 비교 수단의 비교 결과에 기초하여, 상기 증폭 회로의 출력 신호의 전위가 상기 제1 전위를 상회하거나, 상기 증폭 회로의 출력 신호의 전위가 상기 제2 전위를 하회하는 경우, 상기 증폭 회로의 증폭율을 내리도록 제어하는

전기 음향 변환기.

제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 마이크, 상기 증폭 회로 및 상기 제어 회로는, 동일한 반도체 칩 상에 설치되어 있는 전기 음향 변환기.

제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 마이크는, 컨덴서형 마이크로폰, 다이내믹 코일형 마이크로폰, 일렉트릿(electret) 컨덴서형 마이크로폰 중 어느 하나인 전기 음향 변환기.

제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 1개의 패키지는 반도체 패키지인 전기 음향 변환기.

Images