KR20090056225A - 커패시턴스 변화를 이용하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스폭 변조신호를 출력하는 마이크로폰을 개시한다. 본 발명의 마이크로폰은, 외부의 음압에 따라 정전용량값이 달라지는 마이크유닛과 상기 마이크유닛과 연결된 공진회로부를 포함하는 가변공진부; 상기 가변공진부의 공진주파수 대역에서 발진하 발진부; 상기 발진부의 발진신호를 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함한다.

본 발명에 따른 마이크로폰은, ECM에 비해 감도가 일정하고 설정된 감도가 변하지 않는 장점을 가지며, 출력신호가 MEMS마이크로폰에 비해 대역폭이 넓으면서도 잡음이 적어 우수한 음질을 구현할 수 있다.

또한 무선마이크, 무선마이크, 블루투스폰 등에 사용할 경우에 마이크로폰 자체에서 아날로그 PWM신호로 변조된 신호를 출력하기 때문에 종래 무선마이크에 사용되던 VCO를 생략할 수 있으며, 이로 인해 무선마이크의 초소형화가 가능하게 된다.

마이크로폰, VCO

Description

커패시턴스 변화를 이용하여 펄스폭 변조 신호를 출력하는 마이크로폰{Microphone outputting pulse width modulation signal by using capacitance variation}

본 발명은 마이크로폰에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 입력된 음성신호를 발진회로 등을 이용하여 아날로그 펄스폭 변조신호(PWM: Pulse Width Modulation)를 출력하는 마이크로폰에 관한 것이다.

마이크로폰(또는 마이크)은 음향신호를 전기적 신호로 변환하는 장치로서 재질이나 작동원리에 따라 매우 다양한 종류가 있다. 대체적으로 재질에 따라서는 카본 마이크로폰, 크리스탈 마이크로폰, 마그네틱 마이크로폰 등으로 구분되고, 작동원리에 따라서는 자기장에 의한 유도기전력을 이용하는 다이내믹 마이크로폰과 콘덴서의 전압변화를 이용하는 콘덴서 마이크로폰으로 구분된다.

최근에는 제품의 소형화, 다기능화, 집적화를 위하여 반도체 집적기술을 응용하여 전통적인 마이크로폰 부품들을 초정밀 미세 가공한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰도 등장하고 있다.

이중에서 이동통신단말기, MP3녹음기, 카세트 녹음기, 캠코더, 헤드셋 등 대부분의 휴대용 또는 가정용 전자기기에 광범위하게 사용되는 것이 콘덴서 마이크로폰이다.

콘덴서 마이크로폰은 일반적으로 도 1의 단면도에 도시된 바와 같이, 일측이 개구되고 타측에 음공(12)이 형성된 케이스(11)의 내부에 다이아프램(diaphragm)(13), 스페이서(14), 절연링(15), 백플레이트(16), 도전링(17)이 순차적으로 삽입되고, 케이스(11)의 개구된 일측에 회로부품이 실장된 PCB(18)가 결합된 구조를 가진다.

케이스(11)는 주로 알루미늄, 스틸, 황동 등의 금속으로 이루어지고, 다이아프램(13)은 케이스(11)의 내측과 밀착되는 금속링(13a)과 음압에 따라 진동하는 진동막(13b)으로 이루어진다. 특히 진동막(13b)은 백플레이트(16)와 함께 커패시터 역할을 하므로 PET, PPS 재질의 필름에 금, 니켈, 알루미늄, 티나늄 등의 금속물질을 증착하여 제조한다.

스페이서(14)는 다이아프램(13)과 백플레이트(16)를 이격시키기 위해 설치되며, PET, PPS 등의 절연물질로 제조된다.

백플레이트(16)는 다이아프램(13)과 평행하게 설치되는 금속재질의 플레이이다. 백플레이트(16)와 다이아프램(13)이 커패시터로서의 역할을 하기 위해서는 양단간에 DC전압이 인가되어야 하지만, 최근에는 강한 전기장에 의해 반영구적으로 분극된 일렉트릿(electret)층을 백플레이트(16) 또는 진동막(13b)에 형성함으로써 DC전원의 필요성을 없앴다.

이와 같이 일렉트릿(electret)층을 사용하는 마이크로폰을 흔히 ECM(Electret Condenser Microphone)이라고 한다.

다이아프램(13)은 케이스(11)를 통해 PCB(18)상의 회로패턴과 전기적으로 연결되고, 백플레이트(16)는 금속재질의 도전링(17)에 의해 지지되면서 PCB(18)상의 회로패턴과 전기적으로 연결된다. 백플레이트(16)와 도전링(17)은 그 외주를 둘러싸는 절연링(15)의 의해 케이스(11)와 절연된다.

PCB(18)에는 다이아프램(13)과 백플레이트(16)의 양단에 걸리는 전압신호를 증폭하는 FET, 증폭기 등의 증폭회로(19)와 주변회로가 실장된다.

전술한 구조를 가지는 ECM은 도 2와 같이 마이크유닛(20)과 증폭부(30)를 포함하는 등가회로로 나타낼 수 있다. 여기서 마이크유닛(20)은 다이어프램(13)과 백플레이트(16)의 쌍에 의해 형성되는 커패시터이고, 증폭부(30)는 마이크유닛에 걸리는 전압신호를 증폭한다.

콘덴서 마이크의 출력신호는 응용예에 따라 다양한 형태로 처리된다. 예를 들어 유선마이크인 경우에는 출력신호를 스피커를 통해 출력하고, 무선마이크인 경우에는 먼저 출력신호를 전압제어발진기(VCO)를 이용하여 아날로그 PWM 신호로 변조한 후에 RF송신부를 통해 수신기로 무선 전송한다.

이러한 콘덴서 마이크에서 일렉트릿층을 이용하지 않는 경우에는 다이어프램(13)과 백플레이트(16)의 양단에 별도의 DC전압을 걸어주어야 하므로 회로구성이 복잡해지는 문제점이 있다.

또한 일렉트릿층을 가지는 ECM은 다음과 같은 여러 문제점을 가지고 있다.

첫째, 백플레이트(16) 또는 다이아프램(13)에 일렉트릿층을 형성하기 위해 금속판에 코팅 또는 부착하는 불소수지 등이 비싸고 부착공정이 까다롭기 때문에 제품단가가 높아지는 문제가 있다.

둘째, 백플레이트(16) 또는 다이아프램(13)의 일렉트릿층에 전하분포를 균일하게 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에 감도특성이 제품별로 편차가 심하다는 문제가 있다.

셋째, 습기가 많은 환경에서는 일렉트릿층에 충진된 전하가 유출되어 감도가 일정하게 유지되지 못하는 경우도 있고, 불량검사를 위해 조사되는 레이저 또는 적외선 때문에 일렉트릿층의 전하가 영향을 받아 설정된 감도와 달라지는 경우도 있다.

넷째, 무선마이크로 사용하는 경우에는 ECM의 출력신호를 VCO회로를 통해 PWM신호로 변조하는 과정을 거쳐야 하는데, 이를 위해서는 ECM모듈의 외부에 별도로 VCO회로를 배치하여야 하므로 무선마이크를 소형화하는데 근본적인 한계를 가지고 있다.

한편, MEMS마이크로폰은 도 3의 등가회로에 나타낸 바와 같이 마이크유 닛(40)과 상기 마이크유닛(40)에서 출력되는 전압신호를 증폭하는 증폭부(50)를 포함한다.

그런데 MEMS마이크포폰은 유연성 재질을 진동판으로 사용하는 것이 아니어서 매우 작은 직경의 진동판을 사용하기 때문에 대역폭에 한계가 있어 방송용 또는 가라오케용 등과 같은 고성능 마이크에는 적합하지 않고, 강한 증폭을 위하여 CMOS를 이용하여 증폭부(50)를 구성하기 때문에 잡음이 다소 심하다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 배경에서 고안된 것으로서, ECM에 비해 저렴하면서도 안정적인 감도를 유지할 수 있는 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

또한 MEMS마이크로폰에 비해 출력신호의 대역폭이 넓으면서도 잡음이 적고 우수한 음질을 구현할 수 있는 마이크로폰을 제공하는데 목적이 있다.

또한 무선마이크로 사용할 경우에 아날로그 PWM신호로 변조하기 위한 VCO를 생략함으로써 무선마이크의 초소형화가 가능하도록 하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 외부의 음압에 따라 정전용량값이 달라지는 마이크유닛과 상기 마이크유닛과 연결된 공진회로부를 포함하는 가변공진부; 상기 가변공진부의 공진주파수 대역에서 발진하는 발진부; 상기 발진부의 발진신호를 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함하는 마이크로폰을 제공한다.

상기 마이크로폰에서, 상기 마이크유닛은, 음압에 의해 진동하는 다이아프램 상기 진동판과 이격되어 대향하는 백플레이트를 포함하며, 상기 다이아프램 또는 상기 백플레이트 중 하나는 접지되고 나머지 하나는 상기 공진회로부에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 마이크로폰은, 내부에 상기 다이아프램 및 상기 백플레이트를 수용하며, 일측에는 개구부가 형성되고 타측에는 음공이 형성된 케이스; 상기 케이스의 상기 개구부 측에 결합되고, 상기 공진회로부, 상기 발진부 및 상기 증폭부가 실장되는 PCB를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 공진회로부, 상기 발진부 및 상기 증폭부는 하나의 IC로 제작되어 상기 PCB에 실장되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로폰은, ECM에 비해 감도가 일정하고 설정된 감도가 변하지 않는 장점을 가지며, 출력신호가 MEMS마이크로폰에 비해 대역폭이 넓으면서도 잡음이 적어 우수한 음질을 구현할 수 있다.

또한 무선마이크, 무선전화기, 블루투스폰 등에 사용할 경우에 마이크로폰 자체에서 아날로그 PWM신호로 변조된 신호를 출력하기 때문에 종래 무선마이크에 사용되던 VCO를 생략할 수 있으며, 이로 인해 무선마이크의 초소형화가 가능하게 된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 기구적 구조는 도 1의 콘덴서 마이크로폰(10)에 도시된 바와 유사하며, 다만 다이아프램(13)과 백플레이트(16) 사이의 정전용량의 변화를 이용하여 전기적 신호를 출력한다.

특히, 종래의 콘덴서 마이크로폰(10)이나 ECM은 다이아프램(13)과 백플레이트(16) 사이의 간격변화로 인해 발생하는 전압신호를 단순히 증폭하여 출력하는 것인데 반하여, 본 발명의 마이크로폰은 정전용량의 변화를 이용하여 아날로그 PWM신호를 출력하는 점에 특징이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰은 도 4의 회로도에 도시된 바와 같이, 가변공진부(100), 발진부(200), 증폭부(300)를 포함한다.

여기서 가변공진부(100)는 입력부(110)와 공진회로부(120)를 포함하며, 입력부(110)는 서로 대향하는 다이아프램과 백플레이트를 포함하는 마이크유닛(M)을 포함한다. 마이크유닛(M)의 다이아프램과 백플레이트 중 하나는 접지되고 나머지 하나는 공진회로부(120)에 연결된다.

마이크유닛(M)의 기구적 구조는 ECM과 유사하므로, 다이아프램과 백플레이트에 대한 자세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명은 마이크유닛(M)의 양단에 걸리 는 전압의 변화를 이용하는 것이 아니라 정정용량의 변화를 이용하는 것이어서 다이아프램 또는 백플레이트에 일렉트릿층을 형성하지 않아도 되는 장점이 있다.

따라서 일렉트릿층으로 인해 발생하는 전술한 여러 문제점 - 예를 들어 제조단가가 비싸지거나, 감도를 안정적으로 유지하기 어렵거나, 습기에 취약한 문제점 등 - 들을 해소할 수 있는 장점이 있다.

공진회로부(120)는 일단은 상기 마이크유닛(M)의 다이아프램 또는 백플레이트 중 하나에 연결되고 타단은 접지되는 제1인덕터(L1), 상기 제1인덕터(L1)에 병렬로 연결되는 제1커패시터(C1), 마이크유닛(M)에 대해 제1커패시터(C1)와 병렬로 연결되는 제2커패시터(C2)를 포함한다.

마이크유닛(M)에 가해지는 음압에 따라서 마이크유닛(MU)의 정전용량이 달라지므로, 공진회로부(120)의 제1인덕터(L1), 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터(C1)는 입력부(110)의 마이크유닛(M)과 함께 음압에 따라 공진주파수가 달라지는 가변 공진회로를 구성한다.

한편 제2커패시터(C2)는 마이크유닛(M)을 통해 입력되는 노이즈를 차단하고, 발진부(200)에서 생성된 발진신호가 공진회로부(120)로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.

발진부(200)는 제1저항(R1) 및 제2저항(R2), R1과 R2사이의 노드에 베이스가 연결되는 제1트랜지스터(Q1)를 포함한다.

R1과 R2는 제4저항(R4)과 함께 직렬로 연결되어 바이어스 전원(Vcc)을 분배하는 바이어스 저항이며, R1과 R2의 각 일단은 공진회로부(120)의 제2커패시터(C2)에 대해 병렬로 연결되고, R1의 타단은 접지되고 R2의타단은 R4에 연결된다,

Q1의 에미터에는 일단이 접지된 제3저항(R3)과 제3커패시터(C3)가 병렬로 연결되고, Q1의 에미터와 베이스 사이에는 제4커패시터(C4)가 연결된다. C3는 Q1에서 증폭된 신호 중에서 원하지 않는 신호를 접지를 통해 제거하고, C4는 Q1의 에미터의 출력신호를 베이스로 피드백하는 역할을 한다.

발진부(200)에서 발진이 일어나기 위해서는 R3,C3,C4가 부성저항값을 가져야 한다.

증폭부(300)는 제1트랜지스터(Q1)의 발진신호를 증폭하기 위한 제2트랜지스터(Q2)와 필터링회로를 포함한다.

Q2에 바이어스전압을 인가하기 위해, Q2의 베이스는 R2와 R4사이의 노드에 연결하고, Q1의 에미터와 Q2의베이스 사이에는 AC커플링을 위한 제5커패시터(C5)를 연결한다,

Q1의 컬렉터와 Q2의 에미터를 서로 연결하되, 노이즈 제거를 위해 그 사이의 노드에 일단이 접지된 제6커패시터(C6)를 연결한다.

Q2의 컬렉터와 Vcc의 사이에는 AC블로킹을 위한 제2인턱터(L2)를 연결하고, 제2인덕터(L2)와 Q2 사이의 노드와 출력단의 사이에는 DC블로킹을 위한 제7커패시터(C7)가 연결되고, C7의 전단 또는 후단에는 주파수 특성을 개선하기 위해 일단이 접지된 제8커패시터(C8)를 병렬로 연결한다.

Vcc의 후단에 병렬로 연결된 제9커패시터(C9)는 노이즈 제거를 위한 바이패스 커패시터이다.

한편 공진회로부(120), 발진부(200) 및 증폭부(300)를 구성하는 회로는, 도 1을 참조하면, 케이스(11)의 개구부측에 부착되는 PCB(18)상에 구현될 수 있다. 또한 공진회로부(120), 발진부(200) 및 증폭부(300)의 구체적인 회로구성은 도 4에 도시된 것에 한정되는 것은 아니며 설계상의 필요에 따라 여러 형태로 수정 내지 변형될 수 있음은 물론이다.

또한 도 4의 Q1 또는 Q2는 설계상의 필요에 따라 바이폴라 트랜지스터 대신 전계효과 트랜지스터(FET)를 사용할 수도 있으며, 이 경우 도 4와 관련하여 설명한 베이스, 이미터, 컬렉터 등의 용어는 각각 게이트, 소스, 드레인으로 대체된다.

한편 전술한 공진회로부(120), 발진부(200) 및 증폭부(300)의 회로구성은 일반적인 VCO회로의 일부와 거의 유사한 특징을 가진다.

최근의 VCO는 제조기술의 발전으로 인해 크기가 1mm*1mm 정도인 원칩 형태로도 제작될 수 있기 때문에 기존의 VCO제작기술을 이용하면, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰에서 상기 공진회로부(120), 발진부(200)및 증폭부(300)도 하나의 IC칩의 형태로도 제작하는 것이 가능하다.

따라서 도 1의 구조를 참조하면, 케이스(11)의 개구된 일측에 결합되는 PCB(18)상에 본 발명의 공진회로부(120), 발진부(200) 및 증폭부(300)가 구현된 IC칩을 실장할 수 있다. 이러한 방법을 이용하면 마이크유닛(M), 공진회로부(120), 발진부(200) 및 증폭부(300)를 모두 포함하는 하나의 마이크모폰 모듈을 3mm*3mm*1mm 정도의 크기로 제작하는 것도 가능하다.

전술한 구성을 가지는 본 발명의 마이크로폰의 작동 과정을 요약하면 다음과 같다.

입력부(110)의 마이크유닛(M)은자체 정전용량을 가지며, 외부에서 가해지는 음압의 세기에 따라 다이아프램과 백플레이트의 간격이 변하기 때문에 음압의 세기에 따라 정전용량이 변하게 된다.

또한 마이크유닛(M)과 공진회로부(120)는 하나의 공진회로를 구성하므로 공진주파수가 정해지게 되는데, 음압의 세기에 따라 마이크유닛(M)의 정전용량이 변하면 공진회로부(120)에서 결정되는 공진주파수도 음압의 세기에 따라 달라지게 된다.

한편, 발진부(200)의 Q1은 공진회로부(120)의 공진주파수 대역에서 발진을 하기 때문에 음압에 의해 공진주파수가 달라지면 발진주파수도 달라지게 된다.

발진된 신호는 증폭부(300)의 Q2에 의해 증폭되어 출력되므로, 증폭부(300)에서 출력되는 신호의 주파수도 음압에 따라 달라지게 된다.

결국 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰은 마이크유닛(M)에서 출력된 신호를 단순히 증폭시키는 것이 아니라 음압에 따라 주파수가 실시간으로 달라지는 아날로그 PWM신호를 출력하게 되는 것이다.

본 발명의 이러한 특징은 무선마이크에서 종래와 대비되는 큰 장점을 가진다. 즉, 무선마이크의 경우 종래에는 마이크로폰(마이크유닛과 증폭기 포함)의 출력신호를 PWM신호로 변조하기 위하여 VCO회로에 출력신호를 입력시켜야 했으나, 본 발명에서는 마이크로폰 자체가 아날로그 PWM신호를 출력하기 때문에 VCO 및 관련회로를 별도로 구성할 필요가 없다.

따라서 종래 방식에 비하여 무선마이크 제품을 획기적으로 소형화시키는 것이 가능해지게 된다.

도 1은 일반적인 콘덴서 마이크로폰의 단면도

도 2은 ECM의 등가회로도

도 3은 MEMS마이크로폰의 등가회로도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로폰의 회로도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 가변공진부 110: 입력부

120: 공진회로부 200: 발진부

300: 증폭부

Claims (4)

1. 외부의 음압에 따라 정전용량값이 달라지는 마이크유닛과 상기 마이크유닛과 연결된 공진회로부를 포함하는 가변공진부;

   상기 가변공진부의 공진주파수 대역에서 발진하는 발진부;

   상기 발진부의 발진신호를 증폭하여 출력하는 증폭부;

   를 포함하는 마이크로폰
2. 제1항에 있어서,

   상기 마이크유닛은,

   음압에 의해 진동하는 다이아프램;

   상기 진동판과 이격되어 대향하는 백플레이트;

   를 포함하며, 상기 다이아프램 또는 상기 백플레이트 중 하나는 접지되고 나머지 하나는 상기 공진회로부에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰
3. 제2항에 있어서,

   내부에 상기 다이아프램 및 상기 백플레이트를 수용하며, 일측에는 개구부가 형성되고 타측에는 음공이 형성된 케이스;

   상기 케이스의 상기 개구부 측에 결합되고, 상기 공진회로부, 상기 발진부 및 상기 증폭부가 실장되는 PCB;

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰
4. 제3항에 있어서,

   상기 공진회로부, 상기 발진부 및 상기 증폭부는 하나의 IC로 제작되어 상기 PCB에 실장되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰

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