KR20200065319A - 피드백 필터 기능을 갖는 마이크로폰 전치 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전치 증폭기에 관한 것으로서, 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결되어 있는 앰프, 상기 앰프에 병렬로 연결되어 있는 입력 바이어스 블록 및 상기 앰프에 병렬로 연결되어 있는 피드백 게인 블록을 포함한다.

Description

피드백 필터 기능을 갖는 마이크로폰 전치 증폭기{PRE-AMPLIFIER HAVING FEEDBACK FILTER FUNCTION}

본 발명은 피드백 필터 기능을 갖는 마이크로폰 전치 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로서는, 마이크로폰 포워드 게인(Forward Gain)과 피드백 게인(Feedback Gain)의 입출력에 관련된 것이다.

마이크로폰의 중요한 성능인 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)를 구현하기 위해서는, 로우 포워드 게인(Low Forward Gain)의 오디오 앰프(Audio Amp)와 폐쇄 피드백 게인(Closed Feedback Gain)이 필요하다.

로우 포워드 게인이 필요한 이유는 앰프의 포워드 게인이 높으면, 신호뿐 아니라 원하지 않는 잡음도 똑 같은 게인의 비로 증폭되기 때문에 SNR이 그만큼 나빠진다. 신호를 크게 증폭하면 왜율(Harmonic Distortion) 이 나빠지며, 정해진 최대한도의 감도 정의(Definition)에 따른 진폭한도 때문에 한없이 증폭할수 없다.

도 1에서, 종래의 입력의 2개의 반병렬 다이오드(Anti-parallel Diode)는 큰 신호가 들어왔을 때의 입력 M2의 게이트(Gate)를 0.6V 또는 -0.6V 정도로 고정(Clamping)하여 입력전압을 고정(Clamping)하여 ESD(Electro Static Damage) 역할을 하여 입력을 보호해준다.

그러나 한 쌍의 다이오드는 평상시에 M2의 게이트(gate) 입력에 적절하게 동작하기 위한 일정 바이어스 전압을 유지하기는 어려움이 있어 추가 바이어스 회로를 별도로 사용해야 한다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 포워드 게인 앰프(Forward Gain Amp)의 게인을 최소화하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 포워드 게인 앰프의 게인을 최소화하면서, 그 대신 피드백 게인을 높임으로써 신호감도와 잡음 레벨을 최적화하기 위한 것이다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 입력 회로가 ESD를 피드백 형태로 구현하여 피드백 게인 회로는 물론 출력과 동기화시키기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 전치 증폭기는 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결되어 있는 앰프, 상기 앰프에 병렬로 연결되어 있는 입력 바이어스 블록 및 상기 앰프에 병렬로 연결되어 있는 피드백 게인 블록을 포함한다.

상기 특징에 따른 전치 증폭기는 상기 입력 단자와 상기 앰프의 입력 단자 사이에 일측과 타측이 연결되어 있는 저항을 더 포함할 수 있다.

상기 입력 바이어스 블록의 입력 단은 상기 저항의 타측에 연결될 수 있다.

이러한 본 발명의 특징에 따르면, 포워드 게인을 최소화하고, 그 대신 피드백 게인을 높임으로써 신호감도와 잡음 레벨을 최적화한다.

또한, 입력 바이어스 회로는 ESD 회로를 피드백 형태로 구현하여 출력회로와 피드백 게인 회로와 동기화한다.

이에 더하여, 높은 신호대 잡음비를 갖는 마이크로폰 증폭기의 확보를 통해 전세계적으로 연간 약 80억개 이상 판매되는 MEMS 마이크로폰 시장을 선도할 수 있는 기반을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 전치증폭기에 사용되는 전치 증폭기의 입력 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 특징에 따른 전치증폭기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 앰프를 도시한 도면이다.
도 4는 입력저항(Rb)에 의한 잡음을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시한 입력 바이어스 블록(201)을 도시한 것으로서, 피드백을 갖는 입력 ESD 클램핑 회로를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 구조를 NPN BJT를 사용하여 구현한 도면다.
도 7은 도 5의 구조를 PMOS를 사용하여 구현한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시한 피드백 게인 블록을 도시한 것으로서, 피드백 필터 게인 회로를 도시한다.
도 9는 Rf·Cf 주파수 보상 회로를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 피드백 필터 기능을 갖는 마이크로폰 전치 증폭기에 대해서 설명하도록 한다.

도 2에서, 입력바이어스 피드백 블록(201)은 출력에서 앰프(101)의 입력으로 연결된다. 피드백 게인 블럭(301)은 출력단자에서 앰프(101)의 입력단이 아닌 저항(Rin) 앞단인 입력 패드(Pad)가 되는 입력단자(In)에 연결된다.

입력바이어스 피드백 블럭(201) 앰프(101)의 입력단에 일정 전압을 공급하기 위한 바이어스 회로이며, 대신호(Large Signal) 시에는 ESD 역할도 한다.

마이크로폰의 중요한 성능인 높은 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)를 구현하기 위해서는 앰프(101)의 A1의 포워드 게인을 0dB로 유지하고 피드백 게인 블럭(301)이 원하는 높은 수준의 피드백 루프 게인(Feedback Loop Gain)이 필요하다.

낮은 0dB의 포워드 게인을 사용하는 이유는 게인이 높으면, 신호뿐 아니라 원하지 않는 잡음도 똑 같은 게인의 비로 증폭되기 때문에 SNR이 그만큼 나빠진다.

신호 증폭은 왜율(Harmonic Distortion) 때문에 한없이 높일 수 있는 것이 아니며, 또한 너무 높은 신호는 높은 신호감도 문제 때문에 마이크로폰 사양(Specification) 상 허용되지 않는다.

포워드 게인 앰프의 게인을 최소화하고, 그 대신 필요한 게인을 폐쇄 피드백 루프 게인(Closed Feedback Loop Gain)으로 구현 사용함으로써 신호감도와 잡음 레벨을 최적화할 수 있다.

도 3의 앰프(101)는 기본적으로는 일반적인 전치 증폭기에 저항(R1)이 트랜지스터(M1)의 드레인(Drain) 쪽에 연결된 것을 제외하고는 동일하다.

입력에서 출력으로 연결되는 구조는 소스 팔로워(Source Follower) (Common Drain Amp)로서 위상 반전 없는 비반전 증폭기에 해당된다. 저항(R1)이 연결되어 있는 이유는 트랜지스터(M1)의 드레인 쪽이 접지(Ground) 되는 것을 방지하고 드레인 단자를 입력 대비 반전되는 출력으로 사용하기 위한 것이다.

정전용량형(Capacitive) 마이크와 도 3의 전치 증폭기를 같이 쓰는 경우 3개의 중요한 노이즈원(Noise Source)이 존재한다.

첫번째 노이즈는 입력 PMOS인 트랜지스터(M1)에서 발생하는 플리커 노이즈(Flicker Noise)와 두번째는 화이트 노이즈(White Noise)이다.

첫번째와 두번째는 입력 트랜지스터(M1)의 게이트(Gate) 사이즈를 크게 함으로써 필리커 노이즈를 줄이고, BJT처럼 동작시켜서 화이트 노이즈를 크게 줄일 수 있다.

세 번째 노이즈는 입력에 일정 바이어스 전압을 가하기 위해 사용하는 입력 저항(Rb) 때문에 발생하는 저역통과 잡음(Low pass filtered noise)이다.

도 4의 컷오프(Cut-off) 주파수는 Rb*Cmic에 반비례하므로 입력 바이어스 저항(Rb)을 크게 하면 컷오프 주파수를 작게 하여 A-weighting Filter와 겹치는 면적을 작게 하여 저역통과 노이즈를 최소화 할수 있다.

여기서 Cmic는 면적때문에 오히려 값이 작아지는 추세이다.

입력 바이어스 저항('Rb' 라 칭함)은 입력 바이어스 전압을 위해 입력에 걸리는 등가 저항이다.

입력 바이어스 저항(Rb)를 크게 하는 방법이 반병렬 다이오드(Anti-parallel Diode)를 사용하는 것이다.

본 발명에서는 2쌍의 반병렬 다이오드와 피드백 커패시터(Feedback Capacitor)(C1)(도 5 참조)을 사용하여 출력과 입력 사이에 연결하는 것이다(도 2의 201 참조).

반병렬 다이오드는 양단이 제로(Zero) 바이어스일 때는 1Tera Ohm 에서 10 Tera Ohm 정도로 임피던스가 매우 높다. 그러나 큰 신호(large signal)에서는 0.4V 에서 0.6V 정도부터는 클램핑(Clamping)하기 시작해서 임피던스가 수 Ohm 정도로 매우 작아진다. 이때에 비로서 입력을 보호하는 ESD 보호 회로가 된다.

도 2 및 도 5에 도시한 전치 증폭기에서 보면, 입력 바이어스 블럭(201)의 1번 노드가 트랜지스터(M1) 입력에 연결되며, 2번 노드는 출력에 연결된다. 파워(power)가 온(on) 되면 출력은 전원에 의한 직류(DC) 전압이 순간 걸리면서 전압은 2번 노드와 연결된 커패시터(C1)를 통해 a 노드(node)에 전하를 공급하여 작은 전압을 a 노드에 공급한다.

칩(chip)이 동작하는 정상 상테에서도 교류(AC) 신호에 의해 작은 전하가 커패시터(C1)를 통해 공급되므로 a 노드는 다이오드(D3)와 다이오드(D4)의 높은 임피던스 때문에, 아주 작은 0V 전압을 유지한다.

본 0V는 다이오드(D1)와 다이오드(D2)를 통해 1번 노드를 거의 같은 전압인 0V를 유지하게끔 바이어스를 공급한다. 만일 커패시터(C1)가 없다면 a 노드의 전압은 불확실하여 1번 노드를 정확히 바이어스할 수 없다.

도 5에 도시한 입력 바이어스 블록(201)은 NPN BJT를 사용하여 구현하거나(도 6 참조), PMOS를 사용하여 구현할 수 있다(도 7 참조).

도 9은 본 발명의 구조의 일부분을 구성하고 도 2에 도시한 피드백 게인 블록((301)을 도시한다.

저주파 전달 함수는 앰프(101)의 포워드 게인(A1)에 의해서만 게인이 동작한다. 고주파 전달함수는 커패시터(C1, C2)와 커패시터(C _MIC )에 의존하여 게인을 유지한다.

또한 저항(R1)과 커패시터(Cpad)는 RC 필터(filter)를 구현하여 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 구성하여, RF 잡음을 줄이는데 사용된다.

커패시터(Cpad)는 칩 상의 입력 패드의 부유용량(Stray Capacitance)을 나타낸다.

커패시터(C_MIC)를 피드백 게인에 사용함으로써 면적 등을 줄이고, 패드백 패스(Feedback path)를 쉽게 입력으로 연결하여 구현할 수 있다.

도 2의 피드백 게인 블록(301)은 폐루프 게인(Closed Loop Gain)으로서, 포지티브 피드백(Positive Feedback)이 되므로 향후 이를 제어하기 위한 피드백 게인(Feedback Gain)(Af) 회로가 필요하다.

이를 위한 구조가 도 9에 도시되어 있다.

Af 게인 블럭은 2단 증폭기를 사용하므로 발진을 방지하기 위해서 저항(Rf)과 커패시터(Cf)를 사용하여 도 9와 같이 RC 방법의 주파수 보상(Rf·Cf) 을 한다,

이미 기술한 것처럼, 반병렬 다이오드(Anti-parallel Diode)는 양단이 제로 바이어스(Small Signal)일 때는 1 Tera Ohm에서 10 Tera Ohm 정도로 임피던스가 매우 높다.

그러나 큰 신호(Large Signal)에서는 0.4V에서 0.6V 정도부터는 클램핑 하기 시작해서 임피던스가 수 Ohm 정도로 매우 작아진다. 이때에 비로서 입력을 보호하는 ESD 보호 회로가 된다. 도 2와 도 5의 전치 증폭기에서 보면, 아래 입력 바이어스 블록(201)의 1번 노드가 트랜지스터(M1) 입력에 연결되며, 2번 노드는 출력에 연결된다. 파워가 온되면 출력은 전원에 의한 직류 전압이 걸리면서 순간 전압은 2번 노드와 연결된 커패시터(C1)를 통해 a 노드에 전하를 공급하여 작은 전압을 a 노드에 공급한다. 칩이 동작하는 정상 상테에서도 교류 신호에 의해 작은 전하가 커패시터(C1)를 통해 공급되므로 a 노드는 다이오드(D3와 D4)는 높은 임피던스이므로, 아주 작은 0V 전압을 유지한다.

본 0V는 다이오드(D1과 D2)를 통해 1번 노드를 거의 같은 전압인 0V 를 유지하게끔 바이어스를 공급한다. 만일 커패시터(C1)가 없다면 a 노드의 전압은 불확실하여 1번 노드를 정확히 바이어스 할 수 없다. 본 피드백 커패시터(C1)은 파워 업(Power up) 시에 a 노드에 초기치 전압을 가하여 오동작을 방지하는 스타트 업(Start up)을 위한 역할을 한다.

또한 그림 5의 다이어드(D1, D2)가 Tera Ohm의 높은 임피던스를 다이오드(D3, D4)와 직렬로 사용하여 접지(Ground)에서 1번 노드까지 더욱 높은 임피던스 효과를 얻을 수 있다.

이러한 본 발명이 적용되는 마이크로폰은 스마트폰, 스마트와치, AI 스피커, 노트북 PC 및 태블릿 PC, 디지털 카메라, 네비게이션 등의 휴대기기에 탑재되어 사람의 음성 신호를 전기적인 신호로 변환하여 통신을 할 수 있도록 해주는 반도체 부품일 수 있다.

이상, 본 발명의 피드백 필터 기능을 갖는 마이크로폰 전치 증폭기의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 입력 단자와 출력 단자 사이에 연결되어 있는 앰프;
   상기 앰프에 병렬로 연결되어 있는 입력 바이어스 블록; 및
   상기 앰프에 병렬로 연결되어 있는 피드백 게인 블록
   을 포함하는 전치 증폭기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 입력 단자와 상기 앰프의 입력 단자 사이에 일측과 타측이 연결되어 있는 저항을 더 포함하는 전치 증폭기.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 입력 바이어스 블록의 입력 단은 상기 저항의 타측에 연결되어 있는 전치 증폭기.

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