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업계 최소형 연산 증폭기를 이용한 초소형 마이크 회로 설계
양대규 기자 | 승인 2018.05.24 18:35

[EPNC=양대규 기자] 음성 명령은 시장에서 제품을 차별화하는 방법으로 많은 애플리케이션에서 널리 사용되는 기능이다. 마이크는 모든 음성 또는 음성인식 기반 시스템의 주요 구성요소이며, 일렉트릭 마이크(Electret Microphone)는 소형의 크기, 성능, 가성비가 좋아 많은 애플리케이션에 채택되고 있다.

이 글은 매우 작고 비용에 최적화된 일렉트릿 콘덴서 마이크 전치 증폭기의 설계에 대해 설명한다. 설계는 0.8x0.8mm X2SON(Extra Small Outline No-lead) 패키지로 제공되는 업계 최소형 연산 증폭기 TLV9061을 사용한다. [그림 1]은 일렉트릿 마이크 증폭기 회로 구성을 보여준다.

[그림 1] 비반전 일렉트릿 마이크 증폭기 회로

대부분의 일렉트릿 마이크는 2.2kΩ 풀업 저항으로 바이어싱된 JFET(Junction Field-Effect Transistor)로 내부에서 버퍼링된다. 음파가 마이크 요소를 움직이면 전류가 마이크 내의 JFET 드레인 내부로 흐른다. JFET 드레인 전류는 AC 결합되어 중간 전원으로 바이어싱되고 연산 증폭기의 IN+ 핀에 연결되는 R2를 가로질러 전압 강하를 발생시킨다. 연산 증폭기는 대역 통과 필터링된 비반전 증폭기 회로로 구성된다. 예상되는 입력 신호 레벨과 원하는 출력 크기 및 응답을 사용하여 회로의 이득과 주파수 응답을 계산할 수 있다.

입력이 7.93mVRMS이고 출력 신호가 1VRMS인 +3.3V 전원에 대한 이 회로의 예제 설계를 살펴보기로 하자. 7.93mVRMS는 마이크에서 0.63Pa 사운드 레벨 입력과 -38dB 음압 레벨(SPL) 감도 규격에 해당된다. 대역폭 목표는 300Hz ~ 3kHz의 일반적인 음성 주파수 대역폭을 통과하는 것이다.

[식 1]은 VOUT와 AC 입력 신호 간의 관계를 정의하는 전달 함수를 보여준다. [식 2]는 예상되는 입력 신호 레벨과 원하는 출력 레벨을 기초로 필요한 이득을 계산한다. 표준 10kΩ 피드백 저항을 선택하고 [식 3]을 사용하여 R6를 계산한다.

원하는 통과 대역 300Hz~3kHz의 범위에서 감쇠를 최소화하기 위해 상한(fH)과 하한(fL) 차단 주파수를 원하는 대역 밖에서 설정한다[식 4]. fL 차단 주파수를 설정하는 C7을 선택한다[식 5]. fH 차단 주파수를 설정하는 C6를 선택한다[식 6]. 저주파 음파가 여전히 통과할 수 있도록 입력 신호 차단 주파수를 충분히 낮게 설정하기 위해 30Hz 차단 주파수(fIN)를 달성하는 C2를 선택한다[식 7].

[그림 2] 마이크로폰 전치 증폭기 전달 함수

[그림 2]는 마이크 전치 증폭기 회로를 위한 측정된 전달 함수를 보여준다. 플랫 밴드 이득은 단 41.8dB 또는 122.5V/V를 달성하였다. 이는 고저역 통과 필터 사이의 좁은 대역폭과 감쇠로 인해 목표보다 약간 낮은 수치이다.

회로는 TI의 X2SON 패키지로 설계되어 직경 6mm 일렉트릿 마이크의 뒷면에 잘 맞는다. 이와 같이 제한된 크기로 인해 매우 작은 크기의 연산 증폭기를 사용해야 하지만 TLV9061의 풋프린트는 0.8mm x 0.8mm에 불과하다. 소형 0201 크기의 저항과 커패시터 또한 PCB 영역을 최소화한다. 심지어 더 작은 저항을 사용하여 크기를 더욱 줄일 수 있다. [그림 3]과 [그림 4]는 PCB 레이아웃을 보여준다.

[그림 3] 6mm 직경 일렉트릿 마이크로폰 뒷면에 배치된 마이크로폰 전치 증폭기의 레이아웃
[그림 4] 마이크로폰과 PCB의 몇 가지 다른 각도를 보여주는 PCB 설계의 3D 뷰

앞서 설명한 설계 단계를 다양한 마이크 감도에 맞추어 수정할 수 있다. TLV9061과 같은 소형 증폭기를 사용하여 설계할 경우 애플리케이션 노트 'TI의 X2SON 패키지를 이용한 설계와 생산'에 설명된 레이아웃 모범 사례를 따르는 것이 좋다.

텍사스 인스트루먼트

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양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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