고입력 임피던스를 갖는 리드아웃 회로 document_id A220623106440

최근 각종 이동전화 등 음성신호를 입력으로 하는 디지털 기기들의 폭발적인 증가하고 있다. 이에 따라 디지털 기기들에 사용되는 커패시터 타입의 마이크로폰 및 상기 마이크로폰으로부터 출력되는 신호를 증폭하는 프리앰프 등과 같은 회로 장치들이 디지털 기기들의 수요와 함께 증가하고 있다. 이러한 디지털 기기들이 소형화되는 추세이며, 이에 따라 디지털 기기내에 사용되는 회로들도 점차 소형화가 요구되고 있어 하나의 칩에 회로를 집적할 수 있는 SoC(System on Chip) 기술이 요구되고 있다. 그 중 이동 전화와 같은 디지털 기기에서 음성 신호를 전기적 신호로 변환시키는 리드아웃 회로도 소형화 및 집적화가 크게 요구되고 있다. 리드아웃 회로는 일반적으로 마이크로폰을 통해 입력된 음성 신호를 전기적 신호로 변환시킨다. 상기 마이크로폰은 가변 커패시턴스를 이용하여 입력된 음성 신호를 전류 신호로 변환하며, 이러한 가변 커패시터를 이용한 마이크로폰을 커패시터 타입의 마이크로폰라 한다. 그러면 상기 커패시터 타입의 마이크로폰에 연결되어, 입력된 음성 신호를 전기적 신호로 변환하는 리드아웃 회로를 다음의 도 1을 이용하여 설명하겠다. 도 1은 일반적인 커패시터 타입의 마이크로폰(120)과 리드아웃(read-out) 회로(110) 및 이의 등가 모델을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 상기 마이크로폰(120)은 가변 커패시터(121)를 구비하여 외부 음성 신호에 따라 커패시턴스를 가변하여 전류를 생성한다. 상기 리드아웃 회로(110)는 상기 커패시터(121)에 의해 생성된 전류 신호를 출력 노드(101)에서 전압 신호로 만들기 위한 부하 저항(RL)과, 상기 출력 노드(101)에 연결되어 상기 전압 신호를 선형적으로 변화시키는 프리앰프(미도시)을 포함한다. 여기서, 상기 마이크로폰(120)은 커패시터 타입 마이크로폰의 전기적 등가모델로, 초기(Intrinsic) 커패시턴스 Co와 외부 음성 신호에 의해 전기적 신호를 생성하는 가변 커패시턴스 ΔC로 구성된다. 상기 커패시턴스에 따라 발생되는 전류 신호는 출력 노드(101)에서 전압 신호로 변환하기 위해 상기 부하 저항(RL)이 사용된다. 여기서 상기 커패시터(103)로부터 나오는 전류신호는 다음의 003c#수학식 1003e#과 같이 나타낼 수 있다. 003c#수학식1003e# 여기서, 상기 Ic는 마이크로폰(120)으로부터 발생되는 전류이며, 상기 VDC는 상기 마이크로폰(120)의 커패시터(121) 양단에 걸리는 전압이며, 상기 ΔCp는 음성 신호에 의해 가변된 커패시턴스이며, 상기 f는 음성 신호의 주파수이다. 상기 마이크로폰(120)으로부터 발생되는 전류는 출력 노드(101)에서 다음의 003c#수학식 2003e#와 같은 최대 출력 전압 VOPeak 을 생성한다. 003c#수학식2003e# 상기 003c#수학식 1003e#에 표현된 커패시터(121)로부터 나오는 전류신호는 커패시터(121) 양단의 DC바이어스 전압, 커패시턴스의 변화에 비례하고, 특히 음성 입력 신호의 주파수에 비례하는 특징을 보여준다. 여기서 마이크로폰(120)에서 가변되는 커패시턴스는 입력된 음성 신호의 크기에 비례하는 값이다. 그런데 상기 003c#수학식 2003e#에 나타낸 부하 저항(RL)을 통해 변화된 전압 신호의 특징을 보면 부하 저항(RL)에 의해 (CoⅹRL)의 주파수에 폴이 형성된다. 상기 폴이 형성된 주파수 이후부터는 입력된 음성 신호의 주파수와 관계없이 입력 신호의 크기에 따라 출력 전압의 크기가 비례하는 특징이 나타나며, 이는 상기 마이크로폰 프리앰프를 이용하여 얻게된다. 이러한 마이크로폰 프리앰프는 음성 신호의 주파수 대역인 20Hz~20KHz 에서 전압 신호를 선형적으로 변화시켜야한다. 이를 위해서 상기 마이크로폰 프리앰프는 통상적인 커패시터 타입 마이크로폰의 초기(Intrinsic) 커패시턴스 Co를 고려해볼 때 수 GΩ 이상의 큰 임피던스를 갖는 부하저항(RL)이 필요하게 된다. 이러한 수 GΩ 이상의 큰 임피던스를 구현하기 위해 기존에는 수 GΩ의 저항값을 갖는 소자를 별도의 공정을 이용하여 제작하고, 상기 저항에서 출력되는 전압 신호를 입력하기 위해 JFET을 이용한 프리앰프 또한 별도의 공정을 이용하여 제작하는 방법이 사용된다. 그러나 최근 비용 절감, 소형 저전력 등의 다양한 장점의 이유로 표준 CMOS 공정을 이용하여 집적화를 구현하고 있다. 그러나 종래의 마이크로폰의 리드아웃 회로는 수 GΩ 이상의 저항과, JFET를 이용한 프리앰프를 표준 CMOS 공정이 아닌 별도의 공정을 사용하여 제작하므로 표준 CMOS 공정을 이용한 집적화가 불가능하다. 즉 이는 상기 리드아웃 회로는 뒷단에 연결되는 디지털 처리 블록과 같이 하나의 칩에 집적하는 것이 불가능하여 소형화하기 힘들뿐만 아니라 많은 제작 비용이 발생하는 문제점이 있다.