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볼륨 시장 요구사항을 충족하는 MEMS 마이크 기술

글. 마사히토 카나야 (Masahito Kanaya), 제품 마케터, 온세미컨덕터

 

스마트 폰 및 태블릿 기기를 사용하는 사용자들은 계속해서 자신의 제품을 새로운 방식으로 사용할 수 있기 원하면서도 고성능의 작동도 기대하는데 온보드 오디오 기능이 이러한 대표적인 예이다. 사람들은 모임, 음악 공연을 녹화하면서 정확하고 생생한 재생을 기대하거나 야외 활동이나 이동시에도 잡음 없이 고품질의 음성 통화를 하기 원한다. 마이크를 통한 녹음을 할 때에도 당연하게 고음질을 기대한다.

이러한 트랜드에 부응하기 위해서는 고성능 마이크의 사용이 필요한데 일부 스마트 폰은 비디오 모드에서 잡음 제거 또는 3D 사운드 기능을 제공하고 있다. 게다가, 사용자의 목소리에 반응하는 지능형 디지털 보조 장치의 출현으로 인해 사용자가 컴퓨터와 상호 작용하는 방식이 변화되어 향후 웨어러블 및 IoT 기기와 같은 고성능 오디오 시스템 구축이 가능하게 되었다.

이에 따라 휴대용 기기에 사용하기 적합한 소형의 고성능 하이파이를 제공하는 MEMS(초소형 정밀 기계 체계) 마이크에 대한 사용자 요구가 높아지고 있다. 시장 조사 기관인 IHS Technology에 따르면 MEMS 마이크 시장은 2015년의 36억 개에서 2019년에 60억 개로 증가할 예상된다.

 

MEMS 마이크의 구조 및 작동
MEMS 마이크는 용착 및 선택적 에칭 등의 친숙한 프로세스를 활용해 실리콘 웨이퍼 기판 상에 위치한 이동형 다이어프램 및 고정형 백플레이트로 이루어져 있다. 백플레이트에 위치한 구멍을 통해 굴절 현상 없이 공기의 이동이 가능하다. 다이어프램은 음파로 인한 공기압의 변화에 따라 유동적으로 작동하도록 설계되어 있다. 이러한 유동적인 작동을 통해 다이어프램이 백플레이트에 대해 상대적으로 움직여 정전 용량의 비례 변화를 일으킨다. MEMS 변환기에 포함된 컴패니언 IC는 이 정전 용량의 변화를 아날로그 또는 디지털 형식의 전기 신호로 변환한다.

아날로그 또는 디지털 출력을 제공하는 MEMS 마이크가 있다. 아날로그 마이크는 MEMS 변환기 및 컴패니언 아날로그 증폭기 IC를 필수적으로 포함하며 피처 폰 및 초보 및 보급형 수준의 스마트 폰과 같은 소형 휴대폰에 널리 사용되고 있다.

 

디지털로의 진화
아날로그 신호 처리 및 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 통합하는 디지털 마이크는 일반적으로 PC나 고급형 스마트 폰과 같은 기기에서 주로 사용된다. 그림1에서 보듯이 디지털 기술은 높은 RF 및 전자기 간섭(EMI) 내성을 이용해 보다 뛰어난 오디오 성능을 제공한다. 또한 회로 설계 및 보드 레이아웃을 단순화 할 수 있는데 저항기 및 커패시터 값을 조정해야 할 필요가 없게 되므로 설계 변경도 이전보다 쉬워진다.

그림 1. 디지털화에 따른 잡음 내성도 개선
그림 1. 디지털화에 따른 잡음 내성도 개선

 

대부분의 마이크는 클록 및 L/R제어용 입력 단자를 가지고 있다. 클록 입력은 센서에 입력된 아날로그 신호를 디지털 펄스 밀도 변조(PDM) 신호로 변환하는 델타-시그마 변조기를 제어한다. 일반적인 클록 주파수 범위는 대략 1MHz ~ 3.5MHz 이다. 마이크 출력은 선택된 클록 에지에서 적절한 레벨로 구동된 다음 클록 주기의 나머지 절반 동안 하이 임피던스 상태로 들어간다. 이를 통해 두 개의 디지털 마이크 출력이 단일 데이터 라인을 공유할 수 있게 된다 (그림 2). L/R 입력은 유효한 데이터의 클록 에지를 결정한다.

그림 2. 전송 라인 수를 감소시키는 디지털 마이크
그림 2. 전송 라인 수를 감소시키는 디지털 마이크

 

디지털 MEMS 마이크는 소음 내성이 높고 회로 설계가 단순화되어 방향감도를 위한 빔 포밍 뿐 아니라 반향 및 소음 제거를 위한 다중 마이크 배열에 적합하다. 스마트 폰의 소음 제거를 위하여 일반적으로 하나 이상의 여분 마이크를 주 음성 마이크에서 멀리 (예: 케이스의 상단 또는 후면) 배치, 주변 환경의 소음을 감지하는 것이다. 음성 품질 향상에 도움이 되는 음성 마이크의 출력에서 이 값을 추출할 수 있다. 소음 감소 마이크는 때때로 비디오 녹화 모드에서 사용되기도 한다.

빔 포밍은 또한 두 개 이상의 마이크 배열을 사용한다. 대부분의 마이크는 무 지향성이지만 일부 애플리케이션은 특정 방향으로 감도를 높이거나 다른 방향으로 감도를 낮출 수 있다. 예를 들어 빔 포밍은 다양한 방향에서 전달되는 소리의 위상 차를 기반으로 배열의 마이크 출력에 디지털 알고리즘을 적용하여 전화 회의나 차량 내 통화와 같은 상황에서 오디오 음질과 감도를 향상시킬 수 있다.

 

ASIC 설계 세부사항
마이크 모듈 제조업체는 MEMS 센서와 ASIC를 결합한 적절한 MEMS 마이크 키트를 선택하여 제품을 차별화한다.

그림 3. 마이크 전문가들이 선택한 최적의 MEMS 마이크 키트
그림 3. 마이크 전문가들이 선택한 최적의 MEMS 마이크 키트

온세미컨덕터는 독립 MEMS 공급 업체가 생산한 다양한 MEMS 변환기와 결합되는 디지털 MEMS마이크용 고집적 ASIC 개발에 주력해왔다. 예를 들어 LC706200 디지털 IC제품군은 그림 4와 같이 아날로그 증폭기 및 저주파 통과 필터 외에도 전 방향 델타-시그마 ADC를 집적하며 충전 펌프는 MEMS 변환기의 동작 전압을 제공한다.

온세미컨덕터의 디지털 ASIC는 주요 성능 기준을 충족시켜 줌으로써 MEMS 마이크 설계자들이 직면한 문제를 극복할 수 있게 한다. 그 중에서도 높은 SNR은 먼 거리에서 사용할 때나 깔끔하게 음성을 캡쳐 해야 할 때 사용된다. 특히 단어의 정확도를 높이기 위해 자동 음성 인식 알고리즘에 SNR를 활용하고 있다. MEMS 엔지니어들은 변환기 특성 최적화를 위한 보완을 거쳐 SNR이 64dB이상인 ASIC을 개발해 주기 원한다.

사용자들은 스마트 폰으로 다양한 방법 기능을 원하 듯이 마이크 또한 시끄러운 환경에서 고음압 레벨(SPL)까지 왜곡 없이 작동되기를 원한다. 한 가지 예로, 음악 축제에서 사용자들이 순간을 캡쳐 해 둘 수 있도록 고품질의 녹음 기술을 제공하는 것이다.

미래의 독립형 음성 명령을 위한 디지털 MEMS 마이크
Siri®, OK Google, Amazon Echo와 같은 음성 인식 엔진 및 강력한 음성 지원 덕분에 IoT및 휴대용 기기들의 음성 명령 기능에 대한 기대가 높아지는 추세이다. 현재의 음성 인식 시스템은 일반적으로 듣고 인식하는데 대부분의 많은 전력을 소비하며 작동되고 있다.

미래의 음성 명령 기능은 독립적으로 작동될 전망인데 특히 음성으로 활성화 될 때만 켜지는 방식이 유력하다. 따라서 저전력 디지털 MEMS 마이크 기술은 차세대 독립형 음성 트리거 솔루션에 매우 적합할 것으로 보인다. 매우 우수한 성능을 제공하는 이 기술은 초저 전력을 사용해 기존 설계에 비교적 쉽게 추가될 수 있을 것이다.

여러 마이크의 신호를 분석하는 소음 제거 및 빔 포밍과 같은 알고리즘은 배열 내 개별 마이크 감도를 +/- 1dB이내로 정밀하게 맞추어야 한다. 스크리닝이나 비닝이 해결책이 될 수는 있으나, 마이크 설계자는 MEMS 제조 과정에서 프로세스와 관련된 변형들을 조절할 수 있는 조정 가능한 이득 값을 제공하는 ASIC을 찾고 있다.

그림 4. 디지털 출력이 가능한 소형 마이크를 구현하는 전 방향 델타-시그마 ADC
그림 4. 디지털 출력이 가능한 소형 마이크를 구현하는 전 방향 델타-시그마 ADC

 

LC706200 제품군은 고성능 솔루션을 제공한다. 이 소자는 피킹 보상을 위한 8kHZ 저주파 통과 필터를 사용한 -106dBFS의 낮은 입력 참조 잡음 및 온세미컨덕터의 기가-옴 저항기 프로세스에 영향을 미치는 저잡음 내부 바이어스와 레귤레이터 회로를 포함해 광범위한 작동 범위에서 향상된 선형 성능을 보장하는 많은 기능들을 갖추고 있다. 또한, 원치 않는 잡음이 신호 체인에 유입되는 것을 방지하는 고 전원 전압 제거비 (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) 및 음성 명령에 응답하는 절전 모드를 비롯해 저전력 모드를 포함한 전원 관리 등 고부가 기능들도 제공한다.

 

결론
컴퓨터와 스마트 기기를 사용하는 방식의 변화에 따라 보다 더 안정적이고 고성능으로 제공되는 MEMS 마이크에 대한 기대가 높아지고 있다. 현재 판매 중인 디지털 ASIC는 마이크 개발자가 이러한 요구 사항을 충족시키는 동급 최강의 제품을 제공할 능력을 최대화 시켜 준다.






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