Microphones are widely used in various applications, from low-end toys to high performance multimedia equipment such as mobile phones, laptop computers, etc. Among various types of microphones, electret condenser microphones (ECMs) have been the most popular by virtue of strengths such as their structural compactness and the absence of need for a polarization power supply. The ECM can be simply modeled as a high output-impedance capacitive voltage source which needs a high input-impedance buffer for signal readout with minimμA loss. This buffer is assembled in the ECM package. Traditional JFET-based analog ECMs, in which a JFET is used as the readout buffer, have long been popular owing to their compactness and low cost. Although JFET-based analog ECMs have been successfully applied in many commercial acoustic applications, such analog signal transfer is problematic in certain applications that have high power transmission or high speed digital switching. Under such conditions, the analog signal from the ECM is prone to corruption by the surrounding noise. Thus, amplifiers for such applications usually have relatively low output impedance, which results in low gain. This noise coupling problem can be alleviated by replacing the JFET amplifier with a CMOS amplifier with low output impedance, owing to overall feedback. Further improvement is also possible by completing the A/D conversion inside the ECM canister and providing a digital output. This advanced type of microphone is called a digital ECM.
ADC development for digital ECMs faces several design challenges, such as a high impedance interface for the electret capacitor, small chip size to be embedded in a compact microphone canister, minimμA nμAber of I/O pads, no use of external components, switching noise decoupling, and so forth. In this dissertation, design techniques for compact high performance single-chip ADC for digital ECMs which features wide dynamic gain range, full audio-bandwidth, low power consμAption, and compact chip size are presented. A 20kHz audio-band ADC with a single power pad is implemented for digital ECMs. The designed low-noise preamplifier provides not only an amplified signal to the ADC but also an excellent interface for the electret capacitor. A low power $4^{th}$-order feedforward switched-capacitor (SC) $\Sigma$$\Delta$ modulator converts the analog signal into a 1-bit digital signal. Under the single power-supply pad condition, the switching noise effect on the signal quality is estimated via post simulations with simplified parasitic models. Performance degradation is minimized by time-domain noise isolation with sufficient time-spacing between the sampling edge and the output transition. The prototype ADC was implemented in a 0.18 μm CMOS process, and the chip size is only 0.75 mm x 0.77 mm. It operates under a minimum supply voltage of 1.6 V with total current of 420 μA. Operating at 2.56 MHz clock frequency, it achieves 84 dB dynamic range and a 64 dB peak signal-to-(noise + distortion) ratio. The measured power supply rejection at a 100 mVpp 217 Hz square wave is -72 dB without any supply regulation.
마이크로폰은 장난감 등의 저가형 제품으로부터 휴대폰, 노트북 등의 고성능 멀티미디어 기기에 이르기까지 다양한 응용에 폭넓게 사용되고 있다. 여거가지 마이크로폰의 형태 중에서 ECM 마이크는 경박단소한 특성 및 별도의 전원이 필요없다는 점에서 가장 많이 사용되고 있다. ECM은 구조상 고출력저항을 갖는 용량성 전원으로 볼 수 있고, 따라서 신호 손실의 최소화를 위해서 리드아웃 버퍼를 필요로 한다. 전통적인 상업용 마이크로폰에서는 JFET을 마이크로폰 캔 속에 넣어 이 기능을 성공적으로 구현해 왔으나, 휴대폰 등의 복잡한 멀티미디어 기계에 적용될 시 그 출력신호가 보드상의 노이즈 등에 취약한 점이 단점으로 지적되어 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 리드아웃 버퍼뿐아니라 ADC 전체를 캔 속에 집적하는 구조가 연구되어 왔고 이를 통상 디지털 마이크로폰이라고 칭한다. 본 논문에서는 상업적으로 이용가능한 디지털 마이크로폰을 구현하는 것은 목표로 한다.
디지털 마이크로폰에 적용할 ADC는 여러가지 설계 이슈에 직면하게 되는데, 대표적인 문제들로 electrets capacitor와의 인터페이스 설계, 패드 개수를 최소화한 작은 칩사이즈 구현, 외부 부품제거, 스위칭 노이즈 영향 최소화 등을 들 수 있다. 본 논문에서는 20KHz 오디오 신호대역을 가지면서도 저전력의 높은 다이나믹 영역을 갖는 단일칩 ADC를 설계하기 위한 디자인 기법들을 제시한다. 제안된 gm-Opamp-RC 구조의 저전력 전치증폭기는 신호의 증폭기능과 마이크로폰 센서와의 인터페이스 기능을 성공적으로 수행한다. 저전력 4차 SC 시그마-델타 모듈레이터가 설계되었으며, 단일전원 조건하에서 디지털 노이즈에 의한 아날로그 회로의 성능저하를 막기 위해서 다양한 각도에서 검증이 이루어 졌으며, 이를 바탕으로 새롭게 시간영역 노이즈 분리기법을 제시하여 전원 레귤레이터를 제거하였으며 그 효과를 입증하였다. 시제품으로 제작된 ADC는 0.18 μm CMOS 공정을 이용하였고, 패드까지 포함한 칩 사이즈는 0.75mm x 0.77mm으로 마이크로폰 캔에 집적하기에 충분하게 컴팩트하다. 제작된 회로는 1.6V 전원에서 420 μA의 전류를 소모한다. 2.56MHz의 클럭 주파수에서 84dB 다이나믹 영역을 가지고, 최대 64dB의 신호대 잡음비 성능을 보여주었다. 100mVpp 217Hz의 전원 노이즈 환경 하에서 측정된 PSR은 -72dB이다. 이로써 시간영역 노이즈 제거기법이 상당히 효과적임을 확인하였다.
