디지털 마이크로폰 기술을 이용한 모바일기기의 오디오 품질 향상

마이크로폰 기술과 소신호 A/D 컨버터 IC가 발전하면서 ECM(electret condenser microphone)이 이제 디지털 오디오 출력을 제공할 수 있게 되었으며 그럼으로써 마이크로폰 애플리케이션으로 새로운 기능들이 가능하게 되었다. 수년에 걸쳐서 제조업체들은 감도, SNR, 리플로우 솔더링, A/D 컨버터 성능을 비롯해서 ECM의 성능을 향상시키고자 애써 왔다. A/D 컨버터 IC가 크게 향상됨으로써 고성능 디지털 마이크 부품이 가능하게 되었을 뿐만 아니라 이제는 MEMS 기법을 이용한 마이크 부품이 제조되고 있다. 또한 이 두 방향의 발전이 하나로 합쳐지고 있다. 본 글에서는 첨단 모바일기기에 이용되는 마이크로폰 부품의 시장 및 기술 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

Yongjin Luo / 페어차일드 반도체(Roger.Luo@fairchildsemi.com)

마이크로폰 기술과 소신호 A/D IC가 발전하면서 ECM(electret condenser microphone)이 이제 디지털 오디오 출력을 제공할 수 있게 되었으며, 그럼으로써 모바일 단말기, 태블릿, PC의 마이크로폰 애플리케이션으로 에코 제거, wind noise 필터링, 기타 첨단 오디오 프로세싱 등의 새로운 기능들이 가능하게 되었다.
디지털 마이크 부품은 시스템으로 유입되는 잡음에 좀더 내성이 뛰어나다. 셀룰러 무선 IC, 블루투스 및 와이파이 IC, 초고속 애플리케이션 프로세서 등과 같은 다수의 잡음 소스를 좁은 공간으로 집어넣음으로써 이 점이 갈수록 더 중요해지고 있다.
수년에 걸쳐서 마이크 부품 제조업체들은 감도, 신호대 잡음비(SNR), 리플로우 솔더링, A/D 컨버터 성능 측면에서 ECM의 성능을 향상시키기 위해서 노력해 왔다. A/D 컨버터 IC가 크게 향상됨으로써 고성능 디지털 마이크가 가능해졌을 뿐만 아니라 마이크 부품 제조에 MEMS 기법을 적용하고 있다. 또한 이 두 방향의 발전을 하나로 융합한 변화가 일어나고 있다.

시장 동향
ECM 및 MEMS A/D 컨버터가 등장하면서 수십 년 동안 마이크 부품에 이용되어 왔던 전통적인 JFET(junction field effect transistor)의 권위에 도전장을 내밀고 있다. 이제는 경제적인 가격대로 마이크로 디지털 오디오 출력을 제공할 수 있게 되었으며 그럼으로써 아날로그 출력 마이크 부품과는 다르게 단말기, 태블릿, PC 등에서 거의 어느 위치에나 마이크 부품을 탑재할 수 있게 되었다.
MEMS 마이크로폰은 micro-electromechanical 기술을 이용해서 실리콘으로 음압 검출 멤브레인을 식각하는 방식으로 구현한 실리콘 다이어프램을 이용한다.

 MEMS의 장점 (ECM과 비교)
 본질적으로 평탄한 온도 계수 (온도 보정 불필요)
 MEMS가 어셈블리가 더 용이
 리플로우 솔더링 시에 열 허용성이 더 우수 (열 스트레스에 의한 성능 변화를 일으키지 않는다.)

 MEMS의 단점 (ECM과 비교)
 대역폭이 좁다
 MEMS 다이어프램이 더 손상되기 쉽다
 (현재로서는) 다소 비싸다

마이크 부품의 시장 규모는 이들 부품이 이용되는 시스템 대수를 훨씬 뛰어넘는데 그 이유는 간단하다. 3D 사운드, 에코 제거, 잡음 제거 같은 첨단 오디오 프로세싱 기능을 위해서는 하나의 시스템에 하나 이상의 마이크 부품을 필요로 하기 때문이다. 이러한 이유에서 마이크 시장의 모든 부문이 빠르게 성장하고 있다.
지금은 디지털 ECM 분야가 성장세를 타고 있으며 그 다음 성장 주자는 디지털 MEMS 분야가 될 것이다. 이 시장 분야가 2014년에는 8억5천만 개 이상에 달할 것으로 전망된다.
아날로그 IC 제품의 세계적인 회사로서 Fairchild는 디지털 경향에 발맞추어서 이제 ECM 마이크에 이용할 수 있도록 4차 시그마 델타 기법을 이용한 고성능 전치증폭기 + A/D 마이크 IC 제품을 개발하고 있다.

기술 동향
(그림 2)는 디지털 ECM 마이크로폰의 기본적인 구조를 보여준다. 일렉트릿 멤브레인(통상적으로 충전 폴리머 소재)이나 실리콘 MEMS 멤브레인을 이용해서 음압(sound pressure)을 전압으로 변환한다. 이 마이크 IC는 잡음이 극히 낮은 연산 증폭기, 고성능 델타-시그마 A/D 컨버터, 스트레오 오디오 또는 시분할 다중화 오디오를 가능하게 하는 PDM 디지털 인터페이스로 이루어졌다.
(그림 2)와 (그림 3)과 같은 구조의 첨단의 고성능 디지털 ECM 마이크 IC를 (표 1)과 같은 특성으로 설명할 수 있다.

마이크로폰 감도
국제 규격에서는 1파스칼(Pa)을 94dB(SPL)로 정의하고 있다. 마이크로폰의 감도 사양과 관련해서 이를 기준점으로 이용하고 있다.

Sound Pressure Level (SPL) = 20 Log1010 (P/P0) = 10 Log10 (P/P0)2
여기서 P는 음압 값, 기준값 P0 =2 x 10-5 N/m2는 `가청 임계`

통상적인 ECM의 감도는 -44dBV/Pa에서부터 -38dBV/Pa에 이른다. 그러므로 통상적인 ECM이 1파스칼의 음압을 수신하면 증폭기 입력에서 -44dBV에서 -38dBV에 이르는 평균 전압 변동이 증폭기 프론트엔드로 인가된다. 여기서 1dBV는 1Vrms에 해당된다. 이것이 ECM 출력 전압의 측정 단위로 이용된다. 그러므로 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

-42dBV=7.9mVRMS=22.5mVP-P

어떤 ECM이 120dB SPL의 음압을 수신하면 다음에 해당되는 전압을 발생시킨다.

120dBSPL - 94dBPa/SPL - 42dBV/Pa=-16dBV or 158.4mVRMS.

위의 ECM 사양 표에서 이용된 dBFS(dB Full Scale)은 ADC 레퍼런스 전압에 대한 ADC 입력 전압 비의 로그값으로서 다음과 같다.

20*log10(VIN * AV / VREF)=dBFS

통상적으로 Av(증폭기 이득)와 VREF(ADC 레퍼런스 전압)를, 입력 음압이 120dB SPL일 때 VIN * AV/VREF = 1이 되도록 설정한다. 이 마이크의 컨버터 IC로 이러한 설정들이 이미 구성되어 있으며, 0dBFS는 120dB SPL에 해당되고 -26dBFS는 94dB SPL에 해당된다.
(표 2)를 보면 각종 소리의 관계를 좀더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
SNR 및 잡음 제거와 관련해서, SNR은 대체로 dBc(`c`는 `carrier`를 의미함)나 dB로 표시한다. 통상적으로 잡음을 기준값으로 해서 dBc를 이용해서 신호 세기 로그값을 나타낸다. 그러므로 위의 사양 표에서 SNR을 62dBc(A-weighted)@94dB SPL(-26dBFS에 해당)로 나타내고 있다.
그러므로 SNR을 또한 다음과 같이 표현할 수 있다.

62dBc(A)@94dB SPL(-26dBFS), Calculated at -26dBFS/Pa sensitivity,
SNR = (sensitivity - noise floor), or 0dBc(A)@32dB SPL(-88dBFS)

SNR=0dBc라는 것은 유효 신호 세기가 잡음 세기와 같다는 뜻으로서, 발생된 잡음 플로어는 32dB(SPL)이고 해당되는 잡음 전압은 32dBSPL - 94dBPA/SPL - 42dBV/Pa=-104 dBV=6.3μVRMS이다. 이들 수치로부터 이 ECM 디지털 마이크로폰 칩의 동적 입력 음압 범위가 32~120dB(SPL)이라는 것을 알 수 있다.

요약
모바일기기의 오디오 품질을 향상시키고 더욱 더 풍부한 사용자 경험을 제공하기 위해서 고성능 디지털 마이크로폰 기술이 중요한 역할을 한다. 디지털 기술은 잡음 제거와 필터링 등과 같은 향상된 기능들을 가능하게 할 뿐만 아니라 하나의 시스템으로 다수의 디지털 마이크로폰을 이용함으로써 더 우수한 잡음 제거와 픽업 방향을 달성할 수 있다.
소음이 심한 환경에서 휴대기기의 사용이 늘어나고 휴대전화나 다자간 통신 서비스로 갈수록 더 우수한 사운드 품질을 요구함에 따라서 향상된 디지털 마이크로폰 기술에 대한 요구가 갈수록 더 높아질 것이다.

<그림 1> 마이크로폰 부품 시장 규모
<그림 2> 디지털 마이크론 부품의 기본적인 구조
<그림 3> A/D 컨버터 IC 블록 다이어그램
<표 1> ECM 마이크 IC 사양
<표 2> 각종 소리의 대략적인 dB(SPL) 레벨
(출처: S.S. Stevens, F. Warshofsky, Sound and Hearing, Time-Life Books, 1965)