KR101053424B1 - Method of detecting a signal of a capacitive microphone and circuit system for implementing thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for detecting the signal of a capacitive microphone and a circuit system for implementing thereof are provided to bring the integration with a CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) circuit by constituting a circuit for eliminating DC(Direct Current) element in a small area through a digital circuit. CONSTITUTION: A capacitance-voltage converter(C/V converter)(100) changes capacitance, which a sensor senses, into a voltage signal. A analog to digital converter(ADC)(200) changes an output from the C/V converter into a digital signal. A digital filter(300) extracts a DC(Direct Current) element from an ADC output signal. A digital to analog converter(DAC)(400) changes a DC element, which the digital filter extracts, into an analog signal. The C/V converter inputs a DC element, which the DAC outputs, in the C/V converter by deducting the DC element from the capacitance which sensor senses.

Description

캐패시티브 마이크로폰의 신호 검출 방법 및 이를 구현한 회로 시스템{METHOD OF DETECTING A SIGNAL OF A CAPACITIVE MICROPHONE AND CIRCUIT SYSTEM FOR IMPLEMENTING THEREOF}Signal detection method of capacitive microphone and circuit system embodying it {METHOD OF DETECTING A SIGNAL OF A CAPACITIVE MICROPHONE AND CIRCUIT SYSTEM FOR IMPLEMENTING THEREOF}

본 발명은 캐패시티브 마이크로폰(capacitive microphone)의 용량의 변화 검출 회로에 관한 것으로, 특히 스태틱 캐패시턴스(static capacitance)를 제거하여 신호의 동작 범위를 증대시키는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit for detecting a change in capacitance of a capacitive microphone, and more particularly to a technique for increasing the operating range of a signal by removing static capacitance.

캐패시티브 변환기(capacitive transducer)는 입력단에 신호 검출하는 수단으로서, 특히 캐패시티브 마이크로폰은 수신되는 음파에 따라 캐패시턴스가 변하여 신호로 변환하는데, 반영구적인 전기 분극 현상을 지니는 일렉트렛(electret)을 사용하여 수신되는 음파에 따라 캐패시턴스가 변화하면, 이에 따라 큰 전하량의 변화를 유도함으로써 높은 이득을 얻을 수 있도록 하는 디바이스이다.A capacitive transducer is a means of detecting a signal at the input stage. In particular, a capacitive microphone converts a capacitance into a signal according to a sound wave received, and uses an electret having a semi-permanent electric polarization phenomenon. When the capacitance changes according to the received sound wave, the device can obtain a high gain by inducing a large change in the amount of charge.

최근 초소형 마이크로시스템(MEMS) 기술이 발전됨에 따라 초소형의 용량성 마이크로폰 구조물을 만들기도 한다. 도1은 캐패시티브 마이크로폰의 전기적 등가모델을 도시한 도면이다. 그런데, 캐패시티브 마이크로폰은 일반적으로 단일 노드(single-ended)로 회로가 구성되므로, 정적으로 보유하고 있는 캐패시턴스 값을 음성신호로부터 분리하는 것이 용이하지 않다. Recent advances in micro-microsystems (MEMS) technology have led to the creation of very small capacitive microphone structures. 1 shows an electrical equivalent model of a capacitive microphone. By the way, since the capacitive microphone is generally composed of a single-ended circuit, it is not easy to separate the statically held capacitance value from the voice signal.

여기서, 정적으로 보유하고 있는 스태틱 캐패시턴스는 입력단의 아날로그 출력이 움직일 수 있는 동작 범위를 축소하기 때문에 센서의 성능 향상을 위해서는 이를 제거하는 것이 필요하다. 즉, 스태틱 캐패시턴스로 인하여 DC 신호가 발생하면 출력의 동적 동작 범위(dynamic range)가 축소되게 된다. 이와 같이 스태틱 캐패시턴스를 제거하기 위한 수단으로서 다양한 방법이 제안되었다. Here, static capacitance, which is statically held, reduces the operating range in which the analog output of the input stage can move, and thus it is necessary to remove it to improve the performance of the sensor. In other words, when a DC signal is generated due to the static capacitance, the dynamic range of the output is reduced. As such, various methods have been proposed as means for removing static capacitance.

흔히 당업계에서 통용되는 종래 기술로서 개별 소자(discrete device)를 사용해서 아날로그 필터를 구성하고 이를 캐패시티브 마이크로폰 출력단에 연결하면 스태틱 캐패시턴스로 인하여 발생하는 DC 성분을 제거할 수 있다. A conventional technique commonly used in the art is to construct an analog filter using discrete devices and connect it to the capacitive microphone output to eliminate the DC component caused by the static capacitance.

그러나 일반적으로 음성 신호는 20 ~ 20,000 Hz의 저주파 대역을 형성하므로 음성신호 대역의 손실 없이 DC 성분을 효과적으로 제거하기 위해서는 매우 낮은 차단 주파수(cut-off frequency)를 지닌 높은 차수 하이패스 필터(high-pass filter)가 필요하다. In general, however, speech signals form a low frequency band of 20 to 20,000 Hz, so a high order high-pass filter with a very low cut-off frequency is required to effectively remove DC components without loss of the speech signal band. filter).

현실적으로 이와 같은 하이패스 필터를 구현하기 위해서는 RC 시정수(time constant)가 매우 높아야 하므로, 결국 이를 회로적으로 만족하기 위해서는 저항값 및 캐패시터의 캐패시턴스 값이 매우 커지게 된다. 그 결과, 저항 및/또는 캐패시터의 크기가 커져 칩 면적을 넓게 점유하게 되므로, 캐패시티브 센서에서 DC 성분을 제거하기 위한 목적의 아날로그 필터를 CMOS 회로와 집적화하는 것이 용이하지 않게 된다.In reality, in order to implement such a high pass filter, the RC time constant must be very high. Therefore, in order to satisfy the circuit, the resistance value and the capacitance value of the capacitor become very large. As a result, the size of the resistors and / or capacitors becomes large, thus occupying a large chip area, making it difficult to integrate an analog filter with a CMOS circuit for the purpose of removing DC components from the capacitive sensor.

본 발명의 제1 목적은 캐패시티브 마이크로폰의 스태틱 캐패시턴스에 기인하는 DC의 성분을 효율적으로 제거하여 다이내믹 동작범위를 극대화하는 방법과 이를 구현한 회로 시스템을 제공하는데 있다. It is a first object of the present invention to provide a method of maximizing a dynamic operating range by efficiently removing a component of DC caused by a static capacitance of a capacitive microphone, and a circuit system implementing the same.

본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, CMOS 회로와의 집적화를 위하여, 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분을 제거하는 회로를 작은 면적에서 구현할 수 있는 기술을 제공하는데 있다. It is a second object of the present invention to provide a technique capable of implementing a circuit for removing a DC component of a capacitive microphone in a small area in addition to the first object.

본 발명은 캐패시턴스-전압 변환기(capacitance-voltage converter; 이하 'C/V 변환기'라 칭함)의 출력 신호를 아날로그-디지털 신호 변환기(Analog-to-Digital Converter; 이하 'ADC'라 칭함)를 거치도록 하고, 디지털 필터와 디지털-아날로그 신호 변환기(Digital-to-Analog Converter; 이하 'DAC'라 칭함)로 구성된 DC 성분 제거 궤환 회로의 출력 신호를 센서 입력 신호와 차감하여 상기 C/V 변환기에 입력하는 회로를 구성한다. 이때에, 변환된 디지털 신호는 디지털 필터를 통하여 DC 성분이 추출되며, 추출된 DC 성분은 다시 DAC 를 거쳐 C/V 변환기의 입력단에 마이크로폰 신호의 DC 성분을 보상하도록 차감하게 된다. The present invention allows the output signal of a capacitance-voltage converter (hereinafter referred to as a "C / V converter") to pass through an analog-to-digital converter (hereinafter referred to as "ADC"). And subtracting the output signal of the DC component removal feedback circuit composed of a digital filter and a digital-to-analog converter (hereinafter referred to as 'DAC') to the C / V converter. Configure the circuit. At this time, a DC component is extracted through the digital filter, and the extracted DC component is subtracted to compensate for the DC component of the microphone signal to the input terminal of the C / V converter again through the DAC.

본 발명은 캐패시티브 마이크로폰의 스태틱 캐패시턴스에 기인하는 DC의 성분을 효율적으로 제거함으로써 입력 신호의 다이내믹 동작범위를 극대화하는 장점이 있다. 본 발명은 디지털 회로를 통해 작은 면적에서 DC 성분 제거를 위한 회로를 구성하므로 CMOS 회로와의 집적화를 가능하게 한다. The present invention has the advantage of maximizing the dynamic operating range of the input signal by efficiently removing the DC component due to the static capacitance of the capacitive microphone. The present invention configures a circuit for removing DC components in a small area through a digital circuit, thereby enabling integration with a CMOS circuit.

본 발명에 따라 디지털 필터를 사용하여 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분 보상회로를 구현하는 경우, ADC는 단일 밴드가 저주파이기 때문에 양자화 잡음(quantization noise)을 고주파 부분으로 옮길 수 있는 델타 시그마 모듈레이터(DSM; delta-sigma modulator)를 이용한 오버샘플링 ADC를 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 디지털 필터로 DC 성분 보상회로를 구현할 경우, DSM의 첫번째 적분기(integrator)와 프론트엔드 증폭기를 서로 융합하여 구현할 수 있는 장점이 있다. 그 결과, 스위치 캐패시터의 캐패시턴스가 작은 경우 kT/C의 열잡음(thermal noise)가 증가하는 문제도 해결할 수 있다. When implementing the DC component compensation circuit of a capacitive microphone using a digital filter according to the present invention, the ADC is a delta sigma modulator (DSM) capable of transferring quantization noise to the high frequency part because a single band is low-frequency. An oversampling ADC using a delta-sigma modulator can be used. According to the present invention, when the DC component compensation circuit is implemented as a digital filter, the first integrator and the front end amplifier of the DSM may be fused to each other. As a result, when the capacitance of the switch capacitor is small, the problem of increasing thermal noise of kT / C also can be solved.

도1은 캐패시티브 마이크로폰의 등가 회로를 나타낸 도면.
도2는 본 발명에 따른 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분 보상회로를 구현하는 시스템 블록도.
도3은 본 발명에 따른 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분 보상회로를 구현하는 또 다른 양호한 실시예를 나타내는 도면.
도4a 및 도4b는 각각 공회전 톤(idle tone)이 존재하는 경우 시간에 따라 DC 성분이 보상되는 모습을 시간 영역과 주파수 영역에서 나타낸 도면.
도5는 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 공회전 상태 검출부(idle state detector)가 구비된 DC 성분 보상회로를 나타낸 도면.
도6은 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 스위치 캐패시터(switched capacitor)를 사용하여 프론트 엔드 증폭기(front end amplifier)를 구현한 회로를 나타낸 도면.
도7은 본 발명의 양호한 실시예에 따라 DSM 적분기와 결합된 프론트 엔드를 나타낸 도면.
도8은 본 발명의 또 다른 실시예로서 캐패시턴스를 추출하는 회로를 나타낸 도면.1 shows an equivalent circuit of a capacitive microphone.
2 is a system block diagram for implementing a DC component compensation circuit of a capacitive microphone according to the present invention.
3 illustrates another preferred embodiment of implementing a DC component compensation circuit of a capacitive microphone according to the present invention.
4A and 4B are diagrams illustrating the compensation of a DC component with time in the time domain and the frequency domain, respectively, when there is an idle tone.
Figure 5 shows a DC component compensation circuit with an idle state detector, in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates a circuit implementing a front end amplifier using a switched capacitor, in accordance with a preferred embodiment of the present invention. FIG.
Figure 7 illustrates a front end coupled with a DSM integrator in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
8 shows a circuit for extracting capacitance as another embodiment of the present invention.

이하에서는, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiment of this invention is described in detail, referring an accompanying drawing.

도2는 본 발명에 양호한 실시예에 따른 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분 보상회로를 구현하는 회로 시스템 구성을 나타낸 블록도이다. 도2를 참조하면, 본 발명은 캐패시티브 마이크로폰의 DC 캐패시턴스 부분을 제거하기 위한 보상회로(500)로서 기존의 아날로그 회로 대신에 디지털 필터(300)를 사용하는 것을 특징으로 한다. 하지만, 디지털 필터(300)의 출력이 결국에는 다시 아날로그 신호를 보상하여야 하므로 DAC(400)와 같은 변환기가 필요하다. 2 is a block diagram showing a circuit system configuration for implementing a DC component compensation circuit of a capacitive microphone according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the present invention is characterized by using the digital filter 300 as a compensation circuit 500 for removing the DC capacitance portion of the capacitive microphone instead of the existing analog circuit. However, a converter such as DAC 400 is needed because the output of the digital filter 300 will eventually have to compensate for the analog signal again.

다시 도2를 참조하면, DAC(400)의 출력은 입력신호(10)와 차감되어 DC 성분을 보상하게 되며, DC 성분이 차감된 신호가 C/V 변환기(100)에 입력된다. C/V 변환기(100) 출력은 다시 궤환되어 디지털 필터(300)로 입력된다.Referring back to FIG. 2, the output of the DAC 400 is subtracted from the input signal 10 to compensate for the DC component, and the signal deducted from the DC component is input to the C / V converter 100. The output of the C / V converter 100 is fed back to the digital filter 300.

도3은 본 발명에 따른 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분 보상회로를 구현하는 또 다른 양호한 실시예를 나타내는 도면이다. 앞서 도2를 참조하여 설명한 실시예의 경우 사용된 DAC(400)가 전력을 상당량 소모하고 칩 위에서 차지하는 면적이 넓다는 단점이 있을 수 있다. Fig. 3 shows another preferred embodiment of implementing the DC component compensation circuit of the capacitive microphone according to the present invention. In the case of the embodiment described with reference to FIG. 2, the used DAC 400 consumes a considerable amount of power and may have a large area on the chip.

이를 보완하기 위하여, 도3에 나타낸 실시예에서는 임의의 디지털 필터 출력을 매순간마다 아날로그 값으로 변환하는 것이 아니라, 이전의 아날로그 값을 이용해서 변화량을 적분하는 방식을 사용하는 것이 효율적일 수 있다. 따라서, 도3에 나타낸 실시예에서는 전력 소모가 적고 회로 구성이 비교적 간단한 아날로그 적분기(analog integrator; 410)를 적용해서 DC 성분 보상회로를 구현한다. 즉, 본 발명의 실시예는 디지털 필터가 지닌 로우패스필터(low-pass filter) 기능을 아날로그 회로인 DAC에 옮겨서 구현한 것이라고 볼 수 있다.To compensate for this, in the embodiment shown in FIG. 3, it may be efficient to use a method of integrating the amount of change using the previous analog value instead of converting an arbitrary digital filter output into an analog value every minute. Accordingly, in the embodiment shown in FIG. 3, an analog integrator 410 having low power consumption and relatively simple circuit configuration is applied to implement a DC component compensation circuit. In other words, the embodiment of the present invention can be seen that the low-pass filter function of the digital filter is implemented by replacing the analog circuit of the DAC.

한편, DC 성분 보상회로(500)의 출력이 입력단의 DC 값에 근접하여 안정화가 되면, DAC(400) 또는 아날로그 적분기(410)가 LSB(Lowest Significant Bit) 미만 값으로는 표현이 불가능하므로, 이를 표현하기 위해 일정한 주기에 걸쳐 LSB 값이 변하는 공회전 톤(idle tone)이 발생한다.On the other hand, when the output of the DC component compensation circuit 500 stabilizes near the DC value of the input terminal, the DAC 400 or the analog integrator 410 cannot be represented by a value less than the LSB (Lowest Significant Bit). To express, an idle tone is generated in which the LSB value changes over a period of time.

도4a 및 도4b는 각각 공회전 톤이 존재하는 경우 시간에 따라 DC 성분이 보상되는 모습을 시간 영역과 주파수 영역에서 나타낸 도면이다. 도4a 및 도4b를 참조하면, 공회전 톤은 신호 대역 내에서 많은 고조파(harmornics) 성분으로 나타나 시스템의 신호대 잡음비(SNR)을 열화시킨다.4A and 4B are diagrams illustrating the compensation of a DC component with time in the time domain and the frequency domain when there is an idle tone, respectively. 4A and 4B, idle tones appear as many harmonics components in the signal band, degrading the signal-to-noise ratio (SNR) of the system.

이러한 공회전 톤을 제거하기 위한 방법으로 디더링(dithering) 방법을 생각할 수 있다. 그런데, 캐패시티브 마이크로폰 회로에 디더링을 적용할 경우, 디더링 신호 자체가 잡음이 되어 SNR를 개선하는데 방해가 될 수 있으므로, 본 발명에서는 별도의 디지털 필터를 구비해서 일정 주기 내에 DC 성분을 체크하고 DC 성분이 충분히 제거되었다고 판단되면 DC 성분 보상회로(500) 동작을 공회전 모드(idle mode)로 두어 일정한 LSB 미만의 오차를 두고 동작을 중지하도록 할 수 있다.As a method for removing such idle tones, a dithering method can be considered. However, when dithering is applied to the capacitive microphone circuit, since the dithering signal itself becomes a noise, it may interfere with the improvement of the SNR. In the present invention, a separate digital filter is provided to check the DC component within a predetermined period and the DC When it is determined that the component has been sufficiently removed, the operation of the DC component compensation circuit 500 may be placed in an idle mode to stop the operation with an error less than a predetermined LSB.

도5는 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 공회전 상태 검출부(idle state detector)가 구비된 DC 성분 보상회로를 나타낸 도면이다. 도5를 참조하면, 도1의 DC 성분 보상회로(500)의 출력을 체크하여 DC 성분이 일정 레벨이상이 되면 공회전 상태 검출부(800)가 작동하여 동작을 중지하도록 한다.FIG. 5 is a diagram showing a DC component compensation circuit equipped with an idle state detector according to a preferred embodiment of the present invention. 5, when the output of the DC component compensation circuit 500 of FIG. 1 is checked, when the DC component reaches a predetermined level or more, the idle state detection unit 800 operates to stop the operation.

다시 도1을 참조하면, CMOS 회로에서 디지털 신호로 변환하기 위해서는 캐패시턴스 또는 전하량으로 표현되는 음성신호를 전압신호로 변환하여 처리하는 것이 바람직하다. 이와 함께 DC 성분 보상회로(500)로부터 궤환된 아날로그 신호를 참조하여 마이크로폰의 DC 신호를 참조하여 마이크로폰의 DC 신호를 C/V 변환기(100) 앞단에서 제거 한다.Referring back to FIG. 1, in order to convert a CMOS signal into a digital signal, it is preferable to convert a voice signal expressed by capacitance or charge amount into a voltage signal and process the same. In addition, the DC signal of the microphone is removed from the front end of the C / V converter 100 by referring to the DC signal of the microphone with reference to the analog signal fed back from the DC component compensation circuit 500.

도6은 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 스위치 캐패시터를 사용하여 프론트 엔드 증폭기(front end amplifier)를 구현한 회로를 나타낸 도면이다. 스위치 캐패시터(switched capacitor)를 이용하면 캐패시턴스를 시간 영역에서 저항 성분으로 표현 가능하게 되며, 두개의 캐패시터의 비율에 의해 출력이 나타나므로 고정된 캐패시터 값을 이용해서 마이크로폰의 캐패시턴스를 상대적으로 측정하는 것이 가능하다. 6 is a diagram illustrating a circuit implementing a front end amplifier using a switch capacitor, according to a preferred embodiment of the present invention. Switched capacitors allow the capacitance to be expressed as a resistive component in the time domain, and the output is represented by the ratio of two capacitors, making it possible to measure the capacitance of the microphone relatively using a fixed capacitor value. Do.

도6을 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예로서 스위치 캐패시터를 이용하여 C/V 변환기를 구현하고 있다. 마이크로폰의 신호가 전달되는 경로 A와, 마이크로폰의 스태틱 캐패시턴스 제거를 위한 경로 B가 구현되어 있다. 경로 A에서는 전압이 고정되어 있으며 캐패시턴스에 따라 전하량이 결정되고, 경로 B에서는 고정된 값의 캐패시터에 전압의 크기가 변하여 전하량이 결정된다. DC 성분 보상회로로부터 온 아날로그 전압 신호에 따라 경로 A의 DC 성분과 값의 크기는 동일하지만 반대의 극성으로 형성되어 경로 A의 DC 성분을 제거하게 된다.6, a C / V converter is implemented using a switch capacitor as a preferred embodiment of the present invention. The path A through which the signal of the microphone is transmitted and the path B for removing the static capacitance of the microphone are implemented. In path A, the voltage is fixed and the amount of charge is determined according to the capacitance. In path B, the amount of voltage is changed in the capacitor of a fixed value and the amount of charge is determined. According to the analog voltage signal from the DC component compensating circuit, the magnitude of the DC component and the value of the path A are the same, but are formed in opposite polarities to remove the DC component of the path A.

도7은 본 발명의 양호한 실시예에 따라 DSM 적분기와 결합된 프론트 엔드를 나타낸 도면이다. 도6에서 설명한 스위치 캐패시터를 이용하여 캐패시터 값을 독출하는 경우 Ci 값이 작으면 열잡음이 커지는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위에서, 본 발명의 양호한 실시예로서 델타 시그마 모듈레이터와 같은 방식으로 값을 차감하는 경우 Ci가 적분기의 캐패시턴스로 동작하기 때문에 열잡음에 영향을 미치지 않는 장점이 있다. 7 shows a front end coupled with a DSM integrator in accordance with a preferred embodiment of the present invention. When the capacitor value is read using the switch capacitor described with reference to FIG. 6, when the value of C i is small, thermal noise may increase. In order to solve such a problem, as a preferred embodiment of the present invention, when the value is subtracted in the same manner as the delta sigma modulator, C i operates as the integrator's capacitance, which does not affect the thermal noise.

또한, 도7을 참조하면, 델타 시그마 모듈레이터의 첫번째 적분기와 프론트 엔드 증폭기가 융합되어 구성되므로 증폭기 스테이지를 줄일 수 있는 장점도 있다. 도7에서 경로 A는 MIC의 캐패시턴스 변화에 따라 전하가 공급되는 것이고, 경로 B는 DC 상쇄를 위해 디지털 회로에서 조절된 CTRL 전압에 의해 값으로 전하를 차감하는 경로이다. 경로C는 DSM 동작을 위해서 DSM의 출력에 따라 전하를 가감하는 경로가 된다.Referring to FIG. 7, the first integrator of the delta sigma modulator and the front end amplifier are fused to each other, thereby reducing the amplifier stage. In Fig. 7, path A is supplied with charge according to the capacitance change of the MIC, and path B is a path that subtracts the charge by a value controlled by the CTRL voltage in the digital circuit for DC cancellation. Path C is a path for adding and subtracting charges according to the output of the DSM for DSM operation.

도8은 본 발명의 또 다른 실시예로서 캐패시턴스를 추출하는 회로를 나타낸 도면이다. 도8을 참조하면, 매우 낮은 임피던스 값을 지닌 입력단에 마이크로폰을 연결하여 캐패시턴스의 변화에 따라 생성되는 전하량을 적분하여 신호를 생성한다. 이를 구현하기 위하여, 가상접지(virtual ground)를 갖는 OP AMP와 적분을 위한 캐패시터 Ci가 필요하며, Ci의 크기에 따라 신호의 이득이 결정된다. 8 is a diagram illustrating a circuit for extracting capacitance as another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, a microphone is connected to an input terminal having a very low impedance value to generate a signal by integrating an amount of charge generated according to a change in capacitance. To implement this, an OP AMP having a virtual ground and a capacitor C i for integration are required, and the gain of the signal is determined according to the size of C i .

그러나 도8에 도시한 실시예는 적분기 특성에 따라 초기값이 DC로 결정되므로 이를 제거하여야 동적작동범위를 극대화할 수 있다. 경로 B의 캐패시터를 이용하면 출력이 캐패시터의 비율과 전압에 따라 일정 전압을 갖게 되므로, 경로 B의 전압을 DC 성분 보상회로의 출력으로 조절하여 C/V 변환기의 DC 출력을 조절할 수 있다. However, in the embodiment shown in FIG. 8, the initial value is determined as DC according to the integrator characteristic, and thus, the dynamic value may be maximized by removing it. When the capacitor of the path B is used, the output has a constant voltage according to the ratio and voltage of the capacitor. Therefore, the DC output of the C / V converter can be adjusted by adjusting the voltage of the path B to the output of the DC component compensation circuit.

본 발명은 디지털 필터를 사용하여 캐패시티브 마이크로폰의 DC 성분을 제거하여 다이내믹 동작 범위를 극대화하므로, 적은 칩면적으로 CMOS 시스템 집적화를 가능하게 한다.The present invention utilizes a digital filter to remove the DC component of the capacitive microphone to maximize the dynamic range of operation, thereby enabling CMOS system integration with a small chip area.

10 : 입력신호
100 : C/V 변환기
300 : 디지털 필터
400 : DAC
410 : 아날로그 적분기
500 : 보상회로
800 : 검출부10: input signal
100: C / V Converter
300: digital filter
400: DAC
410: analog integrator
500: compensation circuit
800 detection unit

Claims (6)

센서가 감지하는 캐패시턴스를 전압 신호로 변환하는 캐패시턴스-전압 변환기('C/V 변환기');
상기 C/V 변환기 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 신호 변환기('ADC');
상기 ADC 출력 신호로부터 DC 성분을 추출하는 디지털 필터; 및
상기 디지털 필터가 추출한 DC 성분을 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기('DAC');
로 구성되고, 상기 C/V 변환기는 상기 DAC가 출력하는 DC 성분을 상기 센서가 감지한 캐패시턴스로부터 차감하여 상기 C/V 변환기에 입력하는 것을 특징으로 하는 캐패시턴스 감지 회로.A capacitance-to-voltage converter ('C / V converter') for converting the capacitance sensed by the sensor into a voltage signal;
An analog-to-digital signal converter ('ADC') for converting the C / V converter output into a digital signal;
A digital filter extracting a DC component from the ADC output signal; And
A digital-to-analog converter (DAC) for converting the DC component extracted by the digital filter into an analog signal;
And the C / V converter subtracts the DC component output from the DAC from the capacitance sensed by the sensor and inputs the DC component to the C / V converter. 센서가 감지하는 캐패시턴스를 전압 신호로 변환하는 캐패시턴스-전압 변환기('C/V 변환기');
상기 C/V 변환기 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 신호 변환기('ADC');
상기 ADC 출력 신호로부터 DC 성분을 추출하는 디지털 필터; 및
상기 디지털 필터가 추출한 DC 성분의 변화량을 적분하는 아날로그 적분기;
로 구성되고, 상기 C/V 변환기는 상기 아날로그 적분기가 출력하는 DC 성분을 상기 센서가 감지한 캐패시턴스로부터 차감하여 상기 C/V 변환기에 입력하는 것을 특징으로 하는 캐패시턴스 감지 회로.A capacitance-to-voltage converter ('C / V converter') for converting the capacitance sensed by the sensor into a voltage signal;
An analog-to-digital signal converter ('ADC') for converting the C / V converter output into a digital signal;
A digital filter extracting a DC component from the ADC output signal; And
An analog integrator for integrating the amount of change in the DC component extracted by the digital filter;
Wherein the C / V converter subtracts the DC component output by the analog integrator from the capacitance sensed by the sensor and inputs the DC component to the C / V converter. 제1항에 있어서, 상기 ADC는 델타 시그마 모듈레이터(DSM)를 이용한 오버샘플링 ADC를 포함하는 캐패시턴스 감지 회로.The capacitance sensing circuit of claim 1, wherein the ADC comprises an oversampling ADC using a delta sigma modulator (DSM). 제1항에 있어서, 상기 캐패시턴스 감지 회로는 공회전 상태 검출기(idle state detector)를 더 포함하고, 선정된 주기 내에 추출된 DC 성분이 선정된 값 미만의 값으로 오차를 두고 변화하는 경우 상기 공회전 상태 검출기는, 상기 디지털 필터와 ADC 로 구성되는 DC 성분 보상회로의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 하는 캐패시턴스 감지 회로. The idle state detector of claim 1, further comprising an idle state detector, wherein the idle state detector changes when an extracted DC component within a predetermined period is changed to a value less than a predetermined value. The capacitance detection circuit, characterized in that for stopping the operation of the DC component compensation circuit consisting of the digital filter and the ADC. 제2항에 있어서, 상기 캐패시턴스 감지 회로는 공회전 상태 검출기(idle state detector)를 더 포함하고, 선정된 주기 내에 추출된 DC 성분이 선정된 값 미만의 값으로 오차를 두고 변화하는 경우 상기 공회전 상태 검출기는, 상기 디지털 필터와 아날로그 적분기로 구성되는 DC 성분 보상회로의 동작을 중단시키는 것을 특징으로 하는 캐패시턴스 감지 회로. 3. The idle state detector of claim 2, wherein the capacitance sensing circuit further comprises an idle state detector, wherein the idle state detector changes when a DC component extracted within a predetermined period is changed to a value less than a predetermined value. The capacitance detection circuit, characterized in that for stopping the operation of the DC component compensation circuit composed of the digital filter and the analog integrator. 제3항에 있어서, 상기 C/V 변환기는 스위치 캐패시터(switched capacitor) 회로로 구성되고, 상기 스위치 캐패시터를 구성하는 OP AMP의 입력단에 센서가 감지하는 전하를 공급하는 경로 A와, DC 보상을 위해 콘트롤 전압에 의해 전하를 차감하는 경로 B와, 상기 델타 시그마 모듈레이터 동작을 위해 DSM의 출력에 따라 전하를 가감하는 경로 C를 구비하여 입력받는 것을 특징으로 하는 캐패시턴스 감지 회로. 4. The C / V converter of claim 3, wherein the C / V converter is composed of a switched capacitor circuit, and provides a path A for supplying charge sensed by a sensor to an input terminal of an OP AMP constituting the switch capacitor, and for DC compensation. And a path B for subtracting electric charge by a control voltage and a path C for subtracting electric charge according to the output of the DSM for operation of the delta sigma modulator.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR880701381A (en) * 1986-04-23 1988-07-26 로버트 알.쿠이만 Measuring circuit
JP2002521671A (en) 1998-07-23 2002-07-16 インフィネオン テクノロジース アクチエンゲゼルシャフト Method of detecting very small capacitance and its use
JP2008224292A (en) 2007-03-09 2008-09-25 Sanyo Electric Co Ltd Capacitance change detection circuit
JP2009198385A (en) 2008-02-22 2009-09-03 Rhythm Watch Co Ltd Wiretap detector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR880701381A (en) * 1986-04-23 1988-07-26 로버트 알.쿠이만 Measuring circuit
JP2002521671A (en) 1998-07-23 2002-07-16 インフィネオン テクノロジース アクチエンゲゼルシャフト Method of detecting very small capacitance and its use
JP2008224292A (en) 2007-03-09 2008-09-25 Sanyo Electric Co Ltd Capacitance change detection circuit
JP2009198385A (en) 2008-02-22 2009-09-03 Rhythm Watch Co Ltd Wiretap detector

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108169575A (en) * 2018-01-16 2018-06-15 云南电网有限责任公司电力科学研究院 The test device and method of a kind of CVT capacitances dielectric loss and capacitance
CN108169575B (en) * 2018-01-16 2020-07-17 云南电网有限责任公司电力科学研究院 Method for testing dielectric loss and capacitance of CVT capacitor

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