모바일 오디오 피델리티와 기능을 위한 반도체 솔루션
모바일 시장에서 오디오 피델리티와 기능(Fidelity and Functionality)은 음악 및 영화 청취, 전화 통화 등과 관련하여 혁신을 주도하고 있다. 그 결과, 반도체 공급업체들은 오디오 포트와 헤드셋의 요구사항을 충족시키는 오디오 솔루션 개발 과제에 직면해 있다. 여기서는 다양한 형태의 클릭-앤-팝 감소, 헤드셋에 대한 세계 표준 준수 사항 등을 포함하여 새로운 솔루션 몇 가지에 대해 설명한다.
Enrique O. Rodriguez, Seth Prentice 페어차일드 반도체
지난 2년 동안 보스(Bose), 젠하이저(Sennheiser), 얼티메이트 이어즈(Ulti mate Ears), 몬스터(Monster), 하만 가든(Harman Kardon) 등과 같은 헤드폰 및 헤드셋 제조업체들은 HTC, 삼성, 애플 등을 포함한 주요 스마트폰 제조업체들과 협력하여 새로운 제품을 개발해 왔다.
제품이 다양해짐에 따라 과거의 기본적인 헤드폰은 통화 수신, 볼륨 업/다운, 재생/중지, 마이크 등을 조정하여 스마트폰의 성능을 지원하는 헤드셋으로 확장되었다.
현재 차세대 헤드셋은 잡음 감소 및 제거 등과 같이 다양한 기능을 통해 오디오 피델리티를 향상시키는 능동-구동(Active-driving) 디바이스를 포함하고 있다. 스마트폰 제조 업체들은 다양한 제조 업체들이 제공하는 헤드폰 및 헤드셋이 모든 기기와 동작할 수 있도록 지원해야만 한다.
이와 같은 고객의 요구를 충족시키기 위해, 제조 업체들은 반도체 공급 업체들과 협력하여 헤드폰 액세서리 도입을 지원하고 있다.
기술적으로 어려운 또 다른 측면은, 다양한 스마트폰 모델이 완전히 다른 오디오 코덱 솔루션을 제공할 수도 있다는 것이다.
예를 들어 삼성 갤러시S2(Galaxy S짋 Ⅱ GT-i9100)에 대한 iSuppli와 iFixit의 분석 보고서를 살펴보면, 우리는 한 가지 형태의 오디오 코덱을 볼 수 있지만 삼성 갤럭시 S3는 다른 것을 찾을 수 있다. 두 개의 오디오 코덱은 잡음 감소, 파라미터 이퀄라이제이션, 통합 헤드폰 커패시터 등을 포함하여 기능적인 측면에서 다르다. 이들이 전혀 다른 오디오 코덱 디바이스라도 ‘상대적으로’ 동일한 성능으로 모든 이전 헤드셋들과 동작해야 한다.
결과적으로, 많은 스마트폰 제조업체들이 오디오 액세서리의 가용성이 동일하게 유지될 수 있도록 지원하기 위해 추가적인 오디오 잭 감지 디바이스를 사용해야만 했다.
3.5mm 오디오 잭과 부착된 헤드셋 측면에서 추가적인 문제를 분석해 보면, 사용자는 애프터마켓 또는 OEM 헤드폰을 모바일 기기에 플러그인 해야 한다. 이러한 측면에서 헤드셋은 플러그인 될 때 헤드셋 플러그의 좌우 커넥터 상에 신호 과도현상이 있어서는 안 된다. 이것은 삽입 클릭-앤-팝(Click-and-pop)이라고 하는 가청 클릭 또는 팝의 원인이 될 수 있다.
일단 헤드폰이 연결되면, 전화기는 알맞은 오디오 및 제어 신호를 적용하기 위해 헤드셋 감지 프로세스를 수행해야 한다. 감지 기능으로는 3극 또는 4극 헤드폰, 활성 또는 비활성 헤드셋, GND 및 MIC 플러그 극성 확인 등이 있다. 이러한 특정 감지 단계에서 가청 클릭 또는 팝이 있어서는 안 된다. 일단 플러그가 식별되어 오디오 코덱 또는 베이스밴드에 고지된 후, 오디오 및 제어 신호가 헤드폰에 적용된다. 동작 모드에서의 감지 방법이 오디오 피델리티를 저하시켜서는 안 된다.
플러그 삽입 및 제거
오디오 플러그의 삽입 또는 제거 시, 팝-앤-클릭 사운드는 2개의 오디오 증폭기가 활성화 될 때 나타나는 MIC 바이어스에 의해 발생할 수 있다. 이것은 일반적으로 부적절한 절연 타이밍 또는 바이어스 게이팅에 의해 발생한다. 플러그가 삽입 또는 제거될 때, 터미널이 이전의 바이어스들을 긁어 팝-앤-클릭을 생성한다. 이와 같은 문제들은 더 발전된 잭-감지 회로를 구현함으로써 해결할 수 있다.
전통적인 잭-감지 회로는 잭의 N/O (Normally Open) 또는 N/C(Norma- lly Closed) 기계식 스위치를 베이스밴드 GPIO(General Purpose Input Output)에 대한 풀업 레지스터와 함께 사용한다. 예를 들어, 플러그가 삽입되지 않는 N/O 기계식 스위치의 경우, 로직 레벨이 하이(High)이고 플러그가 삽입되면 접지가 풀업 레지스터에 연결되며 이것은 로우(Low) 레벨을 생성한다. 이러한 회로를 디바운스시키기 위해서 병렬 커패시터를 사용하여 RC (Resistor Capacitor) 회로를 생성한다(그림 1).
일반적으로 이러한 RC 디바운스 시간은 ∼500ms이며, 문제는 여기에 있다. 설정된 디바운스 시간은 느린 플러그(Slow-p1ug) 삽입에 대해 유연성을 제공하지 않으며, 플러그의 제거 디바운스 시간이 삽입과 같은 타이밍을 갖게 된다.
여기서 페어차일드의 FSA 8008 오디오 잭 감지기 및 설정 스위치와 같은 발전된 감지 회로를 구현하면 이와 같은 문제들을 해결할 수 있다. 이 디바이스들은 잭의 기계식 스위치와 추가적인 로직에 대해 0.5㎂ 풀업 전류 소스를 활용하여 문제들을 해결한다. 플러그 삽입 시 디바이스가 디바운스 로직을 실행하며, 느리거나 부분적인 삽입으로 인해 잭 감지 로직에 문제가 발생할 경우 디바이스 시간이 재설정된다(그림 2). 이를 통해 MIC 바이어스와 증폭기를 활성화시키기 전에 플러그가 완전히 삽입되도록 보장한다.
뿐만 아니라, FSA8008은 스위치를 통해 MIC 바이어스를 절연시켜 플러그가 완전히 삽입될 때까지 잭에 대한 MIC 전위가 없도록 보장한다. 플러그 제거 시간은 삽입 타이밍만큼 중요하다. 이 경우, 제거 타이밍이 삽입 시간보다 더 빨라야 한다. 잭의 벤치 특성화를 통해 적합한 타이밍을 결정할 수 있다. 예를 들어, 우리가 특성을 분석했던 한 잭은 플러그 제거 시 플러그의 오른쪽 터미널이 잭의 GND 터미널에 연결되기 전까지 100㎲를 요구한다.
추가적인 마진을 위해 FSA8008은 디바이스가 다양한 잭 형태에 대한 동작을 지원할 수 있도록 30㎲ 제거 시간을 구현했다.
플러그가 제거될 때 잭-감지 트리거와 디바이스가 MIC 바이어스를 절연시키는 MIC 스위치를 신속하게 개방하고 베이스밴드와 통신하여 오디오 증폭기를 비활성화시킨다.
더 발전된 잭 감지 및 게이팅 또는 절연을 구현함으로써, MIC 바이어스와 오디오 증폭기는 적절한 타이밍에 플러그 삽입 및 제거 시의 팝-앤-클릭을 제거할 수 있다.
OMTP 및 CTIA 오디오 플러그 표준 비교
현재 헤드셋 분야의 주요 트렌드 중 하나는 OMTP(Open Mobile Termi-nal Platform)와 CTIA(Cellular Tele- phone Industries Association) 플러그 표준 사이에서의 선택이다. 이 두 가지 표준은 3차 및 4차 터미널을 교환시킨다(그림 3).
모바일 디바이스가 2가지 표준 전체에 대해 동작하도록 지원하기 위해, 페어차일드의 FSA8049와 같은 잭의 MIC 및 GND 터미널 사이에서 라우팅 하는 크로스-포인트 스위치가 반드시 필요하다. 느린 턴온 시간이 구현되지 않는다면, 이 솔루션은 팝-앤-클릭을 일으킬 수 있다.
터미널 사이에서 스위칭할 때, 오디오 증폭기가 여전히 활성화되어 있고 접지가 라우팅 되어 있다면 증폭기에서는 클릭-앤-팝을 스피커에 생성시키는 전류 스파이크가 생성될 것이다. 이것은 팝-앤-클릭의 원인이 될 수 있다(그림 4).
느린 턴온 시간의 스위치를 구현하거나 조정 가능한 턴온 시간을 제공하는 FSA8049 크로스-포인트 스위치의 경우, 스피커의 di/dt가 급격히 줄어들어 팝-앤-클릭이 제거된다.
오디오 잭이 2개의 각기 다른 소스를 통해 구동되는 경우에도 모든 오디오 잭을 사용할 수 있다. 스위치가 활성화되고 이것이 소스 A에서 소스 B로 스위칭하는 경우, 신호가 일치하지 않는다면 과도 현상으로 인해 가청 클릭-앤-팝이 발생하게 된다.
그림 5와 같이, 맨 위의 라인이 A 소스의 오디오 신호이고 그 밑의 두 번째 라인이 B 포트의 소스이다. 세 번째 라인은 이것이 A에서 B로 전환되어 매우 급격한 전환이 이루어짐에 따라 가청 클릭-앤-팝을 생성할 때의 출력을 나타낸 것이다.
이러한 상황과 관련된 방법 중 하나가 전유 SignalWiseTM 기술로서 전환 전에 신호를 매칭시키는 것이다. 그림 6에서 소스 A와 B를 다시 볼 수 있지만, 이번에는 이들이 동일할 때 전환되며 이로써 클릭-앤-팝을 일으키는 과도 현상이 전혀 나타나지 않게 된다.
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핸드셋 제조 업체들은 전 세계에 지속적으로 제품을 공급하고 있으므로, 우리는 3.5mm 잭에 기능이 추가되는 것을 계속해서 보게 될 것이다. 잭은 일관성 있는 사용자 경험을 제공하기 위해, 판매되고 있는 다양한 표준의 모든 액세서리를 인식하고 조정해야 할 필요가 있다.
반도체 공급 업체들은 오디오 피델리티를 유지하기 위해 클릭-앤-팝 등과 같은 문제를 처리할 수 있는 솔루션을 개발하고 있다.
