[논문]청력 보정을 위한 고주파 증폭 회로 설계

이광; 정영진

doi:10.5573/ieie.2017.54.3.138

청력 보정을 위한 고주파 증폭 회로 설계
Design of High Frequency Boosting Circuits Compensating for Hearing Loss 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.3 = no.472, 2017년, pp.138 - 144

이광 (울산과학대학교 전기전자공학부) , 정영진 (울산과학대학교 전기전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 노인성 난청으로 인한 청력도 감쇄를 보상하는 고주파 증폭 회로를 제안한다. 노인성 난청은 고음역(고주파 대역)의 청력도가 저음역(저주파대역)에 비해 더 떨어지는 저주파 통과 필터의 특성을 보이므로, 보상회로는 임계주파수 이상의 대역에서는 주파수에 비례하여 신호를 증폭하고 임계주파수 이하에서는 증폭도를 일정하게 유지하는 구조이다. 제안된 고주파 회로는 미분기, 단위 이득 증폭기로 구성된다. 임계주파수는 볼륨 조절 레버 형태로 간단하게 제어가 가능한 구조로 노인들이 자신의 난청정도에 따라 쉽게 증폭도를 조절할 수 있다. 고주파 증폭회로의 임계주파수는 가청주파수 전 대역에서 연속적으로 조절 가능하고, 10 kHz 음역의 신호는 80dB 이상 증폭도를 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a high frequency boosting circuits compensating for age-related hearing loss. The frequency response of this hearing loss is quite similar to that of a low-pass filter of which the critical frequency get lower with age. Therefore the voltage gain of this compensation circuits increase proportionally to the frequency of signals when the frequency is higher than the critical frequency and the voltage is constant irrespective of the frequency of signals when the frequency is lower than the critical frequency. The proposed circuits consist of a differential circuit and a unity gain amplifier. Because the critical frequency of the proposed circuits is controlled simply in the shape of a volume control lever, the aged people can adjust the high frequency boosting level easily according to one's hearing loss level. The critical frequency is continuously controllable in the whole audible frequency band and the gain of this high frequency boosting circuits is above 80dB at 10kHz.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만, 저대역에 비해 고대역의 청력소실이 뚜렷한 노인성 난청에는 큰 도움을 줄 수 없다. 따라서, 본 논문에서 낮은 비용으로 노인들이 쉽게 조작할 수 있는 고주파 증폭 보청 회로를 제안하였다.
본 논문에서는 노인성 난청 해소에 도움이 되는 고주파 증폭 회로를 제안하였다. 노화가 진행됨에 따라 임계주파수가 낮아지는 저주파통과필터의 특성과 같이 청력도가 떨어지므로 임계주파수 이상에서는 주파수에 비례하여 증폭도가 증가하며 임계주파수를 조절할 수 회로를 설계하였다.
본 논문에서는 다이얼 방식의 볼륨 조절과 같이 간단한 조작으로 본인의 청력도에 맞게 난청을 보정할 수 있는 아날로그 방식의 고주파 증폭 회로를 제안하였다. 이러한 증폭 회로는 소형 모듈로 제작하여 전화기, 텔레비전 등 여러 오디오 관련 기기에 탑재하여 노인성 난청에 해소를 위해 사용할 수 있다.

제안 방법

고주파 증폭 모듈의 전원전압은 전원잭을 통해 어댑터로 공급하고, 입출력 단자는 오디오잭을 사용하였으며, 식 (6)의 두 개의 임계주파수를 동일한 값으로 조절하기 위해 두 개의 저항(R1, R2)을 동시에 가변할 수 있는 스테레오 가변저항을 사용하여 제작하고 실험하였다.
그림 4의 회로를 바탕으로 전원 스위치, 전원 켜짐 알림 발광다이오드(LED) 그리고 전원 잡음을 최소화하기 위한 바이패스 캐패시터 등을 추가하여 그림 6과 같이 고주파 증폭 모듈을 제작하였다.
본 논문에서는 노인성 난청 해소에 도움이 되는 고주파 증폭 회로를 제안하였다. 노화가 진행됨에 따라 임계주파수가 낮아지는 저주파통과필터의 특성과 같이 청력도가 떨어지므로 임계주파수 이상에서는 주파수에 비례하여 증폭도가 증가하며 임계주파수를 조절할 수 회로를 설계하였다. 제안된 고주파 증폭의 구조는 주파수에 비례하는 증폭도를 가지는 미분기와 주파수에 무관하게 일정한 증폭도를 가지는 일정이득(unity gain)-증폭기를 병렬로 연결한 것이다.
직류 전원 전압은 +12V를 사용하였고, 모든 연산증폭기는 반전 입력단으로 신호가 인가되는 반전증폭기로 구성하였다. 동일한 저항값을 가지는 저항 R9와 R10으로 전원 전압을 분배하여 각 연산증폭기의 비반전 입력단의 직류 바이어스 전압으로 인가하였다. 따라서 증폭기 내부의 직류 전압은 전원 전압의 중앙인 +6V가 되게 하였으며, CB1∼CB4는 잡음을 줄이기 위한 바이패스(bypass) 캐패시터이다.
고주파 증폭도는 가변저항으로 제어되므로 연속적으로 조절된다. 본 논문에서는 고주파 증폭도가 아주 낮을 경우(Low-Boost), 중간일 경우(Mid-Boost) 그리고 아주 높을 경우(High-Boost) 등 3개의 대표적인 경우에 대해 전압이득의 주파수 특성을 측정하였으며, 그 실험 결과는 그림 7과 같다. 본 실험에서는 고가의 저주파 네트워크 분석기 사용이 용이하지 않아 파형발생기와 오실로스코를 사용하여 주파수를 가변하면서 측정하였다.
. 본 논문에서는 다음 소절에서 설명하는 바와 같이 개별소자를 사용하여 설계하였고 임계주파수는 가변저항으로 조절가능하다.
본 논문에서는 고주파 증폭도가 아주 낮을 경우(Low-Boost), 중간일 경우(Mid-Boost) 그리고 아주 높을 경우(High-Boost) 등 3개의 대표적인 경우에 대해 전압이득의 주파수 특성을 측정하였으며, 그 실험 결과는 그림 7과 같다. 본 실험에서는 고가의 저주파 네트워크 분석기 사용이 용이하지 않아 파형발생기와 오실로스코를 사용하여 주파수를 가변하면서 측정하였다. 따라서 증폭도가 아주 높은 경우 잡음 및 오실로스코프의 미세 전압 측정 한계로 인해 40dB 이상의 전압이득 측정이 어려우므로 주파수 범위를 1kHz 이하의 범위에서 측정하였으며, 1kHz 이하의 주파수 영역에서는 모의실험결과와 거의 유사함을 알 수 있다.
저주파 응용으로 널리 보급되어 가격이 저렴한 741 계열의 연산증폭기를 사용하여 고주파 증폭 회로를 설계하였다. 741 계열 연산증폭기는 이득-대역곱(GBW: gain-bandwidth product)이 2MHz 이상이므로 20kH 이하인 가청주파수 대역에서 최대 40dB의 이득을 얻을 수 있다.
노화가 진행됨에 따라 임계주파수가 낮아지는 저주파통과필터의 특성과 같이 청력도가 떨어지므로 임계주파수 이상에서는 주파수에 비례하여 증폭도가 증가하며 임계주파수를 조절할 수 회로를 설계하였다. 제안된 고주파 증폭의 구조는 주파수에 비례하는 증폭도를 가지는 미분기와 주파수에 무관하게 일정한 증폭도를 가지는 일정이득(unity gain)-증폭기를 병렬로 연결한 것이다.
제안된 방식의 고주파 증폭 구조도는 반도체 공정을 사용한 집적화 회로(integrated circuits) 또는 개별 소자(discrete components)를 사용하여 구현할 수 있다.
제안된 회로는 볼륨 조절 레버 형태로 간단히 자신의 청력도에 맞게 고주파 증폭도를 조절가능 하므로 노인들이 사용하기에 편리하고 낮은 비용으로 노인성 난청 해소를 위한 보청 모듈을 제작할 수 있다. 그리고 표면실장부품(surface mounted device)을 사용하여 고주파 증폭 보청 모듈을 소형으로 제작 가능하다.

데이터처리

설계된 2단 고주파 증폭회로는 프로테우스(Proteus 8.0) 프로그램을 이용하여 모의실험(simulation)을 하였으며, 그림 5는 주파수 응답 특성을 보여주고 있다. 그림 4의 회로는 그림 3의 회로가 2단으로 직렬 연결된 구조 이므로 고주파 증폭이 시작되는 임계주파수가 두 개이며 다음과 같다.

성능/효과

본 실험에서는 고가의 저주파 네트워크 분석기 사용이 용이하지 않아 파형발생기와 오실로스코를 사용하여 주파수를 가변하면서 측정하였다. 따라서 증폭도가 아주 높은 경우 잡음 및 오실로스코프의 미세 전압 측정 한계로 인해 40dB 이상의 전압이득 측정이 어려우므로 주파수 범위를 1kHz 이하의 범위에서 측정하였으며, 1kHz 이하의 주파수 영역에서는 모의실험결과와 거의 유사함을 알 수 있다.
그림 7은 제작된 고주파 증폭회로 모듈의 증폭도가 높은 조건에서 정현파 입력 신호와 출력 신호의 전압 파형을 도식화 한 것이다. 입력 신호 주파수가 10Hz, 100Hz, 1kHz일 때 전압 이득은 각각 0dB, 6dB, 40dB 정도이며 주파수에 따라 이득이 증가함을 알 수 있다.

후속연구

그리고 표면실장부품(surface mounted device)을 사용하여 고주파 증폭 보청 모듈을 소형으로 제작 가능하다. 따라서 노인성 난청 해소를 위해 가정용 전화기, 각종 오디오 기기, 휴대용 보청기 등에 활용이 가능하므로 고령화 사회에서 노인들의 삶의 질을 향상하는데 기여하는 바가 클 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노인성 난청의 특징은?	노인성 난청은 달팽이관(cochlea) 유모세포의 손상으로 인해 유발되는 감각신경성 난청으로 저주파 대역에 비해 고주파 대역의 청력이 더 떨어진다. 저주파 대역은 주로 음성의 크기를 반영하므로 소리는 들을 수 있으나 고주파 대역의 정보를 받아들이지 못해 음성의 의미를 이해하기 어렵게 된다.
	노인성 난청의 청력도는 어떤 특성을 보이는가?	저주파 대역은 주로 음성의 크기를 반영하므로 소리는 들을 수 있으나 고주파 대역의 정보를 받아들이지 못해 음성의 의미를 이해하기 어렵게 된다. 청력도는 일반적으로 저대역 통과 필터의 특성을 보이며 노화가 진행됨에 따라 필터의 임계주파수가 낮아지는 것과 유사한 특성을 보인다. 사람에 따라 차이는 있지만 80세 이상이 되면 임계주파수가 1kHz 이하가 되며, 임계주파수 이상에서는 청력 감쇄 기울기가 40dB/dec 이상이 된다[2].
	노인성 난청 보정 방법으로 모든 주파수 대역에서 동일하게 음성 신호를 증폭하는 것이 적합하지 않는 이유는?	노인성 난청은 달팽이관(cochlea) 유모세포의 손상으로 인해 유발되는 감각신경성 난청으로 저주파 대역에 비해 고주파 대역의 청력이 더 떨어진다. 저주파 대역은 주로 음성의 크기를 반영하므로 소리는 들을 수 있으나 고주파 대역의 정보를 받아들이지 못해 음성의 의미를 이해하기 어렵게 된다. 청력도는 일반적으로 저대역 통과 필터의 특성을 보이며 노화가 진행됨에 따라 필터의 임계주파수가 낮아지는 것과 유사한 특성을 보인다. 사람에 따라 차이는 있지만 80세 이상이 되면 임계주파수가 1kHz 이하가 되며, 임계주파수 이상에서는 청력 감쇄 기울기가 40dB/dec 이상이 된다[2]. 따라서 모든 주파수 대역에서 동일하게 음성 신호를 증폭하는 것은 노인성 난청 보정 방법으로 적합하지 않고, 특정 주파수 이상에서는 주파수에 비례하는 고주파 증폭이 필요하다.

참고문헌 (8)

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상세보기
KIM, Jin Kyung, "A auditory receiving apparatus with a amplifyingsequence of high frequency band",
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상세보기
Lee S.-J., KIM S., YOO H.-J.: "A low power digital signal processor with adaptive band activation for digital hearing aid chip". Proc. IEEE ISCAS'07, New Orleans, USA, pp. 2730-2733, May 2007.
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Y. P. Tsividis, "Integrated continuous-time filter design - an overview," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 29, no. 3, pp. 166-176, Mar 1994.

상세보기
M. S. Oliveira, P. C. de Aguirre, L. C. Severo, A. G. Girardi and A. A. Susin, "A digitally tunable 4th-order Gm-C low-pass filter for multi-standards receivers," Symposium on Integrated Circuits and Systems Design (SBCCI), Belo Horizonte, pp. 1-6, 2016.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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