[논문]노인성 난청 보상을 위한 양 이 보청 모듈 설계

이광

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.4.779

초록
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본 논문에서는 기존에 제안한 노인성 난청으로 인한 청력도 감쇄를 보상하는 회로의 고주파 잡음 특성을 개선하고, 입체 음향을 지원하는 양 이(耳)형 보청 모듈을 설계·제작하였다. 고 이득 조건에서 경우에 따라 발생하는 기존 회로의 고주파 잡음 원인을 모의실험을 통해 분석하였다. 양 이 형 모듈에는 조절 대상 반대쪽 귀에는 음을 소거하여 보다 정확하게 오른쪽과 왼쪽 귀에 맞는 증폭 이득을 조절할 수 있도록 음 소거 스위치를 추가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we improved the high frequency noise characteristics of the previously proposed hearing aid circuits for presbycusis, and we designed and fabricated a stereo hearing aid module. The cause of high frequency noise, which occurs in some cases in the previous circuits under high gain cond...

In this paper, we improved the high frequency noise characteristics of the previously proposed hearing aid circuits for presbycusis, and we designed and fabricated a stereo hearing aid module. The cause of high frequency noise, which occurs in some cases in the previous circuits under high gain conditions, was analyzed through simulations. Two mute switches were added to adjust each boosting gain for right and left ears more accurately by muting the sound of the other ear when adjusting the gain of one ear in the stereo hearing aid module.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 기존 고주파 증폭회로 구조 Fig. 1 The previously proposed high-frequency boosting circuit's structures
그림 그림 2. 기존 회로의 모의실험 결과 Fig. 2 The simulation results of previous circuits
그림 그림 3. 주파수 안정도 개선 회로 Fig. 3 Circuits for improving the frequency stability
그림 그림 5. 고주파 증폭회로의 모의실험 결과 Fig. 5 The simulation results of newly designed high-frequency boosting circuits
그림 그림 4. 주파수 안정도 보상 캐패시터 Cp를 추가한 회로의 모의실험 결과 Fig. 4 The simulation results of the circuits with a frequency stability compensation capacitor Cp
그림 그림 7. 설계된 양 이 고주파 증폭 모듈 전체 회로도 Fig. 7 The schematic of newly designed high-frequency boosting module for stereo sound
그림 그림 6. 제안 회로의 주파수 응답 모의실험 결과 Fig. 6 The simulation results: frequency response of the newly proposed circuits
그림 그림 8. 제작된 양 이 고주파 증폭 모듈 사진 Fig. 8 The photograph of fabricated high-frequency boosting module for stereo sound
그림 그림 9. 제작된 고주파 증폭회로 실험 결과 Fig. 9 The experimental results of the fabricated high-frequency boosting circuits

AI 본문요약
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가설 설정

출산율 감소와 평균 수명의 증가로 사회의 노령화가 가속되고 있어 우리나라에서도 노인성 난청은 중요한 보건 과제 중 하나로 평가되고 있다[1-7]. 청각 장애는 삶의 질 저하를 초래하게 된다. 귀속형 보청기는 가격, 사용자 편의성 부족 등으로 노인성 난청 문제를 완벽하게 해결하기에는 한계가 있다.

제안 방법

기존에는 2MHz의 이득·대역폭과 하나의 극점을 갖는 것으로 모델링한 이상적인 연산증폭기 모델로 모의실험을 하였으나, 고주파 잡음 원인 분석을 위해 제조사에서 제공하는 연산증폭기의 실제 모델 파라미터를 입수하여 모의실험을 수행하였다. 이를 통해 주파수 안정도 열화로 인해 고주파 잡음의 원이 되는 주파수 응답의 피킹 현상과 계단 입력에 대한 시간응답의 신호 울림(ringing) 현상이 나타남을 확인 할 수 있었다(그림 2).
기존의 고주파 증폭회로에서 주파수 안정도 성능저하로 인한 고주파 발진성 잡음 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 3과 같이 주파수 안정도 보상용 캐패시터(Cp)를 추가하였다[9-10].
본 논문에서는 고주파 증폭 유형의 다양화와 정밀도 향상을 위해 각 단의 이득 즉, G1과 G2를 독립적으로 조절할 수 있도록 설계하였다. 따라서 그림 6과 같이 고주파 증폭 영역에서 주파수 증가에 따라 40dB/dec와 20dB/dec의 기울기로 증폭할 수 있다.
본 논문에서는 노인성 난청 해소를 위해 기존에 제안된 증폭회로의 고주파 잡음 문제를 해결하고 양이 형으로 제작하고 측정하였다. 향후 과제로는 저주파 네트워크 분석기를 입수하여 20KHz까지 주파수 응답을 측정하고, 계단파 입력에 대한 시간 응답특성이 모의실험에 비해 1V 가량 진폭이 감소되는 현상을 분석할 필요가 있다.
따라서 본 논문에서는 이러한 고주파 잡음 문제를 해결하고. 입체 음향(stereo sound)을 지원하는 고주파 증폭회로 모듈을 설계하였다.
주파수 안정도 문제를 해결하고 고주파 증폭 대역폭을 확보하기 위해 본 논문에서는 기존 연산증폭기에 비해 이득·대역폭이 더 크고, 양 이를 지원할 경우 기존에 비해 보드 크기가 증가되는 것을 고려하여 하나의 패키지에 두 개의 증폭기가 내장된 연산증폭기를 선정하여 설계하였다. 새롭게 선정한 연산증폭기는 기존에 비해 4배 이상의 이득·대역폭을 가진다.

데이터처리

기존의 고주파 증폭회로는 이득·대역폭(gain bandwidth product)이 2MHz 정도인 연산증폭기룰 이용하여 설계하였으며, 20KHz 기준으로 각 단에서 40dB이상의 증폭도를 얻을 수 있음을 모의실험을 통해 확인하였다. 하지만 장시간 사용할 경우 동작 환경에 따라 이득 조건에서 귀에 거슬리는 고주파 잡음이 존재하였다.

성능/효과

주파수 안정도 개선을 위해 추가된 캐패시터(Cp)용량에 따른 고주파 증폭회로의 주파수 응답 모의실험 결과는 그림 4(a)와 같다. 보상용 캐패시터의 용량이 1.6nF 이상에서는 주파수 응답에서 피킹 현상이 없어지고 계단 입력에 대한 시간 응답의 신호 울림(ringing) 현상도 현저하게 줄어들어 주파수 안정도가 개선됨을 확인하였다[그림 4]. 하지만, 보상 캐패시터로 인해 10KHz 부근의 고주파 증폭도 열화를 초래하였다.
그림 9(b)는 고 이득 조건에서 계단파 입력에 대한 출력 파형을 보여주고 있다. 측정 결과 계단파 입력에 대한 시간 응답은 10V 정도의 진폭을 가지는 모의실험결과에 비해 진폭이 대략 1V 가량 낮게 측정되었지만, 신호울림(ringing) 형태는 거의 유사함을 알 수 있다.

후속연구

본 논문에서는 노인성 난청 해소를 위해 기존에 제안된 증폭회로의 고주파 잡음 문제를 해결하고 양이 형으로 제작하고 측정하였다. 향후 과제로는 저주파 네트워크 분석기를 입수하여 20KHz까지 주파수 응답을 측정하고, 계단파 입력에 대한 시간 응답특성이 모의실험에 비해 1V 가량 진폭이 감소되는 현상을 분석할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	귀속형 보청기의 단점은 무엇인가?	청각 장애는 삶의 질 저하를 초래하게 된다. 귀속형 보청기는 가격, 사용자 편의성 부족 등으로 노인성 난청 문제를 완벽하게 해결하기에는 한계가 있다. 디지털 귀속형 보청기에 비해 가격이 저렴하고 간단한 조작으로 개인의 청력 손실을 보상할 수 있는 아날로그 방식의 고주파 증폭회로를 참고 논문 [8]에서 제한하였다.
	노인성 난청 해소를 위해 본 연구 이후에 행해질 것으로 보이는 행동은 무엇인가?	본 논문에서는 노인성 난청 해소를 위해 기존에 제안된 증폭회로의 고주파 잡음 문제를 해결하고 양이 형으로 제작하고 측정하였다. 향후 과제로는 저주파 네트워크 분석기를 입수하여 20KHz까지 주파수 응답을 측정하고, 계단파 입력에 대한 시간 응답특성이 모의실험에 비해 1V 가량 진폭이 감소되는 현상을 분석할 필요가 있다.
	노인성 난청이란 무엇인가?	노인성 난청(presbycusis)은 청각신경계의 노화로 생기는 현상으로 저주파 대역에 비해 고주파 대역의 청력이 더 떨어지는 증상을 보인다. 출산율 감소와 평균 수명의 증가로 사회의 노령화가 가속되고 있어 우리나라에서도 노인성 난청은 중요한 보건 과제 중 하나로 평가되고 있다[1-7].

참고문헌 (10)

G. A. Gates and J. H. Mills, "Presbycusis," Lancet, vol. 366, no. 9491, 2005, pp. 1111-1120.
S. Hwang, E. Lim, H. KIM, J. Park, S. Jarng, and S. Lee, "Sex differences in a cross sectional study of age-related hearing loss in Korean," Clinical and experimental otorhinolary-ngology, Mar. 2010, pp. 27-31.
M. Kim, "Scientometric Analysis through Centrality Analysis of Graph for Linkage Relation of Keyword for Elder's Rehabilitation and Healthcare," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 2, Apr. 2019, pp. 447-452.
H. Ju, H. Kim, and D. Lim, "The Effects of Frequency Lowering Function Hearing Aids on Korean Word Recognition Scores in the High Frequency Hearing Impaired," Audiology and Speech Research, Dec. 2012.
S. Heo, "Effectiveness of the Hearing Handicap Inventory for Elderly (HHIE) in Measuring the Current State of Presbycusis," Communication Sciences & Disorders, Feb. 2017.
E. Lee, "The Music Culture of Aging Society and the Construction of its Service System," Music and culture, vol. 18, Mar. 2008.

상세보기
H. Lee, "Acoustic Feedback and Noise Cancellation of Hearing Aids by Deep Learning Algorithm," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 6, 2019, pp. 1249-1256.
K. Lee and Y. Jung, "Design of High Frequency Boosting Circuits Compensating for Hearing Loss," J. of The Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 54, no. 3, Mar. 2017, pp. 138-144.
K. H. Lundberg, "Internal and external op-amp compensation: A control-centric tutorial," Proc. Amer. Control Conf., Boston, USA, June/July 2004, pp. 5197-5211.
H. Lee and P. K. T. Mok, "Active-feedback frequency-compensation technique for low-power multistage amplifiers," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 38, no. 3, Mar. 2003, pp. 511-520.

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