KR0169401B1 - 저항값이 변화 가능한 스위치드 커패시터 - Google Patents

Abstract

이 발명은 스위칭 주파수를 가변시킴으로써 등가 저항값(Equivalent resistance)을 조절할 수 있는 스위치드 커패시터(Switched capacitor)에 관한 것으로서, 소정의 디지탈 신호를 입력받아 이에 대응하는 프로그램된 분주값을 출력하는 프로그래머블 로직과; 상기 프로그래머블 로직에서 출력된 분주값에 따라 입력된 마스터 클럭을 분주하여 위상이 반대인 두 클럭신호를 생성하는 분주기와; 상기 분주기에서 생성된 클럭신호에 따라 각각 교번하여 스위칭되는 두 스위칭수단과; 상기 두 스위칭수단의 사이에 연결되어, 교번하는 스위칭 동작에 의해 충방전을 반복하는 커패시터로 구성되어, 각 스위칭 수단의 스위칭 주파수를 가변시켜 등가 저항값이 조절될 수 있도록 함으로써 하나의 커패시터만이 필요하여 회로에서 차지하는 면적을 줄일수 있으며, 하나의 커패시터만을 집적회로 공정으로 차지하는 면적을 줄일 수 있으며, 하나의 커패시터만을 집저기회로 공정으로 제작하므로 종래의 기술에 따른 스위칭 커패시터에 비해 제조공정 수행으로 인한 커패시터 용량의 오차발생활률을 대폭 감소시킬 수 있다.

Description

저항값이 변화 가능한 스위치드 커패시터

제1도는 이 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터가 적분기에 적용된 회로도이고,

제2도는 상기 제1도의 등가회로도이고,

제3도는 (a),(b)는 상기 제1도의 스위치드 커패시터에 적용되는 스위칭 신호의 파형도이고,

제4도는 종래의 기술에 따른 스위치드 커패시터가 적분기에 적용된 회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연산증폭기 2 : 프로그래머블 로직

3 : 분주기 S1,S2 : 스위치

C : 콘덴서

이 발명은 스위치드 커패시터(Switched capacitor)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 말하자면 스위칭 주파수를 가변시킴으로써 등가 저항값(Equivalent resistance)이 변화될 수 있도록 하는 스위치드 커패시터에 관한 것이다.

통상, 스위치드 커패시터는 상보적(complementary)으로 동작하는 두 스위칭 및 그 사이에 연결된 커패시터로 구성되며, 두 스위치의 교번하는 스위칭에 의해 커패시터에서 충방전이 일어나고, 상기 충전전압과 방전전압 사이에 전위차가 발생하여 저항(resistor)과 등가의 동작을 보인다. 이때, 스위치드 커패시터가 저항과 등가의 동작을 하기 위해서는 두 스위치의 스위칭 주파수가 입력신호의 주파수보다 휠씬 커야 한다.

상기 스위치드 커패터는 종종 능동 알씨필터(Active RC filter) 및 적분기 등의 저항을 대치하여 사용된다.

그 이유는, 첫째, 필터 전체를 모놀리식(Monolithic) 형태로 제조할 수 있다는 것이고, 둘째, 집적도가 높은 모스(MOS : Metal Oxide Semiconductor) 기술을 사용할 수 있다는 것이며, 셋째, 저항을 제거하기 때문에 전력소비가 줄어든다는 등의 잇점 때문이다.

이러한 스위치 커패시터가 필터에 적용될 경우, 적용 시스템에 따라 필터 입력신호의 주파수 대역이 변화하게 되며, 필터의 주파수 응답특성이 변화되어야 하므로 이를 충족시키기 위하여 등가 저항값이 가변되는 스위치드 커패시터가 필요하게 된다.

등가 저항값이 변화 가능한 스위치드 커패시터에 대한 필요는 스위치드 커패시터가 적분기 등에 적용될 경우에도 마찬가지다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래의 기술에 따른 저항값이 변화 가능한 스위치드 커패시터를 설명한다.

제4도는 종래의 기술에 따른 저항값이 변화 가능한 스위치드 커패시터가 적용된 적분기의 회로도이다.

제4도에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 저항값이 변화 가능한 스위치드 커패시터가 적용된 적분기는, 연산증폭기(1)와; 연산증폭기(1)의 반전단자와 출력단 사이에 연결된 커패시터(C_F)와; 두 스위치(S₁₁, S₁₂) 및 그 사이에 일단이 접지되도록 연결된 커패시터가(C₁)가 하나의 스위치드 커패시터를 이루며, 다수의 스위치드 커패시터가 병렬로 연결되어 구성된 스위치드 커패시터부(5)와; 디지탈 신호(A, B, C, D)를 입력받아 상기 각 스위치드 커패시터의 스위치에 스위칭신호(T₁₁, T₁₂,…, T_N1, T_N2)를 출력하도록 연결된 프로그래머블 로직(4)으로 이루어진다.

전윈이 인가되어 회로의 동작이 시작되면, 입력전압(Vin)이 스위치드 커패시터부(5)에 인가된다.

스위치드 커패시터부(5)는 가변 저항(Variable resistor)으로 동작하며, 연산증폭기(1)는 스위치드 커패시터부(5)에 의해 결정된 저항값과 커패시터(C_F)의 용량값에 대응하여 입력전압(Vin)의 적분동작을 수행한다.

연산증폭기(1)의 출력단에서 얻어지는 전압(Vout)은 입력전압(Vin)의 적분된 값을 가진다.

다음으로, 스위치드 커패시터부(5)의 저항값의 가변에 대해 설명한다.

상기 스위치드 커패시터부(5)의 각 커패시터(C₁, C₂,…, C_N)는 좌우의 스위치가 스위칭하는 동안에만 저항으로 동작한다. 각 스위치(S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂,∼,S_N1, S_N2)의 스위칭 동작은 스위칭 신호(T₁₁, T₁₂,…, T_N1, T_N2)에 의해 제어되는데, 상기 스위칭 신호(T₁₁, T₁₂,…, T_N1, T_N2)는 프로그래머블 로직(4)에서 생성된다. 스위칭 동작시, 커패시터의 좌우의 두 스위치는 교번하여 온/오프되며, 이러한 스위칭 동작에 의해 커패시터는 저항으로 동작할 수 있다.

프로그래머블 로직(4)에는 입력되는 디지탈 신호(A, B, C, D)에 대응하여 소정의 스위칭 신호가 프로그램되어 있으며, 디지탈 신호(A, B, C, D)는 입력신호의 주파수 대역을 고려하여 사용자에 의해 선택된다.

프로그래머블 로직에서는 디지탈 신호에 대응하여 프로그램된 스위칭 신호가 출력된다. 이때, 하나의 커패시터에 대응하는 한 쌍의 스위칭 신호는 주파수는 동일하고 스위칭 상태가 반대이며, 저항으로 동작하지 않는 커패시터의 좌우 스위치에 인가되는 스위칭 신호는 스위치를 턴오프하기 위한 신호이다.

예를 들어, 입력신호의 주파수 대역으로부터 두 커패시터(C₁, C₂)를 저항으로 동작시키고자 할 경우, 이를 위한 디지탈 신호(A, B, C, D)가 선택되어 프로그래머블 로직(4)에 입력된다.

프로그래머블 로직(4)에서는 입력된 디지탈 신호에 대응하는 스위칭 신호가 생성되며, 이때, 스위칭 신호(T₁₁, T₁₂: T₂₁, T₂₂)는 동일한 주파수를 가지는 클럭 펄스(Clock pulse)로서, 각 커패서터(C₁, C₂)에 대응하는 스위칭 신호(T₁₁, T₁₂)와, 스위칭 신호(T₂₁, T₂₂)는 스위칭 상태가 반대이다.

또한, 스위칭 신호(T₁₁, T₁₂: T₂₁, T₂₂)를 제외한 나머지 스위칭 신호는 대응하는 스위치를 턴오프시키기 위한 신호이다.

이렇게 하여 결정되는 스위치드 커패시터부(5)의 등가저항(Req)은,

로 표현된다.

위 식에서, f_s는 각 스위칭 신호(T₁₁, T₁₂: T₂₁, T₂₂)의 스위칭 주파수이다.

위에서 살펴본 바와 같이, 종래의 기술에 따른 스위치드 커패시터에서는 디지탈 신호의 선택에 따라 미리 프로그램된 스위칭 신호를 출력하도록 하고, 상기 스위칭 신호에 의해 다수의 커패시터 중 소정 수의 커패시터가 저항으로 동작하도록 함으로써 저항값의 가변이 이루어지도록 하고 있다.

그러나, 종래의 기술에 따르면, 입력신호의 주파수 변화폭이 클 경우 스위치드 커패시터부 내에 입력신호의 주파수 변화갯수 만큼 스위치드 커패시터부를 구비해야 하므로, 스위치드 커패시터를 구성하기 위해 많은 면적이 필요하게 된다.

또한, 다수의 커패시터 용량을 집적회로 공정을 통해 정확하게 구현하기가 용이하지 못하여 회로의 정확도가 떨어지는 단점이 있다.

이 발명의 목적은 상술한 바와 종래의 기술적 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스위칭 주파수를 가변시켜 이에 대응하여 결정되는 등가 저항값이 변화되도록 함으로써 회로가 차지하는 면적을 줄일 수 있고, 집적회로 공정에 의한 오차를 줄일 수 있는 등가 저항값이 변화가능한 스위치드 커패시터를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 소정의 디지탈 신호를 입력받아 이에 대응하는 프로그램된 분주값을 출력하는 프로그래머블 로직과; 상기 프로그래머블 로직에서 출력돈 분주값에 따라 입력된 마스터 클럭을 분주하여 위상이 반대인 두 클럭신호를 생성하는 분주기와; 상기 분주기에서 생성된 클럭신호에 따라 각각 교번하여 스위칭되는 두 스위칭수단과; 상기 두 스위칭수단의 사이에 연결되어, 교번하는 스위칭 동작에 의해 충방전을 반복하는 커패시터를 포함하여 이루어진다.

상기한 이 발명의 구성에서, 프로그래머블 로직에 입려기되는 디지탈 신호에 따라 분주값이 변화되며, 분주기에서 출력되는 클럭신호의 주파수는 상기 분주값에 의존한다.

상기 클럭신호의 주파수에 따라 스위칭 수단 및 커패시터로 구성되는 스위치드 커패시터의 등가 저항값이 결정된다.

따라서, 디지탈 신호에 의해 클럭신호의 주파수를 가변시킴으로써 등가 저항값이 변화되도록 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

제1도는 이 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터가 적분기에 적용된 회로도이고, 제2도는 상기 제1도의 등가회로도이고, 제3도는 (a), (b)는 상기 제1도의 스위치드 커패시터에 적용되는 스위칭 신호의 파형도이다.

먼저, 제1도를 참조하여 이 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터가 적용된 적분기의 구성을 설명한다.

제1도에 도시된 바와 같이, 이 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터가 적용된 적분기는, 두 스위치(S1, S2)와; 일단이 접지되어 두 스위치 사이에 연결된 커패시터(C)와; 반전입력단이 스위치(S2)에 연결되고 비반전 입력단이 접지와 연결된 연산증폭기(1)와; 상기 연산증폭기(1)의 반전입력단과 출력단사이에 연결된 커패시터(C_F)와; 디지탈 신호를 받아들이는 입력단자(A, B, C, D)와 분주값을 위한 출력단자(E, F)가 구비된 프로그래머블 로직(2)과; 마스터 클럭(MCLK)을 받아들이며, 입력단이 상기 프로그래머블 로직(2)의 출력단(E, F)과 연결되며, 출력단이 상기 스위치(S1, S2)에 연결되는 분주기(3)로 구성된다.

상기한 이 발명의 실시예에 따른 구성에서, 상기 각 스위치(S1, S2)는 모스트랜지스터(MOS transisitor : Metal Oxide Semiconductor transistor), 바이폴라 트랜지스터(Bipolar transistor) 또는 이와 유사한 소자로 구현될 수 있다.

또한, 프로그래머블 로직(2)에는 입력되는 디지탈 신호에 대응하여 분주값이 프로그램되어 있으며, 이 분주값에 따라 소정의 스위칭 주파수가 결정되도록 하기 위한 것이다.

상술한 구성을 바탕으로, 제2도 및, 제3도를 참조하여 이 발명의 실시예에 따른 스위치드 캐패시터가 적용된 적분기의 동작을 설명한다.

전원이 인가되어 회로의 동작이 시작되면, 스위치(S1)에는 입력전압(Vin)이 인가되고, 프로그래머블 로직(2)에는 디지탈 신호(A, B, C, D)가 입력된다.

프로그래머블 로직(2)에서는 디지탈 신호(A, B, C, D)에 대응하는 프로그램된 분주값(E, F)이 출력되며, 상기 분주값(E, F)은 분주기(3)에 입력된다.

분주기(3)에서는 입력된 마스터 클럭(MCLK)을 상기 분주값(E, F)으로 분주하는 동작이 수행되며, 상기 분주동작에 의해 위상이 반대인 두 클럭신호가 생성된다. 상기 클럭신호의 주파수는 분주값에 따라 결정된다. 제3도의 (a), (b)에는 분주기(3)에서 생성되는 클럭신호의 파형도가 도시되어 있으며, 두 클럭신호는 주파수가 동일하고 위상이 반대인 것을 알 수 있다.

상기 분주기(3)에서 생성된 클럭신호는 스위치(S1, S2)에 각각 입력되며, 각 스위치(S1, S2)는 클럭신호에 따라 스위칭 동작을 수행한다.

예를 들어, 제3도는 (a)에 도시된 클럭신호가 하이레벨이고 (b)에 도시된 클럭신호가 로우레벨이면, 스위치(S1)는 턴온되고 스위치(S2)는 턴오프된다.

위와 같이, 각 스위치(S1, S2)의 교번하는 스위칭 동작에 의해 입력전압(Vin)의 커패시터(C)에 대한 충전 및 방전이 반복되며, 충전전압과 방전전압 간의 전위차에 해당하는 전압이 등가저항에 의한 전압강하이다.

상기와 같이 동작하는 스위치드 커패시터가 적용된 적분기는 제2도에 도시된 바와 같이 등가회로로 표현될 수 있다.

제2도에서 가변저항의 저항값(VR)은,로 표현되며, f_s는 스위치(S1, S2)의 스위칭 주파수이다.

연산증폭기(1)는 스위치(S2)를 통해 반전입력단에 인가되는 전압을 적분하며, 적분된 전압(Vout)은 출력단을 통해 외부에 제공된다.

이상에서 설명된 바와 같이, 프로그래머블 로직(2)에 입력되는 디지탈 신호(A, B, C, D)에 따라 미리 프로그램된 분주값이 결정되고, 이 분주값에 해당하는 주파수를 가지는 클럭신호가 생성된다.

상기 클럭신호는 스위치에 인가되어 스위칭 동작에 제어하며, 스위치드커패시터의 등가 저항값은 상기 스위치의 스위칭 주파수에 반비례한다.

즉, 높은 저항값을 얻기 위해서는 낮은 주파수를 가지는 클럭신호가 생성되도록하는 분주값이 프로그래머블 로직(2)에 프로그램되도록 하며, 낮은 저항값을 얻기 위해서는 높은 주파수를 가지는 클럭신호가 생성되도록 하는 분주값이 프로그래머블 로직(2)이 프로그램되도록 한다.

따라서, 적분기로 동작하는 연산증폭기(1)의 반전입력단 저항값을 가변시킴으로써 적분이득을 조절할 수 있다.

이 발명의 실시예에 따른 스위치드 커패시터가 필터에 적용되면, 등가 저항값의 가변에 따라 필터링 특성을 조절할 수 있다.

이상에서 설명된 이 발명의 실시예에 따르면, 하나의 커패시터 및 이에 대응하는 두 스위치를 구비하고, 각 스위치의 스위칭 주파수를 가변시켜 등가 저항값이 조절될 수 있는 스위치드 커패시터를 제공함으로써 회로에서 차지하는 면적을 줄일 수 있다.

또한, 하나의 커패시터만을 집적회로 공정으로 제작하므로 종래의 기술에 따른 스위치드 커패시터에 비해 제조공정 수행으로 인한 커패시터 용량의 오차 발생확률을 대폭 감소시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 소정의 디지탈 신호를 입력받아 이에 대응하는 프로그램된 분주값을 출력하는 프로그래머블 로직과; 상기 프로그래머블 로직에서 출력된 분주값에 따라 입력된 마스터 클럭을 분주하여 위상이 반대인 두 클럭신호를 생성하는 분주기와; 상기 분주기에서 생성된 클럭신호에 따라 각각 교번하여 스위칭되는 두 스위칭수단과; 상기 두 스위칭수단의 사이에 연결되어, 교번하는 스위칭 동작에 의해 충방전을 반복하는 커패시터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터.
2. 청구항 제1항에 있어서, 상기한 스위칭 수단은 모스 트랜지스터, 바이폴라 트랜지스터 또는 이와 유사한 스위칭 소자인 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터.
3. 청구항 제1항에 있어서, 상기 스위칭 수단에 반전단자가 연결되어 커패시터의 방전전압을 적분하는 연산증폭기와; 상기 연산증폭기의 반전단자와 출력단 사이에 연결되어 피드백 루프를 형성하는 커패시터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터를 이용한 적분기.
4. 청구항 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 스위치드 커패시터의 등가 저항값은 상기 분주기에서 생성되는 클럭신호의 주파수에 반비례하여 결정되는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터.