KR100217529B1 - 적외선 수신기 및 자동 문턱값 설정 회로 - Google Patents

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Abstract

IR 수신기에 대한 자동 및 적응형 문턱값 설정 회로는 넓은 범위의 주파수 및 전력 레벨에 걸쳐 동작할 수 있다. 적응형 문턱값 회로(adaptive threshold circuit)는 미소한 햇빛 또는 다른 주변 광(ambient light)이 수신기에 도달하는 환경에서 매우 민감한 문턱값을 가능하게 하지만, 많은 양의 주변 광이 포토다이오드에 비춰질 때 수신기의 문턱값이 증가하게 된다. 본 회로는 주변 광으로 인해 역바이어스 IR 광 검출기를 통해 흐르는 전류를 감지한다. 이 전류 측정값은 수신기의 감도를 조절하는데 사용된다.

Description

적외선 수신기 및 작동 문턱값 설정 회로
본 발명은 포토다이오드(또는 다른 광 검출 장치)를 통해 흐르는 평균 전류에 근거하여 적외선 무선 수신기의 문턱값은 조절하는데 사용되는 회로에 관한 것이다.
현재의 적외선 데이타 협회(Infrared Data Association) 규격은 상당히 큰 대역폭을 갖는 고감도 수신기를 필요로 하며 따라서 포토다이오드에 흐르는 전류에 의해 발생된 산탄 잡음(shot noise)에 예민하다. 최근 제안된 보다 고속의 무선 응용 분야에서는 더 큰 수신기 대역폭을 필요로 하며 이러한 문제를 더욱 심각하게 만든다. 이 문제는 쉽게 이해된다: 수신기는 적외선에 스펙트럼 성분을 갖는 충분히 밝은 햇빛 또는 다른 중간 내지 밝은 광에 대한 이 산탄 잡음에 트리거된다. 이 문제는 IrDA의 프로토콜 때문에 심각하다 : 어떤 펄스가 수신기로부터 발생되면, 상부층 프로토콜은 다른 어떤 사람이 방에서 교신하고 있는 것으로(그러나 그들은 프로토콜을 이해할 수 없기 때문에 서로 이야기하지 않는 것으로) 가정하게 되고 그와 같이 주변 햇빛(또는 책상 램프)으로 혼동된 송수신기는 어떤 것과도 교신하지 않게 된다. 예를 들어, 우리는 한 주요 판매상의 회로 성능을 측정하였다: 60와트 전구로 부터 1미터 떨어져 있을 때, 수신기의 출력은 산탄 잡음의 영향을 받게 된다. 이와 같이 주변 또는 배경 광에 민감하기 때문에, 많은 소비자들은 적외선(IR) 무선 성능에 만족할 수 없다. 단지 수신기에서의 결정 문턱값을 상승시키기만 하면, 데이타를 보내는데 더 많은 신호가 필요하게 되며 신호 대 잡음비(SNR)가 개선되지만, 한편으로는 더 많은 광이 필요하고 또 발광 다이오드(LED) 출력이 이미 눈에 안전한 한계 근처(near the eye safe limit)에 있기 때문에, 이 잡음 면역성(noise immunity)을 제공하기 위해 링크의 범위는 반드시 감소된다. 이것이 문제점이고 딜레마(dilemma)이다.
따라서, 본 발명의 목적은 넓은 범위의 주파수 및 전력 레벨에 걸쳐 동작할 수 있는 IR 수신기용 자동 문턱값 설정 회로를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 미소한 햇빛 또는 다른 주변 광이 수신기에 도달하는 환경에서 매우 민감한 문턱값을 가능하게 하지만, 많은 양의 주변 광이 포토다이오드에 비춰질 때에는 수신기의 문턱값이 증가하게 되는 적응형 문턱값 회로가 제공된다. 본 회로는 주변 광 레벨로 인해 역바이어스 IR 광 검출기를 통해 흐르는 전류를 감지한다. 이 전류 측정값은 수신기의 감도를 조절하는데 사용된다.
제1도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 자동 문턱값 설정 회로의 실시예 1을 도시한 개략도.
제2도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 자동 문턱값 설정 회로의 실시예 2를 도시한 개략도.
제3도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 자동 문턱값 설정 회로의 실시예 3을 도시한 개략도.
제4도는 제1도, 제2도 및 제3도에 도시된 자동 문턱값 설정 회로에 사요왼 버퍼 및 레벨 시프터 회로의 한 구현예의 개략도.
제5도는 제3도에 도시된 자동 문턱값 설정 회로에 사용된 조절가능 이득 회로를 갖는 후치 증폭기(post amplifier)의 한 구현예의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 적외선 광 검출기 12, 13 : 바이어스 저항
14, 15 : 입력 커패시터 16 : 차동 전치 증폭기
17 : 차동 후치 증폭기 19 : 오프-칩 구동기
21 : 감지용 저항 22 : 버퍼 및 레벨 시프터
23, 24 : NPN 바이폴라 트랜지스터 25 : 문턱값 설정 저항
26 : 레벨 복구 회로
이상의 목적 및 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하는 본 발명의 양호한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 잘 이해될 것이다.
이제부터 도면, 특히 제1도를 참조하면, 본 발명에 따른 자동 문턱값 설정 회로의 일반적인 형태가 도시된다. 적외선(IR) 광 검출기(11)은 한쌍의 바이어스 저항(12, 13) 사이에 직렬로 접속되어 있다. 광 검출기(11)은 역바이어스되며, 검출기(11)을 통해 흐르는 어떠한 전류[미소한 누설 또는 암 전류(leakage or dark current)는 제외하고]도 역바이어스 PN 결합을 지나 스위프(sweep)되는 광-유도된 캐리어에 기인한 것이다. 바이어스 저항(12)는 전압원(VDD)에 접속되어 광 검출기(11)에 바이어스 레벨을 제공한다. IR 광 검출기(11)의 한쪽 또는 다른쪽에 접속된 입력 커패시터(14, 15)는 차동 전치 증폭기(differential preamplifier, 16)에 교류(AC) 결합 입력을 제공함으로써 전치 증폭기(16)로 고주파 신호만을 통과시킨다. 커패시터(14, 15)의 크기는 설계 선택(design choice)의 문제이며 증폭되었으면 하는 신호들의 주파수에 따라 다르게 선택된다.
본 발명에 의해 해결된 한 문제점은 광 검출기(11)에 의해 감지된 고강도 광에 의해 발생된 많은 양의 DC 광 신호를 어떻게 처리하느냐이다. 이 잡음 DC 신호를 차단하는 커패시터(14, 15)에 의해 처리된다. 고강도 광은 또한 커패시터(14, 15)를 통해 결합될 수 있는 고주파 잡음을 발생시킨다.
전치 증폭기(16)의 출력은 직접 차동 후치 증폭기(differential post amplifier, 17)의 입력에 접속된다. 후치 증폭기(17)의 출력은 출력 신호를 처리 회로(processing circuitry)에 제공하는 오프 칩 구동기(off-chip driver, 19)에 접속된다. 양호한 실시예에서의 회로의 이득은 700만 정도이다. 이것은 몇몇 입력 신호의 레벨이 150 나노 암페어(nAmp) 정도로 낮기 때문이다. 이 전류는 또한 천만 암페어 정도로 높을 수도 있다. 이와 같이, 극히 넓은 범위의 신호 세기가 있다는 것을 알 수 있다. 높은 진폭 입력 잡음은 증폭 후의 신호를 심각하게 열화시킨다. 측정해야만 하는 극히 낮은 진폭 신호 때문에, 본 발명에 따른 자동 문턱값 설정 회로가 넓은 범위의 진폭에 걸친 데이타 신호들을 검출할 수 있도록 제공된다.
포토다이오드(11)에 흐르는 전류는 저항 양단에 발생된 전압 또는 활성 바이어싱 회로(active biasing circuitry)에 의해 인가된 제어 전압에 의해 감지될 수 있다. 직류(DC) 자체 또는 전류 흐름에 비례하는 전압은 비교기[활성 이득 스테이지(active gain stage) 이후에 있음]에서의 문턱값을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 제1도에 도시된 실시예에서, 감지용 저항(sensing resistor, 21)은 바이어스 저항(13)과 회로 접지와의 사이에 직렬로 접속되어 있다. 이것이 자동 문턱값 설정 회로용 감지 소자(sensing element)이며, 저항(21)을 통해 흐르는 전류는 광 검출기(11)에 대한 주변 광의 함수이다. 저항(21) 양단의 전압 강하는 버퍼 및 레벨 시프터(buffer and level shifter, 22)에 입력된다. 버퍼 및 레벨 시프터(22)의 출력은 공통 베이스 및 이미터 접속을 갖는 한쌍의 NPN 바이폴라 트랜지스터(23, 24)를 포함하는 전류 미러(current mirror)에 입력된다. 버퍼 및 레벨 시프터(22)의 출력은 트랜지스터(23)의 컬렉터 및 트랜지스터(23, 24)의 공통 베이스 접속에 접속되어 있다. 노드 B로 표시된 트랜지스터(24)의 컬렉터는 노드 C로 표시된 후치 증폭기(17)의 네거티브 출력에 접속된 문턱값 설정 저항(25)와 직렬로 접속되어 있다.
전류 미러는 버퍼 및 레벨 시프터(22)에 의해 제어되는 가변 임피던스(variable impedance)로서 작동한다. 광 검출기(11)에 부딪치는 주변 광이 낮으면 낮을수록 감지용 저항(21)에 흐르는 전류가 적어지며, 그 역도 또한 마찬가지이다. 주변 광 레벨이 낮은 경우, 트랜지스터(24)의 도전 상태가 감소되어 저항(25)를 흐르는 전류가 적어지게 된다.
마지막으로, 노드 A로 표시된 증폭기(17)의 포지티브 출력에 접속된 한 입력과 노드 B로 표시된 다른 입력을 갖는 레벨 복구 회로(level restore circuit, 26)는 후치 증폭기(17)의 입력에 접속되어 있다. 저항(25)를 통해 전류를 흐르게하여 노드 B에 전압을 발생시켜 후치 증폭기(17)의 출력에서 전압 레벨을 감지함으로써 문턱값이 설정된다. 증폭기(17)의 출력은 노드 A 및 B에서의 전압이 같게 되도록 하는 레벨 복구 회로(26)에 인가된다. 이와 같이, 노드 C에서의 전압은 항상 노드 A에서의 레벨로부터 포지티브 옵셋(positively offset)되어 있다. 노드 C가 노드 A로부터 옵셋되어 있는 양이 문턱값이다. 이와 같이, 문턱값이 임의의 잡음보다도 더 크게 되면, 노이즈는 오프 칩 구동기(19)의 출력에 나타나지 않는다.
제1도에 도시된 실시예는 유사한 참조 번호가 유사 또는 대응 구성 요소를 나타내는 제2도의 실시예 2에 도시된 바와 같이 간략화될 수 있다. 실시예 2에서, 레벨 복구 회로(26)이 생략되어 있고, 문턱값 설정 저항(25)가 이동되어 후치 증폭기(17)의 포지티브 출력 및 오프 칩 구동기(19)에 직렬로 되어 있다. 전류 미러의 NPN 트랜지스터(24)의 컬렉터는 문턱값 설정 저항(25)와 오프 칩 구동기(19) 사이의 접합(junction)에 접속되어 있다. 이와 같이, 트랜지스터(24)의 도전 상태에 따라서, 오프 칩 구동기(19)로의 신호 출력은 문턱값에 따라 조절되어진다.
실시예 3에서, 감지용 저항(21)로부터의 신호는 이득 스테이지들(문턱값을 변화시키는 것과 동일한 일을 효과적으로 행함)중 하나의 이득을 감소시키는데 사용된다. 실시예 3은 제3도에 도시되어 있으며, 여기서도 유사한 참조 번호는 유사한 또는 대응하는 구성 요소를 나타낸다. 이 실시예 3에서, 후치 증폭기(17)은 조절가능 이득 제어를 갖는 증폭기이다. 이것이 실시예 1 및 실시예 2에서 사용된 전류 미러 및 문턱값 설정 저항의 제거를 가능하게 한다. 버퍼 및 레벨 시프터(22)의 출력은 후치 증폭기(17)의 이득 제어 입력에 직접적으로 접속되어 있다. 이 실시예에서, 회로의 문턱값을 고정되어 있지만, 이득은 회로에 의해 수신될 수 있는 입력 신호 레벨을 변동시키기 위해 변화된다. 광 레벨은 여전히 감지용 저항(21)에 의해 감지된다. 신호 레벨(즉, 산탄 잡음)이 높으면, 이득 제어 신호는 후치 증폭기(17)의 이득을 감소시킨다. 이렇게 하면 신호 감도를 희생시키면서 주변 광으로 인한 잡음에 대한 회로의 감도가 감소된다.
버퍼/레벨-시프트 회로 블록(22)의 여러가지 가능한 구현예들이 있다. 양호한 구현예가 제4도에 도시되어 있다. 이 회로는 회로 접지에 접속된 드레인과 바이어스 저항(28)에 의해 직렬로 전압원 VDD에 접속된 소오스를 갖는 P-형 전계 효과 트랜지스터(PFET, 27)을 구비하고 있다. 회로로의 입력은 PFET(27)의 게이트에 접속되고, 출력은 소오스와 저항(28)의 접합으로부터 취해진다. 이 회로는 3가지 주된 기능을 수행한다: 첫째, 광 검출기 바이어스 회로에 최소 부하(minimal load)를 제공하기 위해 고입력 임피던스를 제공한다. 둘째로, 광 검출기와 수신기의 입력사이에서의 신호의 손실을 최소화하기 위해 저입력 커패시턴스를 제공한다. 셋째로, 그 다음 전류 미러 스테이지(들)이 소망의 모드로 작동할 수 있도록 회로의 출력이 보다 높은 전압 레벨에 있다.
제5도는 이득 제어를 갖는 후치 증폭기(17)의 구현예를 도시한 것이다. 이 회로는 출력으로부터 입력으로의 피드백 경로에 접속된 전계 효과 트랜지스터(FET; 31, 32)를 갖는 기본 증폭기 스테이지를 구비하고 있다. 버퍼 및 레벨 시프터(22)로부터의 이득 제어 신호는 FET(31, 32)의 게이트에 인가된다. FET(31, 32)의 게이트 전압을 변동시킴으로써, 피드백 임피던스가 변화될 수 있으며 따라서 회로의 이득을 변화시키게 된다.
기본 증폭기 스테이지의 바이어스 전류를 변동시키기 위해 이득 제어 전압을 사용하는 것을 포함하는 가변 이득 증폭기를 구현하는 몇가지 다른 방법이 있다. 이와 같이, 기술 분야의 전문가는 본 발명의 실시예가 어느 특정의 이득 제어 회로에 한정되지 않음을 잘 알 것이다. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예들이 차동 증폭기를 사용하여 구현되어 있지만, 기술 분야의 전문가라면 등가의 구현들이 싱글 엔디드 증폭기(single-ended amplifier)를 사용하여 행해질 수 있음을 인식할 것이다.
본 발명이 실제로 어떻게 구현되었느냐에 관계없이, 본 발명을 포함하는 IR 수신기는 어둠속에 전송된 신호들에 높은 감도를 가지며, (일례로서) 직사광에서는 더 낮은 감도를 가지고, 또 밝은 햇빛에서나 백열광에서도 잡음있는 출력을 갖지 않게 될 것이다. 이러한 방식으로, 수신기는 주변광 환경에 적응하며, 또 광 검출기에 도달하는 주변 광이 주어지면 최상의 감도를 제공한다.
본 발명이 3개의 양호한 실시예와 관련하여 기술되어 있지만, 기술 분야의 전문가라면 본 발명이 첨부된 청구항의 교시 및 범위내에서 수정되어 실시될 수 있다는 것을 인식하게 될 것이다.

Claims (11)

  1. 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로(automatic threshold setting circuit)에 있어서, 주변 광(ambient light)으로 인해 역바이어스(reverse biased) 적외선 광 검출기를 통해 흐르는 직류 전류(direct current)를 측정하기 위한 감지용 저항(sensing resistor)과, 상기 역바이어스 적외선 광 검출기를 통해 흐르는 직류 전류의 측정값에 응답하여 제어 신호를 발생시키기 위한 레벨 시프터(level shifter)와, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 역바이어스 적외선 광 검출기로부터의 교류 전류 신호를 증폭하기 위해 접속된 증폭 스테이지(amplification stage)의 이득을 제어하기 위한 문턱값 수단(threshold means)을 포함하는 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 문턱값 수단은 상기 역바이어스 적외선 광 검출기에 대한 상기 증폭 스테이지의 출력에 접속된 문턱값 설정 저항(threshold setting resistor)과, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 문턱값 설정 저항을 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 수단을 포함하는 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 전류에 응답하는 상기 수단은 전류 미러(current mirror)인 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 문턱값 설정 저항에 접속되어 상기 증폭 스테이지의 이득을 제어하기 위한 수단을 더 포함하는 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어 신호에 응답하는 상기 문턱값 수단은 상기 증폭 스테이지에 대해 조절가능 이득 제어부(adjustable gain control)인 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조절가능 이득 제어부는 상기 증폭 스테이지의 피드백 경로(feedback path)내에 접속된 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)를 포함하고, 상기 전계 효과 트랜지스터는 상기 제어 신호를 수신하기 위해 접속된 게이트를 갖는 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 레벨 시프터는 상기 감지용 저항에 접속된 게이트를 가지며 상기 제어 신호를 발생하는 전계 효과를 트랜지스터를 포함하는 적외선 수신기용 자동 문턱값 설정 회로.
  8. 적외선 수신기에 있어서, 역바이어스 적외선 광 검출기와, 상기 역바이어스 적외선 광 검출기에 대한 증폭 스테이지와, 주변 광으로 인하여 상기 역바이어스 적외선 광 검출기를 통해 흐르는 직류 전류를 측정하기 위한 감지용 저항과, 상기 역바이어스 적외선 광 검출기에 대한 상기 증폭 스테이지의 출력에 접속된 문턱값 설정 저항과, 상기 역바이어스 적외선 광 검출기를 통해 흐르는 직류 전류의 측정값에 응답하여 상기 문턱값 설정 저항을 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 문턱값 수단을 포함하는 적외선 수신기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 문턱값 설정 저항에 접속되어 상기 증폭 스테이지의 이득을 제어하기 위한 수단을 더 포함하는 적외선 수신기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 문턱값 수단은, 상기 역바이어스 광 검출기를 통해 흐르는 직류 전류의 측정값에 응답하여 제어 신호를 발생시키기 위한 레벨 시프터와, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 문턱값 설정 저항을 통해 흐르는 전류를 제어하기 위한 전류 미러를 포함하는 적외선 수신기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 문턱값 설정 저항에 접속되어 상기 증폭 스테이지의 이득을 제어하기 위한 수단을 더 포함하는 적외선 수신기.
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