KR100256979B1 - 신호 보상 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압력센서의 옵셋과 감도(SPAN) 및 각종 온도에 따른 특성을 보상하기 위한 집적화된 압력센서의 신호 보상 회로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 신호 보상 회로는 가해진 압력에 의존하여 제1 및 제2 출력단을 통해 제1 출력신호와 제2 출력신호를 발생하는 압력 센서부와, 제1 출력단에 접속되어 제1 출력신호를 제1 분압전압으로 차등 증폭하는 제1 증폭기와, 제1 증폭기의 출력단에 접속되어 제1 증폭기의 출력신호의 옵셋을 조정하기 위한 옵셋 조정저항과, 제2 출력단에 접속되어 제2 출력신호를 제2 분압전압으로 차등 증폭하는 제2 증폭기와, 제1 및 제2 증폭기의 입력단에 접속되어 제1 및 제2 증폭기의 감도를 조정하기 위한 감도 조정저항과, 감도 조정저항과 제2 증폭기의 입력단에 병렬로 접속되고 제2 증폭기의 출력단에 접속되어 조정된 감도의 온도 보상을 위한 제1 온도 보상저항과, 옵셋 조정저항과 제2 증폭기의 입력단에 접속되어 조정된 옵셋의 온도 보상을 위한 제2 온도 보상저항을 구비한다.

이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 신호 보상 회로는 옵셋 보정시, 감도 보정시 또는 보정된 옵셋 및 감도의 온도 보정시 상호 독립적으로 보정을 할 수 있기 때문에 신호 보상이 매우 편리하게 되고 정밀·정확하게 제어됨과 아울러 보상용 저항들의 상호 영향이 배제됨으로써 보상범위가 매우 넓게 된다.

Description

신호 보상 회로 (Signal Compensation Circuit)

본 발명은 압력센서용 출력 보상 회로에 관한 것으로, 특히 압력센서의 옵셋과 감도(SPAN) 및 각종 온도에 따른 특성을 보상하기 위한 집적화된 압력센서의 신호 보상 회로에 관한 것이다.

압력센서는 센서에 가해진 압력에 따라 전압신호를 생성한다. 통상, 압력센서에서 생성된 전압신호는 온도변화에 따라 가변될 수 있는데, 이를 보상하기 위한 신호 보상회로가 마련되어 있다. 또한, 압력센서는 생산 단계에서 미소하지만 서로 다른 전압특성을 갖게 된다. 그러므로 압력센서의 감도를 조정할 필요가 있다. 압력센서에 외부 압력이 전혀 가해지지 않을 때, 압력센서로부터 생성된 전압신호는 영점(즉, 제로 레벨)으로 나타나야 한다. 이 영점은 온도에 따라 가변될 수 있기 때문에 영점의 변화를 초래하는 온도변화를 보정하기 위한 별도의 회로가 필요하게 된다. 압력센서의 성능을 좌우하게 되는 온도변화에 따른 신호 보상, 감도 조정 및 영점 조정을 위한 신호 보상 회로는 기출원된 미국특허 5,042,307에서 제안된 바 있다. 이 신호 보상 회로는 도 1과 같이, 브리지로 접속된 저항들(101 내지 104)과, 전압 추종기(Voltage Follower)로 사용되는 제1 연산 증폭기(206)와, 브리지의 제1 출력 전압(Vi+)과 제2 출력 전압(Vi-)의 차를 증폭하기 위한 제2 연산 증폭기(207)를 구비한다. 제1 연산 증폭기(206)의 출력 전압은 가변저항(21)을 경유하여 제2 연산 증폭기(207)의 비반전 단자에 인가된다. 브리지는 압력센서 상에 설치된다. 가변저항(21)은 공통전압(Vcc)에 접속된 가변저항(22)과 기저전위(GND)에 접속된 가변저항(23)에 접속됨과 아울러 공통전압(Vcc)에 직렬로 접속된 저항들(24,54)과 기저전위(GND)에 직렬로 접속된 저항들(55,25)에 공통으로 접속된다. 제2 연산 증폭기(207)의 비반전 단자는 브리지의 제1 출력전압(Vi+)이 공급된다. 제2 연산 증폭기(207)의 반전 단자는 병렬로 접속된 저항들(56,26)을 경유하여 출력단에 접속된다. 4 개의 가변저항들(22,23,24,25)의 저항 값을 가변하여 도 2에서와 같이 압력 센서의 옵셋을 보상하게 된다. 제1 연산 증폭기(206)는 브리지의 제2 출력전압(Vi-)의 임피던스를 변환하는 역할을 한다. 제1 연산 증폭기(206)의 출력과 제2 연산 증폭기(207)의 비반전 단자에 직렬로 접속된 저항(21)을 이용하여 압력센서의 감도를 보상할 수 있게 된다. 한편, 감도의 온도 보상은 병렬로 접속된 피드백 저항들(56,26)을 서로 다른 온도 계수를 가지는 저항으로 설게함으로써 이루어 진다. 결과적으로, 제안된 신호 보상회로는 6 개의 가변 저항들(21,22,23,24,25,26)의 저항 값을 가변함으로서 각각의 온도 보상 및 DC적인 보상을 할 수 있게 된다. 미국특허 5,042,307에서 제안된 신호 보상회로는 영점의 온도 보상시에 도 2에서와 같이, 두 개의 가변저항들(R24,R25)의 저항값을 동시에 가변시켜야 한다는 문제점이 있다. 이는 온도 보상시에 저항값의 가변 순서의 조정 난이도가 매우 크다는 것과 각 저항의 값을 한 번에 정밀하게 보상할 수 있는 기준이 없으므로 온도 보상이 복잡해지고 정확성이 떨어짐을 의미한다. 두 번째로, 두 개의 가변저항들(R24,R25)의 가변은 제2 연산 증폭기(207)의 입력신호 크기를 가변시키게 됨으로써 다른 두 개의 가변저항들(R22,R23)로 보상되는 옵셋값에 영향을 미치게 된다. 다시 말하여, 온도계수가 서로 다른 저항의 조합으로 온도 보상 및 DC적인 보상을 동시에 수행함으로써 온도 보상시에 저항의 크기가 변화되어 DC 보상에 영향을 미치게 되고 DC 보상시에도 온도 계수가 변화되므로 상호 영향력을 고려하여 보상을 행하여야 하는 단점이 있다. 세 번째로, 공통전압(Vcc)과 기저전위(GND) 사이에 접속된 저항들(R22,R23,R24,R25,R54,R55)은 신호 보상회로의 소모 전류를 증가시키게 되는데, 저항값의 크기를 가변함으로써 소모 전류가 일정하지 않고 크게 증가될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 각종 보상의 정확도를 향상시키고 세밀한 출력특성을 얻을 수 있도록 한 신호 보상 회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형화에 적합하고 제조단가를 줄일 수 있도록 한 신호 보상 회로를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조공정의 공접스텝을 줄이도록 한 신호 보상 회로를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 신호 보상 회로를 나타내는 회로도.

도 2는 도 1에 도시된 신호 보상 회로의 출력 파형도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 보상 회로를 나타내는 회로도.

도 4는 도 3에 도시된 제5 및 제7 저항의 제1 실시예를 상세히 나타내는 회로도.

도 5는 도 3에 도시된 제5 및 제7 저항의 제2 실시예을 상세히 나타내는 회로도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

206,207,A1,A2 : 연산 증폭기 101,102,103,104,201,202,203,204,21,22,23,24,25,26,54,55,56,R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8 : 저항

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 신호 보상 회로는 가해진 압력에 의존하여 제1 및 제2 출력단을 통해 제1 출력신호와 제2 출력신호를 발생하는 압력 센서부와, 제1 출력단에 접속되어 제1 출력신호를 제1 분압전압으로 차등 증폭하는 제1 증폭기와, 제1 증폭기의 출력단에 접속되어 제1 증폭기의 출력신호의 옵셋을 조정하기 위한 옵셋 조정저항과, 제2 출력단에 접속되어 제2 출력신호를 제2 분압전압으로 차등 증폭하는 제2 증폭기와, 제1 및 제2 증폭기의 입력단에 접속되어 제1 및 제2 증폭기의 감도를 조정하기 위한 감도 조정저항과, 감도 조정저항과 제2 증폭기의 입력단에 병렬로 접속되고 제2 증폭기의 출력단에 접속되어 조정된 감도의 온도 보상을 위한 제1 온도 보상저항과, 옵셋 조정저항과 제2 증폭기의 입력단에 접속되어 조정된 옵셋의 온도 보상을 위한 제2 온도 보상저항을 구비한다.

상기 목적들 외에 본 발명의 다른 목적 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부한 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 보상 회로를 나타낸다.

도 3의 구성에서, 본 발명의 신호 보상 회로는 브리지 형태로 접속된 제1 내지 제4 브리지 저항들(201∼204)과, 브리지의 제2 출력전압(Vi-)을 분압 저항에 의한 이득값으로 차등 증폭하는 제1 연산 증폭기(A1)와, 브리지의 제1 출력전압(Vi+)을 분압전압에 의한 이득값으로 차등 증폭하는 제2 연산 증폭기(A2)를 구비한다.

제1 내지 제4 브리지 저항들(201∼204)들은 동일한 저항값을 가지는 압저항으로서 이들 저항들로 이루어진 브리지 회로는 두 개의 출력 터미널(A,B)을 갖고 실리콘 다이어프램(Si Diaphragm) 위에 형성된다. 이 브리지 회로의 양 출력 터미널(A,B)의 전압차가 센서부의 출력신호에 해당한다. 두 출력단(A,B) 사이의 전압차는 스트레인 게이지(Strain Gauge)에 인가된 압력에 의존하게 된다. 브리지의 제2 출력 터미널(B)은 제1 연산 증폭기(A1)의 비반전 단자에 접속된다. 제1 연산 증폭기(A1)의 반전 단자는 기전전위(GND)에 접속된 제1 저항(R1)과 제1 연산 증폭기(A1)의 출력단에 접속된 제2 저항(R2)에 병렬로 접속된다. 또한, 제1 연산 증폭기(A1)의 반전 단자는 제2 연산 증폭기(A2)의 반전단자에 접속된 제6 저항(R6)에 접속된다. 제1 연산 증폭기(A1)의 출력단은 제2 저항(R2)과 제3 저항(R3)에 병렬로 접속된다. 브리지의 제1 출력 터미널(A)은 제2 연산 증폭기(A2)의 비반전 단자에 접속된다. 제2 연산 증폭기(A2)의 반전 단자는 제4 저항(R4)과 접속됨과 아울러 제6 저항(R6)과 제2 연산 증폭기(A2)의 출력단에 접속된 제5 저항(R5)에 병렬로 접속된다. 공통전원(Vcc)은 브리지의 제1 및 제2 저항(R1,R2)에 공급됨과 아울러 제7 저항(R7)에 공급된다. 이 제7 저항(R7)은 제1 연산 증폭기(A1)의 출력단에 접속된 제3 저항(R3)과 제2 연산 증폭기(A2)의 비반전 입력단자에 접속된 제4 저항(R4)에 병렬로 접속된다. 기저전위(GND)는 브리지의 제3 및 제4 저항(R3,R4)에 공급됨과 아울러 제8 저항(R8)에 공급된다. 제3 저항(R3)은 압력 센서부의 옵셋(Offset)을 보정하기 위한 가변저항이고, 제6 저항(R6)은 감도 보상용으로 사용되는 가변저항이다. 이들 제3 및 제6 저항(R3,R6)은 각각의 저항값 가변시 서로 영향을 미치지 않도록 설계되는 것으로, 제6 저항(R6)의 저항값을 가변하여 감도를 조정할 때 옵셋에 아무런 영향을 미치지 않고 그 반대의 경우에도 서로 독립적인 보정이 가능하게 된다. 옵셋과 감도를 보상하기 위한 수순은 먼저, 제3 저항(R3)의 저항값을 가변하여 옵셋을 보정한 후, 제6 저항(R6)의 저항값을 가변하여 감도를 보정한다. 그리고 제7 저항(R7)은 영점의 온도 보상용으로 사용되며 제5 저항(R5)은 감도(SPAN)의 온도 보상용으로 사용된다. 이들 제5 및 제7 저항(R5,R7)은 저항값은 변하지 않고 온도계수만이 변할 수 있도록 도 4와 같이 설계되어지며 트리밍(Triming)하여 최적의 온도계수을 찾게 된다. 도 4에서, 제5 및 제7 저항(R5,R7)의 구성은 서로 다른 온도계수를 갖음과 동시에 동일한 저항값을 갖는 적어도 하나 이상의 온도 의존 저항들로 이루어지며 각 온도 의존 저항들의 경로는 병렬로 접속된다. 이를 위하여, 제5 및 제7 저항(R5,R7)은 이온 주입 저항인 제1 서브저항(R11)으로 이루어진 제1 온도 의존 저항경로, 이온 주입 저항인 제3 서브저항(R13)과 베이스 확산 저항인 제2 서브저항(R12)으로 제2 온도 의존 저항경로, 베이스 확산 저항인 제4 서브저항(R14)으로 이루어진 제3 온도 의존 저항경로,..., 및 이온 주입 저항인 제n 서브저항(R1n)과 베이스 확산 저항인 제n+1 서브저항(R1n+1)으로 이루어진 제n 온도 의존 저항경로 중 어느 하나의 온도계수와 저항값으로 결정된다. 여기서, 각각의 온도 의존 저항경로들의 저항값은 동일하고 온도계수는 서로 다르게 된다. 즉, 아래와 같은 관계를 갖는다.

R11=R13+R12

=R14

=R1n+R1n+1

도 1에 도시된 신호 보상 회로에서 그 출력전압 Vout은 아래의 수학식 1로 나타낸 전달 방정식으로 구해진다.

여기서, Vin=(Vi+)-(Vi-)

A=1+(R3/R8)+(R3/R7)+(R3/R4)

B=0.5+(R2/2R1)+(R2/R6)-(R3/2R4)

C=1+(R2/R1)+(R3/R4)+(2R3/R7)를 나타낸다.

수학식 1에 있어서, Vin의 계수에 해당하는 기울기항과 상수항으로 구분되어지며 상수항들의 값이 옵셋에 해당하고 기울기항이 센서의 감도를 보상하는 항들이다. 조정수순을 상세히 하면, 먼저 제3 저항(R3)의 저항값을 가변하여 옵셋값을 조정함으로써 원하는 출력값을 형성시킨후, 제6 저항(R6)을 가변하여 Vin의 계수에 해당하는 기울기를 가변시킴으로써 센서의 감도를 보상하게 된다. 이 때, 가변된 제6 저항(R6)의 저항값은 수학식 1에서 상수항(옵셋항)에 아무런 영향을 줄 수 없으며 보상된 옵셋 및 센서의 감도에 대한 온도 보상은 도 4에서와 같이 구성된 제5 및 제7 저항(R5,R7)에 의해 보상된다. 이를 상세히 하면, 도 4에 있어서 어느 온도 의존 저항경로를 선택하더라도 각각의 저항은 동일한 저항값을 가지므로 옵셋이나 감도의 보상에 영향을 미치지 않게된다. 도 4의 구성을 갖는 제5 및 제7 저항(R5,R7)은 실제 구현하는 방법에 있어서, 도 5와 같이 구현된다. 도 5에 있어서, 각각 하나의 스위치들(SW1,SW2,SW3,...,SWn)과 병렬로 접속된 베이스 확산저항들(R21,R22,R23,...,R2n)과, 각각 하나의 스위치들(SW'1,SW'2,SW'3,...,SW'n)에 병렬로 접속된 이온 주입저항들(R'21,R'22,R'23,...,R'2n)로 이루어진다. 이들 베이스 확산 저항들(R21,R22,R23,...,R2n)과 이온 주입저항들(R'21,R'22,R'23,...,R'2n) 중, 마지막에 위치한 n번째 베이스 확산 저항 및 이온 주입저항(R2n, R'2n)은 직렬로 접속된다. 서로 다른 온도계수를 가지는 저항들을 원하는 설계 값의 1/n배로 나누어서 n 개의 직렬로 만든 후, 동일한 타입(예를 들면, 이온 주입 저항 R'21,R'22,R'23,...,R'2n)의 저항은 모두 살려 두고, 이와는 다른 타입(예를 들면, 베이스 확산저항 R21,R22,R23,...,R2n)은 모두 메탈(Metal) 배선과 병렬로 연결한 후, 제1 베이스 확산저항(R21)에 접속된 제1 스위치(SW1)를 개방하고 동시에 제1 이온 주입 저항(R'21)에 접속된 제1 스위치(SW'1)을 닫으면 베이스 확산저항(R21)의 저항값 증가에 따른 크기로 제1 이온 주입 저항(R'21)을 감소시킴으로써 전체 저항의 온도 계수는 변하게 되지만 전체 저항값은 일정하게 유지된다. 여기에서, 제1 스위치(SW1)를 개방하는 것은 여러 가지 방법들을 적용할 수 있지만 그 한예로 레이저 커터(Laser cutter)를 이용하여 메탈 배선을 잘라내는 방법이 가능하며 제1 스위치(SW'1)를 닫는 것은 다이오드를 사용하여 역방향 전압을 충분히 인가하여 쇼트시키는 방법이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 신호 보상 회로는 옵셋 보정시, 감도 보정시 또는 보정된 옵셋 및 감도의 온도 보정시 상호 독립적으로 보정을 할 수 있기 때문에 신호 보상이 매우 편리하게 되고 정밀·정확하게 제어됨과 아울러 보상용 저항들의 상호 영향이 배제됨으로써 보상범위가 매우 넓게 된다. 또한, 본 발명의 신호 보상 회로는 종래의 신호 보상회로에서 6 개의 저항들의 값을 가변시켜 신호 보상을 하는데 반해, 4 개의 저항들의 저항값만을 가변시킴으로써 소형화에 적합하고 제조단가를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제조공정의 공접스텝을 줄일 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (5)

1. 가해진 압력에 의존하여 제1 및 제2 출력단을 통해 제1 출력신호와 제2 출력신호를 발생하는 압력 센서부와,

   상기 제1 출력단에 접속되어 상기 제1 출력신호를 제1 분압전압으로 차등 증폭하는 제1 증폭기와,

   상기 제1 증폭기의 출력단에 접속되어 상기 제1 증폭기의 출력신호의 옵셋을 조정하기 위한 옵셋 조정저항과,

   상기 제2 출력단에 접속되어 상기 제2 출력신호를 제2 분압전압으로 차등 증폭하는 제2 증폭기와,

   상기 제1 및 제2 증폭기의 입력단에 접속되어 상기 제1 및 제2 증폭기의 감도를 조정하기 위한 감도 조정저항과,

   상기 감도 조정저항과 상기 제2 증폭기의 입력단에 병렬로 접속되고 상기 제2 증폭기의 출력단에 접속되어 상기 조정된 감도의 온도 보상을 위한 제1 온도 보상저항과,

   상기 옵셋 조정저항과 상기 제2 증폭기의 입력단에 접속되어 상기 조정된 옵셋의 온도 보상을 위한 제2 온도 보상저항을 구비한 것을 특징으로 하는 신호 보상 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 온도 보상저항은 서로 다른 온도계수를 갖고 동일한 저항값을 갖는 적어도 하나 이상의 저항들 중 어느 하나가 스위치에 의해 선택되어지는 것을 특징으로 하는 신호 보상 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 증폭기의 비반전 입력단자에 상기 제1 출력신호가 입력되어지고,

   상기 제1 증폭기의 반전 입력단자에 상기 감도 조정저항이 접속되는 것을 특징으로 하는 신호 보상 회로.
4. 제 2 항에 있어서,

   기저 전위에 접속된 제1 저항과 상기 제1 증폭기의 출력단에 접속되어진 제2 저항을 추가로 구비하여,

   상기 제1 분압전압을 발생하도록 상기 제1 및 제2 저항이 상기 감도 조정저항과 함께 상기 제1 증폭기의 반전 입력단자에 병렬로 접속되어지는 것을 특징으로 하는 신호 보상 회로.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 감도 조정저항, 제1 온도 보상저항 및 상기 제2 증폭기의 반전 입력단자에 병렬로 접속됨과 아울러 상기 옵셋 조정저항에 접속되어진 제3 저항을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 신호 보상 회로