KR100368068B1 - 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 최소한의 소자 구성만으로 잡음 발생이 적고, 소망하는 주파수 대역폭 및 증폭도를 얻을 수 있는 초전형 센서의 주변회로를 제공함에 있다.

본 발명은 초전형 적외선 센서의 주변회로에 관한 것으로서, 그 구성을 살펴보면 측정 대상물로부터 정보를 검출하여 그 측정량을 전기적 신호로 변환시키는 센서부와 상기 센서부에서 변환된 전기적 신호를 게이트 단자로 받아 활성화되고 제 1단자를 통해 신호를 제 1 출력하고 제 2단자를 통해 신호를 제 2 출력하는 트랜지스터와 상기 트랜지스터의 제 1출력을 받아 주파수를 제한하고 신호를 출력하는 제 1차단 주파수 설정부와 상기 트랜지스터의 제 2출력를 반전단자로 받고 자신의 출력신호가 궤환되어 생성된 신호를 비반전단자로 받으며, 또한, 상기 제 2 소자부에서 출력된 신호를 자신의 출력단으로 받아 증폭하는 OP-AMP와 상기 OP-AMP의 출력을 받아 주파수를 제한하는 제2차단 주파수 설정부와 상기 OP-AMP의 출력을 받아 그 신호를 상술한 OP-AMP의 비반전입력단자로 궤한시키는 정궤환부로 구성됨을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 센서의 주변회로를 최적화되게 하므로써 초전형 적외선 센서의 역할을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

초전형 적외선 센서의 주변회로 장치{Assistant Circuit of Infrared Sensor Using Pyroeletric Effect}

본 발명은 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 신호의 고증폭 및 잡음 발생이 적은 초전형 적외선 센서의 최적화된 주변회로 장치에 관한 것이다.

최근 전자산업 및 정보통신처리 기술의 발달로 측정 대상물로부터 정보를 검출하여 그 측정량을 전기적 신호로 변환하는 센서 소자에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중 인체 감지용 초전형 적외선 센서는 강유전체 물질의 온도 변화에 따른 자발분극의 변화로 표면전하가 생성되는 초전 효과(pyroelectric effect)를 이용하는 것으로, 상온에서 동작이 가능하므로 냉각 시스템이 필요없고 감도의 파장 의존성이 작은 장점을 가지고 있다. 따라서 초전형 적외선 센서는 경보 장치나 검출기, 비파괴 검사장비와 같은 산업 분야뿐만 아니라 군사용, 의료용 등의 분야에 걸쳐 그 활용 범위가 확대되고 있다.

그러나 상술한 바와 같이 센서의 중요성은 증대되고 있지만 초전형 적외선 센서의 증폭 및 주파수 대역을 설정하기 위한 주변회로에 대한 연구는 매우 미비한 편이다. 그러므로 초전형 적외선 센서를 보다 완벽하게 구현하기 위해 최적화된 주변회로의 설계가 무엇보다도 필수적이다.

특히, 센서의 주변회로를 설계할 때 고려되어야 할 점은 초전형 적외선 센서에서 출력되는 신호가 매우 미약하기 때문에 신호의 고증폭 및 잡음의 최소화와 더불어 응용분야에 적합한 주파수 대역폭의 조정이 필요하다는 것이다.

현재 상업적으로 이용되는 주변회로의 경우 두 개의 연산 증폭기(operational amplifier)를 사용하여 증폭과 주파수 대역폭 조정에 응용하고 있는데, 이러한 경우 많은 저항과 커패시턴스, 두 개의 OP-AMP 등을 사용하기 때문에, 잡음이 비교적 크고 회로가 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 따라서, 기존 두 개의 OP-AMP를 사용한 주변회로에서 발생하는 잡음을 줄이고 회로를 간단하게 하는 회로를 고안해내는 것이 시급한 문제이다.

참고로 상기 언급한 상업적으로 사용되는 주변회로는 도 2에 나타나 있다. 도 2는 기존의 OP-AMP 두 개를 이용한 밴드패스 필터 회로로서 초전형 적외선 센서의 주변회로의 구성을 나타내는 도면으로서, 그 구성을 살펴보면 하기와 같다.

측정 대상물로부터 정보를 검출하여 그 측정량을 전기적 신호로 변환시키는 센서부(30)와, 상기 센서부(30)에서 변환된 전기적 신호에 의해 활성화되는 JFET(35)와, 상기 JFET(35)의 소스 출력신호를 받아 차단 주파수를 제한하는 제 1차단 주파수 설정부(40)와, 상기 제 1차단 주파수 설정부(40)에서 출력한 신호를 반전 입력 단자로 입력 받아 그 출력값을 반전시키고, 또한 그 출력값을 부궤환시키는 제 1 OP-AMP(50)와, 상기 제 1 OP-AMP(50)에서 출력된 신호를 입력 받아 차단 주파수를 제한하고 출력신호를 발생시키는 제 2차단 주파수 설정부(60)와, 상기 제 2차단 주파수 설정부(60)에서 발생된 출력신호를 반전 입력 단자로 받아 그 출력값을 반전시키고, 또한 그 출력값을 부궤환시키는 제 2 OP-AMP(70)로 구성되어 있다.

상기 제 1차단 주파수 설정부(40)에서는 저항()과 커패시터()로 구성된 수동소자들이 차단주파수을 제한하고 상기 제 2차단 주파수 설정부(60)에서는 저항()과 커패시터()로 구성된 수동소자들이를 제한한다.

그 결과 제 1차단 주파수 설정부(40)에서는 차단주파수를 1Hz로 하고 제 2차단 주파수 설정부(60)에서는 차단주파수를 8Hz로 한다.

또한, 상기에서 언급한 제 1 OP-AMP(50)와 제 2 OP-AMP(70)를 거치는 센서부(30)의 출력신호는 상기 두 개의 부궤환이 걸려있는 OP-AMP들(50,70)에서 두 번의 반전 증폭으로 인해 125배 증폭된다.

그러나 상기 도 2에서 볼 수 있듯이 회로가 복잡하여 비용이 증가하는 문제점이 있으며, 또한 잡음이 커서 센서 자체의 질과는 상관없이 효율이 떨어지는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 잡음 발생이 적은 초전형 적외선 센서의 주변회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 최소한의 소자 구성만으로 소망하는 주파수 대역폭 및 증폭도를 얻을 수 있는 초전형 적외선 센서의 주변회로를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 부트스트랩(boot strap) 회로의 기본 구성도를 나타내는 도면.

도 2는 OP-AMP 두 개를 이용한 종래의 밴드패스 필터 회로로서 초전형 적외선 센서의 주변회로의 구성을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 OP-AMP 한 개와 JFET를 주요소로 하는 쿼시-부트스트랩(quasi-bootstrap) 회로로서, 초전형 적외선 센서의 주변회로의 구성을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 종래의 밴드패스 필터 회로와 쿼시-부트스트랩 회로에서 발생하는 잡음전압량을 비교하기 위한 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치에 있어서,

측정 대상물로부터 정보를 검출하여 그 측정량을 전기적 신호로 변환시키는센서부와,

상기 센서부에서 변환된 전기적 신호를 게이트 단자로 받아 활성화되고 제1단자를 통해 신호를 제1출력하고 제2단자를 통해 신호를 제2출력하는 트랜지스터와,

상기 트랜지스터의 제1출력을 받아 주파수를 제한하고 신호가 OP-AMP의 출력단으로 유입되도록하는 제1차단 주파수 설정부와,

상기 트랜지스터의 제2출력을 반전단자로 받고 자신의 출력신호를 발생시키고, 또한 상기 제1차단 주파수 설정부에서 출력된 신호를 자신의 출력단으로 받는 OP-AMP와,

상기 OP-AMP의 출력을 받아 주파수를 제한하는 제2차단 주파수 설정부와,

상기 OP-AMP의 출력을 받아 그 신호를 OP-AMP의 비반전단자로 궤한시키는 정궤환부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1단자는 소스단자이고 제2단자는 드레인단자인 것이 바람직하다.

상기 제1차단 주파수 설정부, 제2차단 주파수 설정부 및 정궤환부는 각각 저항성분과 커패시터성분으로 구성되는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 특정 트랜지스터와 수동소자들 같은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있다. 이들 특정 상세들없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 한편 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로한다.

도 1은 일반적인 부트스트랩(boot strap) 회로의 기본 구성도를 나타내는 도면으로서, 도 1을 참조하면 부트스트랩 회로는 전류 전원의 한 쪽 단자(10)에서 발생하는 모든 전압 변화를 감지하고 이와 거의 같은 변화가 다른 쪽 단자(20)에서 일어나므로 전류 전원 양단에 걸리는 전압이 거의 일정하게 유지되며 전류-전원 트랜지스터를 통해 흐르는 전류의 변화를 최소로 만든다. 즉, 부트스트랩회로를 도 3에 있는 OP-AMP 입력 단자에 연결하여 부트스트랩 회로의 출력 저항을 증가시킴으로써, OP-AMP의 입력 저항을 증가시키는 역할을 한다. 상기와 같이 입력 저항의 증가는 입력 저항이 무한대인 이상적인 OP-AMP의 동작에 필요한 사항이므로 부트스트랩 회로를 사용하면 상기와 같은 잇점이 있다. 또한 부트스트랩 회로는 출력되는 잡음 전압을 감소시켜 주는 역할을 한다.

도 3은 본 발명에 따른 OP-AMP 한 개와 JFET를 주구성 소자로 하는 쿼시-부트스트랩(quasi-bootstrap) 회로로서 초전형 적외선 센서의 주변회로의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 3의 구성을 살펴보면 하기와 같다.

센서의 주변회로 구성에 있어서, 측정 대상물로부터 정보를 검출하여 그 측정량을 전기적 신호로 변환시키는 센서부(80)와, 상기 센서부(80)에서 변환된 전기적 신호를 게이트단자를 통해 입력 받아 자신이 활성화 되고, 소스단자를 통해 신호를 출력하고 드레인 단자를 통해 신호를 출력하는 JFET(85)와, 상기 JFET(85)의 소스단자출력을 받아 저주파수대의 차단주파수를 제한하고 신호를 출력하는 제1차단 주파수 설정부(110)와 상기 JFET(85)의 드레인단자출력을 반전입력단자로 받고 자신의출력신호를 발생시키며, 상기 제1차단 주파수 설정부(110)에서 출력된 신호를 자신의 출력단으로 받아 들이는 OP-AMP(90)와, 상기 OP-AMP(90)의 출력을 받아 고주파수대의 차단주파수를 제한하는 제2차단 주파수 설정부(100)와, 상기 OP-AMP(90)의 출력을 받아 그 신호를 OP-AMP(90)의 비반전입력단자로 궤한시키는 정궤환부(120)로 구성되어 있다.

상기 제 2차단 주파수 설정부(100)는 저항()과 커패시터들()로 구성되어 차단 주파수를 제한하고 제1차단 주파수 설정부(110)는 저항들()과 커패시터()로 구성되어 차단 주파수을 제한한다.

그 결과 제2차단 주파수 설정부(100)에서는 차단주파수를 8Hz로 제한하고 제1차단 주파수 설정부(110)에서는 차단주파수를 1Hz로 제한한다.

또한, 상기 센서부(80)의 출력신호는 JFET(85)를 통과한 후 상기 언급한 OP-AMP(90)의 반전 입력 단자로 입력되고, OP-AMP(90)의 나머지 비반전 입력 단자에는 OP-AMP(90)의 출력과 연결되어 정궤환을 형성하여 상기 센서부(80)의 출력신호를 125배 증폭시킨다.

제안된 도 3의 회로에서는 OP-AMP(90)를 JFET(85)의 드레인 영역과 소스영역에 연결하여, JFET(85)의 소스-드레인 사이의 고저항으로 인해 얻어지는 고증폭 회로를 실현하였다. 또, JFET(85)의 게이트 부분에 감지 물질과 임피던스 매칭을 위해 고저항()을 병렬 연결하여 인체를 감지할 때 얻어지는 교류 소신호가 소스영역을 걸쳐 OP-AMP의 출력부분으로 유입되어 증폭이 되도록 설계하였다.

도 4는 도 2와 도 3의 회로에 대한 주파수 특성에 따른 잡음특성을 나타낸 그래프로 상업적으로 사용되는 2개의 OP-AMP를 연결한 주변회로와 본 발명에 따른쿼시-부트스트랩(quasi-bootstrap)회로의 잡음 전압을 비교해서 나타낸 것이다. 상기 도 4에서 상대적인 잡음 전압(relative noise voltage)은 입력전압당의 잡음전압을 의미하는 것이며, 두 경우의 회로 모두에서 교류 출력전압을 차단 (cut-off)주파수= 1Hz,= 8Hz와 증폭도 125배로 설정해서 인체 감지용으로 적합한 주파수 대역과 증폭도를 구현하였다.

도 4에서 보듯이, 이러한 동일조건 하에서 2개의 OP-AMP가 연결된 주변회로의 경우, 3Hz에서 입력전압 1볼트당 최대 7.18마이크로 볼트의 잡음 전압이 나타난 반면, 쿼시-부트스트랩(quasi- bootstrap)회로의 경우 3Hz에서 입력전압 1볼트당 최대 4.03마이크로 볼트의 잡음전압이 나타났다. 따라서, 본 발명에서 설계한 쿼시-부트스트랩 회로가 2개의 op-amp를 연결한 주변회로에 비해 약 56%이상의 잡음을 감소시켜 주변회로로서 매우 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 종래의 초전형 적외선 센서를 지원하는 주변회로를 쿼시-부트스트랩 회로로 변환하여 종래의 발명과 같은 성능을 가지면서도 소자들이 차지하는 부피를 줄여 생산성을 향상시키고 주변회로를 구성하는 소자들 사이에서 발생하는 잡음을 줄이는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 초전형 적외선 센서의 주변회로 구성에 있어서,

   측정 대상물로부터 정보를 검출하여 그 측정량을 전기적 신호로 변환시키는 센서부와,

   상기 센서부에서 변환된 전기적 신호를 게이트 단자로 받아 활성화되고 제1단자를 통해 신호를 제1출력하고 제2단자를 통해 신호를 제2출력하는 트랜지스터와,

   상기 트랜지스터의 제1출력을 받아 주파수를 제한하고 신호가 OP-AMP의 출력단으로 유입되도록 하는 제1차단 주파수 설정부와,

   상기 트랜지스터의 제2출력을 반전단자로 받고 자신의 출력신호를 발생시키고, 또한 상기 제1차단 주파수 설정부에서 출력된 신호를 자신의 출력단으로 받는 OP-AMP와,

   상기 OP-AMP의 출력을 받아 주파수를 제한하는 제2차단 주파수 설정부와,

   상기 OP-AMP의 출력을 받아 그 신호를 OP-AMP의 비반전단자로 궤한시키는 정궤환부로 구성된 초전형 적외선 센서의 주변 회로 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 트랜지스터는 JFET임을 특징으로하는 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치.
3. 제1항에 있어서, 제1차단 주파수 설정부와 제2차단 주파수 설정부는 각각 캐패시터와 저항으로 이루어진 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치.
4. 제1항에 있어서, 제1차단 주파수 설정부는 차단 주파수 중를 제한하고 제2차단 주파수 설정부는 차단 주파수 중를 제한하는 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치.
5. 제1항에 있어서, 인체 감지에 적당한 차단 주파수인= 1Hz,=8Hz와 증폭도 125배를 얻는 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1단자는 소스단자이고 상기 제 2단자는 드레인단자인 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치.
7. 제1항에 있어서, 정궤환부는 커패시터와 저항으로 구성되어 OP-AMP를 정궤환하도록 하는 초전형 적외선 센서의 주변회로 장치.