KR100437760B1 - 수광 소자의 안정화 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 출력전압 설정에 기준이 되는 기준전압을 상승 에지와 하강 에지에서 다르게 설정하여 시스템을 안정화시키는 수광 소자의 안정화 회로를 제공하기 위한 것으로서, 인버팅 입력단과 논-인버팅 입력단을 갖는 차동단과 상기 차동단의 입력전압 차에 따라 일정전압을 출력하는 출력단을 갖는 비교기와, 상기 비교기의 한쪽 입력단에 연결되어 일정한 기준값을 유지시키는 기준전압 입력부와, 상기 비교기의 다른 한쪽 입력단에 입력전압을 입력하고, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단을 연결하여 히스테리시스 현상을 나타내는 안정화부를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

수광 소자의 안정화 회로{circuit for stabilizing in light receiving element}

본 발명은 수광 소자를 사용하여 외부 빛의 세기를 감지하는 회로에 관한 것으로, 특히 스미트 트리거(schmidt trigger) 회로를 이용하여 휘도의 레벨이 갑자기 변화하여 출력이 흔들리는 것을 방지하는 안정화 회로를 제공하기 위한 것이다.

일반적으로 수광 소자는 빛을 전기로 변환하는 소자로서, 포토다이오드와 포토트랜지스터 등이 있다.

이와 같은 수광소자의 일반적인 원리는 다음과 같다.

먼저, PN 접합에 역방향 전압을 걸어둠으로서, 입사광이 없을 때는 약간의 역전류가 흐르도록 한다.

그리고 PN 접합에 빛이 조사되면 이 빛 에너지에 의해서 생긴 전자와 홀이 외부회로에 흐르게 되는데, 이에 따라 상기 역전류가 증가하여 입사광에 대응하는 출력 전류를 얻게된다. 이 출력 전류를 광전류라고 한다.

이와 같이 PN 접합은 광전관과 같은 동작을 하는 반도체 소자로서, 사진 전송이나 토오키이의 재생, 천공 테이프의 판독 등에 널리 이용되며, PN의 접합에 따라 2극 소자인 포토다이오드와 3극 소자인 포토트랜지스터로 구분할 수 있다.

그리고 상기 2극 소자는 구조적으로는 포토다이오드이지만 입사광의 작용을 에미터로 보고 이를 포토트랜지스터라고 부르는 경우가 많다.

이와 같은 수광 소자는 광전관에 비해 외형을 매우 작게 할 수 있으므로 좁은 장소에서 여러 개를 사용할 때 편리하다.

또한, 파장감도 특성이 시감도 범위보다 적외선쪽으로 많이 뻗어있으므로 적외선 통신, 적외선 검출, 적외선 도청 경보기 등에도 사용된다.

이와 같은 수광 소자를 사용하여 외부 빛의 세기를 감지하는 종래 회로로는 도 1에서 도시하고 있는 논-인버팅 비교기(non-inverting comparator) 회로도와,도 2에서 도시하고 있는 인버팅 비교기(inverting comparator) 회로가 있다.

그리고 도 1과 도 2에서 도시한 회로의 동작 파형을 도 3과 도 4에서 나타내고 있다.

도 3과 도 4와 같이, 종래의 빛 세기 감지회로에 따른 동작 파형은 입력 전압(Vin)이 로우(low)에서 하이(hi)로 상승하거나 하이에서 로우로 하강 시에 소자의 특성에 따라 차이는 있으나 언제나 비스듬한 상승 및 하강 에지(edge)를 갖게 된다.

상기 에지 내의 일정전압에 기준전압(Vref)을 설정하고, 상기 기준전압(Vref)과 입력전압(Vin)을 비교하여 출력전압(Vout)을 생성한다.

즉, 상기 빛 세기 감지회로가 논-인버팅 비교회로이면 상기 기준전압(Vref)보다 입력전압(Vin)이 작은 경우에는 로우 신호를, 상기 기준전압(Vref)보다 입력전압(Vin)이 큰 경우에는 하이 신호를 출력전압(Vout)으로 생성한다.

그리고 상기 빛 세기 감지회로가 인버팅 비교회로이면 상기 기준전압(Vref)보다 입력전압(Vin)이 작은 경우에는 하이 신호를, 상기 기준전압(Vref)보다 입력전압(Vin)이 큰 경우에는 로우 신호를 출력전압(Vout)으로 생성한다.

그러나 기준전압(Vref)이 상승 에지와 하강 에지에서 동일한 전압 레벨로 정해지므로 출력전압(Vout)의 로우 신호 및 하이 신호는 동일한 기준전압(Vref) 레벨에서 변하게 된다.

그에 따라 입력전압(Vin)이 Q1 및 Q2 또는 Q3 및 Q4와 비슷한 지점에서 머물러 있고, 외부의 입사광의 변화로 인해 입력전압(Vin)이 계속해서 기준전압(Vref)의 위, 아래로 변화되면 출력전압(Vout)은 짧은 시간동안 계속해서 로우 신호에서 하이 신호로 그리고 하이 신호에서 로우 신호로 바뀌게 될 것이다.

이와 같은 현상으로 인해 출력전압(Vout)에 따른 휘도의 레벨이 아주 많이 흔들리는 것을 실제 응용에서는 살펴볼 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서,출력전압 설정에 기준이 되는 기준전압을 상승 에지와 하강 에지에서 다르게 설정하여 시스템을 안정화시키는 수광 소자의 안정화 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 논-인버팅 비교기를 나타낸 회로도

도 2 는 종래 기술에 따른 인버팅 비교기를 나타낸 회로도

도 3 은 도 1의 회로에 따른 동작 파형을 나타낸 도면

도 4 는 도 2의 회로에 따른 동작 파형을 나타낸 도면

도 5 는 본 발명에 따른 스미트 트리거를 갖는 논-인버팅 비교기를 나타낸 회로도

도 6 은 도 5의 회로에 따른 동작 파형을 나타낸 도면이다.

도 7 는 본 발명에 따른 스미트 트리거를 갖는 인버팅 비교기를 나타낸 회로도

도 8 은 도 7의 회로에 따른 동작 파형을 나타낸 도면이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수광 소자의 안정화 회로의 특징은 인버팅 입력단과 논-인버팅 입력단을 갖는 차동단과 상기 차동단의 입력전압 차에 따라 일정전압을 출력하는 출력단을 갖는 비교기와, 상기 비교기의 인버팅 입력단에 연결되어 일정한 기준값을 유지시키는 기준전압 입력부와, 상기 비교기의 논-인버팅 입력단에 입력전압을 입력하고, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단을 연결하여 히스테리시스 현상을 나타내는 안정화부를 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 수광 소자의 안정화 회로의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5 는 본 발명에 따른 스미트 트리거를 갖는 논-인버팅 비교기(non-inverting comparator)를 나타낸 회로도이고, 도 6 은 도 5의 회로에 따른 동작 파형을 나타낸 도면이다.

도 5를 보면, 도 1의 회로에서 기준전압(Vref)의 레벨 변화를 위하여 저항 R11을 추가한 것으로, 인버팅 입력단과 논-인버팅 입력단을 갖는 차동단과 상기 차동단의 입력전압 차에 따라 일정전압을 출력하는 출력단을 갖는 비교기와, 그라운드와 상기 인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 1 저항(R9), 전원부(Vcc)와 상기 인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 2 저항(R8)으로 구성되고 상기 비교기의 인버팅 입력단에 연결되어 일정한 기준값을 유지시키는 기준전압 입력부와, 상기 비교기의 논-인버팅 입력단에 입력전압(Vin)을 입력하고, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단을 연결하여 히스테리시스 현상을 나타내는 안정화부로 구성된다.

이때 상기 안정화부는 입력전압(Vin)과 상기 논-인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 3 저항(R10)과, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단에 연결되는 제 4 저항(R11)을 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 논-인버팅 비교기(non-inverting comparator)의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 입력전압(Vin)이 로우(low)일 경우로, 입력전압(Vin)은 논-인버팅 입력단과 연결되어 있고, 기준전압(Vref)의 입력은 인버팅 입력단에 연결되어 있다. 그리고 기준전압(Vref)이 일정한 상태를 유지하고 있으므로, 기준전압(Vref)이 입력전압(Vin)보다 높은 상태로, 출력은 로우(low) 상태가 된다.

그러다가 입력전압(Vin)이 계속 증가하여 출력이 하이(hi)의 상태로 되었을 경우의 입력전압(Vin)의 값은 다음 수학식 1과 같이 결정된다.

이때 기준전압(Vref)은이다.

그리고 출력이 하이(hi)의 상태에서 입력전압(Vin)이 계속 감소하여 출력이 로우(low)의 상태로 되었을 경우의 입력전압(Vin)의 값은 다음 수학식 2와 같이 결정된다.

이와 같이 Vin1인 상승 에지와 Vin2인 하강 에지의 전압값은 도 6에서 보인 것과 같이 서로 다른 전압 레벨을 나타내게 된다.

그에 따라 출력은 입력전압(Vin1)이 제 2 기준전압(V2)에 도달되었을 때 하이의 상태로 변화되고, 입력전압(Vin2)이 제 1 기준전압(V1) 이하로 떨어지기 전까지는 계속 하이를 유지하게 된다.

그리고 입력전압(Vin2)이 감소하여 제 1 기준전압(V1)에 도달되면, 출력은 로우의 상태로 변화되고, 입력전압(Vin1)이 제 2 기준전압(V2) 이상으로 상승하기 전까지는 출력은 계속 로우를 유지하게 된다.

따라서 기준전압(V1)(V2)이 동일한 경우에 외부의 입사광의 변화로 인해 입력전압(Vin1)(Vin2)이 계속해서 기준전압(V1)(V2)의 위, 아래로 변화되어 짧은 시간동안 계속해서 로우 신호에서 하이 신호로 그리고 하이 신호에서 로우 신호로 바뀌게 되는 것을 해결할 수 있게 된다.

그리고 기준전압에 따른 전압 레벨은 R10과 R11의 저항값을 조절하므로써 조절 가능하다.

도 7 은 본 발명에 따른 스미트 트리거를 갖는 인버팅 비교기(inverting comparator)를 나타낸 회로도이고, 도 8 은 도 7의 회로에 따른 동작 파형을 나타낸 도면이다.

도 7을 보면, 도 2의 회로에서 기준전압(Vref)의 레벨 변화를 위하여 저항 R16을 추가한 것으로, 인버팅 입력단과 논-인버팅 입력단을 갖는 차동단과 상기 차동단의 입력전압 차에 따라 일정전압을 출력하는 출력단을 갖는 비교기와, 상기 비교기의 논-인버팅 입력단에 연결되어 일정한 기준값을 유지시키고, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단을 연결하여 히스테리시스 현상을 나타내는 안정화부와, 상기 비교기의 인버팅 입력단에 입력전압을 입력하는 입력부로 구성된다.

이때 상기 안정화부는 전원부(Vdd)와 상기 논-인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 1 저항(R14)과, 상기 논-인버팅 입력단과 그라운드 사이에 연결되는 제 2 저항(R15)과, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단 사이에 연결되는 제 3 저항(R16)으로 구성된다.

그리고 상기 입력부는 입력전압(Vin)과 인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 4저항(R13)으로 구성된다.

이와 같이 구성되는 인버팅 비교기(inverting comparator)를 나타낸 회로의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 인버팅 입력단과 연결되어 있는 입력전압(Vin)이 논-인버팅 입력단과 연결된 제 1 기준전압(Vref1)보다 작을 경우는 출력이 하이 상태가 된다. 이때 제 1 기준전압(Vref1)의 값을 다음 수학식 3과 같이 결정된다.

그리고 입력전압(Vin)의 값이 제 2 기준전압(Vref2)보다 클 경우 출력은 로우 상태가 된다. 이때의 제 2 기준전압(Vref2)의 값은 다음 수학식 4와 같이 결정된다.

이와 같이 입력전압이 하강에지에 따른 제 1 기준전압(Vref1)과 상승에지에 따른 제 2 기준전압(Vref2)은 도 8에서 보인 것과 같이 서로 다른 전압 레벨을 나타내게 된다.

그에 따라 출력은 입력전압(Vin)이 제 1 기준전압(Vref1)보다 작으면 로우의 상태로 변화되고, 입력전압(Vin)이 제 2 기준전압(Vref2)보다 크면 하이로 변화된다.

따라서 기준전압이 동일한 경우에 외부의 입사광의 변화로 인해 입력전압(Vin)이 계속해서 기준전압(Vref)의 위, 아래로 변화되어 짧은 시간동안 계속해서 로우 신호에서 하이 신호로 그리고 하이 신호에서 로우 신호로 바뀌게 되는 것을 해결할 수 있게 된다.

이때 기준전압(Vref1)(Vref2)에 따른 전압 레벨은 R15과 R16의 저항값을 조절하므로써 조절 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 수광 소자의 빛 세기 감지회로는 포토 트랜지스터 혹은 포토 다이오드와 같은 광의 변화를 감지하는 기기의 회로부에 히스테리시스(hysteresis) 특성을 이용하여 출력 레벨을 안정화시키고 그에 따라 시스템을 안정화하는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 인버팅 입력단과 논-인버팅 입력단을 갖는 차동단과 상기 차동단의 입력전압 차에 따라 일정전압을 출력하는 출력단을 갖는 비교기와,

   상기 비교기의 인버팅 입력단에 연결되어 일정한 기준값을 유지시키는 기준전압 입력부와,

   상기 비교기의 논-인버팅 입력단에 소광소자로부터 들어오는 광 세기에 따른 입력전압을 입력하고, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단을 연결하여 히스테리시스 현상을 이용하여 휘도를 안정화하는 안정화부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 안정화 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기준전압 입력부는 그라운드와 상기 인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 1 저항부와,

   전원부와 상기 인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 2 저항부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 안정화 회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 안정화부는 입력전압과 상기 논-인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 3 저항부와,

   상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단에 연결되는 제 4 저항부를 포함하여구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 안정화 회로.
4. 인버팅 입력단과 논-인버팅 입력단을 갖는 차동단과 상기 차동단의 입력전압 차에 따라 일정전압을 출력하는 출력단을 갖는 비교기와,

   상기 비교기의 논-인버팅 입력단에 연결되어 일정한 기준값을 유지시키고, 상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단을 연결하여 히스테리시스 현상을 이용하여 휘도를 안정화하는 안정화부와,

   상기 비교기의 인버팅 입력단에 수광소자로부터 들어오는 광 세기에 따른 입력전압을 입력하는 입력부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 안정화 회로.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 안정화부는 전원부와 상기 논-인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 1 저항부와,

   상기 논-인버팅 입력단과 그라운드 사이에 연결되는 제 2 저항부와,

   상기 논-인버팅 입력단과 상기 출력단 사이에 연결되는 제 3 저항부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 안정화 회로.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 입력부는 입력전압과 인버팅 입력단 사이에 연결되는 제 4 저항부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 안정화 회로.