KR100676212B1 - Hall sensor driving circuit and pointing apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a는 전압 구동방식에 의한 홀 센서 구동회로도, 1A is a hall sensor driving circuit diagram according to a voltage driving method;
도 1b는 도 1a의 회로에 따라 측정한 홀 전압을 도시한 그래프,FIG. 1B is a graph showing Hall voltage measured according to the circuit of FIG. 1A;
도 2는 종래의 다른 홀 센서 구동회로도,2 is another conventional Hall sensor driving circuit diagram;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홀 센서 구동회로를 도시한 회로도,3 is a circuit diagram illustrating a hall sensor driving circuit according to an exemplary embodiment of the present disclosure;
도 4a 및 도 4b는 도 3의 회로에 따라 측정한 홀 전압을 도시한 그래프, 4A and 4B are graphs showing Hall voltages measured according to the circuit of FIG. 3;
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 복수 개의 홀 센서를 위한 구동회로, 그리고5 is a driving circuit for a plurality of Hall sensors, and according to another embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 홀 센서 구동회로에 의한 포인팅 장치의 블록도이다.6 is a block diagram of a pointing device by the Hall sensor driving circuit of the present invention.
본 발명은 홀 센서 구동회로 및 그 홀 센서 구동회로에 의한 포인팅(pointing) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 홀 센서에 작용하는 자속의 변 화에 불구하고 센서 출력단자 중 하나의 출력전압이 일정하게 유지되도록 홀 센서를 구동함으로써, 구동회로를 간단히 하고 구동회로를 구성하는 소자의 선택 폭을 넓힐 수 있는, 홀 센서 구동회로 및 그 홀 센서 구동회로에 의한 포인팅 장치에 관한 것이다 The present invention relates to a Hall sensor driving circuit and a pointing device by the Hall sensor driving circuit. More specifically, the output voltage of one of the sensor output terminals is reduced in spite of a change in the magnetic flux acting on the Hall sensor. By driving the hall sensor to be kept constant, the present invention relates to a hall sensor drive circuit and a pointing device by the hall sensor drive circuit, which can simplify the drive circuit and widen the selection range of elements constituting the drive circuit.
자계센서는 외부의 자계의 변화를 감지하는 센서로서, 그 사용되는 물리현상 또는 효과에 따라 홀 효과를 이용하는 홀센서 및 자기저항 효과를 이용하는 자기저항센서 등을 포함한다. The magnetic field sensor is a sensor for detecting a change in an external magnetic field, and includes a Hall sensor using a Hall effect and a magnetoresistive sensor using a magnetoresistive effect according to the physical phenomenon or effect used thereof.
홀 센서(hall sensor)는 반도체 기판 등에 전류를 흘리고 전류의 흐름과 수직인 방향으로 자계를 가할 경우, 전류와 자계에 수직인 방향으로 생성되는 전위차 즉, 홀 전압의 변화를 이용하는 센서이며, 브릿지(bridge) 구조의 내부저항으로 대표될 수 있다. A hall sensor is a sensor that uses a potential difference generated in a direction perpendicular to the current and the magnetic field, that is, a change in the hall voltage when a current flows in a semiconductor substrate or the like and applies a magnetic field in a direction perpendicular to the flow of the current. bridge) can be represented by the internal resistance of the structure.
홀 센서의 구동방식은 일정한 전류를 공급하고, 자속 밀도의 변화에 대응하는 홀 전압을 센싱하는 정전류(Constant current) 구동방식과 일정한 전압을 인가하여 센서를 구동하는 정전압(Constant voltage) 구동방식으로 크게 구분할 수 있다. The driving method of the Hall sensor is largely a constant current driving method for supplying a constant current and sensing a Hall voltage corresponding to a change in magnetic flux density, and a constant voltage driving method for driving the sensor by applying a constant voltage. Can be distinguished.
정전류 구동방식에 비하여 온도 특성이 우수하여 일반적으로 많이 사용되는 정전압 구동방식은 홀 센서의 4 단자 중 2개 단자에 구동전원을 공급하고, 나머지 2개 단자 전압을 측정함으로써 자속 밀도의 변화를 감지한다. The constant voltage driving method, which is generally used because of better temperature characteristics than the constant current driving method, supplies driving power to two of the four terminals of the Hall sensor and detects the change in magnetic flux density by measuring the voltage of the remaining two terminals. .
도 1a는 전압 구동방식에 의한 홀 센서 구동회로도이고, 도 1b는 도 1a의 회로에 따라 측정한 홀 전압을 도시한 그래프이다. 도 1a는 2개 출력단자 사이의 전 압을 이용하는 방법에 관한 것이다.FIG. 1A is a Hall sensor driving circuit diagram according to a voltage driving method, and FIG. 1B is a graph illustrating Hall voltage measured according to the circuit of FIG. 1A. 1A relates to a method of using the voltage between two output terminals.
도 1a의 회로를 보면, 홀 센서 U1에 구동전압 VDD가 단자 1, 3 사이에 공급되고 있다. 도 1b의 그래프를 보면, 홀 센서 U1의 단자 2에서 읽은 전압 Va와 단자 4에서 읽은 전압 Vb가 VDD/2 전압을 기준으로 변하는 것을 보인다. 홀센서 U1의 홀 전압 VH1은 Vb-Va가 되며, 자속밀도가 커질수록, 자석과의 거리가 가까워질수록 홀 전압 VH1가 커진다. Referring to the circuit of FIG. 1A, the driving voltage V DD is supplied between the
홀 센서 U1에 자속이 작용함에 따라 홀 센서 U1의 내부등가저항 R1=R4= 150 Ω, 내부등가저항 R2=R3=50 Ω로 변하였다고 가정할 때, 홀 전압 VH1을 구해 보자. 구동전압 VDD는 1V라고 가정한다. 전압 Va는 0.25V가 되고, 전압 Vb는 0.75V가 된다. 따라서, 홀 전압 VH1 = Vb - Va = 0.75 - 0.25 = 0.5V가 된다. 자속밀도에 따라 내부 등가 저항이 선형적으로 변화하는 홀센서를 구동하는 경우 홀 전압 VH1은 구동전압 VDD가 고정되어 있으므로, 자속밀도가 커짐에 따라 선형적으로 커져간다. Assuming that the internal equivalent resistance R 1 = R 4 = 150 Hz and the internal equivalent resistance R 2 = R 3 = 50 Hz of the Hall sensor U1 as the magnetic flux acts on the Hall sensor U1, calculate the Hall voltage V H1 . . Assume that the driving voltage V DD is 1V. Voltage Va becomes 0.25V, the voltage V b becomes 0.75V. Therefore, the hall voltage V H1 = V b -Va = 0.75-0.25 = 0.5V. When driving a Hall sensor whose internal equivalent resistance changes linearly with magnetic flux density, the Hall voltage V H1 is linearly increased as the magnetic flux density increases because the driving voltage V DD is fixed.
또한, 도 1b의 그래프를 보면, PMOS 트랜지스터의 문턱전압 및 NMOS 트랜지스터의 문턱전압이 표시되어 있다. PMOS 트랜지스터의 경우에는, 게이트와 소스사이에 인가되는 전압이 PMOS 트랜지스터의 문턱전압보다 낮은 경우에만 동작하고, NMOS 트랜지스터의 경우에는 게이트와 소스사이에 인가되는 전압이 NMOS 트랜지스터의 문턱전압보다 큰 경우에만 동작하게 된다. 따라서 홀센서를 제어하는 회로의 제조 공정에서 제공되는 PMOS/NMOS 트랜지스터의 문턱 전압의 값과, 동작 전압의 값에 따라, PMOS 혹은 NMOS 트랜지스터 만으로는 도 1b의 그래프에서 예시된 신호의 전 구간을 활용하지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 관계는, 도 1b에서, 홀센서 출력 전압과 PMOS와 NMOS 트랜지스터의 문턱전압의 상대적인 위치로 예시되었다.1B, the threshold voltage of the PMOS transistor and the threshold voltage of the NMOS transistor are shown. In the case of a PMOS transistor, it operates only when the voltage applied between the gate and the source is lower than the threshold voltage of the PMOS transistor, and in the case of an NMOS transistor, only when the voltage applied between the gate and the source is larger than the threshold voltage of the NMOS transistor. It will work. Therefore, depending on the threshold voltage value and the operating voltage value of the PMOS / NMOS transistor provided in the manufacturing process of the circuit for controlling the Hall sensor, the PMOS or NMOS transistor alone does not utilize the entire interval of the signal illustrated in the graph of FIG. 1B. Failure may occur. This relationship is illustrated in FIG. 1B by the relative position of the Hall sensor output voltage and the threshold voltages of the PMOS and NMOS transistors.
따라서, 이 경우 홀 센서 U1의 출력전압 Va및 Vb를 입력받아 처리하는 후단의 검출 회로는 출력전압이 a 또는 b 구간인 경우에도 동작하기 위해 PMOS와 NMOS를 동시에 사용하거나 혹은 검출회로의 전원 전압을 상승시켜, 도 1b의 PMOS 문턱전압의 위치를 변경하거나, 혹은 바람직한 PMOS/NMOS 트랜지스터의 문턱전압을 제공하는 공정으로, 제조 공정을 바꾸어야 한다.Therefore, in this case the Hall sensor U1 of the output voltage Va and V b the detection circuit at the rear end of the input receiving process is the output voltage a or b intervals of even the use of PMOS and NMOS transistors at the same time, or the detection circuit in order to operate the power supply voltage if To increase the position of the PMOS threshold voltage, or to provide the desired threshold voltage of the PMOS / NMOS transistor.
도 2는 종래의 다른 홀 센서 구동회로도로서, 도 1a의 방법에 기초하여, 2개의 홀 센서 U2, U3를 구동 및 검출하기 위한 회로를 도시하고 있다. FIG. 2 is another conventional Hall sensor driving circuit diagram, which shows a circuit for driving and detecting two Hall sensors U2 and U3 based on the method of FIG. 1A.
홀 센서 U2, U3의 입력단자 1,3에는 홀 센서 U2, U3를 위한 센서전원회로부(201)가 연결된다. The sensor
센서전원회로부(201)에서는 홀센서에 공급하기 위한 정전압을 발생시키며, 이 정전압의 레벨은 사용하는 센서의 특성에 의해 결정되나 통상적으로 1V 내외의 값을 많이 사용한다.The sensor power
홀 센서 U2, U3의 출력단자 2,4에는 각각 차동 증폭기 U4, U5가 연결되어 자 속 밀도의 변화에 대응하여 변하는 단자 2,4간 전압인 홀 전압을 각각 증폭 및 검출한다. 차동 증폭기 U6은 두 개 홀 센서 U2, U3가 감지하는 자속 밀도의 상대적인 차이를 검출하기 위하여 마련된 것으로, 차동 증폭기 U4, U5의 출력 전압의 차이를 증폭한다. 이 자속 밀도의 상대적인 차이는 포인팅 장치로의 적용시 자석의 위치에 의해 유발된다.The differential amplifiers U4 and U5 are connected to the
도 2의 회로를 검토하면, 홀 센서 U2, U3의 출력전압이 자속 밀도 등의 변화에 대응하여 도 1b와 같이 표시될 것이다. 이러한 홀센서의 출력을 입력으로 받아 들이는 차동 증폭기 U4, U5의 경우 구성하는 트랜지스터의 문턱전압과 공급전압(VCC) 및 입력신호에 따라, 상기에 언급한 바 있는 제한된 형태의 구현만이 가능하게 된다Examining the circuit of FIG. 2, the output voltages of Hall sensors U2 and U3 will be displayed as shown in FIG. 1B in response to changes in magnetic flux density and the like. In the case of the differential amplifiers U4 and U5 that accept the output of the Hall sensor as an input, only the limited type of implementation described above is possible depending on the threshold voltage, the supply voltage (V CC ) and the input signal of the transistor. Will be
본 발명의 목적은, 복수 개의 홀 센서 구동회로를 간단히 함으로써 복수 개 홀 센서 출력을 비교하기 위한 차동 증폭기의 개수를 줄일 수 있는 홀 센서 구동회로를 제공함에 있다. An object of the present invention is to provide a Hall sensor driving circuit which can reduce the number of differential amplifiers for comparing a plurality of Hall sensor outputs by simplifying the plurality of Hall sensor driving circuits.
본 발명의 다른 목적은, 홀 센서 구동회로를 형성하기 위한 차동 증폭기를 생성함에 있어, 차동 증폭기의 입력단에 NMOS 트랜지스터를 이용하여 구현할 수 있는 홀 센서 구동회로를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a Hall sensor driving circuit which can be implemented by using an NMOS transistor at an input terminal of a differential amplifier in generating a differential amplifier for forming a Hall sensor driving circuit.
본 발명의 또 다른 목적은, 홀 센서에 작용하는 자속밀도가 커짐에 따라 출 력되는 홀 전압의 크기가 비선형적으로 증가하는 홀 센서 구동회로 및 그 구동회로를 적용한 포인팅장치를 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide a Hall sensor driving circuit in which the magnitude of the output Hall voltage increases nonlinearly as the magnetic flux density acting on the Hall sensor increases, and a pointing device to which the driving circuit is applied.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 홀 센서 구동회로는, 소정의 전압을 가지는 구동 전원, 주위의 자속 밀도 변화를 감지하고, 감지한 상기 자속 밀도에 대응하여 두 개의 출력단자의 출력전압이 각각 변하는 홀 센서, 상기 구동 전원의 전압보다 낮은 기준전압과, 상기 홀 센서의 출력전압 중 하나를 입력받아 그 차이를 증폭한 제어신호를 출력하는 증폭기 및 상기 제어신호에 따라 상기 구동 전원으로부터 상기 홀 센서로 입력되는 전류의 흐름을 제어함으로써, 상기 증폭기로 입력되는 출력전압이 상기 기준전압으로 수렴하여 유지되도록 제어하는 스위칭 소자를 포함한다.In order to achieve the above object, the Hall sensor driving circuit according to the present invention detects a drive power supply having a predetermined voltage and a change in magnetic flux density around the sensor, and output voltages of two output terminals are respectively corresponding to the detected magnetic flux density. A hall sensor, an amplifier for receiving a reference voltage lower than the voltage of the driving power source, and an output voltage of the hall sensor and outputting a control signal amplifying the difference, and the hall sensor from the driving power source according to the control signal And a switching element for controlling the output voltage input to the amplifier to be maintained by converging to the reference voltage by controlling the flow of current input to the amplifier.
여기서, 상기 스위칭 소자는, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)인 것이 바람직하다.The switching element is preferably a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
본 발명의 다른 실시 예에 따른, 소정의 포인터(pointer)가 표시되는 표시부를 포함하는 휴대용 디지털 기기의 포인팅 장치는, 소정 공간을 움직이는 자석, 상기 공간의 일측에 형성되어, 상기 자석이 움직이는 변위를 검출하는 적어도 하나의 홀 센서 구동부 및 상기 자석의 움직임에 대응되는 방법으로 상기 표시부의 포인터를 움직이는 포인팅 제어부를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a pointing device of a portable digital device including a display unit on which a predetermined pointer is displayed may include a magnet moving a predetermined space, and formed on one side of the space, thereby providing displacement of the magnet. At least one Hall sensor driver for detecting and a pointing control unit for moving the pointer of the display unit in a manner corresponding to the movement of the magnet.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홀 센서 구동회로를 도시한 회로도이다. 3 is a circuit diagram illustrating a hall sensor driving circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 홀 센서 구동회로(300)는 홀 센서 U7과 함께 하나의 반도체 칩(chip)으로도 제작될 수 있으며, 홀 센서 U7은 칩 전체의 구동전원에 의해 동작됨으로써 홀 센서 U7을 위한 별도의 센서전원회로부를 구비할 필요가 없어지게 되어 회로 및 배선을 간단히 할 수 있다. The Hall
또한, 홀 센서 U7의 출력을 이용하는 다른 반도체 모듈과 함께 하나의 패키지로 제작되는 다중칩 패키지(MCP:Multi Chip Package) 또는 다중칩 모듈(MCP:Multi Chip Module)에 포함될 수 있다. In addition, the present invention may be included in a multi chip package (MCP) or a multi chip module (MCP) that is manufactured in one package together with other semiconductor modules using the output of the hall sensor U7.
나아가, 외부의 자속 밀도를 감지하기 위하여, 복수 개의 홀 센서를 포함하는 자속 감지회로에 포함되어 복수 개의 홀 센서를 위한 구동회로를 구성할 수 있다. In addition, in order to detect an external magnetic flux density, the magnetic flux sensing circuit including the plurality of Hall sensors may be included in the driving circuit for the plurality of Hall sensors.
도 3을 참조하면, 홀 센서 U7은 4개의 단자를 가지며, 브릿지(bridge) 형태를 가지는 내부 등가 저항의 조합으로 대표하여 표시될 수 있다. 또한, 이하에서는, 자속 밀도의 변화에 대응하여, 홀 센서 U7의 내부저항 R1 내지 R4가 변하되, 저항 R1이 저항 R2 보다 커지는 상태를 전제로 설명한다. Referring to FIG. 3, the hall sensor U7 may have four terminals and may be represented by a combination of internal equivalent resistors having a bridge shape. In addition, hereinafter, the internal resistances R1 to R4 of the hall sensor U7 change in response to the change of the magnetic flux density, and the following description will be given on the assumption that the resistance R1 becomes larger than the resistance R2.
홀 센서 구동회로(300)의 구동 전압 Vcc는 트랜지스터 M1을 통해 홀 센서 U7의 입력단자 1에 연결된다. 전압 Vcc는 소정의 전원부(미도시)를 통해 출력될 수 있으며, 본 발명의 홀 센서 구동회로(300)가 소정의 다른 회로와 함께 하나의 반도 체 칩으로 제작될 경우라면, 외부의 별도의 회로를 통해 구동 전압 Vcc를 입력받을 수 있다. The driving voltage Vcc of the hall
여기서, 전압 Vcc는 홀 센서 구동회로(300) 전체의 구동 전압이며, 트랜지스터 M1은 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 P형 또는 N형이 사용될 수 있다. Here, the voltage Vcc is a driving voltage of the entire Hall
도 3에서 트랜지스터 M1은 PMOS 트랜지스터를 도시하였다. 만약 트랜지스터 M1을 NMOS 트랜지스터로 할 경우에는 증폭기 U8의 입력을 도 3과 반대로 구성하여야 하므로, 기준전압 Vref는 증폭기 U8의 +단자로 입력되어야 한다. In FIG. 3, the transistor M1 shows a PMOS transistor. If the transistor M1 to a NMOS transistor, it should be configured as opposed to Figure 3 the input of amplifier U8, the reference voltage V ref is to be input to the + terminal of amplifier U8.
증폭기 U8은 소정의 기준전압 Vref를 -단자로 입력받고, 홀 센서 U7의 단자2의 출력전압 V2를 +단자를 통해 입력받는다. 증폭기 U8의 출력전압은 트랜지스터 M1의 게이트에 연결되어, 트랜지스터 M1을 제어한다. 기준전압 Vref는 홀 센서 U7의 출력단자 중 하나(도 3에서는 단자2)의 출력전압(여기서는, V2)을 일정한 값(Vref)으로 유지하고자 할 경우, 그 출력전압 값이 된다. 일반적으로는 구동하는 홀 센서의 규격에 명시되어 있는 공급전압의 1/2부근이 바람직하다.The amplifier U8 receives a predetermined reference voltage V ref as a − terminal and an output voltage V 2 of the
본 발명의 홀 센서 구동회로(300)가 동작을 시작하면서, 전압 V2가 기준전압 Vref보다 낮거나 높게 될 것이다. 그러나, 증폭기 U8에 의한 증폭회로는 전압 V2를 피드백 받아, 트랜지스터 M1의 구동전류를 제어함으로써 전압 V2가 기준전압으로 수렴되도록 한다. As the Hall
따라서, 홀 센서 U7의 단자 2의 출력전압 V2는 기준전압 Vref를 유지하게 된다. 그리고, 홀 센서 U7의 단자 4의 출력전압 V4는 홀 센서 U7에 작용하는 자속의 변화에 대응하여 변하게 되며, 이러한 전압 V4의 변화는 홀 센서 U7의 내부저항 R1 내지 R4의 변화에 의해 결정된다. Therefore, the output voltage V 2 of the
홀 센서 U7에 자속이 작용하지 않을 경우에, 내부저항 R1 내지 R4는 동일한 값을 유지하게 되어, 전압 V4는 전압 V2와 동일하게 되고, 그것은 기준전압 Vref와 같다. 따라서, V2 = V4 =Vref가 성립한다. When no magnetic flux acts on the hall sensor U7, the internal resistances R 1 to R 4 maintain the same value, so that the voltage V 4 becomes equal to the voltage V 2 , which is equal to the reference voltage V ref . Thus, V 2 = V 4 = V ref holds.
홀 센서 U7에 자속이 작용하게 되면, 자속의 변화에 대응하여 저항 R1 내지 R4가 변하게 된다. 그러나 홀 센서의 특성상 저항 R1과 R4는 항상 동일한 값을 유지하고, 저항 R2와 R3는 항상 동일한 값을 유지하게 된다. When the magnetic flux acts on the hall sensor U7, the resistances R 1 to R 4 change in response to the change of the magnetic flux. However, due to the characteristics of the Hall sensor, the resistors R 1 and R 4 always maintain the same value, and the resistors R 2 and R 3 always maintain the same value.
이에 따라 전압 V4를 구하면 다음의 수학식 1과 같다. Accordingly, when the voltage V 4 is obtained, the following
여기서, 저항 R1, R2가 고정된 상수가 아니고, 자속이 존재하지 않은 경우에 는 동일한 값을 지니며, 자속이 존재하는 경우에는, 홀 효과(Hall Effect)에 의해 R1 이 커질 때는 R2가 작아지고, R1이 작아질 때는 R2가 커지는 방향으로 크기의 변화가 발생하며, 그 크기 변화는 자속의 세기에 비례하므로 전압 V4가 기준전압에 대하여 선형적으로 변하지 아니한다. 또한 이 수식의 비례상수인 R1/R2의 값은 자속밀도가 높아질수록 큰 값을 갖는 것을 특징으로 한다.Here, the resistors R 1 and R 2 are not fixed constants and have the same value when no magnetic flux exists, and when R 1 increases due to the Hall Effect when magnetic flux exists, R 1. When 2 becomes smaller and R 1 becomes smaller, a change in magnitude occurs in a direction in which R 2 increases, and since the magnitude change is proportional to the intensity of the magnetic flux, the voltage V 4 does not change linearly with respect to the reference voltage. In addition, the value of R1 / R2, which is a proportional constant of the equation, is characterized by having a larger value as the magnetic flux density increases.
만약, 자속 밀도의 변화에 대응하여 저항 R1이 저항 R2보다 커지면, 전압 V4는 기준전압 Vref보다 커지게 되고, 홀 전압 VH2는 다음의 수학식 2와 같다. If the resistance R 1 becomes larger than the resistance R 2 in response to the change of the magnetic flux density, the voltage V 4 becomes larger than the reference voltage V ref , and the hall voltage V H2 is expressed by
예를 들어, 기준전압 Vref가 0.5V이고, 저항 R1=R4= 150 Ω, 저항 R2=R3=50 Ω이라고 하자. 전압 V2는 0.5V가 되고, 전아 V4는 수학식 1에 의해 1.5V가 되어 홀 전압 VH2는 1.0V가 된다. For example, assume that the reference voltage V ref is 0.5V, the resistance R 1 = R 4 = 150 mV, and the resistance R 2 = R 3 = 50 mV. The voltage V 2 becomes 0.5V, the preamplifier V 4 becomes 1.5V by the equation (1), and the hall voltage V H2 becomes 1.0V.
이것을 도 1a의 종래 회로와 비교하면 다음과 같다. 도 1a의 경우 기준전압이 없고, 구동전원 VDD가 홀 센서 U1의 단자 1에 그대로 인가되는 상황이다. 따라서, 홀 전압 VH1의 크기는 자속밀도의 변화와는 무관하게 고정된VDD에 의해 좌우될 수 있다. 다만, 자속이 인가되지 않는 경우에 출력전압 Va=Vb=VDD/2 가 기준전압 Vref와 동일하도록 VDD를 인가했다고 할 때, 홀 전압 VH1은 앞서 계산한 바와 같이 0.5V 가 된다. This is compared with the conventional circuit of FIG. 1A as follows. In the case of FIG. 1A, there is no reference voltage, and the driving power source V DD is applied to the
따라서, 본 발명에 의한 홀 센서 구동회로(300)는 기본적으로 자속 밀도의 변화에 비례하는 증폭률을 지닌 증폭기능을 포함하게 된다.Therefore, the Hall
나아가, 기준전압 Vref가 NMOS 트랜지스터의 문턱전압보다 높은 경우, 전압 V4는 항상 Vref 보다 높게 된다. 따라서, 전압 V4가 입력될 수 있는 증폭기(미도시)의 입력단을 구성하는 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터를 함께 사용할 필요없이 NMOS 트랜지스터만 사용할 수 있다. Furthermore, when the reference voltage V ref is higher than the threshold voltage of the NMOS transistor, the voltage V 4 is always higher than V ref . Therefore, the transistor constituting the input terminal of the amplifier (not shown) to which the voltage V 4 can be input can use only the NMOS transistor without using the PMOS transistor and the NMOS transistor together.
또한, 본 발명의 홀 센서 구동회로(300)를 사용함으로써 전압 V4가 입력되는 증폭기를 설계함에 있어, 높은 문턱전압을 특징으로 하는 제조공정과 낮은 전원전압(증폭기용)을 특징으로 하는 동작 환경하에서도 간단한 구조의 증폭기를 설계할 수 있다. In addition, in designing an amplifier to which the voltage V 4 is input by using the Hall
본 발명에 따른 다른 실시 예에 의하면, 도 3의 증폭기 U8, 트랜지스터 M1이 홀 센서 구동 전원의 공급을 위한 별도의 회로(예를 들어, 센서전원회로부)에 포함될 수 있다. 다만, 본 발명의 특징 중 하나는, 증폭기 U8, 트랜지스터 M1에 의해 홀 센서의 출력단자 중 하나에 일정전압(예를 들어, V2=Vref)이 유지되도록 형성되는 것이며, 이러한 구성을 유지하는 한, 증폭기 U8, 트랜지스터 M1이 다른 구성과 함 께 별도의 회로에 포함되어 형성될 수 있다. According to another exemplary embodiment of the present disclosure, the amplifier U8 and the transistor M1 of FIG. 3 may be included in a separate circuit (eg, a sensor power circuit unit) for supplying a hall sensor driving power. However, one feature of the present invention is that the amplifier U8 and the transistor M1 are formed so that a constant voltage (for example, V 2 = V ref ) is maintained at one of the output terminals of the hall sensor. In addition, the amplifier U8 and the transistor M1 may be formed by being included in a separate circuit together with another configuration.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 회로에 따라 측정한 홀 전압을 도시한 그래프이다.4A and 4B are graphs showing Hall voltages measured according to the circuit of FIG. 3.
도 4a를 참조하면, 홀 전압 그래프의 가로축은 자속밀도가 된다. 따라서, 가로축은 0으로 수렴할수록 자석과 홀 센서 U7과의 거리가 멀어진다. Referring to FIG. 4A, the horizontal axis of the Hall voltage graph is a magnetic flux density. Therefore, as the horizontal axis converges to zero, the distance between the magnet and the hall sensor U7 increases.
도 4a는 자속의 변화에 대응하여 저항 R1 및 R2가 변하되, 기본적으로 도 1b와 같이 R1 > R2인 경우를 가정한다. 그래프에는, 전압 V2와 V4를 표시하였으며, 홀 전압 VH2를 함께 표시하였다. 그래프에 표시된 홀 전압 VH1은 비교를 위하여, 도 1b의 VH1을 대응되게 도시한 것이다. In FIG. 4A, the resistors R 1 and R 2 change in response to a change in the magnetic flux, but basically assume that R 1 > R 2 as shown in FIG. 1B. In the graphs, voltages V 2 and V 4 were displayed, and hall voltages V H2 were also displayed. Hall voltages V H1 shown in the graphs correspond to V H1 in FIG. 1B for comparison.
도 4a의 c처럼, 홀 센서 U7에 자속이 작용하지 않을 경우에, 전압 V4는 전압 V2와 동일하게 되어 기준전압 Vref와 같다. 홀 센서 U7에 자석이 접근함에 따라, 홀 센서 U7에 작용하는 자속밀도가 증가되면, 홀 전압 VH2는 비선형적으로 증가하게 된다. 따라서, 도 4a의 그래프는, 본 발명의 홀 센서 구동회로(300)가 기본적으로 홀 전압의 증폭기능을 가짐을 보여준다. As shown in c of FIG. 4A, when no magnetic flux acts on the hall sensor U7, the voltage V 4 becomes equal to the voltage V 2 , which is equal to the reference voltage V ref . As the magnet approaches the hall sensor U7, when the magnetic flux density acting on the hall sensor U7 is increased, the hall voltage V H2 increases nonlinearly. Thus, the graph of FIG. 4A shows that the Hall
다만, 통상 자석의 접근에 의해 홀 센서에 작용하는 자속 밀도는, 자속이 다른 전기소자에 미치는 영향 등을 고려하여, 약 50 x 10-3 T[tesla]이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 자속 밀도가 홀 센서 U7에 작용할 경우에, 현재 상용화되어 있는 홀 센서에 적용한 구동회로(300)에 따른 홀 전압 VH2는 통상적으로 100mV 이하가 된다.However, it is preferable that the magnetic flux density acting on the hall sensor by the approach of the magnet is usually about 50 × 10 −3 T [tesla] or less in consideration of the influence of the magnetic flux on other electric elements. When such magnetic flux density acts on the hall sensor U7, the hall voltage V H2 in accordance with the
앞서 언급한 바와 같이, 기준전압 Vref를 NMOS 트랜지스터의 문턱전압보다 높게 할 경우, 전압 V4는 항상 Vref 보다 높게 된다. 따라서, 전압 V4가 입력될 수 있는 증폭기(미도시)의 입력단을 구성하는 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터를 함께 사용할 필요없이 NMOS 트랜지스터만 사용할 수 있다.As mentioned above, when the reference voltage V ref is made higher than the threshold voltage of the NMOS transistor, the voltage V 4 is always higher than V ref . Therefore, the transistor constituting the input terminal of the amplifier (not shown) to which the voltage V 4 can be input can use only the NMOS transistor without using the PMOS transistor and the NMOS transistor together.
도 4b는, 전압 V2 대신에 전압 V4를 피드백하여 일정하게 유지하는 경우에 발생할 수 있다. 이럴 경우, 저항 R1=R4이고, 저항 R2=R3 이므로, 자속이 증가함에 따라 저항 R2가 점점 작아지게 되므로, 출력전압 V2는 기준전압 Vref로 고정될 전압 V4보다 낮아지게 된다. 다만, 도 4b의 경우, 홀 전압 VH2의 절대값은 도 4a의 경우와 동일하다. FIG. 4B may occur when the voltage V 4 is fed back and kept constant instead of the voltage V 2 . In this case, since the resistance R 1 = R 4 and the resistance R 2 = R 3 , the resistance R 2 becomes smaller as the magnetic flux increases, so the output voltage V 2 is lower than the voltage V 4 to be fixed to the reference voltage V ref . You lose. However, in the case of FIG. 4B, the absolute value of the hall voltage V H2 is the same as that of FIG. 4A.
또한, 도 4b는, 홀 센서 U7에 작용하는 자속 밀도의 방향이 도 4a와 반대방향인 경우에 발생할 수 있다. In addition, FIG. 4B may occur when the direction of the magnetic flux density acting on the hall sensor U7 is opposite to FIG. 4A.
앞서 언급한 바와 같이, 기준전압 Vref를 PMOS 트랜지스터의 문턱전압보다 낮게 할 경우, 전압 V2는 항상 Vref 보다 낮게 된다. 따라서, 전압 V2가 입력될 수 있는 증폭기(미도시)의 입력단을 구성하는 트랜지스터는 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터를 함께 사용할 필요없이 PMOS 트랜지스터만 사용할 수 있다As mentioned above, when the reference voltage V ref is lower than the threshold voltage of the PMOS transistor, the voltage V 2 is always lower than V ref . Therefore, the transistors constituting the input terminal of the amplifier (not shown) to which the voltage V 2 can be input can use only the PMOS transistors without using the PMOS transistors and the NMOS transistors together.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 복수 개의 홀 센서를 위한 구동회로이다. 5 is a driving circuit for a plurality of Hall sensors according to another embodiment of the present invention.
도 5의 홀 센서 구동회로(500)는, 적어도 두 개의 홀 센서를 포함하고 두 개 홀 센서에서 감지하는 자속밀도의 차이를 감지하게 된다. 이러한 홀 센서 구동회로(500)는 두 개의 홀 센서 U9 및 U10 사이(또는 근처)를 움직이는 자석(미도시)이 존재하고, 자석의 위치 및 움직임을 감지하기 위한 장치에 사용될 수 있다. The Hall
도 5를 참조하면, 2개의 홀 센서 U9 및 U10이 있고, 홀 센서 U9 및 U10 각각에 대하여 단자 2의 전압을 기준전압 Vref로 유지하기 위한 증폭기 U11 및 U12가 있다. Referring to FIG. 5, there are two Hall sensors U9 and U10, and there are amplifiers U11 and U12 for maintaining the voltage at
따라서, 홀 센서 U9, 트랜지스터 M2 및 증폭기 U11로 구성되는 블록과 홀 센서 U10, 트랜지스터 M3 및 증폭기 U12로 구성되는 블록은 도 3의 홀 센서 구동회로(300)와 동일하게 동작하며, 각 구성요소도 도 3의 구성과 대응된다. Accordingly, the block composed of the Hall sensor U9, the transistor M2 and the amplifier U11 and the block composed of the Hall sensor U10, the transistor M3 and the amplifier U12 operate in the same manner as the Hall
홀 센서 U9 및 U10의 출력단자 4의 출력전압은 각각 증폭기 U13으로 입력된다. 이에 따라 증폭기 U13은 두 개 홀 센서 U9 및 U10의 출력을 비교함으로써 자속의 변화를 감지할 수 있다. The output voltages of the
앞서 언급한 바와 같이, 홀 센서 U9 및 U10의 출력단자 4의 출력전압을 입력받는 증폭기 U13을 설계함에 있어, 높은 문턱 전압을 특징으로 하는 제조공정과 낮은 전원전압(증폭기 U13용)을 특징으로 하는 동작 환경하에서도 간단한 구조의 증폭기를 설계할 수 있다. As mentioned above, in designing the amplifier U13 which receives the output voltages of the
또한, 도 2의 종래 홀 센서 구동회로(200)와 비교할 때, 본 발명의 홀 센서 구동회로(500)는 두 개의 홀 센서 각각의 한쪽 출력 전압이 Vref로 고정되어 있으므로, 증폭기 U4, U5에 대응되는 구성을 생략할 수 있다. 증폭기 U11 및 U12가, 도 2와 달리, 도 5에 새로이 추가된 구성인 것처럼 인식될 수 있으나, 증폭기 U11 및 U12의 구성은 도 2의 센서전원회로부(201)에 포함될 수 있는 구성이며 또한 일반적으로 U4,U5 증폭기에 비하여 간략한 구조를 지닌다. In addition, compared with the conventional Hall
나아가, 본 발명의 홀 센서 구동회로는, 홀 센서 구동회로의 상측에서 움직이는 자석의 움직임에 대응하여 소정의 표시장치에 표시되는 포인터를 움직이도록 제어하는 소정의 포인팅 장치에 포함될 수 있다.Furthermore, the Hall sensor driving circuit of the present invention may be included in a predetermined pointing device that controls to move the pointer displayed on the predetermined display device in response to the movement of the magnet moving above the Hall sensor driving circuit.
도 6은 본 발명의 홀 센서 구동회로에 의한 포인팅 장치의 블록도이다. 이하 도 6을 참조하여 포인팅 장치를 간단히 설명한다. 6 is a block diagram of a pointing device by the Hall sensor driving circuit of the present invention. Hereinafter, the pointing device will be described with reference to FIG. 6.
도 6을 참조하면, 포인팅 장치(600)는 자석(601), 홀센서 구동부(603) 및 포인팅 제어부(605)를 포함한다. Referring to FIG. 6, the
도 6의 포인팅 장치(600)는 다양한 디지털 기기에 포함될 수 있으며, 사용자의 조작에 대응하여, 디지털 기기 내에 포함된 표시부(미도시)상의 포인터를 움직일 수 있다. 바람직하게는, 포인팅 장치(600)는 휴대용 디지털 기기에 포함될 수 있다. The
자석(601)은 소정 공간을 움직이도록 마련될 수 있다. The
홀센서 구동부(603)는 자석(601)이 움직이는 공간의 일측에 형성되어, 상기 자석이 움직이는 변위를 검출하고, 변위에 대응하는 제어명령을 포인팅 제어부(605)로 출력한다. The
홀센서 구동부(603)는 도 3 및 도 5의 홀 센서 구동회로가 해당할 수 있으며, 도 6에는 하나의 홀센서 구동부(603)만을 도시하였으나 복수개의 홀센서 구동부(603)가 포함될 수 있다.The
포인팅 제어부(605)는 홀센서 구동부(603)로부터 수신한 제어명령에 따라, 표시부(미도시)의 포인터를 움직이도록 제어한다.The pointing
이러한 홀센서 구동부(603)에서 출력되는 홀 전압 VH2의 비선형성은 포인터의 움직임의 가속효과를 가져온다. 예를 들어, 자석(601)이 홀 센서에 가까이 올수록(자속밀도가 커질수록) 홀 센서에서 출력되는 홀 전압 VH2가 비선형적으로 증가하므로, 포인터의 움직임이 등가속도가 되지 아니하고, 점점 속도가 증가하게 된다. 즉, 포인터의 움직임에 가속도가 부가되는 것이다. Non-linearity of the Hall voltage V H2 output from the
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이 다.In addition, although the preferred embodiment of the present invention has been shown and described above, the present invention is not limited to the above-described specific embodiment, the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 홀 센서 구동회로는, 홀 센서를 구동하기 위해 정전압을 생성하는 별도의 전원회로를 필요로 하지 아니한다. As described above, the hall sensor driving circuit according to the present invention does not require a separate power supply circuit for generating a constant voltage to drive the hall sensor.
홀 센서 구동회로는, 홀 센서에 작용하는 자속 밀도가 증가함에 따라 출력되는 홀 전압을 비선형적으로 증가시킴으로써, 자체적으로 증폭 기능을 포함한다.The hall sensor driving circuit includes amplification function by itself by non-linearly increasing the hall voltage output as the magnetic flux density acting on the hall sensor increases.
홀 센서 구동회로는 홀 센서의 출력단자에서 출력되는 전압을 소정의 기준전압을 기준으로 증가 또는 감소 중 하나의 형태로만 출력된다. 따라서, 홀 센서의 출력을 입력받는 증폭기의 입력단을 설계함에 있어, 사용되는 트랜지스터는 NMOS나 PMOS 트랜지스터 중 하나만으로 구성할 수 있다. 나아가, 홀 센서의 출력을 입력받는 증폭기를 설계함에 있어, 높은 문턱 전압을 특징으로 하는 제조공정과 낮은 전원전압을 특징으로 하는 동작 환경에서도 간단한 구조를 가지는 증폭기의 설계가 가능하다.The hall sensor driving circuit outputs the voltage output from the output terminal of the hall sensor only in one form of increasing or decreasing based on a predetermined reference voltage. Therefore, in designing the input terminal of the amplifier receiving the output of the hall sensor, the transistor used can be composed of only one of the NMOS or PMOS transistor. Furthermore, in designing an amplifier receiving the output of the hall sensor, it is possible to design an amplifier having a simple structure even in a manufacturing process characterized by a high threshold voltage and an operating environment featuring a low power supply voltage.
본 발명의 홀 센서 구동회로를 이용하는 포인팅 장치의 경우, 홀 전압의 비선형적인 특성에 따라, 자석이 홀 센서에 접근할수록 포인터의 이동속도를 증가시키는 기능을 기본적으로 구현할 수 있다.In the case of the pointing device using the Hall sensor driving circuit of the present invention, a function of increasing the moving speed of the pointer as the magnet approaches the Hall sensor may be basically implemented according to the nonlinear characteristic of the Hall voltage.
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