KR100995240B1 - A circuit for measuring a capacitance - Google Patents
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Abstract
정전 용량 감지 회로에 관한 것으로서, 특히 캐퍼시터에 충전 및 방전되는 전류량을 다르게 하였을 때, 캐퍼시터의 양단에 걸리는 전압의 변화에 기초하여 캐퍼시터의 정전 용량의 값을 검출하는 방식으로 동작하는 회로이다.The present invention relates to a capacitance sensing circuit, and in particular, when a current amount charged and discharged to a capacitor is changed, the circuit operates in a manner of detecting a value of the capacitance of the capacitor based on a change in voltage across the capacitor.
정전용량 감지회로는, 캐퍼시터에 충전되는 전류와 방전되는 전류의 크기를 다르게 하여, 캐퍼시터 양단의 전압이 기준 값에서부터 변하여 다시 기준값이 될 때까지의 시간을 측정하여, 캐퍼시터의 정전용량을 검출한다. 정전용량 감지회로는, 펄스 신호를 발생시키는 가변 펄스 신호 발생기; 펄스 신호를 입력받아, 펄스 신호의 레벨에 기초하여 캐퍼시터를 충전 또는 방전시키는 전류 구동 능력 조절기; 캐퍼시터에 걸리는 전압을 신호로 입력받아 전압의 범위에 기초하여 서로 다른 2 개의 레벨 중 하나의 레벨을 선택하고, 선택된 레벨을 가지는 디지털 신호를 출력하는 신호 변환기; 및 디지털 신호를 입력받아 디지털 신호가 서로 다른 2 개의 레벨 중 제 1 레벨로 지속되는 시간 측정하는 제 1 카운터를 구비하고, 캐퍼시터의 정전용량은 카운터에 의하여 측정되는 시간에 기초하여 추정된다.The capacitance sensing circuit detects the capacitance of the capacitor by measuring the time until the voltage across the capacitor changes from the reference value to the reference value again by varying the magnitude of the current charged in the capacitor and the discharged current. The capacitive sensing circuit includes a variable pulse signal generator for generating a pulse signal; A current driving capability controller configured to receive a pulse signal and charge or discharge a capacitor based on the level of the pulse signal; A signal converter which receives a voltage applied to the capacitor as a signal, selects one of two different levels based on a range of voltages, and outputs a digital signal having the selected level; And a first counter for receiving a digital signal and measuring a time for which the digital signal lasts at a first level among two different levels, wherein the capacitance of the capacitor is estimated based on the time measured by the counter.
정전 용량, 전류구동, 캐퍼시터, MOSFET Capacitance, Current Drive, Capacitor, MOSFET
Description
본 발명은 정전 용량 감지 회로에 관한 것으로서, 특히 캐퍼시터에 충전 및 방전되는 전류량을 다르게 하였을 때, 캐퍼시터의 양단에 걸리는 전압의 변화에 기초하여 캐퍼시터의 정전 용량의 값을 검출하는 방식으로 동작하는 회로에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
캐퍼시터의 정전 용량을 측정하기 위한 다양한 방법이 존재한다. Various methods exist for measuring the capacitance of a capacitor.
잘 알려진 종래의 정전 용량 측정 방법은 AC 브리지 회로를 사용하는 것이다. AC 브리지 회로는 일반적으로 네 개의 암, 검류계 및 사인파 발생기를 포함한다. 첫번째, 두번째 암 (arm) 에는 저항이 위치하고, 세번째 암에는 정전 용량의 값이 알려진 기준 캐퍼시터가 위치한다. 네번째 암에는 측정 대상이 되는 캐퍼시턴스가 위치하며, 사인파의 주파수를 조절함으로써 검류계를 통하여 평형이 되는 조건을 관찰한다. 검출된 조건을 토대로 측정 대상이 되는 네번째 캐퍼시터의 정전 용량을 측정할 수 있다. A well known conventional method of measuring capacitance is to use an AC bridge circuit. AC bridge circuits typically include four arms, galvanometers, and sine wave generators. In the first and second arms the resistance is placed, and in the third arm the reference capacitor is known whose capacitance value is known. In the fourth arm, the capacitance to be measured is located, and the equilibrium condition is observed through the galvanometer by adjusting the frequency of the sine wave. Based on the detected conditions, the capacitance of the fourth capacitor to be measured can be measured.
다른 종래 기술로서 미국 등록 특허 3,824,459 에서는 정전 용량을 측정하기 위한 방법이 공개되었다. 이 문헌에서는, 기준 캐퍼시터와 제 1 기준 저항으로 구성된 RC 1 차회로에서 기준 캐퍼시터로부터 전하가 방전되는데 소요되는 시간을 측정하고, 미지의 캐퍼시터와 제 2 기준 저항으로 구성된 RC 1 차회로에서 미지의 캐퍼시터로부터 전하가 방전되는데 소요되는 시간을 측정한 후에, 두 개의 측정시간 및 기지의 캐퍼시터 저항의 값에 기초하여 미지의 캐퍼시터의 정전용량을 측정한다.As another prior art, US Patent No. 3,824,459 discloses a method for measuring capacitance. In this document, the time required for discharge of charge from the reference capacitor in the RC primary circuit composed of the reference capacitor and the first reference resistor is measured, and the unknown capacitor in the RC primary circuit composed of the unknown capacitor and the second reference resistor is measured. After measuring the time it takes for the charge to discharge from, the capacitance of the unknown capacitor is measured based on the two measurement times and the value of the known capacitor resistance.
상술한 AC 브리지 회로 및 미국 등록 특허 3,824,459 호의 검출방법에 있어서는, 저항이 2 개, 기준 캐퍼시터가 1 개가 필요하다. 즉, 측정 대상이 되는 캐퍼시터 이외의 아날로그 소자를 회로는 구비하여야 한다. 그러나, 아날로그 소자는 주변의 조건 (온도, 습도, 동작상태 등) 에 의하여 그 특성값이 변할 수가 있기 때문에, 정확한 캐퍼시턴스의 측정이 어려울 뿐만 아니라, 공간을 많이 차지하여 회로를 소형화하기 어렵다는 문제점이 있다.In the above-described AC bridge circuit and the detection method of US Patent No. 3,824,459, two resistors and one reference capacitor are required. In other words, the circuit should be provided with an analog element other than the capacitor to be measured. However, because analog devices can change their characteristic values due to ambient conditions (temperature, humidity, operating conditions, etc.), it is difficult to accurately measure capacitance, and it is difficult to miniaturize circuits by taking up a lot of space. There is this.
정전 용량 측정 회로에 있어서, 아날로그 소자의 개수를 줄여야만, 정밀하고 정확한 캐퍼시턴스의 측정이 가능하며, 회로를 소형화할 수 있다. 아날로그 소자인 저항과, 캐퍼시터를 사용하지 않고 캐퍼시터의 정전용량을 구하는 방법이 필요하다.In the capacitance measuring circuit, only by reducing the number of analog elements, accurate and accurate capacitance measurement is possible, and the circuit can be miniaturized. There is a need for a resistor that is an analog device and a method for obtaining capacitance of a capacitor without using a capacitor.
본 발명에 따른 정전용량 감지회로는, 펄스 신호를 발생시키는 가변 펄스 신호 발생기; 펄스 신호를 입력받아, 펄스 신호의 레벨에 기초하여 캐퍼시터를 충전 또는 방전시키는 전류 구동 능력 조절기; 캐퍼시터에 걸리는 전압을 신호로 입력받아 전압의 범위에 기초하여 서로 다른 2 개의 레벨 중 하나의 레벨을 선택하고, 선택된 레벨을 가지는 디지털 신호를 출력하는 신호 변환기; 및 디지털 신호를 입력받아 디지털 신호가 서로 다른 2 개의 레벨 중 제 1 레벨로 지속되는 시간 측정하는 제 1 카운터를 구비하고, 캐퍼시터의 정전용량은 카운터에 의하여 측정되는 시간에 기초하여 추정된다.A capacitive sensing circuit according to the present invention includes a variable pulse signal generator for generating a pulse signal; A current driving capability controller configured to receive a pulse signal and charge or discharge a capacitor based on the level of the pulse signal; A signal converter which receives a voltage applied to the capacitor as a signal, selects one of two different levels based on a range of voltages, and outputs a digital signal having the selected level; And a first counter for receiving a digital signal and measuring a time for which the digital signal lasts at a first level among two different levels, wherein the capacitance of the capacitor is estimated based on the time measured by the counter.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 가변 펄스 신호 발생기는, 클럭 신호를 입력받아 클럭수를 나타내는 N 비트의 신호를 출력하는 제 2 카운터; N 비트의 신호 중 하나의 비트 신호를 선택하여 펄스 신호로 출력하는 먹스 (MUX); 및 펄스 신호를 입력받아 펄스 신호의 에지를 검출하는 에지 검출기를 포함하며, 에지 검출기가 에지를 검출할 경우, 에지 검출기는 제 2 카운터를 디스에이 블시킨다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the variable pulse signal generator comprises: a second counter for receiving a clock signal and outputting an N-bit signal representing the number of clocks; A mux for selecting one bit signal among N bit signals and outputting the pulse signal; And an edge detector that receives the pulse signal and detects an edge of the pulse signal, and when the edge detector detects the edge, the edge detector disables the second counter.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 가변 펄스 신호 발생기는, 클럭 신호를 입력받아 클럭수를 나타내는 N 비트의 신호를 출력하는 제 2 카운터; N 비트의 신호 중 하나의 비트 신호를 선택하여 펄스 신호로 출력하는 먹스 (MUX); 먹스로부터 출력된 신호를 반전시켜 출력하는 제 1 인버터; 인버터로부터 출력된 신호 및 카운터 인에이블 신호를 논리곱 시켜 펄스 신호로 출력하는 제 1 논리곱게이트; 펄스 신호를 입력받아 펄스 신호의 에지를 검출하고, 에지 검출 여부를 알리는 에지 검출 신호를 출력하는 에지 검출기; 및 에지 검출기의 에지 검출 신호를 리셋 (Reset) 으로 입력받고, 펄스 시작 신호를 세트 (Set) 로 입력받아, 클럭 신호에 동기화되어 동작하는 RS 플립플롭을 구비하며, 카운터 인에이블 신호는 RS 플립플롭으로부터의 출력신호이며, 제 2 카운터는 카운터 인에이벨 신호에 따라 동작하거나 동작을 중단하고, 펄스 시작 신호에 기초하여 리셋된다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the variable pulse signal generator comprises: a second counter for receiving a clock signal and outputting an N-bit signal representing the number of clocks; A mux for selecting one bit signal among N bit signals and outputting the pulse signal; A first inverter for inverting and outputting a signal output from the mux; A first AND gate for performing an AND operation on the signal output from the inverter and the counter enable signal to output a pulse signal; An edge detector receiving a pulse signal to detect an edge of the pulse signal and outputting an edge detection signal indicating whether the edge is detected; And an RS flip-flop that receives an edge detector signal of the edge detector as a reset, receives a pulse start signal as a set, and operates in synchronization with a clock signal, wherein the counter enable signal is an RS flip-flop. Is an output signal from and the second counter operates or stops in response to the counter enable signal and is reset based on the pulse start signal.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 에지 검출기는, 펄스 신호를 입력받아 반전시켜 출력하는 제 2 인버터; 펄스 신호를 입력받아 클럭 신호에 따라 지연된 펄스 신호를 출력시키는 D 플립플롭; 및 제 2 인버터의 출력신호 및 지연된 펄스 신호를 논리곱시켜서 에지 검출 신호로 출력하는 제 2 논리곱게이트를 구비한다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the edge detector includes: a second inverter for receiving a pulse signal and inverting the pulse signal; A D flip-flop that receives a pulse signal and outputs a delayed pulse signal according to a clock signal; And a second AND gate for performing an AND operation on the output signal of the second inverter and the delayed pulse signal to output the edge detection signal.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 전류 구동 능력 조절기는, 펄스 신호에 기초하여 펄스 신호가 제 2 레벨일 때에는 충전 전류로 캐퍼시터를 충전시키는 전류 충전기; 및 펄스 신호에 기초하여 펄스 신호가 제 3 레벨일 때에는 방전 전류로 캐퍼시터를 방전시키는 전류 방전기를 구비한다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the current drive capability regulator includes: a current charger for charging the capacitor with charging current when the pulse signal is at a second level based on the pulse signal; And a current discharger for discharging the capacitor with the discharge current when the pulse signal is at the third level based on the pulse signal.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 전류 충전기는 캐퍼시터와 동작 전위 사이에서 스위칭하는 제 1 스위칭 소자를 포함하고, 전류 방전기는 캐퍼시터와 그라운드 전위 사이에서 스위칭하는 제 2 스위칭 소자를 포함하며, 제 1 스위칭 소자 및 제 2 스위칭 소자는 펄스 신호에 기초하여 스위칭된다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the invention, the current charger comprises a first switching element for switching between a capacitor and an operating potential, and the current discharger comprises a second switching element for switching between a capacitor and a ground potential. The first switching element and the second switching element are switched based on the pulse signal.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 충전 전류의 크기가 방전 전류보다 크다.Preferably, in the capacitance sensing circuit according to the present invention, the magnitude of the charging current is larger than the discharge current.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 제 1 스위칭 소자는 고-전류 구동 PMOS 를 포함하고, 제 2 스위칭 소자는 저-전류 구동 NMOS 를 포함하며, 고-전류 구동 PMOS 의 게이트 및 저-전류 구동 NMOS 의 게이트로 펄스 신호가 입력된다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the invention, the first switching element comprises a high-current driving PMOS, the second switching element comprises a low-current driving NMOS, the gate of the high-current driving PMOS and The pulse signal is input to the gate of the low-current driving NMOS.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 제 1 스위칭 소자는 고-전류 구동 PMOS 를 포함하고, 제 2 스위칭 소자는 고-전류 구동 NMOS 및 고-전류 구동 NMOS 와 캐퍼시터를 연결하는 저항을 포함하며, 고-전류 구동 PMOS 의 게이트 및 고-전류 구동 NMOS 의 게이트로 펄스 신호가 입력되고, 저항은 방전 전류가 충전 전류보다 작아지도록 한다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the first switching element comprises a high-current driving PMOS, and the second switching element is a resistor connecting the high-current driving NMOS and the high-current driving NMOS with a capacitor. And a pulse signal is input to the gate of the high-current driving PMOS and the gate of the high-current driving NMOS, and the resistance causes the discharge current to be less than the charging current.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 충전 전류가 방전 전류보다 작다.Preferably, in the capacitance sensing circuit according to the present invention, the charging current is smaller than the discharge current.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 제 1 스위칭 소자는 저-전류 구동 PMOS 를 포함하고, 제 2 스위칭 소자는 고-전류 구동 NMOS 를 포함하 며, 저-전류 구동 PMOS 의 게이트 및 고-전류 구동 NMOS 의 게이트로 펄스 신호가 입력된다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the invention, the first switching element comprises a low-current driving PMOS, the second switching element comprises a high-current driving NMOS, and the gate of the low-current driving PMOS. And a pulse signal is input to the gate of the high-current driving NMOS.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 제 1 스위칭 소자는 고-전류 구동 PMOS 및 고-전류 구동 PMOS 와 캐퍼시터를 연결하는 저항을 포함하며, 제 2 스위칭 소자는 고-전류 구동 NMOS 이며, 고-전류 구동 PMOS 의 게이트 및 고-전류 구동 NMOS 의 게이트로 펄스 신호가 입력되고, 저항은 충전 전류가 방전 전류보다 작아지도록 한다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the first switching element comprises a high-current driving PMOS and a resistor connecting the high-current driving PMOS and a capacitor, and the second switching element comprises a high-current driving NMOS. And a pulse signal is input to the gate of the high-current driving PMOS and the gate of the high-current driving NMOS, and the resistance causes the charging current to be smaller than the discharge current.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 제 1 스위칭 소자는, 복수의 PMOS 및 복수의 PMOS 각각에 대응하는 복수의 논리합 게이트를 포함하고, 제 2 스위칭 소자는, 복수의 NMOS 및 복수의 NMOS 각각에 대응하는 복수의 논리곱 게이트를 포함하고, 복수의 PMOS 의 각각은 동작 전위와 캐퍼시터 사이에서 스위칭하며, 복수의 NMOS 의 각각은 그라운드 전위와 캐퍼시터 사이에서 스위칭하고, 복수의 논리합 게이트의 각각은 펄스 신호 및 대응하는 PMOS 인에이블 신호를 입력받아 논리합시켜서 대응하는 PMOS 의 게이트로 출력하고, 복수의 논리곱 게이트의 각각은 펄스 신호 및 대응하는 NMOS 인에이블 신호를 입력받아 논리곱시킨 후 대응하는 PMOS 의 게이트로 출력하고, PMOS 인에이블 신호를 조절하여 충전 전류의 크기를 조절할 수 있고, NMOS 인에이블 신호들 조절하여 방전 전류의 크기를 조절할 수 있다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the first switching element comprises a plurality of PMOSs and a plurality of logic sum gates corresponding to each of the plurality of PMOSs, and the second switching element comprises a plurality of NMOSs and a plurality of A plurality of AND gates corresponding to each of the NMOSs, wherein each of the plurality of PMOS switches between an operating potential and a capacitor, each of the plurality of NMOS switches between a ground potential and a capacitor, and Each of the plurality of logic gates receives a logic signal and a corresponding PMOS enable signal, and outputs the result to the gate of the corresponding PMOS, and each of the plurality of AND gates receives the logic signal and performs a logical multiplication on the corresponding NMOS enable signal. Output to the gate of the PMOS to adjust the magnitude of the charge current by adjusting the PMOS enable signal, NMOS enable signal And the control can adjust the size of the discharge current.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 신호 변환기는, 캐퍼시터에 걸리는 전압이 제 1 레벨보다 크면 제 3 레벨을 디지털 신호로 선택하고, 캐퍼시터에 걸리는 전압이 제 2 레벨보다 작으면 제 4 레벨을 디지털 신호로 선택하고, 제 2 레벨은 제 1 레벨보다 작거나 같고, 제 4 레벨은 제 3 레벨보다 작다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the signal converter selects the third level as a digital signal if the voltage across the capacitor is greater than the first level, and if the voltage across the capacitor is less than the second level, Four levels are selected as digital signals, the second level being less than or equal to the first level, and the fourth level being less than the third level.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 신호 변환기는, 제 1 레벨과 제 2 레벨을 같게 구현한 비교기를 포함한다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the signal converter includes a comparator that implements the first level and the second level equally.
바람직하게는, 본 발명에 따른 정전용량 감지회로에서, 신호 변환기는 제 1 레벨과 제 2 레벨을 다르게 구현한 슈미트 트리거를 포함한다.Preferably, in the capacitive sensing circuit according to the present invention, the signal converter includes a Schmitt trigger that implements the first level and the second level differently.
정전용량 감지회로는 기준 저항 및 기준 캐퍼시터를 사용하지 않기 때문에, 반도체 칩으로 구현시 칩 면적을 줄이는 효과 및 시스템 구현시 외부에 추가 부품 없이 동작할 수 있다는 효과가 있고, 온도, 습도, 동작전압 등과 같은 외부 조건에 의하여 회로의 검출 정확도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다는 효과를 갖는다. Since the capacitive sensing circuit does not use the reference resistor and the reference capacitor, it has the effect of reducing the chip area when implementing a semiconductor chip and operating without additional components when implementing the system, and the temperature, humidity, operating voltage, etc. It is possible to prevent the detection accuracy of the circuit from being lowered by the same external condition.
본 발명에서 측정대상이 되는 캐퍼시터는 콘덴서, 축전기 등과 같은 전기 디바이스일 수도 있고, 사람의 손가락 등이 될 수도 있다. 즉, 전하를 저장할 수 있는 임의의 사물이라면 어떠한 형태라도 가능하다. 또한, 정전 용량 (capacitance) 은 캐퍼시터의 양단에 단위 전위가 인가되었을 때 충전되는 전하량을 의미한다. In the present invention, the capacitor to be measured may be an electric device such as a capacitor, a capacitor, or the like, or may be a human finger. That is, any form that can store charge can be in any form. In addition, capacitance refers to the amount of charge that is charged when a unit potential is applied to both ends of a capacitor.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 도면과 함께 설명한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1 은 정전용량 감지회로 (190) 의 기능 블록도를 나타낸다. 정전용량 감지회로 (190) 의 기본적인 동작 원리는 캐퍼시터 (140) 에 전류가 충전 또는 방 전되는 시간을 측정하는 것이다. 캐퍼시터 (140) 에 충전되는 전류와 방전되는 전류의 크기에 차이를 두었기 때문에, 충전시간과 방전시간의 길이가 달라지는데, 이 둘 중 더 긴시간을 측정하여, 캐퍼시터 (140) 의 정전용량을 검출한다.1 shows a functional block diagram of a
도 1 에 도시된 정전용량 감지회로 (190) 의 구체적인 구성은 다음과 같다. 정전용량 감지회로 (190) 는 클럭 신호 (180) 를 입력받아 가변하는 펄스 신호 (var_pulse) 를 발생시키는 가변 펄스 신호 발생기 (100), 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아, 펄스 신호 (var_pulse) 의 레벨에 따라 서로 다른 양의 전류를 구동하는 전류 구동 능력 조절기 (110), 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 을 입력받아 그것의 크기의 범위에 기초하여 2 개의 서로 다른 크기의 레벨 중 어느 하나의 레벨이 되는 디지털 신호 (conv_out) 를 출력하는 신호 변환기 (120), 및 디지털 신호 (conv_out) 를 입력받아 디지털 신호 (conv_out) 가 위의 2 개의 크기 중 하나의 레벨을 유지할 동안의 시간을 측정하는 카운터 (130) 를 구비하며, 캐퍼시터 (140) 은 전류 구동 능력 조절기 (110) 로부터 출력되는 전류에 따라 충전 또는 방전된다.A detailed configuration of the
가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 가변하는 펄스 신호 (var_pulse) 를 출력한다. 위의 '가변' 의 의미는 펄스가 지속되는 시간을 바꿀 수 있다는 의미이다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기가 제 1 레벨일 때는 캐퍼시터 (140) 로 일정량의 전류를 흘려보내어 전하를 충전시키고, 펄스 신호 (var_pulse) 가 제 2 레벨일 때는 캐퍼시터 (140) 으로부터 전류를 흡수하여 전하를 방전시킨다. 설명의 편의를 위하여, 제 1 레벨을 회로 로직에서 로우 (그라운드 전위), 제 2 레벨을 회로 로직에서 하이 (회로의 소스전위 또는 동작전위) 로 가정하여 설명한다. 이러한 가정은 예시적인 것이며, 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니다. 당업자는 회로 로직 상 로우와 하이를 바꾸어 동일한 기능을 수행하는 회로로 용이하게 변형할 수 있으며, 회로 로직의 로우 신호가 소스 전위 또는 동작전위에 대응하고, 하이가 그라운드 전위에 대응하도록 변형할 수도 있다. 그러한 변형물은 본 발명의 보호범위에 포함된다.The variable
펄스 신호 (var_pulse) 가 로우 (제 1 레벨) 일 때 전류 구동 능력 조절기 (110) 가 캐퍼시터 (140) 으로 흘려보내는 충전 전류의 크기와, 펄스 신호 (var_pulse) 가 하이 (제 2 레벨) 일 때 전류 구동 능력 조절기 (110) 가 캐퍼시터 (140) 으로부터 흡수하는 방전 전류의 크기는 서로 다를 수도 있다. 즉, 충전 전류의 크기가 방전 전류의 크기보다 클 수도 있고, 충전 전류의 크기가 방전 전류의 크기보다 작을 수도 있다. The magnitude of the charging current that the current
캐퍼시터 (140) 의 정전용량을 C 라고 하고, 양단에 걸리는 전압의 크기를 V 라고 하고, 충전된 전하량을 Q 라고 하면, Q = C*V 라는 관계가 성립한다. 위의 수식을 시간에 대하여 미분하면, 다음과 같은 식이 유도된다.Assuming that the capacitance of the
(수학식 1) 을 C 에 대해서 정리하면 다음과 같은 수식이 유도된다.Arranging
(수학식 2) 를 참조하면, 일정한 크기의 전류를 흘려서 캐퍼시터 (140) 을 충전시키거나 방전시킬 때, 캐퍼시터 (140) 의 크기 C 는 전압이 변하는 속도에 반비례한다는 점을 알 수 있다. 따라서, 캐퍼시터 (140) 를 일정한 크기의 전류로 충전시킬 때, 전압이 제 1 전압에서 제 1 전압보다 큰 제 2 전압에 도달할 때까지소요되는 시간과 캐퍼시터 (140) 의 정전용량은 비례하는 관계임을 알 수 있다. 이는 캐퍼시터 (140) 를 일정한 크기의 전류로 충전시키는 경우뿐만 아니라, 일정한 크기의 전류로 방전시키는 경우에도 동일하게 적용된다. 또한, 충전전류 및 방전전류의 크기가 시간에 따라서 조금 변하더라도, 정전용량을 대략적으로 추정할 수 있다. 결국, 제 1 전압와 제 1 전압보다 큰 제 2 전압 사이에서의 충전 시간 및/또는 방전 시간을 측정하여 캐퍼시터 (140) 의 정전용량을 추정할 수 있다.Referring to (Equation 2), it can be seen that when charging or discharging the
신호 변환기 (120) 는 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 을 입력받는다. 신호 변환기 (120) 는 입력받은 전압 (cur_drv_sig) 의 크기의 범위에 기초하여 2 개의 서로 다른 크기 레벨 중 하나의 레벨이 되는 디지털 신호 (conv_out) 를 출력한다. 일 실시예에서, 신호 변환기 (120) 로서, 비교기 (comparator) 또는 슈미트 트리거를 사용할 수도 있다. 비교기를 신호 변환기 (120) 로서 사용할 경우, 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 이 소정의 레벨보다 크면 제 3 레벨 (예를 들어, 회로로직상 하이) 를 갖는 디지털 신호 (conv_out) 을 출력하고, 소정의 레벨보다 작으면 제 4 레벨 (예를 들어, 회로로직상 로우) 를 갖는 디지털 신호 (conv_out) 를 출력할 수 있다. The
다른 일 실시예에서, 슈미트 트리거를 신호 변환기 (120) 로서 사용할할 수도 있다. 슈미트 트리거의 출력 신호 (conv_out) 가 제 3 레벨 (예, 0V 또는 로우) 일 때 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 이 소정의 제 5 레벨값 (예, 3V) 보다 큰 값이 될 때 슈미트 트리거의 출력 신호 (conv_out) 가 제 4 레벨 (예, 5V, 하이) 로 바뀌게 된다. 그리고, 슈미트 트리거의 출력 신호 (conv_out) 가 하이제 4 레벨 (예, 하이) 일 때, 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 이 소정의 제 6 레벨값 (예, 2 V) 보다 작은 값이 되는 순간에, 슈미트 트리거의 출력 신호 (conv_out) 가 제3 레벨 (0V, 로우) 로 바뀌게 된다. In another embodiment, the Schmitt trigger may be used as the
카운터 (130) 는 디지털 신호 (conv_out) 를 입력받아, 이 신호가 일정한 레벨 (제 3 레벨 또는 제 4 레벨 중 어느 하나) 로 유지되는 클럭수 (시간에 비례한다.) 를 카운팅한다. 디지털 신호 (conv_out) 가 일정한 레벨로 지속되는 시간은 캐퍼시터 (140) 에 전류가 충전되는 시간 또는 방전되는 시간에 비례하므로, 카운터 (130) 에 의해 측정되는 클럭수는 결국 캐퍼시터 (140) 의 크기에 비례한다.. 정전용량이 알려진 다수의 캐퍼시터 (140) 에 대하여, 위의 클럭수를 미리 측정한 후에, 이를 저장해 놓는다면, 미지의 캐퍼시터 (140) 에 대하여, 일정한 레벨로 유지되는 시간을 측정하여, 캐퍼시터 (140) 의 값을 측정할 수 있다. 따라서, 정전용량 감지회로 (190) 는 도 1 과 같은 구성을 구비함으로써, 캐퍼시터 (140) 의 정전용량을 측정할 수 있다.The
도 2 는 정전용량 감지회로 (190) 에 포함된 가변 펄스 신호 발생기 (100) 의 회로도를 도시한다. 가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 클럭 신호 (clk) 를 입력받아 클럭 수를 카운팅하고, 클럭 수를 N 비트 신호로 출력하는 카운터 (200), 선택 신호 (var_pulse) 에 기초하여 N 비트의 신호 중 하나를 선택하여 펄스 신호 (var_pulse) 로 출력하는 먹스 (MUX), 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아 상승 에지 및 하강 에지 중 어느 하나의 에지를 검출하는 에지 검출기 (220) 를 구비한다. 에지 검출기 (220) 는 펄스 신호 (var_pulse) 에서 에지를 검출할 경우에, 카운터 (200) 를 디스에이블시키는 신호를 출력하게 되며, 카운터 (200) 는 동작을 멈추게 된다. 에지 검출기 (220) 은 기능 블록도의 형태로 도시되었으며, 구체적인 동작은 이하, 다른 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다. 2 shows a circuit diagram of a variable
도 3 에서는 펄스 신호 발생기 (100) 의 회로도를 도시하며, 에지 검출기 (220) 의 세부 구성이 도시된다. 도 4 에서는 펄스 신호 발생기 (100) 의 타이밍도를 도시한다. 3 shows a circuit diagram of the
도 3 에서, 먹스 (210) 의 출력은 제 1 인버터 (300) 로 출력 (mux_out) 되고, 제 1 논리곱게이트 (310) 는 제 1 인터버 (300) 의 출력 신호 (mux_inv) 및 카운터 인에이블 신호 (cnt_en) 를 입력받는다. 제1 논리곱게이트 (310) 의 출력 신호 (var_pulse) 는 도 1 에서 전류 구동 능력 조절기 (110) 로 입력되는 펄스 신호 (var_pulse) 와 동일하다. 펄스 신호 (var_pulse) 는 또한 에지 검출기 (220) 로 입력되는데, 구체적으로 제 2 인버터 (320) 및 D 플립플롭 (340) 으로 입 력된다. 한편, 제 2 논리곱 게이트 (330) 는 제 2 인버터 (320) 의 출력 신호 (mux_inv) 및 D 플립플롭 (340) 의 출력 신호 (var_pulse_delay) 를 입력받는다. 제 2 논리곱 게이트 (330) 로부터의 출력 신호 (edge_detect) 는 펄스 신호 (var_pulse) 에서 에지 (상승에지가 될 수도 있고, 하강에지가 될 수도 있다) 가 검출되었지 여부를 나타내는 신호이다. 본 실시예에서는, 하강 에지가 검출될 때를 예로 들어 설명하겠다. 에지 검출 신호 (edge_detect) 는 RS 플립플롭 (350) 의 리셋 신호로 입력되어, 에지가 검출되는 경우 카운터 인에이블신호 (cnt_en) 를 통하여 카운터 (200) 의 작동을 중단시킨다. 중단된 카운터 (200) 는 RS 플립플롭 (350) 의 세트신호로 입력되는 카운터 리셋 신호 (cnt_reset) 에 의하여 카운터 인에이블신호 (cnt_en) 가 하이로 바뀌며, 다시 작동하게 된다.In FIG. 3, the output of the
도 4 를 참조하면, (ㄱ) 이전에는 카운터 리셋 신호 (cnt_reset) 가 하이이므로, 카운터 (200) 는 리셋 상태이고 카운터 (200) 의 출력은 0 이 된다. (ㄱ) 에서 카운터 리셋 신호 (cnt_reset) 는 로우로 바뀌고, 이 신호는 RS 플립플롭 (350) 의 세트 신호로써 인가되므로, RS 플립플롭 (350) 의 출력인 카운터 인이이블 신호 (cnt_en) 는 이 순간에 하이로 바뀐다. 따라서, (ㄱ) 에서부터 카운터 (200) 가 작동하기 시작한다. 또한, 카운터 인에이블 신호 (cnt_en) 는 제 1 논리곱 게이트 (310) 의 입력이 되는데, (ㄱ) 내지 (ㄷ) 에서는 카운터 인에이블 신호 (cnt_en) 가 하이이므로, 제 1 논리곱 게이트 (310) 의 출력인 펄스 신호 (var_pulse) 는 제 1 인버터 (300) 의 출력 (mux_inv) 과 동일한 파형을 갖는다.Referring to FIG. 4, since the counter reset signal cnt_reset is high before (a), the
카운터 (200) 는 클럭 신호 (180) 의 상승에지마다, 그 출력인 클럭수를 1 씩 증가시킨다. 먹스 (210) 는 카운터 (200) 의 클럭수를 비트별로 입력받는다. 먹스 (210) 의 선택 신호 (mux_sel) 에 기초하여, 카운터 (200) 의 몇 번째 비트를 먹스 (210) 의 출력 신호 (mux_out) 으로 할 것인지를 결정할 수 있다. 본 실시예에서는, 선택 신호 (mux_sel) 가 카운터 (200) 출력의 네 번째 비트를 선택하도록 설정한다. 그러면, 먹스의 출력 신호 (200) 는 카운터 (200) 의 출력이 15 에서 16 으로 바뀌는 (ㄴ) 과 (ㄷ) 사이에서 하이로 바뀐다. ㅁ머먹스 출력 신호 (mux_out) 을 반전시키는 인버터 (300) 에 의하여, (ㄱ) 에서 (ㄴ) 의 구간에서 제 1 인버터 출력신호 (mux_inv) 는 하이이지만, (ㄴ) 에서 (ㄷ) 의 구간에서 제 1 인버터 출력신호 (mux_inv) 는 로우로 바뀐다. 상술한 바와 같이, 카운터 인에이블 신호 (cnt_en) 는 (ㄱ) 에서 (ㄷ) 사이에서 하이로 유지되다가, (ㄷ) 에서 에지 검출 신호 (edge_detect) 에 하이가 인가됨으로 인하여 RS 플립플롭 (350) 이 리셋되어, 로우로 바뀌므로, 제 1 인버터 출력 신호 (mux_inv) 및 카운터 인에이블 신호 (cnt_en) 를 제 1 논리곱 게이트 (310) 를 통과시켜 출력한 펄스 신호 (var_pulse) 는 도시된 바와 같이 (ㄱ) 에서 (ㄴ) 사이에서 하이의 값을 가지고, 그 이후에는 로우로 바뀌게 된다. The
따라서, 선택 신호 (mux_sel) 를 바꾸어 카운터 (210) 의 출력비트를 조절함으로써, 펄스 신호 (var_pulse) 의 길이 (펄스폭) 을 조절할 수 있다. Therefore, the length (pulse width) of the pulse signal var_pulse can be adjusted by changing the output bit of the
도 5a 는 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 일 실시예의 기능 블럭도를 나타낸다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기 레벨에 따라 캐퍼시터 (140) 에 전류를 충전 또는 방전시킨다. 이러한 기능을 수행하기 위하여, 도 5a 의 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 가변 전류 충전기 (510) 및 가변 전류 방전기 (520) 를 구비한다. 5A shows a functional block diagram of one embodiment of a current
가변 전류 충전기 (510) 은 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기가 제 1 레벨 (예를 들어, 로우, 0V) 일 때에는 전류를 내보내어 캐퍼시터 (140) 에 전하를 충전시키고, 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기가 제 2 레벨 (예를 들어, 하이, 동작전위) 일 때에는 전류를 흘려보내지 않는다. 가변 전류 방전기 (520) 는 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기가 제 2 레벨일 때에는 전류를 흡수하여 캐퍼시터에 충전된 전하를 방전시킨다. 즉, 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기가 제 1 레벨일 때에는 가변 전류 충전기 (510) 이 캐퍼시터 (140) 을 충전하고, 펄스 신호 (var_pulse) 의 크기가 제 2 레벨일 때에는 가변 전류 방전기 (520) 가 캐퍼시터 (140) 를 방전시킨다. 충전 전류와 방전 전류의 크기는 서로 다를 수 있으며, 그 크기를 설정에 따라서 바꿀 수도 있다.The variable
전술하였듯이, 신호 변환기 (120) 는 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압값 ( cur_drv_sig) 을 입력받아, 그것의 범위에 기초하여 2 개의 서로 다른 크기 레벨 중 어느 하나의 레벨이 되는 디지털 신호 (conv_out) 를 출력하고, 카운터 (130) 에 의하여 측정된 클럭수에 기초하여 캐퍼시터 (140) 의 크기가 검출된다.As described above, the
도 5b 및 5c 는 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 다른 일 실시예들의 기능 블럭도를 나타낸다. 5B and 5C show functional block diagrams of other embodiments of current
도 5b 의 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 가변 전류 충전기 (510) 대신에 저 전류 충전기 (530) 을 구비하고, 가변 전류 방전기 (520) 대신에 고 전류 방전기 (540) 를 구비한다. 저 전류 충전기 (530) 가 캐퍼시터 (140) 을 충전시킬 때 공급하는 전류의 크기가 고 전류 방전기 (540) 가 캐퍼시터 (140) 을 방전시킬 때 흡수하는 전류의 크기보다 작다는 점을 나타내기 위하여, 각각 저 전류 충전기 (530) 와 고 전류 방전기 (540) 라고 지칭하였다. 또한, 이하, 캐퍼시터 (140) 를 충전시키는 전류를 충전전류, 캐퍼시터 (140) 를 방전시키는 전류라고도 지칭할 것이다.The current
도 5c 의 전류 구동 능력 조절기 (110) 는, 도 5b 의 경우와 반대로, 고 전류 충전기 (550) 및 저 전류 방전기 (560) 를 구비한다. 고 전류 충전기 (550) 가 공급하는 충전전류의 크기가 저 전류 방전기 (560) 가 흡수하는 방전전류의 크기보다 크다. The current
도 6a, 6b 는 각각 도 5b 의 저 전류 충전기 (530) 와 고 전류 방전기 (540) 를 구비한 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 구체적인 회로구성을 나타내는 회로도이다.6A and 6B are circuit diagrams showing the specific circuit configuration of the current
도 6a 를 참조하면, 저 전류 충전기 (530) 는 저 전류 구동 PMOS 이고, 고 전류 방전기 (540) 는 고 전류 구동 NMOS 이다. 이들은 각각 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아, 스위치 소자로써 동작한다. 펄스 신호 (var_pulse) 가 로우일 때, 저 전류 구동 PMOS (530) 은 턴온되고, 고 전류 구동 NMOS (540) 은 턴오프되기 때문에, 저 전류 구동 PMOS (530) 를 통하여 소스전류가 캐퍼시터 (140) 으로 전류가 흘러, 캐퍼시터 (140) 가 충전된다. 반면에, 펄스 신호 (var_pulse) 가 하이일 때, 저 전류 구동 PMOS (530) 은 턴오프되고, 고 전류 구동 NMOS (540) 은 턴온되기 때문에, 고 전류 구동 NMOS (540) 을 통하여 캐퍼시턴스 (140) 로부터 그라운드로 전류가 흘러서, 캐퍼시ㅌ터 (140) 가 방전된다.Referring to FIG. 6A, low
MOS 의 전류 구동 능력은 MOS 의 드레인 (drain) 과 소스 (source) 사이의 채널폭에 따라 조절이 가능하다. 고 전류 구동용 MOS 는 드레인과 소스 사이의 채널 폭을 크게 하여, 많은 양의 전류를 흐르게 한 것이다. 반면에, 저 전류 구동용 MOS는 드레인과 소스 사이의 채널 폭을 작게 하여, 적은 양의 전류를 흐르게 한 것이다. 이는 PMOS 및 NMOS 에 동시에 적용된다. 따라서, 도 6a 의 저 전류 구동 PMOS (530) 는 고 전류 구동 NMOS (540) 에 비하여 적은 양의 전류를 구동하게 된다. 방전전류가 충전전류보다 크기 때문에, 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 이 소정의 제 1 전압으로부터 제 1 전압보다 큰 소정의 제 2 전압에 도달할 때까지 걸리는 시간 (충전시간) 이, 제 2 전압로부터 제 1 전압에 도달할 때까지 걸리는 시간 (방전시간) 보다 크게 된다. 따라서, 제 1 전압에로부터 다시 제 1 전압에 도달하기 까지 걸리는 시간의 길이는 주로 충전시간의 길이에 의하여 결정된다.The current driving capability of the MOS is adjustable according to the channel width between the drain and source of the MOS. The high current driving MOS has a large channel width between the drain and the source, so that a large amount of current flows. On the other hand, the low current driving MOS causes a small amount of current to flow by making the channel width between the drain and the source small. This applies simultaneously to PMOS and NMOS. Thus, the low current driven
한편, 도 6b 를 참조하면, 전류 구동 능력 조절기 (110) 에서 저 전류 충전기 (530) 는 고 전류 구동 PMOS (610) 와 전류 제한 저항 (600) 을 포함하고, 고 전류 충전기 (540) 은 고 전류 구동 NMOS (540) 로 구성된다. 드레인과 소스 사이의 채널 폭을 조절하여 전류의 양을 조절할 수도 있지만, 전류 제한 저항 (600) 을 사용하면 동일한 전류량을 가지는 PMOS 와 NMOS 를 사용하면서도, 충전전류 또는 방전전류의 크기를 조절할 수 있다. 이는 저항 양단에 걸리는 전압이 일정할 경우에 저항을 통해 흐르는 전류는 저항의 크기에 반비례한다는 옴의 법칙으로부터 명확하게 이해될 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 6B, in the current
도 7a, 7b 는 각각 도 5c 의 고 전류 충전기 (550) 와 저 전류 방전기 (560) 를 구비한 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 구체적인 회로구성을 나타내는 회로도이다. 7A and 7B are circuit diagrams showing the specific circuit configuration of the current
도 7a 를 참조하면, 고 전류 충전기 (550) 은 고 전류 구동 PMOS 이고, 고 전류 방전기 (560) 은 저 전류 구동 NMOS 이다. 이들은 각각 펄스 신호 (var_pulse) 를 입력받아, 동작전압과 캐퍼시터 사이에서 또는 그라운드와 캐퍼시터 사이에서 스위칭한다. 한편, 도 7b 를 참조하면, 전류 구동 능력 조절기 (110) 에서 저 전류 충전기 (550) 는 고 전류 구동 PMOS (540) 이고, 고 전류 방전기 (560) 는 전류 구동 NMOS (700) 와 전류 제한 저항 (710) 을 포함한다. 도 7a,7b 의 회로의 동작방식은 도 6a, 6b 와 동일하며, PMOS 와 NMOS 각각을 통하여 흐르는 전류 (즉, 충전전류와 방전전류) 의 크기가 반대라는 점에서 다르다.Referring to FIG. 7A, high
도 8 은 도 5a 에 도시된, 가변 전류 충전기 (510) 및 가변 전류 방전기 (520) 를 구비하는 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 구체적인 회로구성을 나타내는 회로도이다.FIG. 8 is a circuit diagram showing a specific circuit configuration of the current
도 8 을 참조하면, 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 가변 전류 충전기 (510) 및 가변 전류 방전기 (520) 는 각각 복수개의 PMOS 와 NMOS 를 포함한다. 복 수개의 PMOS 각각의 게이트는, 펄스 신호 (var_pulse) 및 PMOS 선택 신호를 논리합 (810) 시킨 출력에 연결된다. 복수개의 NMOS 각각의 게이트는, 펄스 신호 (var_pulse) 및 NMOS 선택 신호를 논리곱 (820) 시킨 출력에 연결된다. 따라서, PMOS 선택 신호 및 NMOS 선택 신호를 조절함으로써, 동작하는 PMOS 또는 NMOS 의 개수를 조절할 수 있으므로, 결국 충전 전류 및 방전 전류의 크기를 조절할 수 있다. Referring to FIG. 8, the variable
한편, 일 실시예에서, 도 1 의 신호 변환기 (120) 는 비교기 (comparator) 를 포함할 수 있다. 비교기를 신호 변환기 (120) 로서 사용할 경우, 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 의 크기가 소정의 레벨보다 크면 제 3 레벨 (예를 들어, 하이) 를 갖는 디지털 신호 (conv_out) 을 출력하고, 소정의 레벨보다 작으면 제 4 레벨 (예를 들어, 로우) 를 갖는 디지털 신호 (conv_out) 를 출력할 수 있다. 예를 들어, 그라운드 전위가 0 V 이고, 회로의 최대 동작 전압이 5V 일 때, 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 가 2.5 V (소정의 레벨) 보다 클 경우에는 비교기 (120) 의 출력 (conv_out) 이 5 V (하이, 제 3 레벨) 가 되고, 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 가 2.5 V 보다 작을 경우에는 비교기 (120) 의 출력 (conv_out) 이 0 V (로우, 제 4 레벨) 가 될 수도 있다. 또는, 반대로 정전 용량 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 이 2.5 V 보다 클 경우에는 비교기 (120) 의 출력 (conv_out) 이 0 V (제 3 레벨) 가 되고, 2.5 V 보다 작을 경우에는 비교기의 (120) 의 출력 (conv_out) 이 5 V (제 4 레벨)가 될 수도 있다. Meanwhile, in one embodiment, the
다른 일 실시예에서, 신호 변환기 (120) 는 슈미트 트리거를 포함할 수도 있다. 슈미트 트리거를 신호 변환기 (120) 로서 사용하는 경우, 슈미트 트리거 (120) 의 출력 신호 (conv_out) 가 로우일 때 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압이 소정의 제 5 레벨값 (예를 들어, 3 V) 보다 큰 값이 될 때 슈미트 트리거의 출력 신호가 하이로 바뀌게 된다. 반대로, 슈미트 트리거 (120) 의 출력 신호 (conv_out) 가 하이 (5V) 이라면 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 이 제 6 레벨값 (예를 들어, 2V) 보다 작은 값이 되는 순간에 슈미트 트리거 (120) 의 출력 신호 (conv_out) 가 로우로 바뀌게 된다. In another embodiment, the
신호 변환기 (120) 가 비교기 또는 슈미트 트리거를 포함하는 실시예를 나열하였으나, 이는 발명을 명확하게 이해하도록 하기 위한 것이며, 이러한 실시예로서 그 구성이 한정되는 것은 아니다. Although the
한편, 카운터 (130) 는 신호 변환기 (120) 의 출력 신호 (conv_out) 가 일정한 레벨로 유지되는 시간을 카운팅하여 출력 (conv_out) 한다. 일 실시예에서, 카운터 (130) 의 인에이블입력으로 신호 변환기 (120) 의 출력 신호 (conv_out) 을 연결하여, 위의 동작을 수행하도록 할 수 있다. On the other hand, the
여기 까지, 도 1 에 도시된 정정용량 감지회로 (190) 의 기능 블록도 및 각 기능 블록의 구체적인 회로구성을 설명하였다. 이하에서는, 도면 9 내지 12 를 참조하여, 정전용량 감지회로 (190) 의 동작에 대하여 설명하도록 한다. Thus far, the functional block diagram of the
도 9 는 정전용량 감지회로 (190) 의 제 1 동작 타이밍도를 나타낸다. 도 9 의 타이밍도에서의 동작을 나타내는 정전용량 감지회로 (190) 의 설정은 다음 과 같다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 가 ,도 6a 또는 6b 에 도시된 바와 같이, 저 전류 충전기 (530) 및 고 전류 방전기 (540) 을 구비하며, 신호 변환기 (120) 로는 도 9 의 '신호 변환 기준' 을 기준 전압값으로 가지는 비교기가 사용되며, 카운터 (130) 는 신호 변환기 (비교기 ; 120) 의 출력이 하이일 때의 클럭수 (시간) 을 카운팅한다. 9 shows a first operation timing diagram of the
도 1 및 도 9 를 참조하면, 시각 (ㄱ) 에서 가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 펄스 신호 (var_pulse) 에 하이를 인가하여, 전류 구동 능력 조절기 (110) 로 출력한다. 이에 따라, 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 캐퍼시터 (140) 에 전류를 충전하기 시작한다. 캐퍼시터 (140) 의 한쪽의 전압 (conv_out) 은 지수적으로 증가한다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 충전 전류가 시간에 따라 변하지 않는 일정한 값일 경우에는 시간에 정비례하여 전압 (conv_out) 이 증가할 수도 있다. 전압 (conv_out) 이 '신호 변환 기준' 보다 큰 값을 가지는 시간 (ㄴ) 에서, 신호 변환기 (120) 는 출력 (conv_out) 에 하이를 인가한다. 카운터 (130) 는 클럭 (clk) 및 신호 변환기 (120) 의 출력 (conv_out) 을 입력받아, cnffur 신호 (conv_out) 가 하이로 유지되는 클럭수를 카운팅하게 된다. (ㄷ) 에서 가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 펄스 신호 (var_pulse) 를 로우로 바꾼다. 이후, 전류 구동 능력 조절기 (110) 은 캐퍼시터 (140) 으로부터 전하를 방전시키기 시작한다. 1 and 9, at time a, the variable
도 9 의 회로 설정에서는 전류 구동 능력 조절기 (110) 가 저 전류 충전기 (530) 및 고 전류 방전기 (540) 을 구비하기 때문에, 충전 전류의 크기보다 방전 전류의 크기가 크다. 따라서, 도 9 의 캐퍼시터 (140) 에 걸리는 전압 (cur_drv_sig) 와 같은 파형이 나타난다. 카운터 (130) 는 전압 (cur_drv_sig) 이 '신호 변환 기준' 보다 작아질 때까지의 클럭수를 카운팅한다. 도 9 에서는 이 클럭수를 N 이라고 하였다. In the circuit setting of FIG. 9, since the current
(ㄹ) 내지 (ㅂ) 에서 회로의 동작 파형은 (ㄱ) 내지 (ㄷ) 일 때보다 측정하려는 캐퍼시터 (140) 의 정전 용량이 작을 때를 나타낸다. 정전 용량이 작아졌기 때문에, 정전 용량 (140) 의 충전 속도는 더 빨라진다. 따라서, 정전 용량이 컸던 경우보다, 캐퍼시터 (140) 의 전압 (conv_out) 이 '신호 변환 기준' 에 더 빨리 도달하게 된다. 카운터 (130) 는 전압 (cur_drv_sig) 가 '신호 변환 기준' 보다 작아질 때까지의 클럭수를 카운팅한다. 도 9 에서는 이 클럭수를 M 으로 하였다. The operating waveforms of the circuits in (d) to (iii) indicate when the capacitance of the
정전 용량의 크기가 작을 때의 카운터 (130) 의 클럭수인 M 이 정전 용량의 크기가 클 때의 카운터 (130) 의 클럭수인 N 보다 크다. 그 이유는, 캐퍼시터 (140) 에 충전되는 전류가 방전되는 전류보다 작기 때문에, 충전되는 속도가 방전되는 속도보다 느리게 되며, 따라서 방전되기 시작하는 시점부터 캐퍼시터 (140) 의 전압 (cur_drv_sig) 이 '신호변환기준' 에 도달하는 시점까지의 간격은 캐퍼시터 (140) 의 정전용량이 달라지더라도 크게 차이가 나지 않게 되기 때문이다. 따라서, 클럭수는 전압 (cur_drv_sig) 의 크기가 '신호변환기준' 을 초과하는 때부터 펄스 신호 (var_pulse) 가 로우로 바뀔 때까지의 구간 (즉, 도 9 의 (ㄴ) 에서 (ㄷ) 까지의 구간, 또는 (ㅁ) 에서 (ㅂ) 까지의 구간) 의 길이에 의해 거의 결정된 다고 볼 수 있다. The number M of clocks of the
도 10 은 정전용량 감지회로 (190) 의 제 2 동작 타이밍도를 나타낸다. 도 10 의 타이밍도에서의 동작을 나타내는 정전용량 감지회로 (190) 의 설정은 다음과 같다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 가, 도 7a 또는 7b 에 도시된 바와 같이, 고 전류 충전기 (550) 및 저 전류 방전기 (560) 을 구비하며, 신호 변환기 (120) 로는 도 10 의 '신호 변환 기준' 을 기준 전압값으로 가지는 비교기가 사용되며, 카운터 (130) 는 신호 변환기 (비교기 ; 120) 의 출력이 하이일 때의 클럭수를 카운팅한다. 10 shows a second operation timing diagram of the
도 1 및 도 10 을 참조하면, (ㄱ) 에서 가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 펄스 신호 (var_pulse) 에 하이를 인가하여, 전류 구동 능력 조절기 (110) 로 출력한다. 이에 따라, 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 캐퍼시터 (140) 에 전류를 충전하기 시작한다. 전압 (conv_out) 이 '신호 변환 기준' 보다 큰 값을 가지는 (ㄴ) 에서, 신호 변환기 (120) 는 출력 (conv_out) 에 하이를 인가한다. 카운터 (130) 는 클럭 (clk) 및 신호 변환기 (120) 의 출력 (conv_out) 을 입력받아, 출력 (conv_out) 이 하이로 유지되는 클럭수를 카운팅하게 된다. 한편, 이 실시예에서는 고 전류 충전기를 사용하기 때문에, 충전시간이 도 9 의 경우보다 짧으며, 따라서 가변 펄스 신호 발생기 (100) 의 펄스 신호 (var_pulse) 는 도 9 의 경우보다 훨씬 짧아진다. 펄스 신호 (var_pulse) 에는 로우가 인가되고, 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 캐퍼시터 (140) 으로부터 전하를 방전시키기 시작한다. 1 and 10, in (a), the variable
도 10 의 회로 설정에서는 전류 구동 능력 조절기 (110) 가 저 전류 방전기 (560) 을 구비하기 때문에, 충전 전류의 크기보다 방전 전류의 크기가 작다. 따라서, 도 10 의 캐퍼시터 (140) 의 전압 (cur_drv_sig) 은 증가할 때보다 천천히 감소하게 된다. 구간 (ㄹ) 내지 (ㅂ) 은 캐퍼시터 (140) 의 크기가 더 작은 경우를 도시한다. In the circuit setting of FIG. 10, since the current
클럭 수 N 은 클럭 수 L 보다 크다. 도 10 에서는 방전 전류가 더 작기 때문에, 방전 시간이 클럭킹 시간의 대부분을 차지하게 되며, 캐퍼시터 (140) 의 크기가 클 수록 방전 시간이 길어지기 때문이다. The clock number N is greater than the clock number L. In FIG. 10, since the discharge current is smaller, the discharge time occupies most of the clocking time, and the larger the size of the
도 11 은 정전용량 감지회로 (190) 의 제 3 동작 타이밍도를 나타낸다. 도 11 의 타이밍도에서의 동작을 나타내는 정전용량 감지회로 (190) 의 설정은 다음과 같다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 가, 도 7a 또는 7b 에 도시된 바와 같이, 고 전류 충전기 (550) 및 저 전류 방전기 (560) 을 구비하며, 신호 변환기 (120) 로는 도 10 의 '신호 변환 기준' 을 기준 전압값으로 가지는 비교기가 사용되며, 카운터 (130) 는 신호 변환기 (비교기 ; 120) 의 출력이 로우일 때의 클럭수 (시간) 을 카운팅한다. 11 shows a third operation timing diagram of the
도 1 및 도 11 을 참조하면, 시각 (ㄱ) 에서 가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 펄스 신호 (var_pulse) 에 로우를 인가하여, 전류 구동 능력 조절기 (110) 로 출력한다. 이에 따라, 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 캐퍼시터 (140) 를 방전시키기 시작한다. 전압 (conv_out) 이 '신호 변환 기준' 보다 작은 값을 가지는 시간 (ㄴ) 에서, 신호 변환기 (120) 는 출력 (conv_out) 에 로우를 인가한다. 카운터 (130) 는 클럭 (clk) 및 신호 변환기 (120) 의 출력 (conv_out) 을 입력받아, conv_out 가 로우로 유지되는 클럭수를 카운팅하게 된다. 한편, 이 실시예에서는 저 전류 방전기를 사용하기 때문에, 캐퍼시터 (140) 이 방전되는 시간이 충전되는 시간보다 길다. 따라서, 정전 용량의 크기가 큰 경우 (구간 (ㄱ) ~ (ㄷ)) 에서 카운팅된 클럭 수 N 보다, 정전 용량의 크기가 작은 경우 (구간 (ㄱ) ~ (ㄷ))) 에서 카운팅된 클럭 수 M 보다 작다.1 and 11, at time a, the variable
도 12 은 정전용량 감지회로 (190) 의 제 4 동작 타이밍도를 나타낸다. 도 12 의 타이밍도에서의 동작을 나타내는 정전용량 감지회로 (190) 의 설정은 다음과 같다. 전류 구동 능력 조절기 (110) 가, 도 6a 또는 6b 에 도시된 바와 같이, 저 전류 충전기 (530) 및 고 전류 방전기 (540) 을 구비하며, 신호 변환기 (120) 로는 도 10 의 '신호 변환 기준' 을 기준 전압값으로 가지는 비교기가 사용되며, 카운터 (130) 는 신호 변환기 (비교기 ; 120) 의 출력이 로우일 때의 클럭수 (시간) 을 카운팅한다. 12 shows a fourth operation timing diagram of the
도 1 및 도 12 을 참조하면, 시각 (ㄱ) 에서 가변 펄스 신호 발생기 (100) 는 펄스 신호 (var_pulse) 에 로우를 인가하여, 전류 구동 능력 조절기 (110) 로 출력한다. 이에 따라, 전류 구동 능력 조절기 (110) 는 캐퍼시터 (140) 를 방전시키기 시작한다. 방전 전류가 크기 때문에 방전이 짧은 시간 내에 이루어지지며, 이에 따라 펄스 신호 (var_pulse) 가 로우인 구간의 길이가 상대적으로 짧다. 펄스 신호 (var_pulse) 가 하이가 되면, 캐퍼시터 (140) 이 다시 충전되기 시작하며, 카운터 (130) 는 캐퍼시터 (140) 의 전압 (conv_out) 이 '신호 변환 기준' 에 도달할 때까지, 클럭수를 카운팅한다. 캐퍼시터 (140) 의 크기가 클 때의 클럭수를 N 이라고 하고, 캐퍼시터 (140) 의 크기가 작을 때의 클럭수를 L 이라고 하면, N 은 L 보다 크다. 도 12 의 실시예에서는 전류가 충전되는 시간을 측정하는 것으로 볼 수 있으며, 캐퍼시터 (140) 이 클수록 충전시간이 더 길어지기 때문이다. 1 and 12, at time a, the variable
이상으로, 본 발명에 대한 다양한 실시예를 설명하였다.In the above, various embodiments of the present invention have been described.
이들 실시예에 대한 다양한 변형물은 당업자에게는 명백하며, 여기에서 한정된 특유의 원리는 본 발명의 작용을 사용하지 않는 다른 실시예에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 도시된 실시예로 한정하기 위한 의도는 없으며, 본 출원에 기재된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 해당한다.Various modifications to these embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the unique principles defined herein may be applied to other embodiments that do not utilize the operation of the invention. That is, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features described herein.
도 1 은 정전용량 감지회로 (190) 의 기능 블록도를 나타낸다. 1 shows a functional block diagram of a
도 2 는 정전용량 감지회로 (190) 의 가변 펄스 신호 발생기 (100) 의 회로도를 도시한다.2 shows a circuit diagram of a variable
도 3 에서는 펄스 신호 발생기 (100) 중 에지 검출기 (220) 의 회로도를 도시한다.3 shows a circuit diagram of the
도 4 에서는 펄스 신호 발생기 (100) 의 타이밍도를 도시한다.4 shows a timing diagram of the
도 5a, 5b, 및 5c 는 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 실시예들의 기능 블럭도를 나타낸다.5A, 5B, and 5C show functional block diagrams of embodiments of current
도 6a, 6b 는 각각 도 5b 의 저 전류 충전기 (530) 와 고 전류 방전기 (540) 를 구비한 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 회로도를 도시한다.6A and 6B show a circuit diagram of the current
도 7a, 7b 는 각각 도 5c 의 고 전류 충전기 (550) 와 저 전류 방전기 (560) 를 구비한 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 회로도를 도시한다.7A and 7B show a circuit diagram of the current
도 8 은 도 5a 에 도시된, 가변 전류 충전기 (510) 및 가변 전류 방전기 (520) 를 구비하는 전류 구동 능력 조절기 (110) 의 회로도를 도시한다.FIG. 8 shows a circuit diagram of a current
도 9 는 정전용량 감지회로 (190) 의 제 1 동작 타이밍도를 나타낸다. 9 shows a first operation timing diagram of the
도 10 은 정전용량 감지회로 (190) 의 제 2 동작 타이밍도를 나타낸다. 10 shows a second operation timing diagram of the
도 11 은 정전용량 감지회로 (190) 의 제 3 동작 타이밍도를 나타낸다. 11 shows a third operation timing diagram of the
도 12 는 정전용량 감지회로 (190) 의 제 4 동작 타이밍도를 나타낸다. 12 shows a fourth operation timing diagram of the
* 도면의 주요 부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawing
180 : 클럭 100 : 가변 펄스 신호 발생기180: clock 100: variable pulse signal generator
110 : 전류 구동 능력 조절기 120 : 신호 변환기 110: current drive capability regulator 120: signal converter
130 : 카운터 140 : 정전 용량130: counter 140: capacitance
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