KR101206280B1

KR101206280B1 - 전기적 비접촉 전위 센서 회로

Info

Publication number: KR101206280B1
Application number: KR1020110017636A
Authority: KR
Inventors: 김민철
Original assignee: (주)락싸
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-11-29
Also published as: KR20120097997A

Abstract

본 발명은 센서 회로를 제공한다. 이 센서 회로는 신호원의 측정신호를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기, 및 제1 증폭기의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 배치되어 제1 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함하한다. 제1 증폭기의 음의 입력단은 제1 증폭기의 출력단에 직접 연결되어, 제1 증폭기의 이득은 1이고, 제1 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

Description

전기적 비접촉 전위 센서 회로{ELECTRIC CONTACTLESS ELECTRIC POTENTIAL SENSOR CIRCUIT}

본 발명은 전위(electric potential) 측정 센서 회로에 관한 것으로, 더 구체적으로 신호원과 직접적인 전기적 접촉 없이 전위를 측정할 수 있는 센서 회로에 관한 것이다.

본 발명은 교육과학기술부의 21세기프론티어연구개발사업인 뇌기능 활용 및 뇌질환치료 기술개발 연구사업단의 연구비 지원(과제번호-2010K000827)으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.

생체 전기 신호 계측 분야에서, 전통적으로, 신호 검출을 위해서 인체 피부 표면에 전도성 전극이 직접 부착된다. 생체 전기 신호는 인체의 질환 진단이나 치료 경과 등을 위해 필요한 정보를 제공한다. 그러나 신호 계측 과정에서 인체 피부에 직접적으로 전도성 전극을 부착해야 한다. 이로 인하여 피검자는 검사에 대한 거부감을 갖는다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 전위 측정 센서 회로의 입력 임피던스를 극적으로 높여 신호원과 직접적인 전기적 접촉이 없이 전위를 측정할 수 있는 전위 측정 센서 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로는 신호원의 측정신호를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기, 및 상기 제1 증폭기의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함하한다. 상기 제1 증폭기의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로는 생체 전기 신호 계측 분야에서 피검자가 옷을 입은 상태에서도 생체 전기 신호 계측을 제공할 수 있다. 상기 센서 회로는 심전도, 근전도, 뇌파 등의 분야에서 비접촉 계측을 제공할 수 있다.

도 1은 접촉식 생체 신호 측정 장치의 간단한 등가회로 모델이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 비접촉식 신호 계측을 설명하는 간단한 등가 회로 모델을 나타낸다.
도 3은 도 2에서 설명한 등가 전기용량(Cs) 및 생체 신호(Vs)의 주파수 변화에 따른 신호 크기 비(Vo/Vs)을 나타낸다.
도 4는 바이어스 경로를 제공하는 간단한 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 부트스트랩 센서 회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.
도 7 내지 12는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 센서 회로를 설명하는 도면들이다.

생체 전기 신호 계측에서는 신호원의 임피던스가 상당히 크다. 따라서, 전도성 전극이 직접적으로 인체에 부착되어, 생체 전기 신호가 측정된다.

하지만, 피검자가 옷을 입은 상태 또는 피검자와 이격된 상태에서 생체 전기 신호를 얻을 수 있다면, 피검자의 심리적 제약은 제거될 수 있다. 또한, 비접촉식 센서회로는 절연체를 개재하여 인체와 밀착되지 않은 환경에서도 생체 전기 신호를 측정할 수 있다. 상기 생체 전기 신호는 뇌파, 심전도, 안전도, 및 근전도일 수 있다.

생체 전기 신호 계측 분야에서 전도성 전극을 인체 피부에 직접 부착하는 전통적인 접촉식 계측 방법과 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 계측 방법은 피검자의 피부에 직접적인 전기적 접촉 없이도 피부 표면의 전위(electric potential)을 측정할 수 있다. 이것을 실현하기 위한 핵심은 비접촉식으로 신호 계측을 제공하는 고입력 임피던스의 전단 증폭기(Pre-amplifier) 회로 기술이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 계측 방법은 다음과 같은 문제점 해결을 제공한다. 전단 증폭기의 안정적 동작은 바이어스 회로에 의하여 해결될 수 있다. 또한, 용량성 전압 분배에 의한 신호 감쇠는 용량성 되먹임 회로에 의해 해결될 수 있다. 전단 증폭기의 등가 입력 저항( 또는 유효 입력 저항)은 저항성 되먹임 회로에 의해 해결될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로는 터치 스크린 센서, 장해물 감지 센서, 거리 센서 등에 다양하게 이용될 수 있다.

이하, 전기적 비접촉식 계측을 실현하기 위한 센서를 설명한다.

[전통적 접촉 계측 방식과 비접촉 계측 방식의 차이]

도 1은 접촉식 생체 신호 측정 장치의 간단한 등가회로 모델이다.

도 1을 참조하면, 상기 생체 신호 측정 장치는 전도성 전극을 사용하여 생체 신호를 측정한다. 인체에 형성되는 생체 전위(Vs)는 전극(미도시)과 피부 사이에 존재하는 신호원의 임피던스 또는 접촉 저항(Rs)을 통해 생체 신호 측정 장치의 입력으로 전달된다. 생체 신호 측정 장치는 전단 증폭기(10)를 포함한다. 상기 전단 증폭기(10)는 자체 입력저항(Ri) 및 자체 입력 전기용량(Ci)을 가진다. 상기 전단 증폭기(10)의 이득은 1일 수 있다. 이 경우, 상기 전단 증폭기의 출력 신호(Vo)는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서, j는 복소수를, ω는 상기 전단 증폭기의 입력 신호 또는 생체 전위(Vs)의 각주파수를 나타낸다. 상기 입력 신호의 주파수가 약 10 Hz이고, 신호원의 임피던스 또는 접촉 저항(Rs)이 10 kΩ이고, 상기 전단 증폭기의 입력 저항(Ri)이 10 TΩ이고, 상기 전단 증폭기의 입력 전기용량(Ci)이 10 pF인 경우, 수학식 1은 다음과 같이 근사화될 수 있다.

전통적인 생체 전기 신호 측정 방식에서, 출력 신호(Vo)는 상기 생체 전위(Vs)와 거의 같다. 따라서, 생체 전위(Vs)는 거의 손실 없이 측정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 비접촉식 신호 계측을 설명하는 간단한 등가 회로 모델을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 비접촉식 신호 측정에서는 인체와 생체 신호 측정 장치 사이에 배치된 접촉 저항(Rs) 대신에 인체와 비접촉식 전극(미도시) 사이에 형성되는 등가 축전기(전기용량(Cs))가 놓인다. 생체 신호 측정 장치는 전단 증폭기(20)를 포함할 수 있다. 상기 전단 증폭기(20)의 이득은 1일 수 있다. 상기 전단 증폭기(20)는 자체 입력저항(Ri) 및 자체 입력 전기용량(Ci)을 가진다. 이 등가 회로에서 생체 신호(Vs)에 대한 출력 신호(Vo)는 다음과 같이 표시될 수 있다.

인체와 상기 비접촉식 전극 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)은 상황에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.

도 3은 도 2에서 설명한 등가 전기용량(Cs) 및 생체 신호(Vs)의 주파수 변화에 따른 신호 크기 비(Vo/Vs)을 나타낸다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 등가 전기용량(Cs)과 전단 증폭기(20)의 자체 입력 저항(Ri)은 고주파 통과 필터(HPF)를 형성한다. 생체 신호(Vs)의 주파수가 10 Hz인 경우, 상기 고주파 통과 필터(HPF)의 차단 주파수(Cut-off frequency)는 상기 생체 신호(Vs)의 주파수보다 낮을 수 있다. 따라서, 상기 고주파 통과 필터(HPF)에 의한 신호 감쇠는 없다.

그러나, 출력 신호(Vo)의 크기는 등가 전기용량(Cs)의 크기에 따라 상당한 변화를 보인다. 생체 신호(Vs)의 주파수가 상기 고주파 통과 필터(HPF)에 의한 차단 주파수보다 상당히 큰 경우, 수학식 3에서 분모의 두 번째 항의 크기는 상대적으로 무시할 수 있다. 이 경우, 출력 신호(Vo)의 크기는 다음과 같이 주어진다.

수학식 4와 수학식 2를 비교하면, 비접촉식 신호 계측은 출력 신호(Vo)의 상당한 감쇠를 발생시킬 수 있다. 따라서, 경우에 따라, 비접촉식 신호 계측은 불가능할 수 있다.

전단 증폭기(20)는 연산 증폭기(OP-AMP)를 사용할 수 있다. 상기 전단 증폭기(20)의 자체 입력 전기용량(Ci)의 크기가 작을수록, 출력신호(Vo)의 크기는 증가한다. 또한 비접촉 전극과 인체 사이의 등가 전기용량(Cs)이 클수록, 출력 신호(Vo)의 크기는 증가한다.

수학식 2와 수학식 4는 접촉식 계측과 비접촉식 계측의 결정적 차이를 보여준다. 출력 신호(Vo)의 크기는 통상적으로 전단 증폭기(20)의 후단에 배치된 증폭기(미도시)를 사용하여 증폭될 수 있다. 그러나, 이 경우, 상기 증폭기는 잡음(Noise)도 함께 증폭한다. 따라서, 신호와 잡음의 판별이 어렵다.

수학식 4를 참조하면, 비접촉식 신호를 검출하기 위해서 전단 증폭기(20)의 자체 입력 전기용량(Ci)은 감소되고, 동시에 비접촉 전극과 인체 사이의 등가 전기용량(Cs)은 증가될 필요가 있다. 신호 크기 비(Vo/Vs)가 거의 1에 근접하도록, 전단 증폭기를(20) 포함하는 센서 회로가 필요하다.

접촉식 검출 방법과 비접촉식 검출 방법의 다른 차이는 전단 증폭기를 구동을 위한 바이어스 직류 전류(Ib)가 흐르는 경로의 존재 여부이다. 전단 증폭기(20)의 입력 바이어스 전류 경로는 전단 증폭기의 올바른 동작을 위해서 필요하다.

다시, 도 1을 참조하면, 접촉식 검출 방법에서는 전단 증폭기의 입력단에서 전극-피부의 접촉 저항(Rs)를 통해 인체 피부에 부착되는 접지 전극(미도시)을 거쳐 전단 증폭기(10)의 접지로 흐르는 바이어스 전류 경로가 존재한다.

다시, 도 2를 참조하면, 비접촉식 검출 방법에서는 바이어스 전류가 흐르는 별도의 전류 경로가 존재하지 않는다. 전단 증폭기(20)의 자체 입력 저항(Ri)을 통한 경로는 존재할 수 있다. 이 경로는 상기 전단 증폭기(20)의 안정적인 동작을 보장하지 못한다. 바이어스 전류(Ib)와 자체 입력 저항(Ri)에 의해 상기 전단 증폭기(20)의 출력이 포화될 수 있다. 따라서, 상기 전단 증폭기(20)의 정상적인 동작은 보장되지 않는다. 따라서, 비접촉식 검출 방법은 쉽게 달성되기 어렵다.

[증폭기 안정적 동작을 위한 바이어스 회로]

비접촉식으로 신호를 계측하기 위해서는 상술한 문제점들(용량성 전압 분배에 의한 신호 감쇠와 바이어스 전류 경로 미확보로 인한 증폭기 동작 불능)을 해결해야 한다.

먼저, 전단 증폭기의 올바른 동작이 요구된다. 따라서, 바이어스 경로의 회로적 형성이 고려된다.

도 4는 바이어스 경로를 확보하는 가장 간단한 방법을 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 전단 증폭기(30)의 입력단과 접지(GND) 사이에 바이어스 저항(32)이 삽입된다. 상기 전단 증폭기(30)의 입력단에 존재하는 바이어스 전류(Ib)는 상기 바이어스 저항(32)을 통해 접지로 흐른다. 따라서, 바이어스 전류 경로가 형성되어, 상기 전단 증폭기(30)는 정상 동작할 수 있다.

다만, 이 경우, 바이어스 전류(Ib)와 상기 바이어스 저항(32)에 의한 전압 강하는 상기 전단 증폭기(30)의 구동 전압 및 입력 공통 모드 전압(input common mode voltage)보다 작아야 한다. 회로적으로 도입된 상기 바이어스 저항(32)은 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)과 병렬로 연결된다. 상기 바이어스 저항(32)의 저항값은 대개 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)보다 상당히 작다. 따라서, 수학식 3에서 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)은 상기 바이어스 저항(32)으로 대체될 수 있다.

그에 따른 수학식 3을 참조하면, 등가 전기용량(Cs)과 상기 바이어스 저항(32)에 의해 형성된 고주파 통과 필터(HPF) 특성은 신호 주파수 변화에 따른 출력 신호(Vo)의 크기에 변동을 제공할 수 있다. 즉, 출력 신호(Vo)는 상기 등가 전기용량(Cs)과 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 전기용량(Ci)에 의한 용량성 전압 분배에 따른 신호 감쇠 및 상기 등가 전기용량(Cs)과 상기 바이어스 저항(32)에 의한 고주파 통과 필터(HPF)에 따른 신호 감쇠를 동반한다.

상기 바이어스 저항(32)에 의한 고주파통과필터(HPF)에 따른 신호 감쇠를 줄이기 위해서, 신호 회로와 바이어스 회로를 분리하는 것이 바람직하다. 즉, 직류(DC) 성분의 바이어스 회로는 낮은 임피던스를 갖는 회로로 구성되고, 교류(AC) 성분의 신호 회로는 높은 임피던스를 갖도록 구성된다.

도 5는 부트스트랩 센서 회로를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 부트스트랩 센서 회로는 제1 증폭기(41) 및 바이어스 저항(42a,42b)을 포함할 수 있다. 제1 바이어스 저항(42a) 및 제2 바이어스 저항(42b)은 상기 제1 증폭기(41)의 양의 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(41)의 출력단은 상기 제1 증폭기(41)의 음의 입력단에 직접 연결될 수 있다. 바이어스 축전기(44)는 상기 전단 증폭기(41)의 출력단과 상기 제1 바이어스 저항(42a) 및 제2 바이어스 저항(42b)의 접촉점(N1) 사이에 연결될 수 있다.

제1 바이어스 저항(42a)과 제2 바이어스 저항(42b)은 직류(DC) 바이어스 전류(Ib)가 흐르는 경로를 제공한다. 또한, 제1 바이어스 저항(42a)과 제2 바이어스 저항(42b)은 비교적 낮은 임피던스를 갖도록 설정할 수 있다. 교류(AC) 성분의 신호에 대해서 상기 바이어스 축전기(44)는 단락으로 작용한다. 따라서, 교류(AC) 성분의 신호에 대해서 상기 제1 바이어스 저항(42a)의 양단의 전위차는 거의 없고, 높은 임피던스 회로가 제공된다.

도 4 및 도 5의 바이어스는 바이어스 전류가 바이어스 저항을 통해 접지(GND)로 직접 흐르는 접지 바이어스이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 상기 센서 회로는 부동 바이어스를 사용한다. 상기 부동 바이어스는 제1 증폭기(51)의 출력에 존재하는 직류(DC) 성분의 크기에 따라 입력 바이어스의 크기를 능동적으로 조절할 수 있는 것이다. 바이어스 저항의 한쪽 끝이 접지(GND)가 아니라 부동 전위(Vb)에 연결된다.

비접촉식 신호 측정은 인체와 생체 신호 측정 장치 사이에 배치된 접촉 저항(Rs) 대신에 인체와 비접촉식 전극(미도시) 사이에 형성되는 등가 축전기(전기용량(Cs))가 놓인다.

상기 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 상기 등가 축전기를 통해 양의 입력단으로 입력받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(51) 및 상기 제1 증폭기(51)의 출력단과 상기 제1 증폭기(51)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(51)의 안정적인 동작으로 보장하는 바이어스 회로(53)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(51)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(51)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(51)의 이득은 1되고, 상기 제1 증폭기(51)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

상기 바이어스 회로(53)는 상기 제1 증폭기(51)의 출력을 제공받아 시간 적분을 수행하는 반전 증폭 회로(56), 상기 제1 증폭기(51)의 양의 입력단과 상기 반전 증폭회로(56) 출력 사이에 직렬 연결되는 제1 바이어스 저항(52a) 및 제2 바이어스 저항(52b), 및 상기 제1 바이어스 저항(52a)과 상기 제2 바이어스 저항(52b)의 접촉점(N1)과 상기 제1 증폭기(51)의 출력단 사이에 배치되는 바이어스 축전기(54)를 포함한다.

상기 반전 적분 회로(56)는 바이어스 증폭기(55), 상기 바이어스 증폭기(55)의 양의 입력단에 연결된 기준 전압원(156), 상기 제1 증폭기(51)의 출력단과 상기 바이어스 증폭기(55)의 음의 입력단 사이에 배치된 적분 저항(58), 상기 바이어스 증폭기(55)의 출력단과 상기 바이어스 증폭기(55)의 음의 입력단 사이에 연결된 적분 축전기(57)를 포함한다. 상기 바이어스 증폭기(55)의 출력단은 상기 제2 바이어스 저항(52b)에 연결된다.

상기 기준 전압원(156)의 전위(Vr)는 상기 제1 증폭기(51)가 ± V 구동 전압을 갖는 양극 전원으로 구동될 경우에는 0 V일 수 있다. 또는 상기 기준 전압원(156)의 전위는 상기 제1 증폭기(51)가 +V 구동 전압을 갖는 단극 전원으로 구동될 경우에는 V/2일 수 있다.

상기 제2 바이어스 저항(52b)의 일단은 상기 접촉점(N1)에 연결되고, 제2 바이어스 저항(Rb2)의 타단은 접지(GND)가 아니라 부동 전위(Vb)에 연결된다. 상기 부동 전위(Vb)는 상기 반전 적분 회로(56)의 출력단의 전위이다.

부동 바이어스 방식은 제1 증폭기(51) 출력의 직류 성분을 상기 반전 증폭 회로(56)의 기준 전압(Vr)과 같게 둘 수 있는 장점을 가진다. 제1 증폭기(51)의 출력 전압(Vo)이 상기 기준 전압(Vr) 수준이 되도록, 상기 반전 적분 회로(56)는 부동 전위(Vb)를 상기 제2 바이어스 저항(52b)에 제공한다. 제1, 제2 바이어스 저항(52a, 52b)과 바이어스 전류(Ib)에 의한 전위차와 상기 부동 전위(Vb)가 제1 증폭기(51)의 양의 입력단의 입력 전위(Vin)에 기여한다. 상기 입력 전위(Vin)는 상기 제1 증폭기(51)의 출력단에 출력 신호(Vo)로 나타난다. 따라서, 제1 증폭기(51)의 안정적인 바이어스 조건이 형성된다.

상기 바이어스 회로(53)는 상기 입력 전위(Vin)에 대해 고주파통과필터(HPF) 역할을 수행한다. 즉, 적분 저항(58)과 적분 축전기(57)는 상기 입력 전위(Vin)에 대해 고주파통과필터(HPF)의 차단 주파수를 결정한다.

[인체 피부와 측정 전극 사이의 상대적인 움직임에 의한 신호 잡음]

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 센서 회로는 신호원의 측정신호를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(251), 및 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(253)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(251)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(251)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(251)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(251)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

저항성 되먹임 회로(270)는 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(251)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단으로 저항성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기(251)의 유효 입력 저항을 증가시킨다.

용량성 되먹임 회로(280)는 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(251)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단으로 용량성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기(251)의 유효 입력 전기용량을 감소시킨다.

비접촉식 신호 측정에서 인체 피부(201)와 비접촉식 측정 전극(202) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)이 놓인다. 비접촉식 생체 신호 측정에서, 인체 피부(201)와 비접촉식 측정 전극(202) 사이의 상대적인 움직임에 의한 잡음에 대해 논의해 본다. 인체 피부(201)는 생체 신호(Vs)를 가진다.

수학식 4를 참조하면, 등가 전기용량(Cs)의 크기가 클수록, 상기 출력 신호(Vo)의 크기는 증가한다. 즉, 인체 피부(201)와 측정 전극(202)에 의한 등가 전기용량(Cs) 값의 변동은 제1 증폭기(251)의 출력 신호(Vo)에 잡음으로 나타난다. 상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 거리 변화는 상기 출력 신호(Vo)보다 훨씬 크게 잡음으로 출력된다.

상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 상대적 움직임에 의한 영향이 감소될 필요가 있다. 수학식 4를 참조하면, 상기 등가 전기용량(Cs)의 의존성을 줄이면, 상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 상대적 움직임에 의한 영향은 감소될 수 있다. 이를 위하여, 상기 측정 전극(202)과 제1 증폭기(251)의 양의 입력단 사이에 결합 축전기(204)가 직렬로 연결된다. 상기 결합 축전기(204)는 결합 전기용량(Cc)을 가진다. 상기 등가 전기용량(Cs)과 상기 결합 전기용량(Cc)은 축전기의 직렬 연결을 형성한다. 따라서, 알짜 총 결합 전기용량(Ct)는 다음과 같이 표시될 수 있다.

알짜 결합 전기용량(Ct)은 항상 상기 결합 전기용량(Cc)보다 작거나 같다. 또한, 알짜 결합 전기용량(Ct)은 수학식 3 및 수학식 4에서 등가 전기용량(Cs) 대신에 사용될 수 있다.

상기 등가 전기용량(Cs)을 결합 전기용량(Cc)의 10배 수준으로 설정한다면 알짜 결합 전기용량(Ct)은 거의 결합 전기용량(Cc)과 같게 된다. 이 경우, 등가 전기용량(Cs)의 변동은 알짜 결합 전기용량(Ct)의 변화에 거의 기여하지 못하게 된다. 결과적으로, 상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 거리 변화에 기인한 등가 전기용량(Cs)의 변동은 상기 센서 출력(Vo)에 거의 나타나지 않는다.

따라서, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이의 상대적 움직임에 의한 미미한 영향은 무시할 수 있다.

[용량성 전압 분배에 의한 신호 감쇠 문제 해결 방안]

다음으로, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)과 제1 증폭기(251)의 자체 입력 전기용량(Ci)에 의한 신호 감쇠 문제가 고려된다. 수학식 4를 참조하면, 상기 등가 전기용량(Cs)은 클수록, 자체 입력 전기용량(Ci)은 작을수록, 센서 회로의 출력 신호(Vo) 크기는 증가한다.

상기 등가 전기용량(Cs)을 증가시키기 위하여, 측정부위와 닿는 측정 전극(202)의 크기가 증가되거나, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이의 거리가 감소될 수 있다. 그러나, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이에는 피검자의 옷감이 놓일 수 있다. 따라서, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이의 거리의 감소는 한계가 있다.

예를 들어, 직경 6 cm의 원형의 측정 전극(202)이 인체 피부와 1 mm 간격을 두고 축전기를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 축전기의 등가 전기용량(Cs)은 25 pF 수준이다. 제1 증폭기(251)의 자체 입력 전기용량(Ci)이 대략 10 pF인 것을 고려하면, 수학식 4에서 입력 신호(Vs)에 대한 출력 신호(Vo)의 비를 0.71 수준으로 얻는다. 상기 측정 전극(202)의 크기를 더 키우면, 상기 등가 전기용량(Cs)은 더 큰 값을 가질 수 있다. 그러나 상기 측정 전극(202)의 크기를 키우는데 한계가 있다. 따라서 제1 증폭기(251)의 자체 입력 전기용량(Ci)을 줄이는 노력이 더 필요하다.

상기 제1증폭기로 사용되는 연산 증폭기(OP-AMP)의 자체 입력 전기용량(Ci)이 작은 부품을 선정하는 것이 그 일차적인 일이다. 그러나 이것은 궁극적인 해결책이 되지 못한다. 어떠한 부품을 사용하든 상기 제1증폭기의 유효 입력 전기용량(Ce)을 줄이는 회로적 해결책이 필요하다. 상기 유효 입력 전기용량(Ce)은 상기 제1증폭기를 포함하는 센서 회로의 입력 전기용량(Ce)을 의미한다. 이 값은 수학식 4에서 증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci)을 대신한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 센서 회로는 측정신호(Vs)를 양의 입력단으로 입력받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(351),및 상기 제1 증폭기(351)의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(351)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함한다.

상기 제1 증폭기(351)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(351)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(351)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(351)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

용량성 되먹임 회로(380)는 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(351)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(351)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(351)의 입력단의 전위보다 큰 용량성 되먹임 전압(Vcf)을 되먹임 축전기(382)를 통하여 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단으로 제공하여, 상기 제1 증폭기(351)의 유효 입력 전기용량(Ce)을 감소시킨다.

상기 용량성 되먹임 회로(380)는 상기 제1 증폭기(351)의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 비반전 증폭회로(385), 및 상기 비반전 증폭회로(385)의 출력과 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 축전기(382)를 포함한다.

상기 비반전 증폭회로(385)는 용량성 되먹임 증폭기(381), 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 음의 입력단과 접지 사이에 연결된 제1 이득 저항(383) 및 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 음의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제2 이득 저항(384)을 포함한다. 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되고, 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 출력단은 상기 되먹임 축전기(382)의 일단에 연결된다. 상기 되먹임 축전기(382)의 타단은 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단에 연결된다.

상기 제1증폭기(351)의 양의 입력단 관점에서 보면, 상기 제1증폭기(351)의 자체 입력 전기용량(Ci, 미도시)과 되먹임 전기용량(382, Cf)은 서로 병렬 결합된 상태이다. 따라서 상기 제1증폭기(351)의 유효 입력 전기용량(Ce)은 상기 제1증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci)과 상기 되먹임 전기용량(382, Cf)의 산술 합으로 표현될 수 있다. 상기 제1증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci)은 상기 제1증폭기의 입력 전위(Vin)와 접지(GND) 사이에 형성되는 전기용량이다. 따라서 상기 자체 입력 전기용량(Ci)은 양의 값으로 기여한다. 반면, 상기 되먹임 전기용량(382, Cf)은 상기 제1증폭기(351)의 입력 전위(Vin)와 용량성 되먹임 전압(Vcf) 사이에 형성되는 전기용량이며 상기 용량성 되먹임 전압(Vcf)은 항상 상기 제1증폭기의 입력 전위(Vin) 보다 큰 값을 가지면서 동위상으로 존재하므로 상기 되먹임 전기용량(382,Cf)은 음의 값으로 기여한다. 그 기여 정도는 상기 용량성 되먹임 전압(Vcf)과 상기 입력 전위(Vin)의 차이 정도에 의존한다. 결과적으로, 상기 제1증폭기의 유효 입력 전기용량(Ce)은 항상 상기 제1증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci) 보다 작은 값을 갖게 된다.

양의 되먹임 회로 방식을 이용한 제1 증폭기(351)를 포함한 센서회로의 유효 입력 전기용량(Ce)의 크기 제어는 상기 제1 증폭기(351)의 바이어스 조건과 독립적으로 적용될 수 있다. 따라서, 어떠한 바이어스 회로에 대해서도, 유효 입력 전기용량(Ce)은 양의 되먹임 방식으로 그 값을 줄일 수 있다.

[증폭기 등가 입력 저항 키우기]

다시, 도 4를 참조하면, 제1 증폭기(30)의 안정적인 동작을 위해 제1 증폭기(30)의 입력단에 연결된 바이어스 저항(32)의 값은 제1 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)에 비해 훨씬 작다. 따라서, 수학식 3에서 분모의 두 번째 항은 더 이상 무시될 수 없다.

통상적으로, 상기 바이어스 저항(32)은 100 GΩ수준이다. 제1 증폭기(30)의 입력 저항(Ri)은 10 TΩ수준이다. 상기 제1 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)의 값은 바이어스 저항(32)의 100 배 크기이다.

상기 바이어스 저항(32)을 연결하되, 신호 관점에서 상기 바이어스 저항(32)을 임피던스로 인식하지 않게 하는 회로적인 보상 수단이 필요하다. 상기 보상 수단은 등가 전기용량(Cs)과 상기 바이어스 저항(Rb)에 의해 형성된 고주파통과필터(HPF) 작용에 기인한 신호 감쇠를 제거할 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 센서 회로는 측정신호(Vs)를 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(451),및

상기 제1 증폭기(451)의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(451)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(453)를 포함한다.

상기 제1 증폭기(451)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(451)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(451)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(451)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

저항성 되먹임 회로(470)는 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(451)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(451)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(451)의 입력단의 전위보다 큰 저항성 되먹임 전압(Vrf)을 되먹임 저항(472)을 통하여 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단으로 제공하여, 상기 제1증폭기(451)의 유효 입력 저항(Re)을 증가시킨다.

상기 저항성 되먹임 회로(470)는 상기 제1 증폭기(451)의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 비반전 증폭회로(475), 및 상기 비반전 증폭회로(475)의 출력과 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 저항(472)을 포함한다.

상기 비반전 증폭회로(475)는 저항성 되먹임 증폭기(471), 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 음의 입력단과 접지 사이에 연결된 제1 이득 저항(473) 및 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 음의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제2 이득 저항(474)을 포함한다. 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기(451)의 출력단에 연결되고, 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 출력단은 상기 되먹임 저항(472)의 일단에 연결된다. 상기 되먹임 저항(472)의 타단은 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단에 연결된다.

상기 제1증폭기(451)의 양의 입력단 관점에서 보면 상기 제1증폭기의 자체 입력 저항(Ri, 미도시)과 상기 바이어스 회로(453)에 포함된 바이어스 저항(Rb, 미도시) 그리고 상기 되먹임 저항(472, Rf)은 서로 병렬 연결된 상태이다. 따라서 상기 제1증폭기(451)의 유효 입력 저항(Re)의 역수는 상기 제1증폭기(451)의 자체 입력 저항(Ri)의 역수와 상기 바이어스 저항(Rb)의 역수 그리고 상기 되먹임 저항(472, Rf)의 역수의 산술 합으로 표현될 수 있다. 상기 제1증폭기의 자체 입력 저항(Ri)은 상기 제1증폭기(451)의 입력 전위(Vin)와 접지(GND) 사이에 형성된 전기 저항이다. 따라서 상기 자체 입력 저항(Ri)은 양의 역수 값으로 기여한다. 그리고 상기 바이어스 저항(Rb)은 상기 제1증폭기(451)의 입력 전위(Vin)와 접지(GND) 또는 부동 전위(Vb, 미도시) 사이에 형성된 저항으로서 양의 역수 값으로 기여한다. 반면, 상기 되먹임 저항(472, Rf)은 상기 제1증폭기(451)의 입력 전위(Vin)와 저항성 되먹임 전압(Vcf) 사이에 형성되는 전기저항이며 상기 저항성 되먹임 전압(Vrf)은 항상 상기 제1증폭기의 입력 전위(Vin) 보다 큰 값을 가지면서 동위상으로 존재하므로 상기 되먹임 저항(472, Rf)은 음의 역수 값으로 기여한다. 그 기여 정도는 상기 저항성 되먹임 전압(Vrf)과 상기 입력 전위(Vin)의 차이 정도에 의존한다. 결과적으로, 상기 제1증폭기의 유효 입력 저항(Re)은 항상 상기 제1증폭기의 자체 입력 저항(Ri)과 상기 바이어스 저항(Rb)의 조화평균 보다 큰 값을 갖게 된다.

상술한 방식의 제1 증폭기(451)를 포함한 센서 회로의 유효 입력 저항(Re)의 크기 제어는 바이어스 회로, 용량성 되먹임 회로 등과는 독립적으로 적용할 수 있다. 바이어스 회로는 제1 증폭기의 안정적 동작을 위해서 필요하다. 유효 입력 저항(Re)을 늘이는 저항성 되먹임 회로 또는 유효 입력 전기용량을 줄이는 용량성 되먹임 회로는 선택적으로 센서회로에 제공될 수 있다.

[전기적 비접촉식 계측을 실현하기 위한 센서 회로들]

다시, 도 7을 참조하면, 전기적 비접촉 전위 센서를 구현하기 위한 센서 회로는 제1 증폭기(251) 및 바이어스 회로(253)를 포함한다. 그러나, 상기 제1 증폭기(251)의 유효 입력 저항(Re)을 증가시키는 저항성 되먹임 회로(270)나 유효 입력 전기용량을 감소시키는 용량성 되먹임 회로(280)는 선택적으로 도입할 수 있다.

상기 바이어스 회로(253)는 접지 바이어스, 부트스트랩 접지 바이어스, 그리고 부동 바이어스 회로일 수 있다. 상기 센서 회로는 상기 저항성 되먹임 회로(270) 및/또는 용량성 되먹임 회로(280)를 포함할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 10을 참조하면, 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(551), 및 상기 제1 증폭기(551)의 출력단과 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(551)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(553)를 포함한다.

상기 제1 증폭기(551)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(551)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(551)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(551)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

측정 전극(502)은 상기 신호원에 전기적으로 비접촉하여 인접하게 배치된다. 상기 측정 전극(502)은 금속으로 구성될 수 있으며, 상기 측정 대상 또는 신호원에 대향하는 상기 측정 전극(502)의 일면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 측정 전극(502)은 도전성 직물로 형성되거나 다양한 형태로 변형될 수 있다.

결합 축전기(504)는 상기 측정 전극(502)과 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(504)의 전기용량(Cc)은 상기 신호원과 상기 측정 전극(502) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 결합 축전기(504)의 전기용량(Cc)은 등가 전기용량(Cs)의 1/10배 정도일 수 있다.

가드부(506)는 상기 측정 전극(502) 또는 상기 결합 축전기(504)의 전부 또는 일부를 감싼다. 상기 가드부(506)는 상기 결합 축전기(504)와 연결되는 상기 측정 전극(502)의 한쪽 면, 상기 결합 축전기(504)와 상기 측정 전극(502)을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기(504) 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 있을 수 있다. 상기 가드부(506)는 상기 제1 증폭기(551)의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지될 수 있다. 상기 가드부(506)는 도전성 그물 또는 도전성 케이블일 수 있다.

센서 회로는 제1 증폭기(551), 바이어스 회로(553), 되먹임 회로(570)를 포함한다. 바이어스 회로(553)는 부동 바이어스 회로일 수 있다.

상기 바이어스 회로(553)는 제2 증폭기(555), 바이어스 저항(552), 적분 축전기(557), 및 적분 저항(558)을 포함할 수 있다. 상기 제2 증폭기(555)는 상기 제1 증폭기(551)의 출력단의 출력신호를 제공받아 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단에 바이어스 전류를 제공한다.

상기 바이어스 저항(552)은 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단과 제2 증폭기(555)의 출력단 사이에 연결된다. 상기 적분 축전기(557)는 상기 제2 증폭기(555)의 출력단과 상기 제2 증폭기(555)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 적분 저항(558)은 상기 제2 증폭기(555)의 상기 음의 입력단과 상기 제1 증폭기(551)의 출력단 사이에 연결된다.

상기 제2 증폭기(555)의 양의 입력단은 기준 전위(556, Vr)에 연결된다. 기준 전위는 상기 제1증폭기의 출력(Vo) 기준 전위가 된다. 상기 증폭기들의 구동 전원이 ± V 양전원이면, 상기 기준 전위는 0V(접지, GND)일 수 있다. 한편, 구동 전원이 +V의 단전원이면, 상기 기준 전위는 V/2일 수 있다.

상기 되먹임 회로(570)는 제3 증폭기(571), 되먹임 축전기(572b), 되먹임 저항(572a), 제1 저항(573), 및 제2 저항(574)을 포함한다. 상기 제3 증폭기(571)는 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단에 되먹임 전류를 제공한다. 상기 되먹임 축전기(572b)는 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단과 제3 증폭기(571)의 출력단 사이에 연결된다. 상기 되먹임 저항(572a)은 상기 되먹임 축전기(572b)와 병렬로 연결된다. 상기 제1 저항(573)은 상기 제3 증폭기(571)의 음의 입력단과 기준 전위(575, Vr) 사이에 연결된다. 상기 기준 전위(575, Vr)는 상기 바이어스 회로(553)의 기준 전위(556, Vr)와 같은 값을 갖는다. 상기 제2 저항(574)은 상기 제3증폭기(571)의 출력단과 제3 증폭기(571)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제3 증폭기(571)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 11을 참조하면, 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(651), 및 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단과 접지(GND) 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(651)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(653)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(651)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(651)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(651)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(651)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

측정 전극(602)은 상기 신호원에 전기적으로 비접촉하여 인접하게 배치된다. 상기 측정 전극(602)은 금속으로 구성될 수 있으며, 상기 측정 대상에 대향하는 측정 전극(602)의 일면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 측정 전극(602)은 도전성 직물로 형성되거나 다양한 형태로 변형될 수 있다.

결합 축전기(604)는 상기 측정 전극(602)과 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(604)의 전기용량(Cc)은 상기 신호원과 상기 측정 전극(602) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 결합 축전기(604)의 전기용량(Cc)은 등가 전기용량(Cs)의 1/10배 정도일 수 있다.

가드부(606)는 상기 측정 전극(602) 또는 상기 결합 축전기(604)의 전부 또는 일부를 감싼다. 상기 가드부(606)는 상기 결합 축전기(604)와 연결되는 상기 측정 전극(602)의 한쪽 면, 상기 결합 축전기(604)와 상기 측정 전극(602)을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기(604) 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 있을 수 있다. 상기 가드부(606)는 상기 제1 증폭기(651)의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지될 수 있다. 상기 가드부(606)는 도전성 그물 또는 도전성 케이블일 수 있다.

센서 회로는 제1 증폭기(651), 바이어스 회로(653), 되먹임 회로(670)를 포함한다. 바이어스 회로(653)는 접지 바이어스 회로일 수 있다. 되먹임 회로(670)는 저항성 되먹임 회로일 수 있다.

상기 바이어스 회로(653)는 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단과 접지 사이에 연결되는 바이어스 저항(652)을 포함한다.

상기 되먹임 회로(670)는 제3 증폭기(671), 되먹임 저항(672), 제1 저항(673), 및 제2 저항(674)을 포함한다. 상기 제3 증폭기(671)는 상기 제1 증폭기(651)의 입력단에 되먹임 전류를 제공한다. 상기 되먹임 저항(672)은 상기 제3 증폭기(671)의 출력단과 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제1 저항(673)은 상기 제3 증폭기(671)의 음의 입력단과 접지(GND) 사이에 연결된다. 상기 제2 저항(674)은 상기 제3 증폭기(671)의 출력단과 제3 증폭기(671)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제3 증폭기(671)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기(651)의 출력단과 연결되고, 상기 센서 회로는 양극 전원으로 구동된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(751), 및 상기 제1 증폭기(751)의 출력단과 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(751)의 안정적인 동작으로 보장하는 바이어스 회로(753)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(751)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(751)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(751)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(751)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

측정 전극(702)은 상기 신호원에 전기적으로 비접촉하여 인접하게 배치된다. 상기 측정 전극(702)은 금속으로 구성될 수 있으며, 상기 측정 대상에 대향하는 측정 전극(702)의 일면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 측정 전극(702)은 도전성 직물로 형성되거나 다양한 형태로 변형될 수 있다.

결합 축전기(704)는 상기 측정 전극(702)과 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(704)의 전기용량(Cc)은 상기 신호원과 상기 측정 전극(702) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 결합 축전기(704)의 전기용량(Cc)은 등가 전기용량(Cs)의 1/10배 정도일 수 있다.

가드부(706)는 상기 측정 전극(702) 또는 상기 결합 축전기(704)의 전부 또는 일부를 감싼다. 상기 가드부(706)는 상기 결합 축전기(704)와 연결되는 상기 측정 전극(702)의 한쪽 면, 상기 결합 축전기(704)와 상기 측정 전극(702)을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기(704) 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 있을 수 있다. 상기 가드부(706)는 상기 제1 증폭기(751)의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지될 수 있다. 상기 가드부(706)는 도전성 그물 또는 도전성 케이블일 수 있다.

센서 회로는 제1 증폭기(751), 바이어스 회로(753), 용량성 되먹임 회로(780)를 포함한다. 상기 바이어스 회로(753)는 부동 바이어스 회로일 수 있다.

상기 바이어스 회로(753)는 제2 증폭기(755), 제1 및 제2 바이어스 저항(752a,752b), 적분 축전기(757), 적분 저항(758), 및 축전기(754)를 포함한다. 상기 제2 증폭기(755)는 상기 제1 증폭기(751)의 출력단의 출력신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단에 바이어스 전류를 제공한다. 상기 제1 및 제2 바이어스 저항(752a,752b)은 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단과 제2 증폭기(755)의 출력단 사이에 직렬로 연결된다. 상기 적분 축전기(757)는 상기 제2 증폭기(755)의 출력단과 상기 제2 증폭기(755)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 적분 저항(758)은 상기 제2 증폭기(755)의 음의 입력단과 상기 제1 증폭기(751)의 출력단 사이에 연결된다. 축전기(754)는 상기 제1 증폭기(751)의 출력단과 상기 제1 바이어스 저항(752a) 및 제2 바이어스 저항(752b)의 점촉점(N1) 사이에 연결된다.

상기 제2 증폭기(755)의 양의 입력단은 기준 전위(756, Vr)에 연결된다. 기준 전위는 상기 제1증폭기의 출력(Vo) 기준 전위가 된다. 상기 증폭기들의 구동 전원이 ± V 양전원이면, 상기 기준 전위는 0V(접지, GND)일 수 있다. 한편, 구동 전원이 +V의 단전원이면, 상기 기준 전위는 V/2일 수 있다.

용량성 되먹임 회로(780)는 제3 증폭기(781), 되먹임 축전기(782), 제1 저항(783), 및 제2 저항(784)을 포함한다. 상기 제3 증폭기(781)는 상기 제1 증폭기(751)의 입력단에 되먹임 전류를 제공한다. 상기 되먹임 축전기(782)는 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단과 제3 증폭기(781)의 출력단 사이에 연결된다. 상기 제1 저항(783)은 상기 제3 증폭기(781)의 음의 입력단과 기준 전위(785, Vr) 사이에 연결된다. 상기 기준 전위(785, Vr)는 상기 바이어스 회로(753)의 기준 전위(756, Vr)와 같은 값을 갖는다. 상기 제2 저항(784)은 상기 제3 증폭기(781)의 출력단과 제3 증폭기(781)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제3 증폭기(781)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

201: 신호원
202: 측정 전극
204: 결합 축전기
251: 제1 증폭기
253: 바이어스 회로
270: 저항성 되먹임 회로
280: 용량성 되먹임 회로

Claims

신호원의 측정신호를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기;
상기 제1 증폭기의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로;
상기 신호원에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 측정 전극; 및
상기 측정 전극의 전부 또는 일부를 감싸는 가드부를 포함하고,
상기 제1 증폭기의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성되고,
상기 가드부는 상기 측정 전극의 한쪽 면 및 상기 측정 전극을 연결하는 도선 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고, 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제1 항에 있어서,
상기 바이어스 회로는:
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 접지 사이에 연결된 바이어스 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제1 항에 있어서,
상기 바이어스 회로는:
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결된 제1 바이어스 저항 및 제 2 바이어스 저항; 및
상기 제1 바이어스 저항과 상기 제2 바이어스 저항의 접촉점과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 배치되는 바이어스 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제1 항에 있어서,
상기 바이어스 회로는:
상기 제1 증폭기의 출력을 입력받아 시간 적분을 수행하는 반전 증폭 회로; 및
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 반전 적분 회로 사이 연결된 바이어스 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제4 항에 있어서,
상기 반전 증폭 회로는:
바이어스 증폭기;
상기 바이어스 증폭기의 양의 입력단에 연결된 기준 전압원;
상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 바이어스 증폭기의 음의 입력단 사이에 배치된 적분 저항;
상기 바이어스 증폭기의 출력단과 상기 바이어스 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결된 적분 축전기를 포함하고,
상기 바이어스 증폭기의 출력단은 상기 바이어스 저항에 연결된 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제1 항에 있어서,
상기 바이어스 회로는:
상기 제1 증폭기의 출력을 입력받아 시간 적분을 수행하는 반전 증폭 회로;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 반전 적분회로 사이에 직렬 연결된 제1 바이어스 저항 및 제2 바이어스 저항 ; 및
상기 제1 바이어스 저항과 상기 제2 바이어스 저항의 접촉점과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 배치되는 바이어스 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제6 항에 있어서,
상기 반전 적분 회로는:
바이어스 증폭기;
상기 바이어스 증폭기의 양의 입력단에 연결된 기준 전압원;
상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 바이어스 증폭기의 음의 입력단 사이에 배치된 적분 저항;
상기 바이어스 증폭기의 출력단과 상기 바이어스 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결된 적분 축전기를 포함하고,
상기 바이어스 증폭기의 출력단은 상기 제2 바이어스 저항에 연결된 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제5 항 또는 제7 항에 있어서,
상기 기준 전압원의 전위는 상기 제1 증폭기가 ± V 전압을 갖는 양극 전원으로 구동될 경우에는 0 V이고,
상기 기준 전압원의 전위는 상기 제1증폭기가 +V 전압을 갖는 단극 전원으로 구동될 경우에는 V/2인 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제1 항에 있어서,
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기의 양의 입력단으로 저항성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1증폭기의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 되먹임 회로; 및
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기의 양의 입력단으로 용량성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기의 유효 입력 전기용량을 감소시키는 용량성 되먹임 회로 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제9 항에 있어서,
상기 저항성 되먹임 회로는:
상기 제1 증폭기의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 비반전 증폭회로; 및
상기 비반전 증폭회로의 출력과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제9 항에 있어서,
상기 용량성 되먹임 회로는:
상기 제1 증폭기의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 비반전 증폭회로; 및
상기 비반전 증폭회로의 출력과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제9 항에 있어서,
상기 저항성 되먹임 회로는:
상기 제1 증폭기의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 저항성 비반전 증폭회로; 및
상기 저항성 비반전 증폭회로의 출력과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 저항을 포함하고,
상기 용량성 되먹임 회로는:
상기 제1 증폭기의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 용량성 비반전 증폭회로; 및
상기 용량성 비반전 증폭회로의 출력과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 축전기를 포함하고,
상기 저항성 비반전 증폭회로 및 상기 용량성 비반전 증폭회로는 공통으로 사용되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
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제1 항에 있어서,
상기 측정 전극과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 직렬 연결되는 결합 축전기를 더 포함하고,
상기 결합 축전기의 전기용량은 상기 신호원과 상기 측정 전극 사이에 형성되는 등가 전기용량보다 작은 것을 특징으로 하는 센서 회로.
제1 항에 있어서,
상기 측정 전극은 금속으로 구성되며, 상기 측정 대상에 대향하는 측정 전극의 일면은 절연체로 코팅된 것을 특징으로 하는 센서회로.
센서 회로에 있어서,
제1 증폭기;
양의 입력단은 기준 전위에 연결되며 상기 제1 증폭기의 출력단의 출력신호를 입력받아 상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 바이어스 전류를 제공하는 제2 증폭기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 되먹임 전류를 제공하는 제3 증폭기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 측정 대상의 측정 신호를 제공하는 측정 전극;
상기 측정 전극과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 사이에 연결되는 결합 축전기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 제2 증폭기의 출력단 사이에 연결되는 바이어스 저항;
상기 제2 증폭기의 출력단과 상기 제2 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결되는 적분 축전기;
상기 제2 증폭기의 음의 입력단과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 연결되는 적분 저항;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 제3 증폭기의 출력단 사이에 연결되는 되먹임 축전기;
상기 되먹임 축전기와 병렬로 연결되는 되먹임 저항;
상기 제3 증폭기의 음의 입력단과 상기 기준 전위 사이에 연결되는 제1 저항;
상기 제3 증폭기의 출력단과 제3 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결되는 제2 저항;및
상기 결합 축전기에 연결되는 상기 측정 전극의 일면, 상기 측정 전극을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기의 주위를 감싸고 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되는 가드부를 포함하고,
상기 제3 증폭기의 양의 입력단은 제1 증폭기의 출력단에 연결되며;
상기 제1 증폭기의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되어, 상기 제1 증폭기의 이득은 1이고,
상기 센서 회로가 양극 전원으로 구동될 경우에는 상기 기준 전위가 접지(GND)와 연결되며, 단극 전원으로 구동될 경우에는 구동 전압의 절반의 전압원과 연결되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
센서 회로에 있어서,
제1 증폭기;
상기 제1 증폭기의 입력단에 되먹임 전류를 제공하는 제3 증폭기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 측정 대상의 측정 신호를 제공하는 측정 전극;
상기 측정 전극과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 사이에 연결되는 결합 축전기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 접지 사이에 연결되는 바이어스 저항;
상기 제3 증폭기의 출력단과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 저항;
상기 제3 증폭기의 음의 입력단과 접지(GND) 사이에 연결되는 제1 저항;
상기 제3 증폭기의 출력단과 제3 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결되는 제2 저항;및
상기 결합 축전기에 연결되는 상기 측정 전극의 일면, 상기 측정 전극을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기의 주위를 감싸고 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되는 가드부를 포함하고,
상기 제1 증폭기의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되어, 상기 제1 증폭기의 이득은 1이고,
상기 제3 증폭기의 양의 입력단은 제1 증폭기의 출력단과 연결되고,
상기 센서 회로는 양극 전원으로 구동되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
센서 회로에 있어서,
제1 증폭기;
상기 제1 증폭기의 출력단의 출력신호를 입력받아 상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 바이어스 전류를 제공하는 제2 증폭기;
상기 제1 증폭기의 입력단에 되먹임 전류를 제공하는 제3 증폭기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 측정 대상의 측정 신호를 제공하는 측정 전극;
상기 측정 전극과 상기 제1 증폭기의 양의 입력단에 사이에 연결되는 결합 축전기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 제2 증폭기의 출력단 사이에 직렬로 연결되는 제1 및 제2 바이어스 저항;
상기 제2 증폭기의 출력단과 상기 제2 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결되는 적분 축전기;
상기 제2 증폭기의 음의 입력단과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 연결되는 적분 저항;
상기 제1 증폭기의 출력단과 상기 제1 바이어스 저항 및 제2 바이어스 저항의 점촉점 사이에 연결되는 축전기;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 제3 증폭기의 출력단 사이에 연결되는 되먹임 축전기;
상기 제3 증폭기의 음의 입력단과 기준 전위 사이에 연결되는 제1 저항;
상기 제3 증폭기의 출력단과 제3 증폭기의 음의 입력단 사이에 연결되는 제2 저항; 및
상기 결합 축전기에 연결되는 상기 측정 전극의 일면, 상기 측정 전극을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기의 주위를 감싸고 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되는 가드부를 포함하고,
상기 제1 증폭기의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되어, 상기 제1 증폭기의 이득은 1이고,
상기 제2 증폭기의 양의 입력단은 상기 기준 전위에 연결되고,
상기 제3 증폭기의 양의 입력단은 제1 증폭기의 제1 출력단과 연결되며,
상기 센서 회로가 양극성 전원으로 구동될 경우에는 상기 기준 전위는 0V(GND)가 되고 단극성 전원으로 구동될 경우에는 상기 기준 전위가 구동 전압의 절반이 되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.