KR101414270B1 - 스위칭 잡음 억제 센서신호 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글리치를 제거함으로서 회로의 오작동을 막을 수 있는 센서신호 증폭기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 센서신호 증폭기는 제1 커패시터와 제1 증폭기를 포함하며, 상기 제1 증폭기의 옵셋전압을 상기 제1 커패시터에 저장하는 옵셋전압 저장 동작과 상기 제1 커패시터에 저장된 상기 옵셋전압을 제거하고 입력된 센서신호를 증폭하여 출력하는 센서신호 증폭동작을 스위칭하는 스위칭 증폭부; 및 상기 스위칭 증폭부의 스위칭 동작에 의해 생성되는 글리치를 제거하기 위한 노치필터를 포함한다.
본 발명에 따르면, 센서 증폭기에서 노치필터를 사용하여 글리치를 제거할 수 있기 때문에, 글리치에 의한 오동작을 방지할 수 있으며, 노치필터를 액티브 인덕터를 이용하여 온칩으로 구현할 수 있기 때문에, 센서 증폭기의 소형화가 가능하다.

Description

스위칭 잡음 억제 센서신호 증폭기{An Sensing Signal Amplifier for Filtering Switching Noise}

본 발명은 센서신호 증폭기에 관한 것으로서, 특히 스위칭 잡음을 억제할 수 있는 센서신호 증폭기에 관한 것이다.

최근 센서기술과 무선기술의 향상으로 센서응용 기술이 계속 발전하고 있으며 다양한 분야에서 범용의 센서신호조정기술의 개발과 보다 저렴하고 정밀한 센서신호 조정 및 처리기술이 요구되고 있다.

그런데 일반적으로 센서신호 증폭기 등에 사용되는 저잡음 증폭기의 경우 증폭기 자체에서 발생하는 잡음성분과 옵셋 전압으로 인하여 전체 증폭기의 잡음이 증가하고 동상 제거 비율(Common mode rejection ratio; CMRR)이 저하되어 고성능의 사양이 요구되는 센서에 사용할 수 없게 되는 문제가 있다.

따라서 상용화된 증폭기의 경우 이러한 잡음과 옵셋전압을 제거하기 위하여 다양한 기법이 적용되고 있다. 이중 널리 이용되는 방법이 쵸핑(chopping) 방법과 다이나믹 스위칭을 통하여 옵셋을 제거하는 방법인데 이 두 경우 모두 별도의 스위칭 동작을 통하여 일시적으로 증폭기의 옵셋전압을 측정하여 측정된 옵셋전압을 커패시터에 저장하는 방법으로 옵셋을 제거하거나 잡음성분을 스위칭 동작으로 높은 주파수 영역으로 이동시킨다.

그러나, 이러한 증폭기의 스위칭 동작은 일반적인 증폭기의 경우 의도치 않는 동작으로 인하여 출력단에 스위칭 잡음이 발생하는 문제가 존재한다. 즉, 증폭기에 입력되는 두 입력 신호의 값이 바뀔 때(스위칭 동작 시) 혹은 신호의 지연시간 차이에 의해서 전압이나 전류의 원하지 않는 노이즈 펄스인 글리치(glitch)가 발생한다.

이러한 글리치는 소자의 물리적 특성과 사용 환경(온도, 습도, 진동 등)에 따라 변할 수 있고 회로의 오작동을 발생시킬 수 있다. 이러한 오작동은 시스템의 지연을 발생시키거나 성능을 약화시키고 잘못된 출력이나 시스템 충돌을 일으키는 원인이 될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 글리치를 제거함으로서 회로의 오작동을 막을 수 있는 증폭기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 온 칩으로 필터구현이 가능하여 소형화가 가능한 증폭기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 센서신호 증폭기는 제1 커패시터와 제1 증폭기를 포함하며, 상기 제1 증폭기의 옵셋전압을 상기 제1 커패시터에 저장하는 옵셋전압 저장 동작과 상기 제1 커패시터에 저장된 상기 옵셋전압을 제거하고 입력된 센서신호를 증폭하여 출력하는 센서신호 증폭동작을 스위칭하는 스위칭 증폭부; 및 상기 스위칭 증폭부의 스위칭 동작에 의해 생성되는 글리치를 제거하기 위한 노치필터를 포함한다.

여기서, 상기 스위칭 증폭부는 제1 스위칭 구간에서는 옵셋전압 저장동작을 수행하고, 제2 스위칭 구간에서는 센서신호 증폭동작을 수행하는 제1 스위칭 증폭회로와, 상기 제2 스위칭 구간에서는 옵셋전압 저장동작을 수행하고, 상기 제1 스위칭 구간에서는 센서신호 증폭동작을 수행하는 제2 스위칭 증폭회로를 포함한다.

또한, 상기 제1 스위칭 증폭회로 및 상기 제2 스위칭 증폭회로가 교대로 출력하는 센서신호의 증폭신호를 입력단자로 입력받으며, 출력단자에 상기 노치필터가 연결되는 출력 증폭부를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 노치 필터는 액티브 인덕터로 구현될 수 있으며, 상기 노치 필터는 온칩으로 구현될 수 있다.

본 발명에 따르면, 센서 증폭기에서 노치필터를 사용하여 글리치를 제거할 수 있기 때문에, 글리치에 의한 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 노치필터를 액티브 인덕터를 이용하여 온칩으로 구현할 수 있기 때문에, 센서 증폭기의 소형화가 가능하다.

본 발명 또는 선행 기술의 실시예들에 따른 기술적인 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위하여, 도면들이 간략하게 소개된다. 각 도면들에서 동일한 참조 번호는 다른 도면에서도 동일한 구성요소를 나타낼 수 있다. 이하의 설명에 수반되는 도면들은 본원 발명의 일 실시예를 보여줄 수 있으며, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 이하 수반되는 도면들을 참조하여 별도의 창작적 노력 없이도 다른 도면들을 구현할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 옵셋전압 제거기능이 없는 경우의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 옵셋전압 제거기능이 있는 경우의 출력 파형을 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 노치파형의 등가회로와 필터 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 글리치의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 액티브 소자로 이루어진 노치필터의 일 예 및 이의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기의 출력파형을 나타내는 도면이다.

첨부한 도면들을 참조하여, 본원 발명의 실시예들이 가지는 기술적인 해결책 및 그 장점들이 이하의 설명에서 더욱 구체적으로 설명된다. 설명될 실시예들은 본원 발명의 모든 실시예들 가운데 오직 일부에 해당하는 것임은 명백하다. 나아가, 당해 기술분야의 통상의 기술자가 어떠한 창작적인 노력을 가하지 않고서 본원 발명의 실시예들에 기초하여 얻을 수 있는 모든 다른 실시예들이, 본원 발명의 보호 범위 내에 포함되는 것도 명백하다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙인다.

본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기는 스위칭 증폭부(100), 출력 증폭부(200) 및 노치 필터(300)를 포함한다.

스위칭 증폭부(100)는 센서로부터 출력된 신호를 입력받아 이를 증폭하는 회로로서, 교대로 동작하는 제1 스위칭 증폭회로(120) 및 제2 스위칭 증폭회로(140)를 포함한다. 스위칭 증폭부(100)는 스위칭 동작을 통하여 제1 구간(옵셋전압 저장구간) 동안에는 일시적으로 증폭기의 옵셋전압을 측정하여 측정된 옵셋전압을 커패시터에 저장하고, 제2 구간(센서신호 증폭구간) 동안에는 커패시터에 저장된 옵셋전압을 제거하여 센서로부터 출력된 신호에 대응하는 신호를 출력한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 제1 스위칭 증폭회로(120)는 제1 스위칭 신호(Q1)에 따라 스위칭되는 제1 스위칭 소자들(Q1), 제2 스위칭 신호(Q2)에 따라 스위칭되는 제2 스위칭 소자들(Q2), 제1 OP 앰프(OP1)를 포함하며, 제2 스위칭 증폭회로(140)는 제1 스위칭 소자들( Q1), 제2 스위칭 소자들(Q2), 제2 OP 앰프(OP2)를 포함한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 스위칭 신호(Q1) 및 제2 스위칭 신호(Q2)는 서로 반대의 신호 레벨을 가지고 있기 때문에, 제1 스위칭 소자들이 온되는 구간(예컨대,제1 스위칭 신호(Q1)가 하이 레벨인 구간)에서는 제2 스위칭 소자들은 오프(예컨대, 제2 스위칭 신호(Q2)가 로우 레벨)가 된다. 이하에서는 제1 스위칭 소자들이 온되는 구간을 "제1 스위칭 구간"이라 칭하고, 제2 스위칭 소자들이 온되는 구간을 "제2 스위칭 구간"이라 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 스위칭 구간과 제2 스위칭 구간은 교대로 발생한다.

또한, 도 1에서, 제1 스위칭 증폭회로(120)와 제2 스위칭 증폭회로(140)는 거의 동일한 구성을 가지고 있으나, 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자가 서로 바뀌었다는 점이 차이가 있는 부분이다. 이와 같은 구성의 차이로 인하여, 후술하는 바와 같이 제1 스위칭 증폭회로(120)와 제2 스위칭 증폭회로(140)는 교대로 동작하게 된다.

출력 증폭부(200)는 제3 OP 앰프(OP3), 커패시터(C5, C6)를 포함하며, 스위칭 증폭부(100)로부터 출력된 신호를 증폭한다. 제3 OP 앰프의 비반전 입력단자에는 제1 스위칭 증폭회로(120) 및 제2 스위칭 증폭회로(140)의 출력 신호가 입력되며, 반전 입력단자에는 제1 스위칭 증폭회로(120) 및 제2 스위칭 증폭회로(140)의 반전된 출력 신호가 입력된다.

노치필터(300)는 특정 주파수 주위의 아주 좁은 주파수 대역의 성분만을 제거시키기 위하여 설계된 필터로서, 출력 증폭부(200)에 의해 증폭된 신호 중 특정 주파수 대역의 신호를 제거한다. 본 발명의 실시예에 따른 노치필터는 후술하는 바와 같이 액티브 소자로 구성된다.

다음은 도 2 내지 도 5을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기의 동작을 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 제1 스위칭 신호(Q1)이 하이 레벨이고 제2 스위칭 신호(Q2)가 로우 레벨인 제1 스위칭 구간에서는 제1 스위칭 소자들(Q1)은 온이되고 제2 스위칭 소자들(Q2)는 오프상태로 된다.

제1 스위칭 구간에서, 제1 스위칭 증폭회로(120)는 제1 OP 앰프(OP1)의 옵셋전압을 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)에 저장한다. 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)에 각각 저장된 옵셋전압은 이후의 제2 스위칭 구간동안 제거되어 제1 OP 앰프(OP1)는 옵셋이 제거된 신호를 출력하게 된다.

한편, 제1 스위칭 구간에서 제2 스위칭 증폭회로(120)는 이전의 제2 스위칭 구간동안 제3 커패시터(C3) 및 제4 커패시터(C4)에 저장된 옵셋전압을 제거하고, 센서의 출력신호(int, inc)만을 증폭하여 출력한다.

이처럼, 제1 스위칭 증폭회로(120)는 제1 스위칭 구간에서는 "옵셋전압 저장" 동작을 수행하고, 제2 스위칭 구간에서는 "센서신호 증폭"의 동작을 수행하고, 제2 스위칭 증폭회로(140)는 제1 스위칭 증폭회로(120)와 반대로 제1 스위칭 구간에서는 "센서신호 증폭" 동작을 수행하고, 제2 스위칭 구간에서는 "옵셋전압 저장"의 동작을 수행한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 증폭부(100)는 제1 스위칭 증폭회로(120) 또는 제2 스위칭 증폭회로(140)를 통해 모든 구간에서 OP 앰프의 옵셋전압이 제거된 입력 센서신호를 증폭하여 출력할 수 있다.

도 4는 옵셋 제거 기능이 없는 경우의 센서의 출력신호(int), T1에서의 신호 및 출력 증폭부(200)의 출력신호를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에서와 같이 옵셋 제거 기능이 있는 경우의 센서의 출력신호(int), T1에서 신호 및 출력 증폭부(200)의 출력신호를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 증폭부는 스위칭 동작을 통해 "옵셋전압 저장" 및 "옵셋신호 증폭"의 동작을 교대로 수행하기 때문에, 제1 스위칭 증폭회로(120) 또는 제2 스위칭 증폭회로(140)를 통해 모든 구간에서 OP 앰프의 옵셋전압이 제거된 입력 센서신호를 증폭하여 출력할 수 있다.

한편, 스위칭 증폭부(100)는 제1 스위칭 구간 및 제2 스위칭 구간의 스위칭 동작 시 스위칭 잡음인 글리치가 발생할 수 있어 회로의 오동작을 야기할 수 있는 문제점이 있는데, 본 발명의 실시예에 따르면 글리치를 억제하기 위해 출력증폭부(200)의 출력단에 노치필터(300)를 형성한다.

노치 필터(300)는 도 6에 도시한 바와 같이 인덕터와 커패시터로 이루어진 등가회로로 나타낼 수 있으며, 도 7에 도시한 바와 같이 모든 주파수 대역은 잘 통과시키면서 특정 주파수(fc)만을 통과시키지 않는 형태의 필터이다.

글리치는 도 7에 도시한 바와 같이 특정 주파수(fc)에서 임펄스 특성을 나타내는데, 노치필터(300)를 사용하면 이러한 임펄스 특성의 주파수의 노이즈를 걸러낼 수 있다. 글리치의 특정 주파수 fc는 다음의 수학식을 이용하여 구할 수 있다.

여기서, L은 노치필터의 인덕턴스, C는 커패시턴스를 나타낸다.

즉, 위 수학식을 이용하여 글리치의 특정주파수 fc를 만족하도록 인덕턴스와 커패시턴스의 값을 설정하면, 글리치를 제거할 수 있다.

그러나, 일반적으로 센서의 출력을 증폭하는데 사용하는 저잡음 증폭기의 경우에는 절대적인 주파수가 수킬로 Hz에 해당하는 낮은 주파수이기 때문에, 노치필터에 요구되는 인덕터와 커패시터의 값이 매우 커야 한다.

따라서 온칩으로 구현하기 어려운 문제가 존재하며 오프칩(off-chip) 소자를 사용하더라고 그 값이 커서 전체 시스템 면적을 증가시키거나 가격을 상승하는 요인이 된다.

따라서 본 발명의 실시예에서는 노치 필터(300)로서 일반적인 인덕터 소자를 사용하는 대신, 액티브 인덕터(active inductor)로서 노치필터를 구현하였다.

액티브 인덕터란 기존의 수동소자로 구현되는 인덕터(코일)를 트랜지스터 등의 능동 소자로 구현한 것을 의미한다. 이와 같은 액티브 인덕터는 낮은 삽입 손실, 적은 전력 소모, 적은 면적 소모 등의 장점으로 인하여 다양한 회로에서 수동 인덕터를 대체하여 사용되고 있다.

액티브 인덕터는 온칩에서 널리 사용되는 트랜지스터와 커패시터를 사용하여 적정한 사이즈와 전류를 통해 구현이 가능한 특징이 있으므로 인덕터를 온칩으로 구현하고 캐패시터를 온칩 혹은 오프칩(off-chip)으로 구현할 경우 간단히 노치필터를 구현할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 노치 필터(300)의 일예를 나타내는 도면이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 노치필터(300)는 트랜지스터들(M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8)로 이루어진 액티브 인덕터와 커패시터(C7)를 포함한다. 도 9에 도시한 액티브 인덕터는 일예로서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 노치필터(300)를 구현하기 위해 도 9에 도시한 액티브 인덕터 이외에 다양한 액티브 인덕터를 사용할 수 있을 것이다.

도 10은 도 9에 도시한 액티브 인덕터의 등가회로도이다.

도 10의 등가회로로부터 액티브 인덕터의 등가 임피던스를 계산하면 다음의 수학식 2와 같다.

여기서, Cgs1과 Cgs3는 각각 트랜지스터 M1과 트랜지스터 M3의 게이트와 소스 사이의 커패시턴스이고, gm1, gm3는 각각 트랜지스터 M1과 트랜지스터 M3의 트랜스 컨덕턴스(transconductance)이고, gds5는 트랜지스터 M5의 드레인과 소스 사이의 트랜스 컨덕턴스이다.

또한, 수학식 2로부터 액티브 인덕터의 등가 인덕턴스(Leq)를 구하면 다음의 수학식 3과 같다.

이처럼, 수학식 3의 Leq를 만족하도록 하여 트랜지스터를 설계하면, 본 발명의 실시예에 따른 노치필터를 설계할 수 있다.

도 11은 노치필터가 포함된 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기의 효과를 나타내는 위한 파형이다.

도 11에서 상부 파형은 노치 필터가 적용되지 않은 경우의 출력 파형을 나타내고, 하부 파형은 노치 필터가 적용된 경우의 출력 파형을 나타내다.

도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 센서신호 증폭기에 의하면 글리치에 의한 잡음(도 11에서 동그라미 안에 표시된 부분)이 제거됨을 알 수 있다.

이처럼, 본 발명의 실시예에 따르면 센서신호 증폭기에서 노치필터를 사용하여 글리치를 제거할 수 있기 때문에, 글리치에 의한 오동작을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 노치필터를 액티브 인덕터를 이용하여 온칩으로 구현할 수 있기 때문에, 센서신호 증폭기의 소형화가 가능하다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 스위칭 증폭부 200 출력 증폭부 300 노치필터
120 제1 스위칭 증폭회로, 140 제2 스위칭 증폭회로

Claims (5)

1. 제1 커패시터와 제1 증폭기를 포함하며, 상기 제1 증폭기의 옵셋전압을 상기 제1 커패시터에 저장하는 옵셋전압 저장 동작과 상기 제1 커패시터에 저장된 상기 옵셋전압을 제거하고 입력된 센서신호를 증폭하여 출력하는 센서신호 증폭동작을 스위칭하는 스위칭 증폭부; 및
   상기 스위칭 증폭부의 스위칭 동작에 의해 생성되는 글리치를 제거하기 위한 노치필터를 포함하고,
   상기 스위칭 증폭부는
   제1 스위칭 구간에서는 옵셋전압 저장동작을 수행하고, 제2 스위칭 구간에서는 센서신호 증폭동작을 수행하는 제1 스위칭 증폭회로와,
   상기 제2 스위칭 구간에서는 옵셋전압 저장동작을 수행하고, 상기 제1 스위칭 구간에서는 센서신호 증폭동작을 수행하는 제2 스위칭 증폭회로를 포함하는 센서신호 증폭기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 스위칭 증폭회로 및 상기 제2 스위칭 증폭회로가 교대로 출력하는 센서신호의 증폭신호를 입력단자로 입력받으며, 출력단자에 상기 노치필터가 연결되는 출력 증폭부를 더 포함하는 센서신호 증폭기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 노치 필터는 액티브 인덕터로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서신호 증폭기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 노치 필터는 온칩으로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서신호 증폭기.

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