KR101511695B1 - 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치 - Google Patents

용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용량형 마이크로 가속도 센서가 점차 소형화 됨에 따라 마이크로 센서와 검지 회로(Readout IC)와 집적화할 시에 생기는 기생 커패시터와 마이크로 센서의 센서 용량을 검지하기 위한 회로와의 부정합(mismatch)에 의한 회로 열화를 방지하기 위한 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 기존 부정합을 해결하기 위한 보상 방법은 CMOS 공정에서 제공하는 커패시터의 최소 용량만큼만 조정할 수 있으나, 본 발명을 이용할 경우 공정에서 제공하는 최소 용량 값에 수 백분의 1만큼 작은 크기까지 디지털 값으로 조정될 수 있는 효과가 있다.

Description

용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치{sigma-delta circuit to compensate the capacitance mismatch for capacitive micro-accelerometers}
본 발명은 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용량형 마이크로 가속도 센서가 점차 소형화 됨에 따라 마이크로 센서와 검지 회로(Readout IC)와 집적화할 시에 생기는 기생 커패시터와 마이크로 센서의 센서 용량을 검지하기 위한 회로와의 부정합(mismatch)에 의한 회로 열화를 방지하기 위한 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치에 관한 것이다.
용량형 마이크로 가속도센서의 정전용량 값은 대략 수 pF 정도가 되며, 가속도의 변화에 따른 용량값의 변화는 이에 수십분의 1의 값을 갖는다. 마이크로 가속도 센서의 가변 용량을 검지하기 위해서는 일반적으로 가속도 센서 다이(Die)와 검지회로(Readout IC) 다이(Die)를 본딩 와이어를 통해서 연결하며, 마이크로 센서가 점차 크기가 작아짐에 따라 센서 용량도 소형화되어, 본딩 와이어 연결에 따른 부정합도 가속도 센서의 특성에 영향을 끼치게 된다.
용량형 마이크로 가속도센서의 양극과 음극은 본딩 와이어를 통해 검지 회로(Readout IC)에 연결되며 이때 검지 회로측에서 보는 양극과 음극의 용량 값의 부정합은 보통 회로에서 보상하도록 되어 있으나, 그 값이 센서의 감도가 민감함에 따라 수 fF의 부정합을 정확히 매칭을 시키지 못할 시에는 검지 회로의 출력값이 포화되어 정확히 센서의 용량값을 검지할 수 없게 된다.
종래 기술에서 이런 부정합을 매칭시키는 검지 회로의 구성은 검지 회로의 초단에 스위치드 커패시터 증폭기(Switched Capacitor Amplifier: SCA)의 내부에 센서의 정전 용량값(Cs)를 정확히 튜닝하여 상쇄시킬 수 있는 튜닝 블락을 두어 이 값을 상쇄시키는 방법을 사용해 왔다.
하지만, 센서의 정전용량 값(Cs)과 본딩 와이어의 의한 기생 커패시턴스(Cp) 값의 합은 각 양극과 음극이 정확하게 일치하지 않으며, 이 값 (Cs+Cp)의 값을 수 fF 이하로 매칭시키기 위해서는 스위치드 커패시터 증폭기(SCA)의 튜닝 블락의 단위 커패시터(capacitor)가 수 fF 이하가 되어야 하나, CMOS 공정에서 제공하는 커패시터의 최소 용량 값이 수십 fF이라서 큰 오차가 존재하고 이로 인해 스위치드 커패시터 증폭기(SCA)의 출력값이 포화되어 정확한 센서 용량값을 검지할 수 없다는 문제점이 있었다.
KR 10-0464309 B1
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 마이크로 가속도 센서의 가변 용량을 검지하기 위한 검지 회로(Readout IC)의 내부에 센서의 정전 용량을 CMOS 공정에서 제공하는 수십 fF의 그 이하의 값을 튜닝할 수 있는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치의 일 측면에 따르면, 클락 입력(CLK)과 용량 제어값을 결정하기 위한 디지털 입력값(DP[7:0]) 및 상기 입력값에 따라 고속으로 변화하는 디지털 출력값(SDP[2:0])으로 구성되어 마이크로 가속도 센서의 정 용량 에러(ΔCp _ err)를 미세 조정하기 위한 정 용량 시그마 델타 모듈레이터; 클락 입력(CLK)과 용량 제어값을 결정하기 위한 디지털 입력값(DN[7:0]) 및 상기 입력값에 따라 고속으로 변화하는 디지털 출력값(SDN[2:0])으로 구성되어 상기 마이크로 가속도 센서의 부 용량 에러(ΔCn _ err)를 조정하기 위한 부 용량 시그마 델타 모듈레이터; 상기 정 용량 시그마 델타 모듈레이터에서 디지털 출력값(SDP[2:0])이 출력되는 출력단에 각각 게이트(G)가 연결되고 상기 게이트(G)의 양단(P,N)은 상기 마이크로 가속도 센서의 Inp와 Icm 입력단에 연결되는 정 용량 가변 콘덴서; 및 상기 부 용량 시그마 델타 모듈레이터에서 디지털 출력값(SDN[2:0])이 출력되는 출력단에 각각 게이트(G)가 연결되고 상기 게이트(G)의 양단(P,N)은 상기 마이크로 가속도 센서의 Inn과 Icm 입력단에 연결되는 부 용량 가변 콘덴서를 포함한다.
본 발명에 의하면, 기존 부정합을 해결하기 위한 보상 방법은 CMOS 공정에서 제공하는 커패시터의 최소 용량만큼만 조정할 수 있으나, 본 발명을 이용할 경우 공정에서 제공하는 최소 용량 값에 수 백분의 1만큼 작은 크기까지 디지털 값으로 조정될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 매칭시키기 위한 검지회로의 일예를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치의 일예를 나타내는 도면.
도 3은 시그마 델타 모듈레이터(208)의 내부 구성을 나타내는 도면.
도 4는 시그마 델타 모듈레이터의 출력 파형 모양의 일예를 나타내는 도면.
도 5는 가변 콘덴서의 C-V 특성 및 회로 심볼 모양을 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 종래의 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 매칭시키기 위한 검지회로의 일예를 나타내는 도면으로서, 검지하고자 하는 마이크로 가속도 센서(101)의 용량은 양극쪽의 정 용량(CSP+Δ0.5Cs)과 음극쪽의 부 용량(CSN-Δ0.5Cs)으로 나눌 수 있으며, 이 두 용량 값의 차인 가변용량 ΔCs를 검출하여 증폭하기 위해서 스위치드 커패시터 증폭기(Switched Capacitor Amplifier: SCA)(102)를 사용한다.
스위치드 커패시터 증폭기(SCA)(102)는 마이크로 가속도 센서(101)와 본딩 와이어(103)로 물리적으로 연결된다. 스위치드 커패시터 증폭기(SCA)(102)가 증폭기로 동작시에는 증폭을 담당하는 CF 커패시터와 CRP, CRN 커패시터는 각각 CF 제어 블락(105), CR 제어 블락(104)에 의해서 n-bit 디지털 값으로 커패시터 값을 조정할 수 있다.
이때 마이크로 가속도 센서(101)의 정전용량 CSP와 CSN은 CR 제어 블락(104)과 CF 제어 블락(105)에 의해 각각 조정되어 CRP와 CRN 과 같아지게 되면, 버퍼(106)의 출력값은 CF 커패시터와 가변용량 ΔCs의 비에 전원전압(VDD) 곱에 의해 하기의 수학식 1과 같이 정해진다.
Figure 112014056431525-pat00001
증폭시에 연산증폭기(OTA)(107)의 옵셋 및 저주파 노이즈는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling: CDS) 커패시터인 Cc에 의해 저장되어 제거된다.
그러나, 실제로는 마이크로 가속도 센서(101)의 정 용량(CSP)과 부용량(CSN)의 크기가 마이크로 가속도 센서(101)의 크기에 따라 수 pF에서 수십 pF의 크기를 가지며, 최근 센서가 소형화 됨에 따라 더욱 크기가 작아 짐에 따라 스위치드 커패시터 증폭기(SCA)(102)의 내부의 CR 제어블락(104)의 커패시터 최소값도 이에 맞춰 점차 작아지고 있다.
기존 CR 제어블락(104)의 구성은 커패시터(C0-Cn -1)와 스위치(S0-Sn -1)로 연결된 회로로, 마이크로 가속도 센서(101)의 정 용량(CSP)과 부 용량(CSN)의 값을 수 fF 이하의 차이까지 조정하기 위해서는 공정에서 제공해야 하나, CMOS 공정에서 제조할 수 있는 최소 커패시터의 용량(C0)은 공정에 따라 다르지만 대략 수십 fF 정도의 값으로, 이 값으로는 정전용량 값을 조정하기가 불가능하다. 또한 공정상에 커패시터의 공정 오차 20%를 고려할 때는 조정이 더욱 어렵게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치의 일예를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에서는 전술한 도 1에서 마이크로 가속도 센서(201)의 정 용량(CSP)과 부 용량(CSN)을 CR 제어블락(204)만으로 조정하기 어려워 미세 조정하기 위해 시그마 델타 모듈레이터(Sigma-delta Modulator)(208,209)를 사용한다.
CR 제어블락(204)으로 맞춘 후의 정 용량 에러는 ΔCp _ err=CSP-CRP, 부 용량 에러는 ΔCn _ err=CSN-CRN 과 같이 정의될 수 있으며, 이 양을 “0”이 되지 않을 시에는 스위치드 커패시터 증폭기(SCA)(202) 출력이 포화되는 결과가 발생하여 정상적이 신호 검출이 어렵게 된다.
시그마 델타 모듈레이터(208,209)는 정 용량 에러를 미세 조정하기 위한 정 용량 시그마 델타 모듈레이터(208)와, 부 용량 에러를 미세 조정하기 위한 부 용량 시그마 델타 모듈레이터(209)를 포함한다.
시그마 델타 모듈레이터(208,209)는 입력으로 클락 입력(CLK)과 용량 제어값을 결정하기 위한 디지털 입력 값(DP[7:0], DN[7:0]), 입력 값에 따라 고속으로 변화하는 디지털 출력 값(SDP[2:0], SDN[2:0])으로 구성이 된다. 이 출력은 도 2의 가변 콘덴서 확대도에 나타난 바와 같이 가변 콘덴서(C11,C12,C21,C22,C31,C32)의 게이트(G)에 연결이 되며, 나머지 양단(P,N)은 마이크로 가속도 센서(201)의 입력 쪽인 Inp, Inn과 Icm에 연결된다.
시그마 델타 모듈레이터(208,209)는 독립적으로 정용량 에러(ΔCp _ err)와 부용량 에러(ΔCn _ err)를 “0”으로 만들기 위해 별도로 제어가 되며, 정용량 에러는 가변 콘덴서 C11,C21,C31 가 담당하고, 부용량 에러는 가변 콘덴서 C12,C22,C32가 담당하게 된다.
도 3은 시그마 델타 모듈레이터(208)의 내부 구성을 나타내는 도면으로, 입력으로는 클락(CLK)과 디지털 입력 값 DP[7:0]을 받아들인다. 출력 SDP[2:0]는 입력 값 DP[7:0]에 맞게 고속으로 디지털 변조된 출력으로 적산기(301)와 딜레이(302)가 그 역할을 담당한다.
본 발명에서 2차의 시그마 델타 모듈레이터를 채용한 경우 그 출력값의 평균값은 -1~2의 값을 갖게 되며, 이 값을 정수값으로 하기 위해 써모로직(ThemoLogic)(303)을 사용하면 그 출력 값은 0~3으로 조정이 된다. 이 값은 하기의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112014056431525-pat00002
여기서, C1, C2는 적산기의 캐리(Carry) 값을 나타내며, n,n-1는 이산 시간에서 현재(n)와 현재의 지연(n-1)을 나타낸다.
도 4는 시그마 델타 모듈레이터의 출력 파형 모양의 일예를 나타내는 도면이고, 도 5는 가변 콘덴서의 C-V 특성 및 회로 심볼 모양을 나타내는 도면이다.
도 4에 나타난 바와 같이 시그마 델타 모듈레이터의 입력값을 DIN[7:0]을 설정하게 되면 출력 SDP[2:0]는 입력에 따른 출력 값이 바뀌게 되며, 이 출력은 평균하게 되며 시간에 대해서 일정한 값이 된다. 이때 클락 CLK에 대한 고조파 성분은 시그마 델타 모듈레이터 특성상 필터링되어 없어지기 때문에 결과적으로는 가변 콘덴서에 게이트에 일정한 DC 값을 셋팅하는 동일한 효과를 얻을 수 있다.
가변 콘덴서의 커패시턴스의 값은 도 5에서와 같이 가변 콘덴서의 게이트 전압에 의해 결정되며, 시그마 델타 모듈레이터의 각 비트 출력(SDP[2:0])은 전원 전압(VDD)과 접지 전압(Ground)이기 때문에 도 5에서와 같이 가변 콘덴서의 인버젼 모드(Inversion mode)일 때의 커패시턴스 최소값(Cmin)과 적산 모드(Accumulation Mode)일 때의 커패시턴스 최대값(Cmax)의 두 가지 값 중 하나를 갖게 된다.
본 발명에서의 가변 콘덴서 C11,C21,C31(C12,C22,C32)의 값을 공정에서 제공하는 최소의 동일한 가변 콘덴서로 선택하게 되면 즉,C11=C21=C31=C12=C22=C32, 시그마 델타 모듈레이터에 의해 제어되는 Inp와 Icm(혹은 Inn과 Icm) 가변 콘덴서의 총 커패시터 양은 하기의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112014056431525-pat00003
Figure 112014056431525-pat00004
여기서, Cpt 는 Inp와 Icm 사이, Cnt 는 Inn와 Icm 사이의 총 커패시턴스
이 값을 가변 콘덴서의 최소값(Cmin)과 최대값(Cmax)의 값으로 다시 표시하면, 하기의 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112014056431525-pat00005
Figure 112014056431525-pat00006
여기서, ΔCs=Cmax-Cmin 값이다.
시그마 델타 모듈레이터의 출력에 의해서 SDP[2:0] 값(즉, SDP[2]+SDP[1]+SDN[0])은 평균값이 0~3이 되기 때문에, 결국 Cpt 혹은 Cnt의 변화 값은 0~ 3*ΔCs이 되게 된다. 이 값의 최소값은 시그마 델타 모듈레이터의 입력 제어값의 비트 수에 의해 결정이 되는데, 본 발명의 예시로 8bit를 사용할 경우, 조정할 수 있는 최소 커패시터양(Cres)은 하기의 수학식 5와 같이 소수점 값 조정이 가능하게 된다.
Figure 112014056431525-pat00007
일예로, 0.13um CMOS 공정에서 가변콘덴서의 최소 변화값(ΔCs)이 수 fF(10fF)의 값인데, 본 발명을 적용하는 경우 수 백분의 1의 값으로 줄일 수 있어(30fF/256=0.12fF), 공정에서 제공할 수 있는 한계값 이하로 조정할 수 있으며, 시그마 델타 모듈레이터의 입력 비트를 늘리게 되면 최소값을 그 이하로 조정이 가능하다.
즉, 본 발명에서는 마이크로 가속도 센서의 각각 양극과 음극의 정전 용량 값을 튜닝하기 위해서 검지 회로(Readout IC) 내부에 튜닝 블락 공정에서 제공하는 가변 콘텐서를 병렬로 배치하고, 그 가변 콘덴서의 게이트 단을 시그마 델타 모듈레이터를 이용하여 고속의 데이터를 입력함으로서 가변 콘덴서의 실제 용량 값을 수 aF까지 디지털 값으로 조정함으로써 미세하게 조절할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
201 : 마이크로 가속도 센서 202 : 스위치드 커패시터 증폭기(SCA)
204 : CR 제어블락 208,209 : 시그마 델타 모듈레이터

Claims (6)

  1. 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치로서,
    클락 입력(CLK)과 용량 제어값을 결정하기 위한 디지털 입력값(DP[7:0]) 및 상기 입력값에 따라 고속으로 변화하는 디지털 출력값(SDP[2:0])으로 구성되어 마이크로 가속도 센서의 정 용량 에러(ΔCp _ err)를 미세 조정하기 위한 정 용량 시그마 델타 모듈레이터;
    클락 입력(CLK)과 용량 제어값을 결정하기 위한 디지털 입력값(DN[7:0]) 및 상기 입력값에 따라 고속으로 변화하는 디지털 출력값(SDN[2:0])으로 구성되어 상기 마이크로 가속도 센서의 부 용량 에러(ΔCn _ err)를 조정하기 위한 부 용량 시그마 델타 모듈레이터;
    상기 정 용량 시그마 델타 모듈레이터에서 디지털 출력값(SDP[2:0])이 출력되는 출력단에 각각 게이트(G)가 연결되고 상기 게이트(G)의 양단(P,N)은 상기 마이크로 가속도 센서의 Inp와 Icm 입력단에 연결되는 정 용량 가변 콘덴서; 및
    상기 부 용량 시그마 델타 모듈레이터에서 디지털 출력값(SDN[2:0])이 출력되는 출력단에 각각 게이트(G)가 연결되고 상기 게이트(G)의 양단(P,N)은 상기 마이크로 가속도 센서의 Inn과 Icm 입력단에 연결되는 부 용량 가변 콘덴서를 포함하는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정 용량 시그마 델타 모듈레이터와 부 용량 시그마 델타 모듈레이터는 각각 독립적으로 상기 정 용량 에러(ΔCp _ err)와 부 용량 에러(ΔCn _ err)를 “0”으로 만들기 위해 별도로 제어가 되는
    것을 특징으로 하는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정 용량 시그마 델타 모듈레이터는 클락 입력(CLK)과 디지털 입력값(DP[7:0])을 입력받아 적산기와 딜레이에 의해 상기 디지털 입력값(DP[7:0])에 맞게 고속으로 디지털 변조된 디지털 출력값(SDP[2:0])을 출력하고, 상기 부 용량 시그마 델타 모듈레이터는 클락 입력(CLK)과 디지털 입력값(DN[7:0])을 입력받아 적산기와 딜레이에 의해 상기 디지털 입력값(DN[7:0])에 맞게 고속으로 디지털 변조된 디지털 출력값(SDN[2:0])을 출력하는
    것을 특징으로 하는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 정 용량 시그마 델타 모듈레이터와 상기 부 용량 시그마 델타 모듈레이터는 2차의 시그마 델타 모듈레이터로서 그 출력값의 평균값은 각각 -1~2의 값을 갖고, 이 값을 정수값으로 하기 위해 써모로직(ThemoLogic)을 사용하여 그 출력값이 0~3으로 조정되는
    것을 특징으로 하는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 정 용량 가변 콘덴서와 부 용량 가변 콘덴서 각각의 커패시턴스 값은 게이트 전압에 의해 결정되며, 가변 콘덴서의 인버젼 모드(Inversion mode)일 때의 커패시턴스 최소값(Cmin)과 적산 모드(Accumulation Mode)일 때의 커패시턴스 최대값(Cmax)의 두 가지 값 중 어느 하나의 값을 갖는
    것을 특징으로 하는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 정 용량 가변 콘덴서 또는 상기 부 용량 가변 콘덴서의 총 커패시턴스 값의 최소값은 각각 상기 정 용량 시그마 델타 모듈레이터 또는 상기 부 용량 시그마 델타 모듈레이터의 입력 제어값의 비트 수에 의해 결정되는
    것을 특징으로 하는 용량형 마이크로 가속도 센서의 부정합 용량을 보정하기 위한 시그마 델타 보상회로장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001221654A (ja) 1999-12-09 2001-08-17 Texas Instr Inc <Ti> 可変容量性トランスジューサ

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JP2001221654A (ja) 1999-12-09 2001-08-17 Texas Instr Inc <Ti> 可変容量性トランスジューサ

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