KR101620590B1 - 다중 모드 ｃｄｃ 및 ｒｄｃ 회로 - Google Patents

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김성우
박경환
최수빈
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울산과학기술원
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Abstract

다중 모드 ＣＤＣ 및 ＲＤＣ 회로가 제공되며, 커패시터 또는 저항을 차동 전압 출력(Differential Voltage Output)으로 변환하고, 고해상 모드로 동작하는 듀얼 모드 CDS(Correlated Double Sampling)부, 커패시터 또는 저항의 차동 전압 출력을 디지털 데이터로 출력하고, 저전력 모드로 동작하는 CDC(Capacitance to Digital Converter)부, SAR(Successive Approximation Register) 알고리즘을 이용하여 동작하고, 듀얼 모드 CDS 또는 CDC부의 데이터를 공통으로 처리하는 SAR ADC( Analog to Digital Converter)부를 포함한다.

Description

다중 모드 ＣＤＣ 및 ＲＤＣ 회로{MUTI-MODE CAPACITANCE TO DIGITAL CONVERTER AND RESISTANCE TO DIGITAL CONVERTER CIRCUIT}
본 발명은 다중 모드 ＣＤＣ 및 ＲＤＣ 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고해상 모드, 저전력 모드, CDC 및 RDC의 동작이 하나의 회로에서 동작가능한 다중 모드 ＣＤＣ 및 ＲＤＣ 회로에 관한 것이다.
최근 스마트 폰을 포함한 스마트 기기나 자동차에 센서가 다양한 용도로 응용되어 사용되고 있으며, 이에 따라 다양한 센서 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 차내 환경 제어 센서 시스템에 적용되는 센서는 저항형이나 용량형으로 별도로 구비되게 된다.
이때, CDS(Correlation Double Sampling)를 이용한 장치는, 정전 용량 센서의 차이를 정확하게 측정하도록 구성되고 있다. 이와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제2010-0097839호(2010.09.06 공개)에는, 정전 용량 센서가 생성하는 전압에 따라 센서로 공급하는 전류의 양을 조절하고 높은 해상도를 가지는 장치를 제공하는 구성이 개시되어 있다.
다만, 다양한 센서 시스템에는 저항형 센서 및 용량형 센서가 함께 구비될 수 있는데, 이러한 경우 저항형 센서와 용량형 센서를 별도로 구성해야만 하며, 스마트 단말과 차량이 연동되는 경우 낮은 전력으로 소형화되어야 하는 조건에 부합하지 않다.
한국공개특허 제2010-0097839호(2010.09.06 공개)에는 "정전 용량-디지털 변환 장치"가 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예는, 듀얼 모드 CDS와 CDC가 고해상도 모드 또는 저전력 모드로 동작하며, 각각의 구성 요소가 RDC 및 CDC로 동작이 가능함으로써, 저항형 센서나 용량형 센서 모두에 적용가능할 수 있고, 각각의 구성 요소가 SAR ADC를 공유함으로써 전력 소비 절감 및 집적화가 가능할 수 있는 다중 모드 CDC 및 RDC 회로를 제공할 수 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 커패시터 또는 저항을 차동 전압 출력(Differential Voltage Output)으로 변환하고, 고해상 모드로 동작하는 듀얼 모드 CDS(Correlated Double Sampling)부, 커패시터 또는 저항의 차동 전압 출력을 디지털 데이터로 출력하고, 저전력 모드로 동작하는 CDC(Capacitance to Digital Converter)부, SAR(Successive Approximation Register) 알고리즘을 이용하여 동작하고, 듀얼 모드 CDS 또는 CDC부의 데이터를 공통으로 처리하는 SAR ADC( Analog to Digital Converter)부를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 저전력 및 소형화된 센서를 이용하면서도 고해상 CDC 모드, 고해상 RDC 모드, 저전력 CDC 모드 및 저전력 RDC 모드로 전환이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 도 1의 듀얼 모드 CDS부를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3은 도 1의 듀얼 모드 CDS부가 고해상 CDC 모드로 동작할 때의 외부 제어 클럭 및 출력 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 듀얼 모드 CDS부가 고해상 RDC 모드로 동작할 때의 외부 제어 클럭 및 출력 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1의 CDC부를 설명하기 위한 회로도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로를 설명하기 위한 회로도이다. 도 1을 참조하면, 다중 모드 CDC(Capacitance to Digital Converter) 및 RDC(Resistance to Digital Converter) 회로(1)는, 듀얼 모드 CDS(Correlated Double Sampling)부(100), CDC(Capacitance to Digital Converter)부(200) 및 SAR ADC(Successive Approximation Register Analog to Digital Converter)부(300)를 포함할 수 있다.
CDS는 예를 들어, 이미지 센서의 단위 화소로부터 출력되는 신호에서 쉽게 관찰가능한 고정패턴잡음(Fixed Pattern Noise) 등을 제거하여 원하는 신호 성분만을 검출하기 위해 광범위하게 사용될 수 있다. 이때, CDS 방식은 일정한 전압 레벨을 유지하는 리셋 신호와 단위 화소에서 감지한 광신호에 해당하는 감지 신호 사이의 차이를 이용하여 각 단위 화소에서 근본적으로 가지고 있는 FPN과 단위 화소들 간의 특성 차이로 인한 노이즈를 상당 부분 줄일 수 있다. 이와 같은, CDS 방식이 주로 적용되는 CIS(CMOS Image Sensor)는 CCD(Charge Coupled Device)에 비해 저 전압 동작이 가능하고 소비 전력이 작으며 또한 표준 CMOS(Complementary Metal Oxide Transistor) 공정을 사용하여 집적도에 유리하므로 현재 많은 분야에서 응용되고 있으며, 향후에도 많은 분야에서 CCD를 대체할 수 있다.
또한, 센서의 발달로 다양한 센서가 이용되는데, 커패시터 용량의 변화를 이용하여 동작하는 용량형 센서와, 저항의 변화를 이용하여 동작하는 저항형 센서가 복합적으로 이용되고 있으므로, 복합적이면서도 다양한 해상도의 RDC 및 CDC가 요구되고 있다. 여기서, RDC는 저항의 변화를 차동 전압 출력(Differential Volatage Ouptut)으로 얻을 수 있고, CDC는 커패시터의 변화를 역시 차동 전압 출력으로 얻을 수 있는 구조이다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)는, 고해상 CDC 모드, 고해상 RDC 모드, 저전력 CDC 모드 및 저전력 RDC 모드로 전환이 가능한 회로를 제공한다. 즉, CDC 및 RDC의 기능을 모두 복합적으로 제공하면서도, SAR ADC부(300)를 고해상 모드를 제공하는 듀얼 모드 CDS부(100) 및 CDC부(200)가 공통적으로 이용하면서 소자의 크기, 구동 전압 및 효율을 높일 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 듀얼 모드 CDS부(100)는, 고해상 모드를 제공하는 블럭으로, CDS를 통하여 저항값과 커패시터값을 차동 전압으로 출력하고, 출력된 차동 전압을 SAR ADC부(300)를 이용하여 디지털 데이터로 변환하는 구조를 가진다. 또한, CDC부(200)는, 저전력 모드를 제공하는 블럭으로, RDC와 CDC는 SAR 알고리즘을 이용하여 저항값과 커패시터 값을 아날로그가 아닌 디지털 데이터로 바로 출력할 수 있다. 이에 따라, CDC부(200)는, 별도의 ADC를 필요로 하지 않는다. 이 구조에서, 고해상 CDC 모드, 고해상 RDC 모드, 저전력 CDC 모드 및 저전력 RDC 모드는 인에이블 커패시터, 인에이블 저항, 인에이블 고해상 모드, 인에이블 저전력 모드 신호로 조정할 수 있다. 따라서, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)는, 용량형 센서, 저항형 센서, 고해상 모드 및 저전력 모드를 모두 복합적으로 이용하고 구현할 수 있도록 형성될 수 있다.
상술한 특징을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)의 구조를 이하에서 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)는, 듀얼 모드 CDS부(100) 및 SAR ADC부(300)가 함께 고해상도로 동작하는 CDC 및 RDC 역할을 수행하고, SAR 알고리즘을 이용한 CDC 및 RDC는 SAR ADC부(300)의 구성 모두를 공유하여 사용하는 것은 아니고, 비교기 부분 및 디지털 로직을 공유하여 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)의 제 1 전원은, VDD로 표시될 수 있고, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)에 인가되는 양전압 중 가장 높은 전압일 수 있다. 그리고, 제 2 전원은, VCM으로 표시될 수 있고, 제 1 전원인 VDD와 접지인 GND 간의 평균 전압일 수 있다.
듀얼 모드 CDS부(100)는, 커패시터 또는 저항을 차동 전압 출력(Differential Voltage Output)으로 변환하고, 고해상 모드로 동작할 수 있다. 즉, 고해상 모드가 요구되는 센서의 경우, 듀얼 모드 CDS부(100)가 동작할 수 있다. 여기서, 듀얼 모드 CDS부(100)는 변환된 커패시터 또는 저항을 SAR ADC부(300)를 이용하여 디지털 데이터로 출력할 수 있다. 여기서, 듀얼 모드 CDS부(100)는 CDC부(200)와 SAR ADC부(300)를 공유하여 사용하게 되는데, 고해상 모드인지 또는 저전력 모드인지에 따라 SAR ADC부(300)를 듀얼 모드 CDS부(100)와 CDC부(200)가 SAR ADC부(300)를 이용하게 될 수 있다. 그리고, 듀얼 모드 CDS부(100) 자체 내에서도 CDC 동작인지 또는 RDC 동작인지에 따라, 즉 감지하는 센서의 종류인 저항형 또는 용량형에 따라 다르게 동작하므로, 각 모드별로 SAR ADC부(300)를 번갈아 사용할 수 있고, 이에 따라 별도로 제작했을 때보다 전력 또는 크기가 줄어들 수 있다. 또한, 상기 듀얼 모드 CDS부(100)는, 고해상 CDC 모드 및 고해상 RDC 모드의 동작을 수행할 수 있다.
CDC부(200)는, 커패시터 또는 저항의 차동 전압 출력을 디지털 데이터로 출력하고, 저전력로 동작할 수 있다. 그리고, CDC부(200)는 커패시터 또는 저항의 값을 추정할 때, SAR ADC부(300)의 비교기를 이용할 수 있으므로, CDC부(200) 자체에 비교기를 구성하지 않아도 되고, 이에 따라 저전력으로 동작할 수 있게 된다. 또한, CDC부(200)는, 디지털 데이터로 바로 출력하게 되므로, SAR ADC부(300)를 이용하지 않아도 되므로, 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는데 소모되는 전력 낭비를 줄일 수 있다. 또한, CDC부(200)는, 저전력 CDC 모드 및 저전력 RDC 모드의 동작을 수행할 수 있다.
SAR ADC부(300)는, SAR(Successive Approximation Register) 알고리즘을 이용하여 동작하고, 듀얼 모드 CDS(100) 또는 CDC부(200)의 데이터를 공통으로 처리할 수 있다. 여기서, SAR ADC부(300)는, 듀얼 모드 CDS(100)부와 연결된 SAR DAC부(310), SAR DAC부(310)와 연결된 제 1 스위치(320), CDC부(200)와 연결된 제 2 스위치(330), 제 1 스위치(320) 및 제 2 스위치(330)와 연결된 비교기(340), 및 비교기(340)의 출력 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 SAR 디지털부(350)를 포함할 수 있다.
상술한 구성을 가지는 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)의 모드별 동작을 이하에서 설명하기로 한다.
우선, 표 1은 고해상 RDC 모드, 고해상 CDC 모드, 저전력 RDC 모드 및 저전력 CDC 모드에 따른 조건을 도시한다.
인에이블_커패시터 인에이블_저항 인에이블_고해상 인에이블_저전력
고해상 RDC 모드 X O O X
고해상 CDC 모드 O X O X
저전력 RDC 모드 X O X O
저전력 CDC 모드 O X X O
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)는, 상술한 4 가지의 모드로 동작할 수 있는데, 고해상 CDC 및 저전력 CDC 모드는 온도 및 습도 센서에 사용되어 차량 내부의 습도와 운전자의 체온을 측정하는데 사용될 수 있다. 또한, 고해상 RDC 모드 및 저전력 RDC 모드는 차량 내부의 공기 성분의 농도를 측정하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)의 전체적인 구조는 크게 두 부분으로 나누어질 수 있는데, 고해상 모드 블럭과, 저전력 모드 블럭으로 나뉠 수 있다. 고해상 모드 블럭인 듀얼 모드 CDS(100)의 RDC 및 CDC는 저항값과 커패시터값을 차동 전압으로 출력하고, 출력된 차동 전압을 이후 SAR ADC(300)에서 디지털 데이터로 전환하는 구조를 가진다. 그리고, 저해상 모드 블럭인 CDC부(200)의 RDC 및 CDC는 SAR 알고리즘을 이용하여 저항값과 커패시터값에 따른 차동 전압을 디지털 데이터로 바로 전환하기 때문에, SAR ADC(300)의 ADC가 별도로 필요하지 않게 된다. 이러한 구조에서, 고해상 CDC 모드, 저전력 CDC 모드, 고해상 RDC 모드 및 저전력 RDC 모드는 인에이블 커패시터, 인에이블 저항, 인에이블 고해상 및 인에이블 저전력 신호로 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)를 고해상 모드로 동작시키는 경우, 인에이블 고해상 신호를 제 1 전원인 VDD에 예를 들어 1.8[V]로 인가하고, 인에이블 저전력 신호를 접지 예를 들어 0[V]로 인가하면, 인에이블 고해상 신호와 인에이블 저전력 신호로 인하여, 듀얼 모드 CDS부(100)는 턴 온(Turn on)되고, CDC부(200)는 턴 오프(Turn off)되게 된다. 그리고, 듀얼 모드 CDS부(100)에 인에이블 커패시터 신호와, 인에이블 저항 신호를 입력하면, RDC 동작과 CDC 동작을 수행하게 되는데, 인에이블 커패시터 신호가 턴 온되고, 인에이블 저항 신호가 턴 오프되면, 듀얼 모드 CDS(100)는 커패시터 모드로 동작하게 되고, SAR ADC(300)는 커패시터 용량에 따른 차동 전압 신호를 디지털 데이터로 변환시켜 커패시터값을 디지털 데이터로 변환시키는 CDC로 동작하게 된다. 이와 마찬가지로, 듀얼 모드 CDS부(100)에 인에이블 저항 신호가 턴 온되고, 인에이블 커패시터가 턴 오프되는 경우, 듀얼 모드 CDS부(100)는 저항형 모드로 동작하게 되고, SAR ADC(300)는 저항값에 따른 차동 전압 신호를 수신하여 디지털 데이터로 변환시킴으로써, 저항값을 디지털 데이터로 변환시키는 RDC로 동작하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)를 저전력 모드로 동작시키는 경우, 인에이블 저전력 신호를 제 1 전원인 VDD에 예를 들어 1.8[V]로 인가하고, 인에이블 고해상 신호를 접지 예를 들어 0[V]로 인가하면, 인에이블 고해상 신호와 인에이블 저전력 신호로 인하여, CDC부(200)는 턴 온(Turn on)되고, 듀얼 모드 CDS부(100)는 턴 오프(Turn off)되게 된다. 그리고, CDC부(200)에 인에이블 커패시터 신호와, 인에이블 저항 신호를 입력하면, RDC 동작과 CDC 동작을 수행하게 되는데, 인에이블 커패시터 신호가 턴 온되고, 인에이블 저항 신호가 턴 오프되면, CDC부(200)는 커패시터 모드로 동작하게 되고, CDC부(200)는 그 자체 내의 SAR 알고리즘 CDC가 동작하여 그 전압 신호를 SAR ADC(300)의 비교기(340) 및 SAR 디지털부(350)를 통하여 커패시터값이 디지털 데이터로 변환되는 저전력 CDC 모드로 동작하게 된다. 한편, CDC부(200)에 인에이블 커패시터 신호가 턴 오프되고, 인에이블 저항 신호가 턴 온되면, CDC부(200)는 저항 모드로 동작하게 되고, CDC부(200)는 그 자체 내의 SAR 알고리즘 CDC가 동작하여 그 전압 신호를 SAR ADC(300)의 비교기(340) 및 SAR 디지털부(350)를 통하여 커패시터값이 디지털 데이터로 변환되는 저전력 RDC 모드로 동작하게 된다.
이하에서는, 상술한 구성을 가지는 듀얼 모드 CDS부(100)의 회로 및 동작을 도 2 내지 도 4를 참조로 하여 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 듀얼 모드 CDS부를 설명하기 위한 회로도이고, 도 3은 도 1의 듀얼 모드 CDS부가 고해상 CDC 모드로 동작할 때의 외부 제어 클럭 및 출력 신호를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1의 듀얼 모드 CDS부가 고해상 RDC 모드로 동작할 때의 외부 제어 클럭 및 출력 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 듀얼 모드 CDS부(100)는, 제1단이 제 1 전원(VDD)에 연결되는 제 1 저항 스위치(111), 제1단이 접지에 연결되고, 제2단이 제 1 저항 스위치(111)의 제2단과 연결되는 제 2 저항 스위치(112), 제1단이 제 1 저항 스위치(111) 및 제 2 저항 스위치(112)의 제2단에 연결되는 가변 저항(120), 제1단이 제 1 전원(VDD)에 연결되는 제 1 커패시터 스위치(SW_C)의 제2단 및 접지(GND)에 연결되는 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)의 제2단과 연결되고, 제2단이 가변 저항(120)의 제2단에 연결되는 가변 커패시터(130), 제1단이 가변 저항(120)의 제2단 및 가변 커패시터(130)의 제2단과 연결되고, 제2단이 제 1 전원(VDD)에 연결되는 제 1 커패시터 스위치(SW_C)의 제2단 및 접지에 연결되는 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)의 제2단과 연결되는 감지 커패시터(140), 제1단이 가변 커패시터(130)의 제2단, 가변 저항(120)의 제2단 및 감지 커패시터(140)의 제1단과 연결되고, 제2단이 출력단(Vout)과 연결되는 기준 커패시터(150), 기준 커패시터(150)와 병렬로 연결되는 병렬 커패시터 스위치(160), 병렬 커패시터 스위치(160)와 병렬로 연결되는 인에이블 저항 스위치(171), 인에이블 저항 스위치(171)와 직렬로 연결되는 기준 저항(172), 마이너스 입력단(-)이 기준 커패시터(150), 병렬 커패시터 스위치(160) 및 인에이블 저항 스위치(171)의 제1단과 연결되어 제 2 전압(VCM)을 인가받고, 플러스 입력단(+)은 제 2 전압(VCM)을 인가받으며, 제 1 전압(VDD)이 전원으로 인가되는 OP 앰프(180), OP 앰프의 출력단(180), 기준 커패시터(150), 병렬 커패시터 스위치(160) 및 기준 저항(172)의 제2단과 연결되는 출력단(Vout)을 포함하여 구성될 수 있다.
듀얼 모드 CDS부(100)는, 입력 신호에 따라 저항 상관 더블 샘플링(Correlated Double Sampling) 회로로 동작하거나, 커패시터 용량에 따른 CDS 회로로 동작할 수 있다.
우선, 저항 모드의 CDS 동작을 살펴보면, 입력 신호인 인에이블 저항(EN_Res)가 제 1 전압(VDD)이고, 인에이블 커패시터(EN_cap)이 접지(GND)일 때, 인에이블 저항 스위치(171)는 닫히고, 병렬 커패시터 스위치(160)는 열리게 된다. 또한, 입력 신호에 따라, 제 1 저항 스위치(111), 제 2 저항 스위치(112), 제 1 커패시터 스위치(SW_C) 및 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)가 입력 클럭 신호에 따라 스위칭되는데, 인에이블 저항(EN_Res)이 제 1 전압(VDD)일 경우에는, 제 1 저항 스위치(111) 및 제 2 저항 스위치(112)만 스위칭되고, 제 1 커패시터 스위치(SW_C) 및 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)는 동작하지 않는다. 이때, 제 1 저항 스위치(111), 제 2 저항 스위치(112)의 동작은 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 제어 클럭이 하이 레벨일 때, 제 1 저항 스위치(111)는 열리고 제 2 저항 스위치(112)는 닫히게 된다. 클럭 상태에 따른 전압 출력을 보면, 클럭 신호가 하이 레벨일 때에는 제 1 저항 스위치(111)는 닫히게 되고, 가변 저항(120)의 왼쪽 노드에는 제 1 전압(VDD)이 걸리고, 오른쪽 노드에는 OP 앰프(180)의 + 입력단과 같은 전압이 - 입력단에도 걸리므로, 제 2 전원(VCM)인 공통 모드 전압이 걸리게 된다. 이때, 가변 저항(120)을 통하여 왼쪽 노드에서 오른쪽 노드로 전류가 흐르게 되고, 전류의 크기는 옴의 법칙에 의하여 아래 수학식 1과 같아진다.
Figure 112015003087053-pat00001
이때, 인에이블 저항 스위치(171)가 닫혀있기 때문에, 전류는 기준 저항(172)의 왼쪽 노드에서 오른쪽 노드로 흐르게 되고, 전압 출력(Vout)은 전압 강하에 의하여 아래 수학식 2같이 된다.
Figure 112015003087053-pat00002
그리고, 외부 클럭 신호가 로우 레벨일 때, 제 1 저항 스위치(111)는 열리고, 제 2 저항 스위치(112)는 닫히게 되며, 가변 저항(120)의 왼쪽 노드는 접지, 즉 O[V]가 되고, 가변 저항(120)의 오른쪽 노드에는 제 2 전원(VCM)인 공통 모드 전압이 걸리게 된다. 따라서, 가변 저항(120)을 통하여 외부 제어 클럭이 하이 레벨일 때와 크기는 같고 방향이 반대인 전류가 흐르게 된다. 즉, 외부 제어 클럭이 하이 레벨일 때와 전류가 반대 방향으로 흐르기 때문에, 감지 저항(172)의 왼쪽 노드 전압인 제 2 전원(VCM)과 오른쪽 노드 전압인 전압 출력은 하기 수학식 3과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure 112015003087053-pat00003
이러한 과정을 통하여, 외부 제어 클럭에 따라 듀얼 모드 CDS(100)의 전압 출력(Vout)은 도 3과 같이 공통 모드 전압(VCM)을 중심으로 차동 전압 출력으로 나오게 된다. 이때, 전압값은 감지 전압인 감지 저항(172) 및 가변 저항(120)의 비로 결정이 되는데, 가변 저항(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 병렬 저항 스위칭으로 결정되며, 예를 들어, 11.7KΩ~1.5MΩ까지 변화가 가능하다. 그리고, OP 앰프(180) 출력 전압의 전압폭은 전압 헤드룸에 의하여 제한되므로, 안정적인 작동을 위하여 출력 전압의 범위를 예를 들어, 0.3V~1.5V로 제한하여 듀얼 모드 CDS(100)를 작동시킬 수 있다. 이에 따라, 듀얼 모드 CDS(100)를 이용하여 차동 전압으로 변환이 가능한 저항의 범위는 0KΩ~900KΩ까지 이며, 따라서 대부분의 저항 센서에 사용이 가능할 수 있다.
한편, 커패시터 용량형 모드의 듀얼 모드 CDS(100)의 동작을 살펴보면, 인에이블 커패시터(EN_cap)가 제 1 전압(VDD)이고, 인에이블 저항(EN_res)가 접지(GND)일 때, 제 1 커패시터 스위치(SW_C) 및 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)는 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 제어 클럭이 하이 레벨이면, 제 1 커패시터 스위치(SW_C)가 켜지고, 로우 레벨이면 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)가 켜지도록 동작하고, 병렬 커패시터 스위치(160)는 제어 클럭 보다 두 배 빠른 주파수 클럭에 의해 동작할 수 있다. 처음에, 병렬 커패시터 스위치(160) 및 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)가 닫혀있는 상태를 보면, 기준 커패시터(150)에 충전된 전하는 0인데, 감지 커패시터(140)에 충전된 전하 및 가변 커패시터(130)에 충전된 양은 아래 수학식 4 및 수학식 5와 같다.
Figure 112015003087053-pat00004
Figure 112015003087053-pat00005
이후, 병렬 커패시터 스위치(160)가 열리고, 제 1 커패시터 스위치(SW_C)가 닫히며, 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)가 열리게 되면, 감지 커패시터(140) 및 가변 커패시터(130)에 충전된 전하량은 바뀌게 되고, 스위칭 전 및 후의 전하량 차이만큼 기준 커패시터(150)에 충전되게 되므로, 감지 커패시터(140), 가변 커패시터(130), 기준 커패시터(150)에 충전된 전하량과 듀얼 모드 CDS부(100)의 출력 전압은 수학식 6 내지 수학식 9와 같다.
Figure 112015003087053-pat00006
Figure 112015003087053-pat00007
Figure 112015003087053-pat00008
Figure 112015003087053-pat00009
그리고, 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)는 열리고, 제 1 커패시터 스위치(SW_C)는 닫힌 상태인 채로, 병렬 커패시터 스위치(160)가 닫히게 되면, 기준 커패시터(150)에 충전된 전하량은 다시 0이 되고, 감지 커패시터(140) 및 가변 커패시터(130)에 충전된 전하량은 전 단계와 같이 그대로 유지된다. 그리고 나서, 병렬 커패시터 스위치(160)가 열린 뒤, 제 2 커패시터 스위치(SW_CB)가 닫히고, 제 1 커패시터 스위치(SW_C)가 열리면, 기준 커패시터(140)와 가변 커패시터(130)에 전햐량은 변화하게 되고, 스위칭 전과 후의 차이만큼 기준 커패시터(150)에 전하량이 충전된다. 각각의 충전된 전하량과 듀얼 모드 CDS부(100)의 출력 전압은 하기 수학식 10 내지 수학식 13과 같다.
Figure 112015003087053-pat00010
Figure 112015003087053-pat00011
Figure 112015003087053-pat00012
Figure 112015003087053-pat00013
따라서, 듀얼 모드 CDS부(100)의 출력 결과는 도 4와 같이 도시되며, 외부 제어 클럭에 의해 차동 전압 출력으로 나타나게 된다.
도 5는 도 1의 CDC부를 설명하기 위한 회로도이다. 도 5를 참조하면, CDC부(200)가 저전력 CDC 모드로 동작하는 경우, 병렬로 연결된 적어도 하나의 커패시터(220), 적어도 하나의 커패시터(210)와 직렬로 연결된 적어도 하나의 스위치(210) 및 제1단이 적어도 하나의 커패시터(210)의 제2단과 연결된 감지 커패시터(230)를 포함할 수 있다. 여기서, CDC부(200)는 감지 커패시터(230)의 용량을 추정하기 위하여, CDC부(200)로부터 출력된 감지 데이터는 SAR ADC(300)의 비교기(340)로 입력될 수 있다. 한편, CDC부(200)가 저전력 RDC 모드로 동작하는 경우, SAR 알고리즘을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)는, 인에이블 신호가 인가된 상태에서, 듀얼 모드 CDS부(100)와 SAR ADC부(300)가 연결되고, CDC부(200)와 상기 SAR ADC부가 연결 해제된 경우, 듀얼 모드 CDS부(100)는 고해상 RDC 모드로 동작하고, 인에이블 신호가 인가되지 않은 상태에서, 듀얼 모드 CDS부(100)와 SAR ADC부(300)가 연결되고, CDC부(200)와 SAR ADC부(300)가 연결 해제된 경우, 듀얼 모드 CDS부(100)는 고해상 CDC 모드로 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로(1)는, 인에이블 신호가 인가된 상태에서, CDC부(200)와 SAR ADC부(300)가 연결되고, 듀얼 모드 CDS부(100)와 SAR ADC부(300)가 연결 해제된 경우, CDC부(200)는 저전력 RDC 모드로 동작하고, 인에이블 신호가 인가되지 않은 상태에서, CDC부(200)와 SAR ADC부(300)가 연결되고, 듀얼 모드 CDS부(100)와 SAR ADC부(300)가 연결 해제된 경우, CDC부(200)는 저전력 CDC 모드로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 CDC 및 RDC 회로는, 고해상 CDC 모드, 고해상 RDC 모드, 저전력 CDC 모드 및 저전력 RDC 모드로 전환이 가능한 회로를 한 번에 구현함으로써 제공할 수 있다. 그리고, SAR 알고리즘을 이용한 저전력 모드와 고해상 모드를 모두 하나의 비교기와 SAR 디지털부를 이용하여 구현한 것을 그 특징으로 한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 커패시터 또는 저항을 차동 전압 출력(Differential Voltage Output)으로 변환하고, 고해상 모드로 동작하는 듀얼 모드 CDS(Correlated Double Sampling)부;
    커패시터 또는 저항의 차동 전압 출력을 디지털 데이터로 출력하고, 저전력 모드로 동작하는 CDC(Capacitance to Digital Converter)부;
    SAR(Successive Approximation Register) 알고리즘을 이용하여 동작하고, 상기 듀얼 모드 CDS부 또는 CDC부의 데이터를 공통으로 처리하는 SAR ADC( Analog to Digital Converter)부;
    를 포함하는 다중 모드 CDC 및 RDC(Resistance to Digital Converter) 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀얼 모드 CDS부는 상기 변환된 커패시터 또는 저항을 상기 SAR ADC부를 이용하여 디지털 데이터로 출력하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 CDC부는 상기 커패시터 또는 저항의 값을 추정할 때, 상기 SAR ADC부의 비교기를 이용하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀얼 모드 CDS부는, 고해상 CDC 모드 및 고해상 RDC 모드의 동작을 수행하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 CDC부는, 저전력 CDC 모드 및 저전력 RDC 모드의 동작을 수행하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    인에이블 신호가 인가된 상태에서, 상기 듀얼 모드 CDS부와 상기 SAR ADC부가 연결되고, 상기 CDC부와 상기 SAR ADC부가 연결 해제된 경우, 상기 듀얼 모드 CDS부는 고해상 RDC 모드로 동작하고,
    인에이블 신호가 인가되지 않은 상태에서, 상기 듀얼 모드 CDS부와 상기 SAR ADC부가 연결되고, 상기 CDC부와 상기 SAR ADC부가 연결 해제된 경우, 상기 듀얼 모드 CDS부는 고해상 CDC 모드로 동작하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    인에이블 신호가 인가된 상태에서, 상기 CDC부와 상기 SAR ADC부가 연결되고, 상기 듀얼 모드 CDS부와 상기 SAR ADC부가 연결 해제된 경우, 상기 CDC부는 저전력 RDC 모드로 동작하고,
    인에이블 신호가 인가되지 않은 상태에서, 상기 CDC부와 상기 SAR ADC부가 연결되고, 상기 듀얼 모드 CDS부와 상기 SAR ADC부가 연결 해제된 경우, 상기 CDC부는 저전력 CDC 모드로 동작하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀얼 모드 CDS부는,
    제1단이 제 1 전원(VDD)에 연결되는 제 1 저항 스위치;
    제1단이 접지에 연결되고, 제2단이 상기 제 1 저항 스위치의 제2단과 연결되는 제 2 저항 스위치;
    제1단이 상기 제 1 저항 스위치 및 제 2 저항 스위치의 제2단에 연결되는 가변 저항;
    제1단이 상기 제 1 전원(VDD)에 연결되는 제 1 커패시터 스위치의 제2단 및 상기 접지에 연결되는 제 2 커패시터 스위치의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 가변 저항의 제2단에 연결되는 가변 커패시터;
    제1단이 상기 가변 저항의 제2단 및 상기 가변 커패시터의 제2단과 연결되고, 제2단이 상기 제 1 전원에 연결되는 제 1 커패시터 스위치의 제2단 및 상기 접지에 연결되는 제 2 커패시터 스위치의 제2단과 연결되는 감지 커패시터;
    제1단이 상기 가변 커패시터의 제2단, 상기 가변 저항의 제2단 및 상기 감지 커패시터의 제1단과 연결되고, 제2단이 출력단과 연결되는 기준 커패시터;
    상기 기준 커패시터와 병렬로 연결되는 병렬 커패시터 스위치;
    상기 병렬 커패시터 스위치와 병렬로 연결되는 인에이블 저항 스위치;
    상기 인에이블 저항 스위치와 직렬로 연결되는 기준 저항;
    마이너스 입력단이 상기 기준 커패시터, 병렬 커패시터 스위치 및 인에이블 저항 스위치의 제1단과 연결되어 제 2 전압(VCM)을 인가받고, 플러스 입력단은 상기 제 2 전압을 인가받으며, 상기 제 1 전원이 전원으로 인가되는 OP 앰프;
    상기 OP 앰프의 출력단, 상기 기준 커패시터, 병렬 커패시터 스위치 및 기준 저항의 제2단과 연결되는 출력단
    을 포함하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 CDC부가 저전력 CDC 모드로 동작하는 경우,
    병렬로 연결된 적어도 하나의 커패시터;
    상기 적어도 하나의 커패시터와 직렬로 연결된 적어도 하나의 스위치; 및
    제1단이 상기 적어도 하나의 커패시터의 제2단과 연결된 감지 커패시터
    를 포함하고,
    상기 감지 커패시터의 용량을 추정하기 위하여, 상기 CDC부로부터 출력된 감지 데이터는 상기 SAR ADC의 비교기로 입력되는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 SAR ADC부는,
    상기 듀얼 모드 CDS부와 연결된 SAR DAC부;
    상기 SAR DAC와 연결된 제 1 스위치;
    상기 CDC부와 연결된 제 2 스위치;
    상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치와 연결된 비교기; 및
    상기 비교기의 출력 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 SAR 디지털부
    를 포함하는 것인, 다중 모드 CDC 및 RDC 회로.
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