KR101731088B1 - 정전용량센서 잡음 제거 장치 - Google Patents

정전용량센서 잡음 제거 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대지정전용량 방식의 정전용량센서에서 잡음을 제거함에 있어서, 시그널커패시터에 가해지는 잡음에 대하여 효과적으로 제거할 수 있도록 구현한 정전용량센서 잡음 제거 장치에 관한 것으로, 제1입력전압을 충전하기 위한 파라시틱커패시터; 잡음전압 발생 시에 잡음전압을 충전하기 위한 시그널커패시터; 제3구동신호에 따라 제2입력전압을 입력받아 스위칭하기 위한 제1스위치; 제2구동신호에 따라 파라시틱커패시터 및 시그널커패시터를 합친 부분에 충전된 전압, 또는 파라시틱커패시터 및 시그널커패시터를 합친 부분에 충전된 전압과 제1스위치를 통해 스위칭되는 제2입력전압을 합친 전압을 스위칭하기 위한 제2스위치; 플러스입력단자를 통해 입력되는 레퍼런스전압과 제2스위치로부터 마이너스입력단자를 통해 입력되는 전압 또는 피드백 전압을 비교하여 출력전압을 생성시켜 출력단자를 통해 출력하기 위한 비교기; 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 설치되어, 제1구동신호에 따라 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 피드백 전압으로 스위칭하기 위한 제3스위치; 제3스위치와 병렬 연결되어, 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 충전하기 위한 커패시터; 제4구동신호에 따라 비교기로부터 출력되는 출력전압을 샘플/홀드시켜 레퍼런스샘플/홀드신호를 출력하기 위한 제1샘플/홀드회로; 제5구동신호에 따라 비교기로부터 출력되는 출력전압을 샘플/홀드시켜 시그널샘플/홀드신호를 출력하기 위한 제2샘플/홀드회로; 및 제1샘플/홀드회로로부터 출력되는 레퍼런스샘플/홀드신호와 제2샘플/홀드회로로부터 출력되는 시그널샘플/홀드신호의 차이를 얻어 잡음전압을 제거한 차동신호를 출력하기 위한 차동회로를 포함한다.

Description

정전용량센서 잡음 제거 장치{Apparatus for rejecting noise in a capacitive sensor}
본 발명의 기술분야는 정전용량센서 잡음 제거 장치에 관한 것으로, 특히 대지정전용량(Self Capacitance) 방식의 정전용량센서에서 잡음을 제거하도록 구현한 정전용량센서 잡음 제거 장치에 관한 것이다.
정전용량센서는 입력되는 전하량의 변화를 감지하는 센서로서, 도체에 전위가 인가될 때 전하가 축전되는 효과를 이용하여 물리량을 정량화하는 센서이다. 정전용량센서는 정전용량 변화에 따라 변화되는 감지 주파수의 변화를 기준 주파수와 비교하여 기설정치 이상 차이가 나면 감지 신호를 출력하도록 구성된다. 이러한 정전용량센서는 터치센서, 비데의 착좌센서, 정수기 등의 수위감지 센서 등 그 응용 분야가 다양하다. 정전용량 센싱 방식에는 여러 가지가 있지만 그 중 대표적 센싱 방식인 대지정전용량 방식이 있다. 여기서, 대지정전용량은 각 전선이 대지전위에 의해서 충전되는 전하량을 말한다.
한국등록특허 제10-1456649호(2014.10.24 등록)는 정전용량 센서 및 이를 위한 노이즈 제거 방법에 관하여 개시되어 있는데, 복수의 감지 주파수를 출력하는 주파수 발생부; 및 정전용량 변화 검출부를 통한 복수의 감지 주파수 각각의 변화율에 기초하여 유효 감지 주파수를 선택하며, 선택한 유효 감지 주파수의 변화율을 평균하여 감지 신호의 인에이블 여부를 결정하는 잡음 제거부를 포함하고, 잡음 제거부는, 복수의 감지 주파수를 변화율에 따라 정렬하는 정렬부; 정렬부의 정렬 결과로부터 상기 유효 감지 주파수를 선택하는 필터링부; 및 필터링부에서 선택한 유효 감지 주파수의 변화율을 평균하여 감지 신호의 인에이블 여부를 결정하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 개시된 기술에 따르면, 주파수 성분의 노이즈가 발생한 경우 감지 주파수의 변화율을 기초로 노이즈를 제거할 수 있어 정전용량 센서의 감지 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한국등록특허 제10-1486296호(2015.01.27 등록)는 정전방식 센서 시스템과 인체 간의 접지가 불일치로 인하여 생기는 챠지노이즈(Charge Noise)에 대해서 충분히 대응하며 감도의 손실을 최소화할 수 있는 전원 잡음 제거 기능을 갖춘 정전방식 센서에 관하여 개시되어 있다. 개시된 기술에 따르면, 터치 또는 노이즈에 의하여 정전용량이 변화하고 이러한 정전용량의 변화로 인하여 전하량이 변화하는 커패시터를 포함하는 전하량 감지부; 전압 TX 신호가 온(on)인 구간에서 외부로부터 인가되는 기본 노이즈를 증폭하여 출력하고, 전압 TX 신호가 오프(off)인 구간에서 전하량 감지부로부터 입력되는 전하의 변화량을 증폭하여 출력하는 전하 증폭부; 전하 증폭부로부터 TX 신호에 따라 반복적으로 출력되는 기본 노이즈를 합하여 부스팅 된 레퍼런스 신호를 출력하고, 반복적으로 출력되는 전하의 변화량을 합하여 부스팅 된 시그널 신호를 출력하는 부스팅부; 부스팅부로부터 수신되는 레퍼런스 신호를 샘플링하여 제1신호를 출력하고, 시그널 신호를 샘플링하여 제2신호를 출력하는 샘플링부; 샘플링부로부터 수신되는 제1신호와 제2신호의 차인 제3신호를 계산하여 출력하는 노이즈 성분 제거부; 및 노이즈 성분 제거부로부터 수신되는 제3신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 대지정전용량 방식의 정전용량센서를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 대지정전용량 방식의 정전용량센서(100)는, 정전용량센서에서의 대표적인 방식인 대지정전용량 변화 감지 센서로서, 레퍼런스커패시터(Reference Capacitor)(CR), 파라시틱커패시터(Parasitic Capacitor)(CP), 시그널커패시터(Signal Capacitor)(CT), 제1스위치(SW0), 제2스위치(SW1), 제3스위치(SW2), 비교기(OP)를 포함하여, 시그널커패시터(CT)의 유/무를 검출(Detection)하게 된다. 여기서, 커패시터의 크기는 CR>>CP>CT 순으로 가진다.
레퍼런스커패시터(CR)는 레퍼런스로 사용되는 커패시터이며, 파라시틱커패시터(CP)는 회로 상에 존재하는 커패시터이며, 시그널커패시터(CT)는 회로 상에서 터치(Touch)나 기타 다른 요인에 의해서 발생하는 커패시터이다.
제1스위치(SW0)는, 온/오프제어신호인 리셋신호(rst)에 의해서 온되어 하이레퍼런스전압(vrefh)을 입력받아 레퍼런스커패시터(CR)로 스위칭시켜 준다.
제2스위치(SW1)는, 제1스위치(SW0)와 제3스위치(SW2) 사이에 설치되어, 온/오프제어신호인 제1구동신호(ph0)에 의해서 온되어 센싱전압(vs1)이 결정되도록 해 준다.
제3스위치(SW2)는, 온/오프제어신호인 제2구동신호(ph1)에 의해서 온되어 제2입력전압(vs2)을 입력받아 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분으로 스위칭시켜 준다.
비교기(OP)는, 플러스입력단자를 통해 입력되는 로우레퍼런스전압(vrefl)과 마이너스입력단자를 통해 입력되는 센싱전압(vs1)을 비교하여 비교결과의 출력신호(cmp_out)를 생성시켜 준다.
도 2는 도 1에 도시된 정전용량센서에 대한 구동 타이밍도(Timing Diagram)이다.
도 2를 참조하면, 잡음전압(vnoise)을 DC 전압으로 가진다고 가정하며, 이때 최초 리셋신호(rst)가 온/오프제어신호로 제1스위치(SW0)에 인가되면, 제1스위치(SW0)는 리셋신호(rst)에 의해서 스위치 온되어 레퍼런스커패시터(CR)에 충전되는 전압을 하이레퍼런스전압(vrefh)으로 리셋(Reset)시켜 준다.
레퍼런스커패시터(CR)의 하이레퍼런스전압(vrefh) 리셋 후에, 제2스위치(SW1)의 온/오프제어신호인 제1구동신호(ph0)가 하이레벨인 구간에서, 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분과 레퍼런스커패시터(CR) 부분 간의 챠지셰어링(Charge Sharing) 동작에 의해서, 비교기(OP)의 마이너스입력단자로 입력되는 센싱전압(vs1)이 결정된다.
센싱전압(vs1) 결정 후에, 제3스위치(SW2)의 온/오프제어신호인 제2구동신호(ph1)가 하이레벨인 구간에서, 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분이 제3스위치(SW2)로 입력되는 제2입력전압(vss2)로 리셋된다. 다시 말해서, 제2구동신호(ph1)가 온/오프제어신호로 제3스위치(SW2)에 인가되면, 제3스위치(SW2)는 제2구동신호(ph1)에 의해서 스위치 온되어 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분에 충전되는 전압을 제2입력전압(vss2)으로 리셋시켜 준다.
파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분의 제2입력전압(vss2) 리셋 과정은, 센싱전압(vs1)의 세기가 로우레퍼런스전압(vrefl)의 세기까지 내려갈 때까지 반복하게 된다. 또한, 센싱전압(vs1)의 세기가 로우레퍼런스전압(vrefl)의 세기보다 더 내려갈 경우, 비교기(OP)가 동작하여 비교결과출력신호(cmp_out)의 상변화를 일으키게 된다. 이에, 이렇게 상이 변화된 비교결과출력신호(cmp_out)는 전체 시스템의 제어부(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)에 입력되며, 이때 제어부에서는 리셋신호(rst), 제1구동신호(ph0), 제2구동신호(ph1)를 다시 초기화하는 피드백(Feedback) 작업을 수행할 수 있게 한다.
도 3은 도 1에 도시된 시그널커패시터가 존재할 경우와 존재하지 않을 경우에 비교기의 비교결과출력신호에 대한 타이밍도이다.
도 3을 참조하면, 시그널커패시터(CT)가 존재할 경우(with CT), 레퍼런스커패시터(CR) 부분과의 챠지셰어링 시에, 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분으로 되어 커패시터값이 증가하게 되므로, 시그널커패시터(CT)가 존재하지 않을 경우(without CT)보다 더 빨리 센싱전압(vs1)의 세기가 로우레퍼런스전압(vrefl)의 세기로 강하하게 된다. 이에, 시그널커패시터(CT)가 존재할 때와 존재하지 않을 때의 차이가 바로 종래 대지정전용량 방식의 정전용량센서에서의 센싱 감도가 되는 것이다.
종래 대지정전용량 방식의 정전용량센서에서의 센싱 감도는, 도 1에 도시된 바와 같이, 시그널커패시터(CT)의 변화를 감지해 내는 것을 나타낸다. 시그널커패시터(CT)는, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 그라운드(Ground)가 시스템과 같이 공유하지 않고 다른 그라운드를 가지게 된다. 특히, 터치 시의 시그널커패시터(CT)는, 일반적으로 그라운드가 플로우팅(Floating)하게 되는데, 이러한 결과로 인해서 시스템의 전원전압 등에 잡음(Noise)이 인가될 시에 시스템의 바이패스캡(Bypass Cap)에 상대적으로 영향을 받지 않게 되기 때문에, 시스템의 전원전압 대비 상대적으로 잡음이 인가하게 되고, 인가된 잡음은 시그널커패시터(CT)에 의한 정전용량의 변화에 그대로 영향을 미치게 된다.
도 1에서 시그널커패시터(CT)에 저장되는 전하량을 'Q'라면, 전하량(Q)은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112016003845494-pat00001
수학식 1에서 잡음전압(vnoise)의 AC 변화량이 '0'이라면, 전하량(Q)은 파라시틱커패시터(CP)에 충전되는 전압(vs2)의 변화량에 대해서만 변화하게 되는데, 이것은 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분과 레퍼런스커패시터(CR) 부분 간의 챠지셰어링 동작에 의해서 결정되는 값으로, 시스템에서 예측 가능한 값이다.
잡음전압(vnoise)의 AC 변화량이 '0'이 아닌 잡음 값이 입력될 경우, 전하량(Q)은 잡음전압(vnoise)의 변화량에 의해 변화하게 된다. 이때, 전압잡음(vnoise)에 '0'이 아닌 잡음의 전압이 인가되었을 때에, 센싱전압(vs1)에 인가되는 잡음에 대한 하나의 예시로는 도 4에 도시된 바와 같다. 또한, 도 4와 같이 잡음의 전압이 시그널커패시터(CT)에 인가되었을 때, 잡음의 전압에 따른 감도 손실이 발생하는 하나의 예시로는 도 5에 도시된 바와 같다.
다시 말해서, 상술한 바와 같은 종래의 정전용량센서는, 잡음전압(vnoise)이 예측 가능한 값이 아닐 경우에 잡음에 대한 변화량이 전하량(Q)에 반영하게 되고, 반영된 전하량(Q)은 결국 시그널커패시터(CT)에 의해 생성된 전하량과의 챠지셰어링에 영향을 미치게 되어, 결국에 센싱전압(vs1)의 변화량에 예측 가능하지 않은 전압잡음이 발생하게 되는 단점이 있다. 또한, 종래기술에서는 입력되는 잡음에 대해서 잡음 제거 작용에 의해 잡음이 입력될 시에 감도구간을 크게 가져갈 수 없으며, 이에 결과적으로 전체 시스템에서의 신호대잡음비(SNR)를 크게 할 수 없으며, 특히 시스템의 전원잡음과 같이 시스템의 구동신호 대비 매우 낮은 주파수로 들어오는 잡음에 대해서는 효과적으로 제거를 할 수 없는 단점을 가지고 있다.
한국등록특허 제10-1456649호 한국등록특허 제10-1486296호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로, 대지정전용량(Self Capacitance) 방식의 정전용량센서에서 잡음을 제거함에 있어서, 시그널커패시터에 가해지는 잡음(Noise)에 대하여 효과적으로 제거할 수 있도록 구현한 정전용량센서 잡음 제거 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하는 수단으로는, 본 발명의 한 특징에 따르면, 제1입력전압을 충전하기 위한 파라시틱커패시터; 잡음전압 발생 시에 잡음전압을 충전하기 위한 시그널커패시터; 제3구동신호에 따라 제2입력전압을 입력받아 스위칭하기 위한 제1스위치; 제2구동신호에 따라 상기 파라시틱커패시터 및 상기 시그널커패시터를 합친 부분에 충전된 전압, 또는 상기 파라시틱커패시터 및 상기 시그널커패시터를 합친 부분에 충전된 전압과 상기 제1스위치를 통해 스위칭되는 제2입력전압을 합친 전압을 스위칭하기 위한 제2스위치; 플러스입력단자를 통해 입력되는 레퍼런스전압과 상기 제2스위치로부터 마이너스입력단자를 통해 입력되는 전압 또는 피드백 전압을 비교하여 출력전압을 생성시켜 출력단자를 통해 출력하기 위한 비교기; 상기 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 설치되어, 제1구동신호에 따라 상기 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 피드백 전압으로 스위칭하기 위한 제3스위치; 상기 제3스위치와 병렬 연결되고 상기 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 설치되어, 상기 비교기의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 충전하기 위한 커패시터; 제4구동신호에 따라 상기 비교기로부터 출력되는 출력전압을 샘플/홀드시켜 레퍼런스샘플/홀드신호를 출력하기 위한 제1샘플/홀드회로; 제5구동신호에 따라 상기 비교기로부터 출력되는 출력전압을 샘플/홀드시켜 시그널샘플/홀드신호를 출력하기 위한 제2샘플/홀드회로; 및 상기 제1샘플/홀드회로로부터 출력되는 레퍼런스샘플/홀드신호와 상기 제2샘플/홀드회로로부터 출력되는 시그널샘플/홀드신호의 차이를 얻어 잡음전압을 제거한 차동신호를 출력하기 위한 차동회로를 포함하는 정전용량센서 잡음 제거 장치를 제공한다.
일 실시 예에서, 상기 정전용량센서 잡음 제거 장치는, 상기 잡음전압이 각 미소구동신호에 대해서 선형적 특성을 가질 수 있도록 하기 위한 속도를 가지는 제1 내지 제5구동신호를 생성시켜 주기 위한 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제1구동신호 및 상기 제2구동신호가 하이레벨이고 상기 제3구동신호, 상기 제4구동신호 및 상기 제5구동신호가 로우레벨인 경우에,
Figure 112016003845494-pat00002
에 의해 제1전하량을 구하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제2구동신호가 하이레벨에서 로우레벨로 떨어지고 상기 제4구동신호가 하이레벨이 발생하고 상기 제1구동신호, 상기 제3구동신호 및 상기 제5구동신호가 로우레벨인 경우에,
Figure 112016003845494-pat00003
에 의해 제2전하량을 구하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제2구동신호가 하이레벨에서 로우레벨로 떨어지고 상기 제4구동신호가 하이레벨이 발생하고 상기 제1구동신호, 상기 제3구동신호 및 상기 제5구동신호가 로우레벨인 경우에, 상기 잡음전압에 대한 AC 잡음을 샘플링하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는,
Figure 112016003845494-pat00004
를 이용하여 샘플출력전압을 구하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제1구동신호 및 상기 제3구동신호가 하이레벨이고 상기 제2구동신호, 상기 제4구동신호 및 상기 제5구동신호가 로우레벨인 경우에, 시그널을 샘플링하기 위해서 리셋하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제1구동신호 및 상기 제3구동신호가 하이레벨이고 상기 제2구동신호, 상기 제4구동신호 및 상기 제5구동신호가 로우레벨인 경우에,
Figure 112016003845494-pat00005
에 의해 제3전하량을 구하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 제2구동신호가 로우레벨에서 하이레벨로 올라가고 상기 제5구동신호가 하이레벨이 발생하고 상기 제1구동신호, 상기 제3구동신호 및 상기 제4구동신호가 로우레벨인 경우에,
Figure 112016003845494-pat00006
에 의해 제4전하량을 구하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는,
Figure 112016003845494-pat00007
를 이용하여 시그널출력전압을 구하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제어부는,
Figure 112016003845494-pat00008
를 이용하여 상기 잡음전압을 제거한 차동신호를 구하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과로는, 대지정전용량(Self Capacitance) 방식의 정전용량센서에서 잡음을 제거함에 있어서, 시그널커패시터에 가해지는 잡음(Noise)에 대하여 효과적으로 제거할 수 있도록 구현한 정전용량센서 잡음 제거 장치를 제공함으로써, 입력되는 잡음에 대해서 잡음 제거 작용에 의해 잡음이 입력되더라도 감도구간을 기존 구조에 비해 크게 가져갈 수 있으며, 이에 결과적으로 전체 시스템에서의 신호대잡음비(SNR)를 크게 할 수 있으며, 특히 시스템의 전원잡음과 같이 시스템의 구동신호 대비 매우 낮은 주파수로 들어오는 잡음에 대해서 효과적으로 제거를 할 수 있다는 것이다.
도 1은 종래 대지정전용량 방식의 정전용량센서를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 정전용량센서에 대한 구동 타이밍도(Timing Diagram)이다.
도 3은 도 1에 도시된 시그널커패시터가 존재할 경우와 존재하지 않을 경우에 비교기의 비교결과출력신호에 대한 타이밍도이다.
도 4는 도 1에 있는 센싱전압에 인가되는 잡음에 대한 하나의 예시를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 있어서 잡음의 전압에 따른 감도 손실이 발생하는 하나의 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량센서 잡음 제거 장치를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 잡음전압의 선형적 특성을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 정전용량센서 잡음 제거 장치에 대한 기본적인 타이밍도이다.
도 9는 도 6에 도시된 정전용량센서 잡음 제거 장치에 추가한 회로의 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 정전용량센서 잡음 제거 장치에 대한 기본적인 타이밍도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 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.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량센서 잡음 제거 장치에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량센서 잡음 제거 장치를 설명하는 도면이며, 도 7은 도 6에 도시된 잡음전압의 선형적 특성을 설명하는 도면이며, 도 8은 도 6에 도시된 정전용량센서 잡음 제거 장치에 대한 기본적인 타이밍도(Timing Diagram)이며, 도 9는 도 6에 도시된 정전용량센서 잡음 제거 장치에 추가한 회로의 예를 나타낸 도면이며, 도 10은 도 9에 도시된 정전용량센서 잡음 제거 장치에 대한 기본적인 타이밍도이다.
도 6 내지는 도 10을 참조하면, 정전용량센서 잡음 제거 장치(200)는, 파라시틱커패시터(CP), 시그널커패시터(CT), 커패시터(Vcc Capacitor)(CA), 제1스위치(SW3), 제2스위치(SW4), 제3스위치(SW5), 비교기(OP), 제1샘플/홀드(Sample and Hold)회로(snh1), 제2샘플/홀드회로(snh2), 차동회로(210)를 포함하여, 잡음전압(vn)의 선형적 특성을 이용하여 외부의 입력 잡음을 제거해 준다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 정전용량센서 잡음 제거 장치의 회로 구조를 나타내며, 제1입력전압을 'v1'이라고 하며, 제2입력전압을 'v2'이라고 하며, 잡음입력(Noise Input)으로서 입력되는 잡음전압을 'vn'이라고 하며, 잡음전압(vn)에 대해서 온/오프제어신호인 구동신호를 'ph0', 'ph1', 'ph2', 'ph3', 'ph4'이라고 하며, 레퍼런스전압을 'vr1'이라고 한다. 그리고 잡음전압(vn)은 비선형적인 신호가 입력되더라도 각 미소구동신호(clk_smp)에 대해서 선형적 특성을 가질 수 있도록 하기 위해서, 구동신호(ph0, ph1, ph2, ph3, ph4)는 충분히 빠른 속도(즉, 잡음전압(vn)이 각 미소구동신호(clk_smp)에 대해서 선형적 특성을 가질 수 있도록 하기 위한 속도)를 가지도록 시스템의 제어부(설명의 편의상으로 도면에는 도시하지 않음)에서 생성된다. 또한, 미소구동신호(clk_smp)와 잡음전압(vn)이 인가되는 시스템이 있다고 가정하며, 잡음전압(vn)은 반복 패턴의 형태를 가질 수도 있고 랜덤 잡음(Random Noise)의 특성을 가질 수도 있지만, 여기에서는 설명의 편의상으로 반복 패턴을 가지는 형태를 이용해서 설명하도록 한다. 이때, 미소구동신호(clk_smp)가 잡음전압(vn)에 비해 충분히 빠르며, 이에 비선형적인 입력인 잡음전압(vn)은 도 7에 도시된 [a] 부분과 같이, 미소구동신호(clk_smp) 단위로 보면, 선형적인 입력의 잡음전압으로 근사화되는 선형적 특징을 가지게 된다.
파라시틱커패시터(CP)는, 회로 상에 존재하는 커패시터로서, 제1입력전압(v1)을 충전해 준다.
시그널커패시터(CT)는, 회로 상에서 터치(Touch)나 기타 다른 요인에 의해서 발생하는 커패시터로서, 잡음전압(vn) 발생 시에 잡음전압(vn)을 충전해 준다.
제1스위치(SW3)는, 온/오프제어신호인 제3구동신호(ph2)에 의해서 온되어, 제2입력전압(v2)을 입력받아 제2스위치(SW4)로 스위칭시켜 준다.
제2스위치(SW4)는, 온/오프제어신호인 제2구동신호(ph1)에 의해서 온되어, 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분에 충전된 전압, 또는 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분에 충전된 전압과 제1스위치(SW3)를 통해 스위칭되는 제2입력전압(v2)을 합친 전압을 비교기(OP)의 마이너스입력단자로 스위칭시켜 준다.
비교기(OP)는, 레퍼런스전압(vrl)을 플러스입력단자를 통해 입력받음과 동시에 제2스위치(SW4)를 통해 스위칭되는 전압 또는 커패시터(CA)를 통해 피드백되는 전압을 마이너스입력단자를 통해 입력받으며, 해당 플러스입력단자를 통해 입력받은 레퍼런스전압(vrl)과 마이너스입력단자를 통해 입력받은 전압 또는 커패시터(CA)를 통해 피드백되는 전압을 비교하여 비교결과의 출력전압(va)을 생성시켜 출력단자를 통해 제1샘플/홀드회로(snh1) 및 제2샘플/홀드회로(snh2)로 출력해 준다.
일 실시 예에서, 비교기(OP)는, OP 앰프(Amp)일 수 있다.
제3스위치(SW5)는, 커패시터(CA)와 병렬연결 형성되고 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 설치되어, 온/오프제어신호인 제1구동신호(ph0)에 의해서 온되어, 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 비교기(OP)의 마이너스단자로 피드백시켜 준다.
커패시터(CA)는, 제3스위치(SW5)와 병렬 연결되고 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 설치되어, 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 충전해 준다.
제1샘플/홀드회로(snh1)는, 연속파형을 불연속 파형으로 변환시키는 샘플링(즉, 표본화)과 해당 샘플링을 기 설정된 시간만큼 홀드(즉, 유지)시키는 회로로서, 온/오프제어신호인 제4구동신호(ph3)에 의해서 온되어, 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref)를 차동회로(210)로 출력해 준다.
제2샘플/홀드회로(snh2)는, 연속파형을 불연속 파형으로 변환시키는 샘플링(즉, 표본화)과 해당 샘플링을 기 설정된 시간만큼 홀드(즉, 유지)시키는 회로로서, 온/오프제어신호인 제5구동신호(ph4)에 의해서 온되어, 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)를 차동회로(210)로 출력해 준다.
차동회로(210)는, 두 개의 입력신호의 차이를 얻는 회로(또는, 두 입력단자에 차동적(중성점에 대하여 역극성이 되도록)으로 주어진 입력 신호에 의해서만 출력을 발생시켜 주는 회로)로서, 제1샘플/홀드회로(snh1)로부터 출력되는 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref)와 제2샘플/홀드회로(snh2)로부터 출력되는 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)의 차이를 얻어 잡음전압(vn)을 제거한 차동신호(vsmp)를 출력해 준다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 정전용량센서 잡음 제거 장치(200)에 대한 회로 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도 8에 도시된 구간 1(즉, 제1구동신호(ph0) 및 제2구동신호(ph1)가 하이레벨이고 제3구동신호(ph2), 제4구동신호(ph3) 및 제5구동신호(ph4)가 로우레벨인 구간)에서 충전되는 제1전하량(Q1)은 아래의 수학식 2와 같다. 다시 말해서, 시스템 제어부는 수학식 2를 이용하여 구간 1일 때의 제1전하량(Q1)을 구할 수 있다. 여기서 잡음전압(vn)의 DC 전압은, 비교기(OP)의 출력전압(va)에 영향을 미치지 않으므로, '0'인 된다. 이때, 제1스위치(SW3), 제1샘플/홀드회로(snh1) 및 제2샘플/홀드회로(snh2)는 오프상태를 유지하며, 제2스위치(SW4)는 제2구동신호(ph1)에 의해서 온되어, 파라시틱커패시터(CP) 및 시그널커패시터(CT)를 합친 부분에 충전된 전압을 비교기(OP)의 마이너스입력단자로 스위칭시켜 주며, 또한 제3스위치(SW5)는 제1구동신호(ph0)에 의해서 온되어, 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 커패시터(CA)에 충전하도록 해 준다.
Figure 112016003845494-pat00009
도 8에 도시된 구간 2(즉, 제2구동신호(ph1)가 하이레벨에서 로우레벨로 떨어지고 제4구동신호(ph3)가 하이레벨이 발생하고 제1구동신호(ph0), 제3구동신호(ph2) 및 제5구동신호(ph4)가 로우레벨인 구간)에서 잡음전압(vn)에 대한 AC 잡음을 샘플링(Sampling)한다. 이때의 제2전하량(Q2)은 아래의 수학식 3과 같다. 다시 말해서, 시스템 제어부는 수학식 3을 이용하여 구간 2일 때의 제2전하량(Q2)을 구할 수 있으며, 이에 잡음전압(vn)에 대한 AC 잡음을 샘플링할 수 있다. 또한, 제1스위치(SW3), 제3스위치(SW5) 및 제2샘플/홀드회로(snh2)는 오프상태를 유지하며, 제2스위치(SW4)가 오프상태로 바뀐다. 이에, 비교기(OP)는, 레퍼런스전압(vrl)을 플러스입력단자를 통해 입력받음과 동시에 제2스위치(SW4)를 통해 스위칭되는 전압을 마이너스입력단자를 통해 입력받다가 중단하며, 해당 플러스입력단자를 통해 입력받은 레퍼런스전압(vrl)과 마이너스입력단자를 통해 입력받은 전압 또는 커패시터(CA)를 통해 피드백되는 전압을 비교하여 비교결과의 출력전압(va)을 생성시켜 출력단자를 통해 제1샘플/홀드회로(snh1)로 출력해 준다. 그러면, 제1샘플/홀드회로(snh1)는, 제4구동신호(ph3)에 의해서 온되어, 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref)를 차동회로(210)로 출력해 준다.
Figure 112016003845494-pat00010
수학식 2에 의한 제1전하량(Q1)과 수학식 3에 의한 제2전하량(Q2)은 전하량 보존의 법칙에 의해서 서로 동일하므로, 시스템 제어부가 이를 이용하여 샘플출력전압(va_smp)을 구하면 아래의 수학식 4와 같다.
Figure 112016003845494-pat00011
도 8에 도시된 구간 3(즉, 제1구동신호(ph0) 및 제3구동신호(ph2)가 하이레벨이고 제2구동신호(ph1), 제4구동신호(ph3) 및 제5구동신호(ph4)가 로우레벨인 구간)에서 시그널(Signal)을 샘플링(Sampling)하기 위해서 리셋(Reset)해 준다. 이때의 제3전하량(Q3)은 아래의 수학식 5와 같다. 다시 말해서, 시스템 제어부는 수학식 5를 이용하여 구간 3일 때의 제3전하량(Q3)을 구할 수 있다. 이때, 제1스위치(SW3)는 제3구동신호(ph2)에 의해서 온되어, 제2입력전압(v2)을 입력받아 제2스위치(SW4)로 스위칭시켜 주나, 제2스위치(SW4), 제1샘플/홀드회로(snh1) 및 제2샘플/홀드회로(snh2)는 오프상태를 유지하며, 또한 제3스위치(SW5)는 제1구동신호(ph0)에 의해서 온되어, 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 커패시터(CA)에 충전하도록 해 준다.
Figure 112016003845494-pat00012
도 8에 도시된 구간 4(즉, 제2구동신호(ph1)가 로우레벨에서 하이레벨로 올라가고 제5구동신호(ph4)가 하이레벨이 발생하고 제1구동신호(ph0), 제3구동신호(ph2) 및 제4구동신호(ph3)가 로우레벨인 구간)에서의 제4전하량(Q4)은 아래의 수학식 6과 같다. 다시 말해서, 시스템 제어부는 수학식 6을 이용하여 구간 4일 때의 제4전하량(Q4)을 구할 수 있다. 이때, 제1스위치(SW3), 제3스위치(SW5) 및 제1샘플/홀드회로(snh1)는 오프상태를 유지하며, 제2스위치(SW4)가 온 상태로 바뀐다. 이에, 비교기(OP)는 레퍼런스전압(vrl)을 플러스입력단자를 통해 입력받음과 동시에 제2스위치(SW4)를 통해 스위칭되는 전압 또는 커패시터(CA)를 통해 피드백되는 전압을 마이너스입력단자를 통해 입력받으며, 해당 플러스입력단자를 통해 입력받은 레퍼런스전압(vrl)과 마이너스입력단자를 통해 입력받은 전압 또는 커패시터(CA)를 통해 피드백되는 전압을 비교하여 비교결과의 출력전압(va)을 생성시켜 출력단자를 통해 제2샘플/홀드회로(snh2)로 출력해 준다. 그러면, 제2샘플/홀드회로(snh2)는 제5구동신호(ph4)에 의해서 온되어, 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)를 차동회로(210)로 출력해 준다.
Figure 112016003845494-pat00013
수학식 5에 의한 제3전하량(Q3)과 수학식 6에 의한 제4전하량(Q4)은 전하량 보존의 법칙에 의해서 서로 동일하므로, 시스템 제어부가 이를 이용하여 시그널출력전압(va_sig)을 구하면 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112016003845494-pat00014
수학식 4와 수학식 7을 살펴보면, 해당 수식에 원하지 않는 잡음 항이 포함되어 있음을 알 수 있으며, 해당 잡음 항은 본 발명에서 신호대잡음비(SNR)를 높이기 위해 제거하고자 하는 항이다.
도 7에 도시된 제1샘플/홀드회로(snh1)는, 제4구동신호(ph3)에 의해서 온되어, 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref)를 차동회로(210)로 출력해 주며, 또한 도 7에 도시된 제2샘플/홀드회로(snh2)는, 제5구동신호(ph4)에 의해서 온되어, 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)를 차동회로(210)로 출력해 준다. 이때, 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref) 및 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)는 각각 수학식 4에 의해 구한 샘플출력전압(va_smp) 및 수학식 7에 의해 구한 시그널출력전압(va_sig)과 같게 된다. 따라서 차동회로(210)를 거쳐서 출력되는 차동신호(vsmp)는 시스템 제어부가 아래의 수학식 8과 같이 구할 수 있게 된다.
Figure 112016003845494-pat00015
수학식 8과 같이 차동회로(210)를 거쳐서 출력되는 차동신호(vsmp)는, 잡음 항인 'vn'이 상쇄되어, 최종적으로 원하는 시그널 항만 출력되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 정전용량센서 잡음 제거 장치(200)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 인티크레이터(Integrator)(220) 및 비교기(Comparator)(230)를 더 추가하여 형성할 수도 있다. 그리고 이러한 정전용량센서 잡음 제거 장치(200)에 대한 기본적인 타이밍도는 도 10에 도시된 바와 같다.
도 10을 참조하면, 잡음전압(vn)에 잡음이 인가되어도 차동회로(210)의 차동 동작에 의해 잡음이 상쇄되어, 결과적으로 비교기(230)의 마이너스단자로 입력되는 전압(vint)에는 크게 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가진 정전용량센서 잡음 제거 장치(200)는, 대지정전용량 방식의 정전용량센서에서 잡음을 제거함에 있어서, 시그널커패시터(CT)에 가해지는 잡음(Noise)에 대하여 효과적으로 제거할 수 있도록 구현함으로써, 입력되는 잡음에 대해서 잡음 제거 작용에 의해 잡음이 입력되더라도 감도구간을 기존 구조에 비해 크게 가져갈 수 있으며, 이에 결과적으로 전체 시스템에서의 신호대잡음비(SNR)를 크게 할 수 있으며, 특히 시스템의 전원잡음과 같이 시스템의 구동신호 대비 매우 낮은 주파수로 들어오는 잡음에 대해서 효과적으로 제거를 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예는 상술한 장치 및/또는 운용방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
200: 정전용량센서 잡음 제거 장치
CP: 파라시틱커패시터
CT: 시그널커패시터
CA: 커패시터
SW3, SW4, SW5: 스위치
OP: 비교기
snh1, snh2: 샘플/홀드회로
210: 차동회로

Claims (5)

  1. 제1입력전압(v1)을 충전하기 위한 파라시틱커패시터(CP);
    잡음전압(vn) 발생 시에 잡음전압(vn)을 충전하기 위한 시그널커패시터(CT);
    제3구동신호(ph2)에 따라 제2입력전압(v2)을 입력받아 스위칭하기 위한 제1스위치(SW3);
    제2구동신호(ph1)에 따라 상기 파라시틱커패시터(CP) 및 상기 시그널커패시터(CT)를 합친 부분에 충전된 전압, 또는 상기 파라시틱커패시터(CP) 및 상기 시그널커패시터(CT)를 합친 부분에 충전된 전압과 상기 제1스위치(SW3)를 통해 스위칭되는 제2입력전압(v2)을 합친 전압을 스위칭하기 위한 제2스위치(SW4);
    플러스입력단자를 통해 입력되는 레퍼런스전압(vrl)과 상기 제2스위치(SW4)로부터 마이너스입력단자를 통해 입력되는 전압 또는 피드백 전압을 비교하여 출력전압(va)을 생성시켜 출력단자를 통해 출력하기 위한 비교기(OP);
    상기 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 설치되어, 제1구동신호(ph0)에 따라 상기 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 피드백 전압으로 스위칭하기 위한 제3스위치(SW5);
    상기 제3스위치(SW5)와 병렬 연결되어, 상기 비교기(OP)의 마이너스입력단자와 출력단자 사이에 걸리는 전압을 충전하기 위한 커패시터(CA);
    제4구동신호(ph3)에 따라 상기 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref)를 출력하기 위한 제1샘플/홀드회로(snh1);
    제5구동신호(ph4)에 따라 상기 비교기(OP)로부터 출력되는 출력전압(va)을 샘플/홀드시켜 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)를 출력하기 위한 제2샘플/홀드회로(snh2);
    상기 제1샘플/홀드회로(snh1)로부터 출력되는 레퍼런스샘플/홀드신호(snh_ref)와 상기 제2샘플/홀드회로(snh2)로부터 출력되는 시그널샘플/홀드신호(snh_sig)의 차이를 얻어 잡음전압(vn)을 제거한 차동신호(vsmp)를 출력하기 위한 차동회로(210);
    상기 잡음전압(vn)이 각 미소구동신호에 대해서 선형적 특성을 가질 수 있도록 하기 위한 속도를 가지는 제1 내지 제5구동신호(ph0 ~ ph4)를 생성시켜 주기 위한 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    Figure 112017021412260-pat00029
    를 이용하여 샘플출력전압(va_smp)을 구하는 것을 특징으로 하는 정전용량센서 잡음 제거 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    Figure 112017021412260-pat00030
    를 이용하여 시그널출력전압(va_sig)을 구하는 것을 특징으로 하는 정전용량센서 잡음 제거 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    Figure 112016003845494-pat00018
    를 이용하여 상기 잡음전압(vn)을 제거한 차동신호(vsmp)를 구하는 것을 특징으로 하는 정전용량센서 잡음 제거 장치.
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