KR101761203B1 - High-resolution capacitance-to-frequency converting apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 위상 동기 루프(Phase Locked Loop, PLL)를 사용하여 변환감도를 N배 높이는 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 관한 것으로서, 설계한 변환기는 하나의 용량-주파수 발진기와 N 분주기를 갖는 PLL로 구성된다. 제안한 변환기는 용량-주파수 발진기의 주파수를 PLL의 기본 주파수로 사용하고 PLL 내부에 있는 넓은 제어범위를 갖는 고선형 VCO를 사용하여 배로 변환감도를 높이는 원리를 갖고 있다. 시뮬레이션 결과 용량-주파수 변환기의 분해능은 용량-주파수 발진기의 감도를 32배로 증가되었으며, 변환감도는 980Hz/fF이였고 사용한 전압은 3.3V, 소비전력이 2.1mW였다.The present invention relates to a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter that uses a phase-locked loop (PLL) to increase the conversion sensitivity N times. The converter includes a capacitance-frequency oscillator and a PLL . The proposed converter has a principle of using the frequency of the capacitive frequency oscillator as the fundamental frequency of the PLL and increasing the conversion sensitivity by using a high linear VCO having a wide control range inside the PLL. Simulation results show that the resolution of the capacitance - frequency converter is 32 times higher than that of the capacitance - frequency oscillator. The conversion sensitivity is 980Hz / fF, the voltage used is 3.3V, and the power consumption is 2.1mW.
Description
본 발명은 용량-주파수 변환장치에 관한 것으로서, 특히 위상 동기 루프(Phase Locked Loop, PLL)를 사용하여 변환감도를 N배 높일 수 있는 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
휴먼 인터페이스가 중요시됨에 따라 고정도의 센서의 계측이 자동 제어 분야에서 매우 중요하다. 특히 용량형 센서는 습도계, 휴대폰, 터치 스크린 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 따라서 용량의 변화를 전압, 전류, 주파수 등으로 바꾸어 검출하는 인터페이스 회로가 매우 중요하다.
그러나 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술에 따른 용량-주파수 변환기(C-F converter)는 커패시턴스(Capacitance)를 주파수로 변환하는 발진방식의 변환기를 기반으로 하고 있기 때문에 변환감도가 낮다는 문제점을 갖고 있다.As the human interface becomes more important, the measurement of high precision sensors is very important in the field of automatic control. In particular, capacitive sensors are used in various fields such as hygrometer, mobile phone, and touch screen. Therefore, it is very important to use an interface circuit that detects a change in capacitance by changing the voltage, current, frequency, or the like.
However, as shown in FIG. 1, the conventional CF-based converter has a problem of low conversion sensitivity because it is based on a converter of an oscillation type that converts a capacitance to a frequency.
따라서 상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 위상 동기 루프(Phase Locked Loop, PLL)를 사용하여 변환감도를 N배 높이는 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter that uses a phase-locked loop (PLL) to increase the conversion sensitivity N times.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치를 위하여, PLL의 내부에 사용되는 새로운 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator, VCO)를 제공하는데 있다. It is another object of the present invention to provide a novel voltage controlled oscillator (VCO) used in a PLL for a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치는, 위상 동기 루프(Phase Locked Loop, PLL)을 사용하여 변환감도를 N배 높이는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치는, 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치의 변환 감도를 결정하는 PLL의 내부에 사용되고 있는 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator, VCO)의 제어 전압의 범위와 주파수 변화의 선형성을 개선한 VCO를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a high-resolution CMOS capacitance-frequency conversion device using a phase-locked loop (PLL) to increase the conversion sensitivity N times.
In addition, the high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention is capable of controlling the range of the control voltage of a voltage controlled oscillator (VCO) used in the PLL for determining the conversion sensitivity of the high-resolution CMOS capacitance- And provides a VCO that improves the linearity of the frequency change.
본 발명은 매우 작은 용량 변화의 감지가 필요한 정밀 계측장치에서 매우 유용한 효과가 있다.
The present invention has a very useful effect in a precision measuring apparatus requiring a very small change in capacitance.
도 1은 종래기술에 따른 용량-주파수 변환기를 간략히 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치를 간략히 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치의 블록구성도,
도 4는 본 발명에 적용되는 단일전원 용량-주파수 변환기의 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 사용되는 전압제어발진기의 블록구성도,
도 6은 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 사용되는 공급전압에 대해 넓은 선형 범위를 가지는 전압-전류 변환기,
도 7은 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 사용되는 전류바이어스와 슈미트트리거를 이용한 전류-주파수 변환기 회로도,
도 8은 도 5의 전압제어발진기에서의 입력 제어 전압에 따른 발진주파수의 결과를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치의 변환감도 특성을 나타낸 그래프.1 is a simplified schematic diagram of a capacitive-to-frequency converter according to the prior art,
2 is a simplified schematic diagram of a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention,
FIG. 3 is a block diagram of a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention shown in FIG. 2;
4 is a circuit diagram of a single power capacity-to-frequency converter according to the present invention,
5 is a block diagram of a voltage-controlled oscillator used in a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention.
6 is a voltage-current converter having a wide linear range with respect to the supply voltage used in the high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention,
7 is a circuit diagram of a current-frequency converter using a current bias and Schmitt trigger used in a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention,
FIG. 8 is a graph showing the results of the oscillation frequency according to the input control voltage in the voltage-controlled oscillator of FIG. 5,
9 is a graph showing conversion sensitivity characteristics of a high-resolution CMOS capacitance-frequency conversion device according to the present invention.
이하에서는 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, embodiments of a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The same features of the Figures represent the same reference symbols wherever possible. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , ≪ / RTI > equivalents, and alternatives. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined in the present application Do not.
도 2는 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치를 간략히 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치는, 종래기술에 따른 도 1과 대비할 때, 위상 동기 루프(PLL, Phase Locked Loop)를 사용하여 용량-주파수 변환기(C-F Converter)에서 출력되는 주파수의 변환감도를 N배 높이는 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치를 제안한다. 이 경우에도 PLL의 내부에 사용되고 있는 전압제어발진기(VCO, Voltage Control Oscillator)의 제어 전압의 범위와 이에 대응하는 주파수 변화의 선형성에 의해 그 변환 감도가 결정되기 때문에 전압제어발진기(VCO)의 설계가 매우 중요하다. 본 발명에서는 이러한 목적에 맞는 전압제어발진기(VCO)도 제안한다.FIG. 2 is a simplified diagram of a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention. 2, the high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention includes a capacitance-to-frequency converter (CF) using a phase-locked loop (PLL) Resolution CMOS capacitance-frequency converter that increases the conversion sensitivity of the frequency output from the frequency converter to N times. In this case also, since the conversion sensitivity is determined by the range of the control voltage of the VCO (voltage controlled oscillator) used in the PLL and the linearity of the corresponding frequency change, the design of the voltage controlled oscillator very important. The present invention also proposes a voltage controlled oscillator (VCO) for this purpose.
도 3은 도 2의 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치의 블록구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 용량-주파수 변환기의 회로도이다. FIG. 3 is a block diagram of a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a circuit diagram of a capacitance-frequency converter according to the present invention.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치는 용량 주파수 검출을 위한 용량-주파수 변환기(C-F converter)와 위상동기루프(PLL)로 구성된다. 동작원리는 용량을 주파수로 선형적으로 변환하는 발진방식의 용량-주파수 변환기(C-F converter)의 출력주파수(Fosc)를 위상동기루프(PLL)의 기준주파수로 사용하고 이 기준주파수를 위상동기루프(PLL)을 통해 2 N 분주시켜서 분해능을 2 N 배 높이는 것이다. 이 경우 기준주파수가 변하기 때문에 전압제어발진기(VCO)의 선형범위가 좁을 경우 2 N 배의 분해능을 얻을 수 없으므로 전압제어발진기(VCO)의 설계가 매우 중요하다.2 and 3, the high-resolution CMOS capacitance-frequency conversion apparatus according to the present invention includes a capacitance-frequency converter (CF converter) and a phase-locked loop (PLL) for capacitance frequency detection. The operating principle is to use the output frequency (Fosc) of an oscillation-type capacitive-to-frequency converter linearly converting the capacitance to frequency as the reference frequency of the PLL, by 2 N frequency division by the PLL) it will increase 2 N times the resolution. In this case, since the reference frequency is changed, when the linear range of the voltage controlled oscillator (VCO) is narrow, the resolution of 2 N times can not be obtained, so that the design of the voltage controlled oscillator (VCO) is very important.
먼저, 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치의 용량-주파수 변환기(C-F converter)는 도 4에 나타낸 바와 같이 단일전원 쌍안정 멀티바이브레이터를 사용한다. 이 경우 구형파의 발진주파수는 하기의 수학식 1로 표현된다.First, a capacitive-frequency converter (C-F converter) of a high-resolution CMOS capacitive-frequency converter according to the present invention uses a single power bistable multivibrator as shown in FIG. In this case, the oscillation frequency of the square wave is expressed by the following equation (1).
여기서 K는 
다음으로, 위상동기루프(PLL)는 위상 주파수 검출기(Phase Frequency Detector, PFD), 루프 필터(Loop Filter), 전압제어발진기(VCO) 및 분주기(Divider)로 구성된다. 기준주파수(용량-주파수 변환기의 출력)는 2 N 배의 분주기 출력 신호와 위상을 비교하여 위상이 빠르고 늦어짐에 따라 루프 필터(Loop Filter)의 전압을 업(up) 또는 다운(down) 시킨 다음 직류 전압으로 변환되고, 이 전압에 의해 전압제어발진기(VCO)의 발진주파수가 변화된다. 이러한 반복적인 동작이 기준주파수와 분주기(Divider)의 주파수가 동일할 때까지 반복된다. 여기서 2 N 배의 분주비의 범위에 해당되는 전압범위에서 전압제어발진기(VCO)가 선형적으로 동작하여야 고분해능의 용량-주파수 특성을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
Next, the phase locked loop (PLL) is composed of a phase frequency detector (PFD), a loop filter, a voltage controlled oscillator (VCO), and a divider. The reference frequency (the output of the capacitive-to-frequency converter) compares the phase with the 2N- times frequency-divided output signal, and ups or downs the voltage of the loop filter as the phase becomes fast and slow DC voltage, and the oscillation frequency of the voltage-controlled oscillator (VCO) is changed by this voltage. This repetitive operation is repeated until the frequency of the reference frequency is equal to the frequency of the divider. Here, it can be seen that a high-capacity capacity-frequency characteristic can be obtained when the voltage controlled oscillator (VCO) operates linearly in a voltage range corresponding to the range of 2N times division ratio.
2 N 배의 분주비에 해당되는 전압제어발진기(VCO)가 설계되었다면 위상동기루프(PLL)의 최종 출력은 하기의 수학식 2와 같이 주어진다.If a voltage controlled oscillator (VCO) corresponding to 2 N times division ratio is designed, the final output of the phase locked loop (PLL) is given by
넓은 제어범위를 갖는 VCO를 설계한 회로도를 도 5에 나타냈다. 도 5는 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 사용되는 전압제어발진기의 블록구성도로서, 전압제어발진기(VCO)는 공급전압의 제어범위를 갖는 선형전압-전류 변환기(Voltage to current converter, VIC), 2개의 스위칭 트랜지스터(S1 , S2 ), 1개의 커패시터(C), 그리고 슈미트 트리거(Schmitt trigger)로 구성된다. 회로의 동작원리는 다음과 같다.
A circuit diagram in which a VCO having a wide control range is designed is shown in Fig. FIG. 5 is a block diagram of a voltage controlled oscillator used in a high-resolution CMOS capacitance-frequency converter according to the present invention, wherein a voltage controlled oscillator (VCO) is a voltage-to-current converter , VIC), two switching transistors ( S 1 , S 2 ), one capacitor ( C ), and a Schmitt trigger. The operation principle of the circuit is as follows.
도 5에서 나타낸 바와 같이, VIC가 제어전압 VCON 에 대하여 선형전류 출력 
여기서 αK α, VH , VL 는 각각 VIC의 제어전압에 대한 전류이득 상수, 슈미트 트리거의 높은 문턱전압 및 낮은 문턱전압을 의미한다. 여기서 주목할 것은 높은 선형성과 공급전압까지 제어하는 전압제어발진기(VCO)를 설계하기 위해서는 고선형, 넓은 제어범위를 갖는 VIC의 개발이 선결되어야 한다는 것을 알 수 있다. Where α K α , V H , and V L are the current gain constants for the control voltage of VIC, the high threshold voltage and the low threshold voltage of the Schmitt trigger, respectively. It should be noted that the development of a VIC having a high linearity and a wide control range must be preliminarily designed in order to design a voltage controlled oscillator (VCO) that controls a high linearity and a supply voltage.
넓은 제어 범위를 갖는 VIC의 회로도는 도 6에 나타냈다. 도 6은 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 사용되는 공급전압에 대해 넓은 선형 범위를 가지는 전압-전류 변환기(VIC)의 회로도로서, VIC는 넓은 스윙 범위를 가지는 VIC(OTA1, M1, R3), 전압 감쇄기(OTA2, R1, R2), 출력전압 VG의 안정화를 위한 MOS 커패시터(M3)로 구성된다. 이 회로에서 사용된 OTA는 rail-to-rail의 구조를 가진다.A circuit diagram of a VIC having a wide control range is shown in Fig. Figure 6 is a high-resolution CMOS capacitor in accordance with the invention the voltage with a wide linear range for the supply voltage used in the frequency converter - a circuit diagram of the current transformer (VIC), VIC is VIC (OTA1, M 1 has a large swing range , R 3 ), a voltage attenuator (OTA 2 , R 1 , R 2 ), and a MOS capacitor M 3 for stabilizing the output voltage V G. The OTA used in this circuit has a rail-to-rail structure.
OTA를 이상적인 OTA로 가정한다면, R1, R2의 전압 분배공식에 의해 Vα 의 전압은 
만약 이득 Kα를 갖는 M1과 다른 pMOS로 전류 미러를 구성한다면, 0V에서 공급전압까지 넓은 제어 범위를 갖는 매우 고선형의 VIC를 실현할 수 있다. VIC 전류 출력을 안정화하기 위해 MOS 커패시터인 M3을 사용하였다.
If constructing a current mirror with a pMOS other than M 1 with a gain K α , a very high linear VIC with a wide control range from 0 V to a supply voltage can be realized. To stabilize the VIC current output, a MOS capacitor, M 3, was used.
슈미트 트리거를 사용한 제안된 전압제어발진기(VCO)의 회로 블록은 도 7에 나타냈다. 도 7은 본 발명에 따른 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치에 사용되는 전류바이어스와 슈미트 트리거를 이용한 전류-주파수 변환기 회로도로서, 회로에서 M1과 M2의 게이트 전압 VCON은 도 6의 M1의 게이트 전압 VG 와 같다. 도 6의 M1과 도 7의 M1, M2는 전류 이득이 1: Kα : Kα 인 전류 미러로 구성된다면, 전류 I는 KαiR3 와 같고, 발진주파수는 전술한 수학식 3과 같이 주어진다.The circuit block of the proposed voltage controlled oscillator (VCO) using the Schmitt trigger is shown in FIG. Figure 7 is a high-resolution CMOS capacitor in accordance with the invention of a circuit diagram a frequency converter, the gate voltage of the circuit M 1 and M 2 V CON is M 1 in FIG. 6-current bias to the current using a Schmitt trigger used in the frequency converter The gate voltage V G. Fig of 6 degrees and M 1 7 M 1, M 2 is the current gain is 1: K α: If composed of the K α current mirror, the current I is equal to K α i R3, the oscillation frequency is the above-described equation (3) As shown in Fig.
도 3에 나타낸 제안한 용량-주파수 변환기 회로는 TSMC CMOS 0.35㎛ 공정 모델파라미터를 사용하여 Cadence Pspice 시뮬레이션을 통하여 동작원리와 그 성능을 검증하였다. 모든 회로의 공급 전압은 단일 공급 전압으로 3.3V를 사용하였다. 도 6의 내부에서 사용된 저항은 R1=25㏀, R2=25㏀, R3=10㏀을 사용하였으며 OTA의 내부의 바이어스 전류는 IB=20㎂를 사용하였다. 그리고 VCO 내부에 있는 커패시터 C=12㎊, 저항 R=100Ω을 사용하였다. The proposed capacitance-to-frequency converter circuit shown in FIG. 3 verifies the operation principle and its performance through Cadence Pspice simulation using TSMC CMOS 0.35 탆 process model parameters. The supply voltage for all circuits was 3.3V for a single supply voltage. 6, the resistors R1 = 25 k ?, R2 = 25 k ?, and R3 = 10 k? Were used, and the bias current inside the OTA was I B = 20 μA. The capacitor C = 12Ω and the resistance R = 100Ω are used in the VCO.
도 8은 도 5에 제시한 VCO 회로에서 입력 제어 전압에 따른 발진주파수의 결과이다. VCO의 출력 주파수는 입력이 0~3.3V까지 가변함에 따라 200㎑~8㎒까지 선형적으로 나타나는 것을 확인하였다.8 is a result of the oscillation frequency according to the input control voltage in the VCO circuit shown in Fig. It is confirmed that the output frequency of the VCO linearly varies from 200 kHz to 8 MHz as the input varies from 0 to 3.3 V.
도 9는 용량-주파수 변환기의 출력 주파수 범위와 PLL을 이용한 용량-주파수 변환기의 출력 주파수 범위에 대한 결과이다. PLL을 이용하지 않은 용량 주파수 변환기의 범위는 125㎑~156㎑로 약 31Hz/fF의 분해능을 갖고 있으며, PLL을 이용한 용량주파수 변환기의 범위는 3.99㎒~4.97㎒까지로 약 32배 증가되었으며, 분해능은 980Hz/fF이였다, 소비전력은 2.1mW이였다.
9 shows results of the output frequency range of the capacity-frequency converter and the output frequency range of the capacity-frequency converter using the PLL. Capacitor frequency converter without PLL has a resolution of about 31Hz / fF from 125kHz to 156kHz, and the range of capacity frequency converter using PLL is increased about 32 times from 3.99㎒MHz to 4.97MHz, Was 980 Hz / fF, and the power consumption was 2.1 mW.
전술한 바와 같이, 본 발명은 정밀 용량변화를 계측하기 위해 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치를 설계하였다. 시뮬레이션 결과 PLL에 사용되는 VCO는 제어 전압의 범위가 0~3.3V이며, 이 범위에서 주파수는 200㎑~8㎒까지 매우 선형적 이였다. 용량-주파수 발진기의 분해능은 125㎑~156㎑이였지만, PLL을 사용함으로 3.99㎒~4.97㎒까지로 약 32배로 감도가 향상되었다. 따라서 제안한 변환기는 매우 작은 용량 변화의 감지가 필요한 정밀 계측장치에서 매우 유용하게 사용될 것이다.As described above, the present invention has designed a high-resolution CMOS capacitance-frequency conversion device to measure a precision capacitance change. Simulation results show that the control voltage range of the VCO used in the PLL is 0 ~ 3.3V. In this range, the frequency is very linear from 200kHz to 8MHz. The resolution of the capacitance-frequency oscillator was 125 kHz to 156 kHz, but the sensitivity was improved to about 32 times from 3.99 MHz to 4.97 MHz by using PLL. Therefore, the proposed transducer will be very useful for precision measurement devices that require very small change detection.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.
Claims (5)
상기 용량-주파수 변환기의 출력 주파수를 기준주파수로 하여 2N배 분주시켜 분해능을 2N배 높이는 위상동기루프(Phase Locked Loop, PLL);로 구성되며,
상기 용량-주파수 변환기는, 단일전원 쌍안정 멀티바이브레이터 회로로 구성되고,
상기 PLL은, 상기 기준주파수의 위상과 상기 기준주파수를 2N배한 분주된 출력신호의 위상이 같아질 때까지, 상기 기준주파수 및 상기 분주된 출력신호의 위상차를 비교하여 검출하는 위상 주파수 검출기(Phase Frequency Detector, PFD)와, 상기 PFD에서 검출된 위상차만큼 전압을 업(up) 또는 다운(down)시켜 직류전압으로 변환하는 루프 필터(Loop Filter)와, 상기 루프 필터에서 변환된 직류전압에 대응하는 주파수를 발진시키는 전압제어발진기(Voltage Control Oscillator, VCO) 및 상기 VCO의 출력 주파수를 2N배 분주시켜 상기 PFD에 인가하는 분주기(Divider)를 포함하여 구성되며,
상기 VCO는, 제어전압에 대하여 선형전류출력을 갖는 선형전압-전류 변환기(Linear Voltage to current converter)와, 상기 선형전압-전류 변환기에서 출력되는 선형전류를 스위칭하는 제1스위치 및 제2스위치와, 상기 제1스위치가 온(ON)될 때 슈미트 트리거(Schmitt trigger)의 최대문턱전압까지 상기 선형전압-전류 변환기에서 출력되는 선형전류를 충전하고, 상기 제1스위치가 오프(OFF)될 때 슈미트 트리거의 최저문턱전압까지 방전하는 커패시터 및 상기 커패시터의 충방전을 제어하는 전압을 출력하는 슈미트 트리거로 구성되며,
상기 선형전압-전류 변환기는,
제어전압을 (-)단자로 입력받는 제1OTA(Operational Trans-conductance Amplifire) 및 제2OTA가 레일투레일(rail-to-rail) 구조로 연결되고,
상기 제1OTA의 출력을 게이트입력으로 하는 제1pMOS트랜지스터 및 상기 제1pMOS트랜지스터의 드레인 단자에 직렬로 연결된 제3저항으로 구성되어 넓은 스윙 범위를 갖는 전압-전류 변환기와,
상기 제1pMOS트랜지스터의 드레인 전압을 (-)단자의 입력으로 하는 제2OTA의 출력을 게이트입력으로 하는 제2pMOS트랜지스터 및 상기 제2pMOS트랜지스터의 드레인 단자와 상기 제2OTA의 (+)단자 사이에 연결된 제1저항 및 상기 제2OTA (+)단자에 상기 제1저항과 병렬로 연결된 제2저항으로 구성되어 출력전압을 감쇄시키는 전압감쇄기 및
상기 출력전압을 안정시키는 MOS 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분해능 CMOS 용량-주파수 변환장치.A capacitance-frequency converter that linearly converts the capacitance to frequency; And
The capacity-frequency converter, the output frequency to the reference frequency by 2 N times the frequency division of resolution 2 N times the height of a phase-locked loop (Phase Locked Loop, PLL); consists of,
Wherein the capacitance-to-frequency converter comprises a single power bi-stable multivibrator circuit,
Wherein the PLL includes a phase frequency detector for comparing the phase difference between the reference frequency and the frequency-divided output signal until the frequency of the frequency-divided output signal is equal to 2N times the reference frequency A loop filter for converting a voltage up or down by a phase difference detected by the PFD into a DC voltage, and a DC / A voltage controlled oscillator (VCO) for oscillating a frequency, and a divider for dividing the output frequency of the VCO by 2N and applying the divided frequency to the PFD,
The VCO includes a linear voltage-to-current converter having a linear current output with respect to a control voltage, a first switch and a second switch for switching a linear current output from the linear voltage-current converter, Current transformer to a maximum threshold voltage of a Schmitt trigger when the first switch is turned on and a Schmitt trigger when the first switch is turned off, And a Schmitt trigger for outputting a voltage for controlling charge and discharge of the capacitor,
The linear voltage-current converter includes:
A first OTA and a second OTA receiving the control voltage at the (-) terminal are connected in a rail-to-rail structure,
A voltage-to-current converter having a first pMOS transistor having an output of the first AOT as a gate input and a third resistor connected in series to a drain terminal of the first pMOS transistor,
A second pMOS transistor having an output of a second AOT having a drain voltage of the first pMOS transistor as an input of a negative terminal thereof and a first pMOS transistor having an output of a second pMOS transistor connected between a drain terminal of the second pMOS transistor and a And a second resistor connected in parallel with the first resistor to the second AOT (+) terminal to attenuate the output voltage;
And a MOS capacitor for stabilizing the output voltage.
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