KR102048962B1 - 웨어러블 장치용 광수신 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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KR102048962B1
KR102048962B1 KR1020180098907A KR20180098907A KR102048962B1 KR 102048962 B1 KR102048962 B1 KR 102048962B1 KR 1020180098907 A KR1020180098907 A KR 1020180098907A KR 20180098907 A KR20180098907 A KR 20180098907A KR 102048962 B1 KR102048962 B1 KR 102048962B1
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이성호
김준철
박세훈
강상진
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전자부품연구원
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Abstract

본 출원의 일 실시예에 따르는 광수신 장치는, 광신호를 수신하는 수신부, 상기 광신호를 증폭전압으로 증폭하는 증폭부, 상기 증폭전압을 임의의 클럭들의 스위칭주기에 따라, 스위치드 커패시터에 충방전하여, 임피던스를 형성하고, 상기 스위치드 커패시터에 연결된 제1 커패시터와 상기 임피던스에 기초하여, 상기 증폭전압을 필터링하는 필터부 및 상기 필터부를 통해 출력받는 필터링신호를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환하는 변환부를 포함한다.

Description

웨어러블 장치용 광수신 장치 및 그 동작 방법{OPTICAL RECEIVER FOR WEARABLE DEVICES AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 광수신 장치에 관한 것으로, 특히, 왜란광을 억제할 수 있는 광수신 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
IT기술의 발전에 따라 정보처리기능을 갖는 장치를 신체에 착용하는 웨어러블 장치에 대한 분야가 개척되었다. 이러한 웨어러블 장치는 생체신호를 측정하고, 생체신호를 분석하는 전자장치로 송신할 수 있다.
특히, 웨어러블 장치는 소형화와 저전력으로 제작됨에 따라, 생체신호를 측정하여 빛을 이용한 광신호로서 전자장치에 송신할 수 있다. 또한, 광신호는 빛이기 때문에, 매우 불안정하고, 작은 크기의 전류일 수 있다.
따라서, 전자장치에는 미세하고 불안정한 광신호전류를 안정적으로 증폭하고, 전압으로 바꾸면서 증폭하는 TIA(Transimpedance Amplifier) 회로를 이용하는 광신수장치가 필수적이다.
그러나, 종래의 TIA(Transimpedance Amplifier) 회로는 광신호에 포함된 Ambient light(왜란광) 신호를 억제하면서, 광신호만을 증폭하는 데, 칩 내부의 사이즈가 커지는 문제가 있다. 특히, TIA(Transimpedance Amplifier) 회로는 DC성분과 유사한 왜란광만을 필터링하기 위해, nF 단위이상의 큰 캐패시터나 Tera ohm 단위 이상의 큰 저항을 이용해야 한다.
이에, 종래의 광수신 장치는, nF 단위 이상의 큰 캐패시터나, 큰 저항을 이용할 경우, 내부의 매우 넓은 면적을 필요로 하기 때문에, 소형화와 저전력으로 제작하는 데 어려운 문제가 있다.
본 출원의 목적은, 일정크기 이상의 커패시터나 저항없이, 내부를 소형화하고, DC 성분의 왠란광만을 필터링할 수 있는 광수신 장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 일 실시예에 따르는 광수신 장치는, 광신호를 수신하는 수신부, 상기 광신호를 증폭전압으로 증폭하는 증폭부, 상기 증폭전압을 임의의 클럭들의 스위칭주기에 따라, 스위치드 커패시터에 충방전하여, 임피던스를 형성하고, 상기 스위치드 커패시터에 연결된 제1 커패시터와 상기 임피던스에 기초하여, 상기 증폭전압을 필터링하는 필터부 및 상기 필터부를 통해 출력받는 필터링신호를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환하는 변환부를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 스위칭주기와 상기 스위치드 커패시터의 커패시턴스에 기초하여, 상기 임피던스의 크기를 일정크기 이상으로 조절하고, 상기 임피던스를 상기 변환부에 대하여 병렬로 형성한다.
실시예에 있어서, 상기 필터부는, 수학식 (1)을 통해 상기 임피던스를 획득하고, 여기서, 수학식 (1)은,
Figure 112018083878276-pat00001
이고, 이때, T는 상기 클럭들의 스위칭주기이고, CSW는 스위치드 커패시터의 커패시턴스이다.
실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 스위치드 커패시터에 직렬로 연결되는 제1 스위치, 상기 스위치드 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 스위치 및 상기 변환부에 대하여 상기 제1 커패시터와 병렬로 연결되는 제2 커패시터를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위치는, 상기 스위칭주기에서 임의의 클럭 중 서로 위상이 반전된 제1 및 제2 클럭에 응답하여, 교대로 스위칭한다.
실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 임피던스에 기초하여, 수학식 (2)를 통해 획득되는 차단주파수 이하의 대역을 필터링하고, 여기서, 수학식 (2)는,
Figure 112018083878276-pat00002
이고, 이때, C1은 상기 제1 커패시터의 커패시턴스이다.
실시예에 있어서, 상기 증폭부의 게인은, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터가 병렬로 결합된 등가 커패시턴스에 따라 조절된다.
실시예에 있어서, 상기 증폭부의 게인은, 수학식 (3)을 통해 획득되고, 여기서, 수학식 (3)은 Gain=20LOG{(C1+C2)/C1}이고, 이때, C2는 상기 제2 커패시터의 커패시턴스이다.
실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 제1 및 제2 클럭 중 어느 하나를 일정시간 지연시키는 래치부를 더 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 임피던스와 상기 제1 커패시터를 통해 하이패스 필터를 형성하고, 상기 변환부 측에 상기 임피던스와 상기 제2 커패시터를 통해 로우패스 필터를 형성한다.
실시예에 있어서, 상기 임피던스는, 테라 옴 이상의 저항크기를 가지고, 상기 스위치드 커패시터는, nF 단위 미만의 커패시턴스 크기를 가진다.
실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 클럭은, 제1 및 제2 스위칭구간 사이에 데드타임 구간을 포함한다.
본 출원의 일 실시예에 따르는 광수신 장치의 동작방법으로서, 광신호를 수신하는 단계, 상기 광신호를 증폭전압으로 증폭하는 단계, 임의의 제1 및 제2 클럭들의 스위칭주기에 따라, 상기 증폭전압을 스위치드 커패시터에 충방전하여, 임피던스를 형성하는 단계, 상기 스위치드 커패시터에 연결된 제1 커패시터와 상기 임피던스에 기초하여, 상기 증폭전압을 필터링하는 단계 및 상기 증폭전압에서 필터링된 필터링신호를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환하는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 임피던스는, 테라 단위의 옴 이상의 저항크기를 가지고, 상기 스위치드 커패시터는, nF 단위 미만의 커패시턴스 크기를 가진다.
실시예에 있어서, 상기 스위치드 커패시터에 직렬로 연결되는 제1 스위치, 상기 스위치드 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 스위치 및 상기 제1 커패시터와 연결되는 제2 커패시터를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 스위칭주기는, 상기 제1 스위치를 스위칭온 시키는 제1 스위칭구간, 상기 제2 스위치를 스위칭온 시키는 제2 스위칭구간 및 상기 제1 및 제2 스위칭구간 사이에 상기 제1 및 제2 스위치를 동시에 스위칭오프 시키는 데드타임구간을 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 임피던스를 형성하는 단계는, 상기 제1 및 제2 클럭 중 어느 하나를 일정시간 지연시키는 단계 및 상기 어느 하나가 지연된 상기 제1 및 제2 클럭을 상기 제1 및 제2 스위치에 제공하여, 상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 스위칭시키는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 스위칭시키는 단계는, 상기 제1 스위치가 스위칭온되고, 상기 제2 스위치가 스위칭오프되는 단계, 상기 제1 스위치가 스위칭온되고, 상기 제2 스위치가 스위칭오프될 때, 상기 스위치드 커패시터가 상기 증폭전압을 충전하는 단계, 상기 제1 및 제2 스위치가 동시에 스위칭오프되는 단계, 상기 제1 스위치가 스위칭오프되고, 상기 제2 스위치가 스위칭온되는 단계 및 상기 제1 스위치가 스위칭오프되고, 상기 제2 스위치가 스위칭온될 때, 상기 스위치드 커패시터가 충전된 상기 증폭전압을 방전하는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 필터링하는 단계는, 상기 임피던스와 상기 제1 커패시터를 통해 상기 증폭전압에서 저주파노이즈를 필터링하여 상기 필터링신호를 출력하는 단계 및 상기 임피던스와 상기 제2 커패시터를 통해 상기 필터링신호에서 고주파노이즈를 필터링하는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 저주파노이즈는 왜란광신호를 포함하고, 상기 고주파노이즈는, 상기 제1 및 제2 스위치를 통해 발생하는 스위칭잡음과 파워노이즈를 포함한다.
본 출원의 실시 예에 따른 광수신 장치 및 그 동작 방법은 일정크기 이상의 커패시터나 저항없이, 내부 면적을 소형화시키는 동시에, DC 성분의 왜란광신호만을 필터링할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 광수신 장치의 블록도이다.
도 2는 시간에 따른 광신호와 증폭전압간의 비교파형 그래프에 대한 실시 예이다.
도 3은 도 1의 광수신 장치의 실시 예이다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 스위치에 대한 동작 타이밍이다.
도 5는 도 2의 광수신 장치의 등가회로에 대한 일 예이다.
도 6은 증폭부의 게인이 35.7dB일 때, 주파수특성 그래프에 대한 실시 예이다.
도 7은 도 2의 광수신 장치의 등가회로에 대한 다른 실시 예이다.
도 8은 도 7의 등가회로를 통해 필터링 전후의 증폭전압에 대한 그래프이다.
도 9는 도 1의 광수신 장치의 동작 순서도이다.
도 10은 도 3의 래치부의 동작 순서도이다.
도 11은 도 3의 제1 및 제2 스위치와 스위치드 커패시터의 동작 순서도이다.
도 12는 도 3의 필터부의 필터링 동작에 대한 순서도이다.
도 13은 트랜스임피던스 증폭기의 일 예를 보여주는 블록도이다.
본 출원에 개시되어 있는 본 출원의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 출원의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 출원의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 출원에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 출원의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 출원의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 출원의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 출원의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 출원을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 출원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 출원의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 출원을 상세히 설명한다.
도 1은 본 출원의 일 실시예에 따른 광수신 장치(10)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 광수신 장치(10)는 수신부(100), 증폭부(200), 필터부(300) 및 변환부(400)를 포함할 수 있다.
먼저, 수신부(100)는 광신호를 수신할 수 있다. 여기서, 광신호는 웨어러블 장치나 외부장치로부터 감지된 생체신호에 대한 교류전류(IAC)로서, 외부에서 조사된 왜란광신호(Ambient Light)를 포함할 수 있다. 이때, 왜란광신호는 DC 성분의 잡음으로, 1HZ 미만의 주파수를 갖는 교류신호일 수 있다.
보다 구체적으로, 수신부(100)는 조사되는 빛에 따라, 광신호의 교류전류(IAC)를 수광하고, 교류전류(IAC)를 교류전압(VAC)으로 변환출력하는 포토다이오드일 수 있다. 즉, 수신부(100)는 웨어러블 장치나 외부장치로부터 감지된 생체신호에 대한 교류전류(IAC)를 수신하고, 교류전류(IAC)를 교류전압(VAC)으로 변환하여 증폭부(200)에 출력할 수 있다.
다음으로, 증폭부(200)는 수신부(100)로부터 출력받는 광신호의 교류전압(VAC)을 증폭하고, 증폭전압(VAMP)으로 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 증폭부(200)는 수신부(100)를 통해 출력받는 교류전압(VAC)과 기준전압(VREF)을 비교하고, 교류전압(VAC)을 증폭전압(VAMP)으로 증폭하는 연산증폭기일 수 있다.
여기서, 증폭전압(VAMP)은 증폭부(200)를 통해 증폭된 DC 성분의 왜란광신호를 포함할 수 있다.
다음으로, 필터부(300)는 임의의 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2)의 스위칭주기(T)에 따라, 증폭전압(VAMP)을 스위치드 커패시터(CSW)에 충방전시킬 수 있다. 여기서, 제1 클럭(CLK1)과 제2 클럭(CLK2)은 스위칭주기(T)가 서로 동일하며, 위상이 서로 반전된 신호일 수 있다.
그런 다음, 필터부(300)는 스위칭주기(T)와 스위치드 커패시터(CSW)의 커패시턴스에 기초하여, 변환부(400)에 병렬로 임피던스(R)를 형성할 수 있다. 여기서, 임피던스(R)는 테라 옴 이상의 저항 크기를 가지고, 스위치드 커패시터(CSW)는 nF 미만의 커패시턴스 크기를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 필터부(300)는 변환부(400)에 병렬로 임피던스(R)를 형성할 때, 수학식 (1)을 통해 일정크기 이상인 임피던스(R)를 획득하고,
여기서, 수학식 (1)은,
Figure 112018083878276-pat00003
이고,
이때, T는 임의의 클럭들(CLK1, CLK2)에 대한 스위칭주기이고, CSW는 스위치드 커패시터의 커패시턴스일 수 있다.
예를 들면, 스위칭주기(T)가 125HZ이고, 스위치드 커패시터(CSW)의 커패시턴스가 125HZ일 때, 필터부(300)는 변환부(400)에 병렬로 0.56 테라 옴 크기를 갖는 임피던스를 형성할 수 있다.
그런 다음, 필터부(300)는 스위치드 커패시터(CSW)에 병렬로 연결된 제1 커패시터와 변환부(400)에 병렬로 형성된 임피던스(R)를 통해 증폭전압(VAMP)을 필터링할 수 있다.
보다 구체적으로, 필터부(300)는 임피던스(R)와 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스에 기초하여, 수학식 (2)를 통해 차단주파수(fc)를 획득하고, 증폭전압(VAMP)에서 차단주파수(fc)에 따른 차단대역을 필터링할 수 있다.
이때, 필터부(300)는, 임피던스(R)에 기초하여, 수학식 (2)를 통해 차단주파수(fc)를 획득하고,
여기서, 수학식 (2)는,
Figure 112018083878276-pat00004
이고, 이때, C1은 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스일 수 있다.
즉, 필터부(300)는 증폭전압(VAMP)에서 차단대역이 제거된 필터링신호를 변환부(400)로 출력할 수 있다. 이에 따라, 수신부(100), 증폭부(200) 및 필터부(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 미세하고 불안정한 광신호를 왜란광을 억제하는 동시에, 안정적으로 증폭시키는 트랜스임피던스 증폭기(TransImpedance Amplifier, TIA)로 동작할 수 있다.
이후, 변환부(400)는 필터부(300)를 통해 출력받는 필터링신호를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환할 수 있다. 즉, 변환부(400)는 아날로그-디지털 컨버터일 수 있다.
본 출원의 실시 예에 있어서, 광수신 장치(10)는 종래의 필터회로에 이용되는 nF 단위이상의 커패시터나 테라 옴 단위이상의 저항들을 제거하고, nF 단위미만의 스위치드 커패시터(CSW)를 이용하는 필터부(300)를 통해 광신호에 대한 DC 성분의 왜란광만을 필터링할 수 있다. 이에 따라, 광수신 장치(10)는 칩사이즈를 획기적으로 소형화시켜, 전력효율을 높이는 효과가 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 필터부(300)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 도 1의 광수신 장치(10)의 실시 예이다.
도 1과 도 3을 참조하면, 필터부(300)는 스위치드 커패시터(CSW), 제1 및 제2 스위치(310, 320) 및 제1 및 제2 커패시터(330, 340)를 포함할 수 있다.
먼저, 스위치드 커패시터(CSW)는 증폭전압(VAMP)을 입력받아 충방전할 수 있는 커패시터로, nF 미만의 커패시턴스일 수 있다. 예를 들면, 스위치드 커패시터(CSW)는 작은 사이즈로 구현되는 펨토단위의 커패시턴스일 수 있다. 여기에서, 스위치드 커패시터(CSW)는 24fP의 커패시턴스로 가정한다.
다음으로, 제1 스위치(310)는 증폭부(200)와 변환부(400) 사이에서 스위치드 커패시터(CSW)와 직렬로 연결될 수 있다. 다음으로, 제2 스위치(320)는 증폭부(200)와 변환부(400) 사이에서 스위치드 커패시터(CSW)와 병렬로 연결될 수 있다.
실시예에 따른 제1 및 제2 스위치(310, 320)는 임의의 클럭(CLK1, CLK2)의 스위칭주기(T)에 따라, 교대로 스위칭온할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 제1 및 제2 스위치(310, 320)의 스위칭동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 스위치(310, 320)에 대한 동작 타이밍이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 제1 스위치(310)는 임의의 클럭(CLK1, CLK2) 중 제1 클럭(CLK1)의 스위칭주기(T)에 따라, 스위칭온되고, 제2 스위치(320)는 임의의 클럭(CLK1, CLK2) 중 제2 클럭(CLK2)의 스위칭주기(T)에 따라, 스위칭온될 수있다. 여기서, 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2)의 스위칭주기(T) 크기는 서로 동일하며, 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2)의 신호의 논리상태는 스위칭주기(T)에서, 위상이 서로 반전된 상태일 수 있다.
이때, 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2)의 스위칭주기(T)는 제1 데드타임구간, 제1 스위칭구간(t1), 제2 데드타임구간 및 제2 스위칭구간(t2)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 스위칭구간(t1)은 제1 스위치(310)가 스위칭온되는 구간이고, 제2 스위칭구간(t2)은 제2 스위치(320)가 스위칭온되는 구간일 수 있다. 이때, 제1 및 제2 데드타임 구간들은 제1 및 제2 스위칭구간(t1, t2)이 서로 겹치지 않도록 제공되는 구간일 수 있다.
실시예에 따라, 필터부(300)는 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2) 중 어느 하나를 일정시간 지연시키는 래치부(350)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 래치부(350)는 임의의 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2)에 응답하여, 스위칭주기(T)에서, 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2) 중 어느 하나를 일정시간 지연시킬 수 있어, 제1 스위칭구간(t1)과 제2 스위칭구간(t2)을 서로 겹치지 않게할 수 있다. 예를 들면, 래치부(350)는 제1 및 제2 클럭(CLK1, CLK2) 중 어느 하나를 300ps 지연시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 스위치(310)는 스위칭주기(T)의 제1 스위칭구간(t1)에서, 스위칭 온되고, 제2 스위치(320)는 스위칭 오프될 수 있다. 이때, 스위치드 커패시터(CSW)는 증폭부(200)와 연결되어, 증폭전압(VAMP)을 충전할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 스위치(330, 340)는 스위칭주기(T)의 제1 스위칭구간(t1)에서, 스위치드 커패시터(CSW)와 증폭부(200)를 연결하여, 스위치드 커패시터(CSW)에 증폭전압(VAMP)을 충전시킬 수 있다.
또한, 제1 스위치(310)는 스위칭주기(T)의 제2 스위칭구간(t2)에서, 스위칭 오프되고, 제2 스위치(320)는 스위칭온될 수 있다. 이때, 스위치드 커패시터(CSW)는 증폭부(200)와 차단되어, 증폭전압(VAMP)을 방전할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 스위치(330, 340)는 스위칭주기(T)의 제2 구간에서, 스위치드 커패시터(CSW)와 증폭부(200)를 차단하여, 스위치드 커패시터(CSW)에 충전된 전압을 방전시킬 수 있다.
이에, 제1 및 제2 스위치(310, 320)는 스위칭주기(T)에서 증폭전압(VAMP)을 스위치드 커패시터(CSW)에 충방전함에 따라, 변환부(400)에 대하여 임피던스(R)를 병렬로 형성할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 스위치(310, 320)와 스위치드 커패시터(CSW)는 도 5에 도시된 바와 같이, 변환부(400)에 대하여 병렬로 형성되는 임피던스(R)와 등가관계일 수 있다.
다음으로, 제1 커패시터(330)는 증폭부(200)에 대하여 스위치드 커패시터(CSW)와 병렬로 연결되고, 제2 커패시터(340)는 변환부(400)에 대하여 스위치드 커패시터(CSW)와 병렬로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 커패시터(330)는 변환부(400)에 대하여 병렬로 형성되는 임피던스(R)와 연결되어, 하이패스 필터(301)를 형성할 수 있다. 이때, 하이패스 필터(301)는 제1 커패시터(330)의 커패시턴스와 임피던스에 따라 획득되는 차단주파수(fc)에 기초하여, 증폭전압(VAMP)에서, 왜란광신호를 필터링할 수 있다.
또한, 제2 커패시터(340)는 증폭부(200)와 변환부(400) 사이에서, 제1 커패시터(330)와 병렬로 연결되어, 증폭부(200)의 게인(Gain)을 조정할 수 있다. 이러한 증폭부(200)의 게인(Gain)은 수학식 (3)을 통해 획득되고, 여기서, 수학식 (3)은 Gain=20LOG{(C1+C2)/C1}이고, 이때, C1은 제1 커패시터(330)의 커패시턴스이고, C2는 제2 커패시터(340)의 커패시턴스일 수 있다.
예를 들면, 제1 커패시터(330)의 커패시턴스가 1.2pF이고, 제2 커패시터(340)의 커패시턴스가 12pF~72pF으로 조절가능할 때, 증폭부(200)의 게인(Gain)은 20.8dB~35.7dB로 조절될 수 있다. 여기서, 도 6은 증폭부(200)의 게인(Gain)이 35.7dB일 때, 차단주파수(fc)가 0.7hz인 주파수특성 그래프에 대한 실시 예이다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 커패시터(340)는 변환부(400)에 대하여 병렬로 형성되는 임피던스(R)와 연결되어, 고주파노이즈를 필터링하는 로우패스 필터(302)를 형성할 수 있다. 여기서, 고주파노이즈는, 제1 및 제2 스위치(310, 320)에 따라 발생하는 노이즈와 파워노이즈를 포함할 수 있다. 로우패스 필터(302)는 제2 커패시터(340)의 커패시턴스와 임피던스에 따라 획득되는 차단주파수(fc)에 기초하여, 필터링신호(VF)에서 고주파노이즈를 필터링할 수 있다. 여기서, 도 8은 로우패스 필터(302)를 통해 고주파노이즈가 제거된 필터링신호(VF)의 실시 예이다.
이와 같이, 필터부(300)는 증폭전압(VAMP)을 스위치드 커패시터(CSW)에 충방전하여 형성되는 일정크기 이상의 임피던스(R)에 따라, 왜란광신호와 고주파노이즈를 필터링할 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 nF 이상의 커패시터나 테라 옴 이상의 저항들을 이용하지 않음으로써, 내부 칩사이즈를 획기적으로 축소시키는 동시에, 안정적인 필터링신호를 출력할 수 있는 효과가 있다.
도 9는 도 1의 광수신 장치(10)의 동작 순서도이다.
도 1과 도 9를 참조하면, S110 단계에서, 수신부(100)는 광신호를 수신할 수 있다. 다음으로, S120 단계에서, 증폭부(200)는 광신호를 증폭전압(VAMP)으로 증폭할 수 있다.
다음으로, S130 단계에서, 필터부(300)는 임의의 제1 및 제2 클럭들(CLK1, CLK2)의 스위칭주기(T)에 따라, 증폭전압(VAMP)을 스위치드 커패시터(CSW)에 충방전하여, 임피던스(R)를 형성할 수 있다. 여기서, 임피던스(R)는 테라 옴 이상의 저항크기를 가지고, 스위치드 커패시터(CSW)는 나노 피코(nF) 단위 미만의 커패시턴스 크기를 가질 수 있다.
그런 다음, S140 단계에서, 필터부(300)는 스위치드 커패시터(CSW)에 연결된 제1 커패시터(C1)와 임피던스(R)에 기초하여, 증폭전압(VAMP)을 필터링할 수 있다.
이후, S150 단계에서, 변환부(400)는 증폭전압(VAMP)에서 필터링된 필터링신호(VF)를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환할 수 있다.
도 10은 도 3의 래치부(350)의 동작 순서도이다.
도 1, 도 3 및 도 10을 참조하면, S210 단계에서, 래치부(350)는 임의의 제1 및 제2 클럭들(CLK1, CLK2)을 제공받을 수 있다.
이때, S220 단계에서, 래치부(350)는 제1 및 제2 클럭들(CLK1, CLK2) 중 어느 하나를 일정시간 지연시킬 수 있다.
이후, S230 단계에서, 래치부(350)는 어느 하나가 일정시간 지연된 제1 및 제2 클럭들(CLK1, CLK2)을 제1 및 제2 스위치(310, 320)에 제공하여, 제1 및 제2 스위치(310, 320)를 교대로 스위칭시킬 수 있다.
도 11은 도 3의 제1 및 제2 스위치(310, 320)와 스위치드 커패시터의 동작 순서도이다.
도 1, 도 3, 도 4 및 도 11을 참조하면, S310 단계에서, 제1 스위치(310)는 래치부(350)를 통해 제공받는 제1 및 제2 클럭들(CLK1, CLK2)의 스위칭주기(T)의 제1 스위칭구간(t1)에 따라, 스위칭온되고, 제2 스위치(320)는 스위칭오프될 수 있다.
이때, S320 단계에서, 스위치드 커패시터(CSW)는 증폭전압(VAMP)을 충전할 수 있다.
그런 다음, S330 단계에서, 제1 및 제2 스위치(310, 320)는 스위칭주기(T)의제1 데드타임 구간에 따라, 스위칭오프될 수 있다.
그런 다음, S340 단계에서, 제1 스위치(310)는 스위칭주기(T)의 제2 스위칭구간에 따라, 스위칭오프되고, 제2 스위치(320)는 스위칭온될 수 있다.
이때, S350 단계에서, 스위치드 커패시터(CSW)는 충전된 전압을 방전할 수 있다.
이후, S360 단계에서, 제1 및 제2 스위치(310, 320)는 스위칭주기(T)의 제2 데드타임 구간에 따라, 스위칭오프되며, 제1 및 제2 스위치(310, 320)와 스위치드 커패시터(CSW)는 S310 내지 S360 단계를 재수행할 수 있다. 여기서, 제1 스위치(310)는 스위치드 커패시터(CSW)에 병렬로 연결되고, 제2 스위치(320)는 제1 스위치(310)와 스위치드 커패시터(CSW)에 대하여 병렬로 연결될 수 있다.
도 12는 도 3의 필터부(300)의 필터링 동작에 대한 순서도이다.
도 1, 도 3, 도 5, 도 7 및 도 12를 참조하면, S410 단계에서, 필터부(300)는 임피던스(R)와 제1 커패시터(330)로 구성된 하이패스 필터(301)를 통해 증폭전압(VAMP)에서 저주파노이즈를 필터링하여 필터링신호(VF)를 출력할 수 있다. 여기서, 저주파노이즈는, 1hz 미만의 왜란광신호를 포함할 수 있다.
그런 다음, S420 단계에서, 필터부(300)는 임피던스(R)와 제2 커패시터(340)로 구성된 로우패스 필터(302)를 통해 필터링신호(VF)에서 고주파노이즈를 필터링할 수 있다. 여기서, 고주파노이즈는 제1 및 제2 스위치(310, 320)에 따라 발생하는 스위칭노이즈와 파워노이즈를 포함할 수 있다. 이때, 제2 커패시터(340)는 제1 커패시터(330)와 스위치드 커패시터(CSW)에 대하여 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 상술한 설명은 예시적인 것이며, 본 출원의 기술적 사상은 이에 한정되지 않음이 이해될 것이다. 예를 들어, 도 1 내지 도 12에서 설명된 스위치드 커패시터 구조는 다양하게 적용 및/또는 응용될 수 있다.
도 13은 트랜스임피던스 증폭기(20)의 일 예를 보여주는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 종래의 트랜스임피던스 증폭기(20)는 증폭부(21)와 피드백저항(22)을 포함할 수 있다. 이러한 트랜스임피던스 증폭기(20)는 입력받는 광신호를 증폭부(21)와 피드백저항(22)을 통해 안정적인 전압으로 증폭할 수 있다.
본 출원에 있어서, 광수신 장치(10)는 종래의 트랜스임피던스 증폭기(20)의 피드백저항(22)을 도 1 내지 도 12에서 설명된 필터부(300)의 스위치드 커패시터(SW)를 이용하여, 구현될 수 있다. 이와 같이, 스위치드 커패시터(SW)를 이용하여, 피드백 저항을 구현함으로써, 트랜스임피던스 증폭기(20)가 소형화될 수 있다.
본 출원은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 출원의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 광수신 장치
100: 수신부
200: 증폭부
300: 필터부
301: 하이패스 필터
302: 로우패스 필터
310, 320: 제1 및 제2 스위치
330, 330: 제1 및 제2 커패시터
400: 변환부

Claims (16)

  1. 광신호를 수신하는 수신부;
    상기 광신호를 증폭전압으로 증폭하는 증폭부;
    상기 증폭전압을 임의의 클럭들의 스위칭주기에 따라, 스위치드 커패시터에 충방전하여 임피던스를 형성하고, 상기 스위치드 커패시터에 연결된 제1 커패시터와 상기 임피던스에 기초하여 상기 증폭전압을 필터링하는 필터부; 및
    상기 필터부를 통해 출력받는 필터링신호를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환하는 변환부를 포함하고,
    상기 필터부는, 상기 증폭부에 대하여 상기 스위치드 커패시터에 직렬로 연결되는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치에 대하여 상기 스위치드 커패시터와 병렬로 연결되는 제2 스위치; 및
    상기 스위칭주기에 따라, 상기 증폭부의 게인을 조정하는 동작과, 상기 증폭전압에서 차단대역이 제거된 상기 필터링신호를 상기 변환부로 출력하는 동작을 교대로 수행할 수 있도록
    상기 변환부의 게이트측에 대하여 상기 제1 커패시터와 병렬로 연결되고, 상기 증폭부의 출력측에 대하여 상기 스위치드 커패시터와 직렬로 연결되며, 상기 제1 커패시터에 대하여 상기 임피던스와 병렬로 연결되는 제2 커패시터를 포함하는, 광수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는, 상기 스위칭주기와 상기 스위치드 커패시터의 커패시턴스에 기초하여, 상기 임피던스의 크기를 일정크기 이상으로 조절하고, 상기 임피던스를 상기 변환부에 대하여 병렬로 형성하는 광수신 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치는, 상기 스위칭주기에서 임의의 클럭 중 서로 위상이 반전된 제1 및 제2 클럭에 응답하여, 교대로 스위칭하는 광수신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증폭부의 게인은, 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터가 병렬로 결합된 등가 커패시턴스에 따라 조절되는 광수신 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 필터부는, 상기 제1 및 제2 클럭 중 어느 하나를 일정시간 지연시키는 래치부를 더 포함하는 광수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는, 상기 임피던스와 상기 제1 커패시터를 통해 하이패스 필터를 형성하고, 상기 변환부 측에 상기 임피던스와 상기 제2 커패시터를 통해 로우패스 필터를 형성하는 광수신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스는, 테라 옴 단위이상의 저항크기를 가지고,
    상기 스위치드 커패시터는, nF 단위 미만의 커패시턴스 크기를 가지는 광수신 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 클럭은, 제1 및 제2 스위칭구간 사이에 데드타임 구간을 포함하는 광수신 장치.
  10. 광수신 장치의 동작방법으로서,
    수신부가 광신호를 수신하는 단계;
    증폭부가 상기 광신호를 증폭전압으로 증폭하는 단계;
    필터부가 임의의 제1 및 제2 클럭들의 스위칭주기에 따라, 상기 증폭전압을 스위치드 커패시터에 충방전하여, 임피던스를 형성하는 단계;
    상기 필터부가 상기 스위치드 커패시터에 연결된 제1 커패시터와 상기 임피던스에 기초하여, 상기 증폭전압을 필터링하는 단계; 및
    변환부가 상기 증폭전압에서 필터링된 필터링신호를 아날로그 형태에서 디지털 형태로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 필터부는, 상기 증폭부에 대하여 상기 스위치드 커패시터에 직렬로 연결되는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치에 대하여 상기 스위치드 커패시터와 병렬로 연결되는 제2 스위치; 및
    상기 스위칭주기에 따라, 상기 증폭부의 게인을 조정하는 동작과, 상기 증폭전압에서 차단대역이 제거된 상기 필터링신호를 상기 변환부로 출력하는 동작을 교대로 수행할 수 있도록
    상기 변환부의 게이트측에 대하여 상기 제1 커패시터와 병렬로 연결되고, 상기 증폭부의 출력측에 대하여 상기 스위치드 커패시터와 직렬로 연결되며, 상기 제1 커패시터에 대하여 상기 임피던스와 병렬로 연결되는 제2 커패시터를 포함하는, 광수신 장치의 동작방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 임피던스는, 테라 옴 이상의 저항크기를 가지고,
    상기 스위치드 커패시터는, nF 단위 미만의 커패시턴스 크기를 가지는 광수신 장치의 동작방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 스위칭주기는, 상기 제1 스위치를 스위칭온 시키는 제1 스위칭구간;
    상기 제2 스위치를 스위칭온 시키는 제2 스위칭구간; 및
    상기 제1 및 제2 스위칭구간 사이에 상기 제1 및 제2 스위치를 동시에 스위칭오프 시키는 데드타임구간을 포함하는 광수신 장치의 동작방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 임피던스를 형성하는 단계는, 상기 필터부가 상기 제1 및 제2 클럭 중 어느 하나를 일정시간 지연시키는 단계; 및
    상기 필터부가 상기 어느 하나가 지연된 상기 제1 및 제2 클럭을 상기 제1 및 제2 스위치에 제공하여, 상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 스위칭시키는 단계를 포함하는 광수신 장치의 동작방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 스위칭시키는 단계는, 상기 제1 스위치가 스위칭온되고, 상기 제2 스위치가 스위칭오프되는 단계;
    상기 제1 스위치가 스위칭온되고, 상기 제2 스위치가 스위칭오프될 때, 상기 스위치드 커패시터가 상기 증폭전압을 충전하는 단계;
    상기 제1 및 제2 스위치가 동시에 스위칭오프되는 단계;
    상기 제1 스위치가 스위칭오프되고, 상기 제2 스위치가 스위칭온되는 단계; 및
    상기 제1 스위치가 스위칭오프되고, 상기 제2 스위치가 스위칭온될 때, 상기 스위치드 커패시터가 충전된 상기 증폭전압을 방전하는 단계를 포함하는 광수신 장치의 동작방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 필터링하는 단계는, 상기 임피던스와 상기 제1 커패시터를 통해 상기 증폭전압에서 저주파노이즈를 필터링하여 상기 필터링신호를 출력하는 단계; 및
    상기 제2 커패시터와 상기 임피던스를 통해 상기 필터링신호에서 고주파노이즈를 필터링하는 단계를 포함하는 광수신 장치의 동작방법.
















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