KR102118805B1 - 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스위치드 커패시터 방식을 이용해 정전용량형 습도 센서의 정전용량의 변화를 감지하여 전압으로 변환할 수 있는 인터페이스 회로에 관한 것이다. 본 발명은 센서커패시터에 충전된 전하량과 기준커패시터에 충전된 전하량의 비교에 따른 결과값을 전압으로 출력함으로서 피드백 커패시터를 사용하지 않고 C-V 변환할 수 있는 효과가 있다.

Description

스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로{INTERFACE CIRCUIT USING SWITCHED-CAPACITOR}
본 발명은 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위치드 커패시터 방식을 이용해 정전용량형 습도 센서의 정전용량의 변화를 감지하여 전압으로 변환할 수 있는 인터페이스 회로에 관한 것이다.
전자공학에서 정전식 감응(capacitive sensing) 기술은 정전용량 커플링 효과로 근접, 변위, 습도, 유량, 가속도 등에 의해 센서의 정전용량 값의 변화를 감지하는 장치를 의미한다. 정전용량방식을 통해 습도 등을 측정하는 센서는 고 정밀, 광범위한 습도 측정이 가능하며, 저 소비 전력, 빠른 반응 속도, 높은 안정성 등의 장점을 갖는다. 정전용량식 습도센서는 습도의 변화에 따라서 정전용량 값의 변화가 나타나고, 전기적 신호로 출력을 내보내기 위한 인터페이스 회로가 요구된다.
일본 등록특허 제4229885호(이하 '선행문헌'이라 칭함)는 물리량의 변화에 따라 용량이 변화하는 센서부와 센서부의 용량 변화를 전압으로 변환하는 스위치드-커패시터 구성의 C-V변환부를 구비하는 용량식 물리량 검출 장치에 관한 것이다. 선행문헌은 간소한 구성으로 센서부의 온도 특성을 보정할 수 있는 용량식 물리량 검출 장치를 제공할 수 있는 장점을 가지게 된다.
도 1은 종래의 스위치드-커패시터 방식의 정전용량형 습도 센서에 관한 것이다. 스위치드-커패시터 방식의 정전용량형 습도 센서를 위한 인터페이스 회로는 반대되는 위상의 두 클럭 신호에 따라 회로의 스위치가 동작된다. 각 클럭의 위상에 따라 나타나는 커패시터의 충/방전을 통해 발생하는 전하재분배 현상을 이용한다. 각각의 커패시터에 저장되는 전하량을 비교하여 외부 변화에 따른 센서의 정전용량 값의 변화를 전압 출력으로 나타낸다. 인터페이스 회로에서 전하량 보존의 법칙을 나타내기 위한 기본적 원리인 정전용량과 전압의 관계는 식(1)과 같다.
[식 1] Q=CV
종래의 방식은 스위치의 동작에 따라 Csensor와 Cref에 저장되는 전하량을 피드백 커패시터Cf에 저장된 결과값을 전압 출력으로 나타낸다. 이때의 회로의 동작은 식(2)와 같다.
[식 2]
Figure 112018113975661-pat00001
종래의 방식은 습도의 변화에 따른 정전용량 크기의 변화량이 클수록 요구되어지는 피드백 커패시터Cf의 정전용량이 커지기 때문에 회로의 집적화에 어려움을 갖는다.
일본 등록특허 제4229885호 (발명의 명칭 : 용량식 물리량 검출 장치, 등록일 : 2008.12.12.)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 센서커패시터에 충전된 전하량과 기준커패시터에 충전된 전하량의 비교에 따른 결과값을 전압으로 출력하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로는 전하가 충전되는 기준커패시터, 외부 변화에 따른 전하가 충전되는 센서커패시터, 제1클록신호에 따라 상기 기준커패시터에 전하를 충전시키며, 상기 센서커패시터를 초기화시키기 위한 스위치부, 제2클록신호에 따라 상기 센서커패시터에 상기 외부 변화에 따른 전하를 충전시키기 위한 또 다른 스위치부, 및 상기 센서커패시터에 충전된 전하량과 상기 기준커패시터에 충전된 전하량의 비교에 따른 결과값을 전압으로 출력하는 전압출력부를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 스위치부는 상기 기준커패시터와 전압원 사이에 연결되는 제1스위치, 제1그라운드와 상기 센서커패시터 사이에 연결되는 제2스위치, 상기 기준커패시터 및 상기 센서커패시터와 제2그라운드 사이에 연결되는 제3스위치를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 또 다른 스위치부는 제3그라운드와 상기 기준커패시터 사이에 연결되는 또 다른 제1스위치, 및 상기 전압원과 상기 센서커패시터 사이에 연결되는 또 다른 제2스위치를 포함한다.
본 발명에 따라 상기 제1클록신호가 입력되면 상기 스위치부는 연결되고, 상기 또 다른 스위치부는 오픈되되, 상기 기준커패시터는 상기 전압원과 상기 제2그라운드와 연결되어 상기 전압원으로부터 전압을 인가받아 전하가 충전되며, 상기 센서커패시터는 상기 제1그라운드 및 상기 제2그라운드와 연결되어 초기화된다.
본 발명에 따라 상기 제2클록신호가 입력되면, 상기 스위치부는 오픈되고, 상기 또 다른 스위치부는 연결되되, 상기 센서커패시터는 상기 전압원과 연결되어 상기 외부 변화에 따른 전하가 충전된다.
본 발명에 따라 상기 전압출력부는 출력저항을 낮추기 위한 연산증폭기버퍼를 포함한다.
본 발명은 센서커패시터에 충전된 전하량과 기준커패시터에 충전된 전하량의 비교에 따른 결과값을 전압으로 출력함으로서 피드백 커패시터를 사용하지 않고 C-V 변환할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로이다.
도 2는 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로이다.
도 3은 제1클록신호에 따른 인터페이스 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제2클록신호에 따른 인터페이스 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로이다. 도 2를 참조하면, 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로는 기준커패시터(200), 센서커패시터(300), 스위치부(410, 420, 430), 또 다른 스위치부(510, 520), 전압출력부(700)를 포함할 수 있다.
기준커패시터(200)는 전압원(100)으로부터 전압을 인가받아 전하가 충전되는 장치이다.
센서커패시터(300)는 습도변화 등 외부 변화에 따른 전하가 충전되는 장치이다. 스위치부는 제1클록신호(Φ1)에 따라 기준커패시터(200)에 전하를 충전시키며, 센서커패시터(300)를 초기화시키기 위한 장치이다. 스위치부는 제1스위치(410), 제2스위치(420), 제3스위치(430)를 포함한다.
또 다른 스위치부는 제2클록신호(Φ2)에 따라 센서커패시터(300)에 외부 변화에 따른 전하를 충전시키기 위한 장치이다. 또 다른 스위치부는 또 다른 제1스위치(510), 또 다른 제2스위치(520)를 포함한다.
제1클록신호(Φ1) 또는 제2클록신호(Φ2)에 따른 스위치부와 또 다른 스위치부의 동작은 도 3 내지 도 4를 통해 후술하도록 한다.
전압출력부(700)는 센서커패시터(300)에 충전된 전하량과 기준커패시터(200)에 충전된 전하량의 비교에 따른 결과값을 전압으로 출력하는 장치이다.
전압출력부(700)는 출력저항을 낮추기 위한 연산증폭기 버퍼(710)를 포함한다. 연산증폭기 버퍼(710)를 통해 출력저항이 낮아짐으로서 출력값이 안정적으로 ADC(Anolog to Digital Converter)로 전달된다.
[인터페이스 회로의 연결구조]
본 발명의 따른 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로의 연결구조에 대해 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 제1스위치(410)는 기준커패시터(200)와 전압원(100) 사이에 연결된다. 제2스위치(420)는 제1그라운드(610)와 센서커패시터(300) 사이에 연결된다. 제3스위치(430)는 기준커패시터(200) 및 센서커패시터(300)와 제2그라운드 (620)사이에 연결된다.
또 다른 제1스위치(510)는 제3그라운드(630)와 기준커패시터(200) 사이에 연결된다. 또 다른 제2스위치(520)는 전압원(100)과 센서커패시터(200) 사이에 연결된다.
제1그라운드 내지 제3그라운드는 편의상 분류되었으나, 접지를 위한 것으로 하나로 구성될 수 있다.
[제1클록신호(Φ1)]
도 3은 제1클록신호에 따른 인터페이스 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 제1클록신호(Φ1)가 입력되면, 스위치부는 모두 연결되고, 또 다른 스위치부는 모두 오픈된다.
도 3을 참조하면, 제1스위치(410), 제2스위치(420), 제3스위치(430)는 닫쳐 있으며, 또 다른 제1스위치(510), 또 다른 제2스위치(520)는 열려 있다.
제1스위치(410) 및 제3스위치(430)가 동작됨에 따라 기준커패시터(200)는 전압원(100)으로부터 전압을 인가받아 센서커패시터(200)에 충전되는 전하와 비교하기 위한 전하가 충전된다.
또한, 제2스위치(420)가 닫쳐 있음에 따라 센서커패시터(300)는 접지됨으로서 초기화(reset)된다.
[제2클록신호(Φ2)]
도 4는 제2클록신호에 따른 인터페이스 회로의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 제2클록신호(Φ2)가 입력되면, 스위치부는 모두 오픈되고, 또 다른 스위치부는 모두 연결된다.
도 4를 참조하면, 제1스위치(410), 제2스위치(420), 제3스위치(430)는 열려 있으며, 또 다른 제1스위치(510), 또 다른 제2스위치(520)는 닫쳐 있다.
또 다른 제2스위치(520)가 동작됨에 따라 센서커패시터(300)는 전압원(100)과 연결되어 외부 변화에 따른 전하가 충전된다. 센서커패시터(300)에 전하가 충전되면, 전압출력부(700)는 센서커패시터(300)에 충전된 전하량과 기준커패시터(200)에 충전된 전하량을 비교한다. 전압출력부(700)는 C-V(용량-전압)변환을 실시하여 비교 결과값에 대한 전압을 출력한다. 증폭기를 통한 C-V변환은 공지된 기술로서 자세한 설명은 생략한다.
제1클록신호(Φ1)와 제2클록신호(Φ2)는 서로 반대되는 위상의 신호이며, 제1클록신호(Φ1)가 발생된 이후, 제2클록신호(Φ2)가 발생된다. 한편, 제1클록신호(Φ1) 및 제2클록신호(Φ2)에 의해 본 발명의 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로의 동작은 식(3)으로 나타낼 수 있다. 본 발명은 센서의 정전용량의 변화에 따라 정밀한 출력이 나타날 수 있으며, 정전용량형 센서의 정전용량 값에 따라 충분히 집적 설계가 가능하다.
[식 3]
Figure 112018113975661-pat00002
100 : 전압원 200 : 기준커패시터
300 : 센서커패시터 410 : 제1스위치부
420 : 제2스위치부 430 : 제3스위치부
510 : 또 다른 제1스위치부 510 : 또 다른 제2스위치부
610 : 제1그라운드 620 : 제2그라운드
630 : 제3그라운드 700 : 전압출력부
710 : 연산증폭기 버퍼

Claims (6)

  1. 전하가 충전되는 기준커패시터;
    외부 변화에 따른 전하가 충전되는 센서커패시터;
    상기 기준커패시터와 전압원 사이에 연결되는 제1스위치, 제1그라운드와 상기 센서커패시터 사이에 연결되는 제2스위치, 및 상기 기준커패시터 및 상기 센서커패시터와 제2그라운드 사이에 연결되는 제3스위치를 포함하되, 제1클록신호에 따라 상기 기준커패시터에 전하를 충전시키며, 상기 센서커패시터를 초기화시키는 스위치부;
    제2클록신호에 따라 상기 센서커패시터에 상기 외부 변화에 따른 전하를 충전시키기 위한 또 다른 스위치부; 및
    상기 센서커패시터에 충전된 전하량과 상기 기준커패시터에 충전된 전하량의 비교에 따른 결과값을 전압으로 출력하는 전압출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 또 다른 스위치부는
    제3그라운드와 상기 기준커패시터 사이에 연결되는 또 다른 제1스위치; 및
    상기 전압원과 상기 센서커패시터 사이에 연결되는 또 다른 제2스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1클록신호가 입력되면 상기 스위치부는 연결되고, 상기 또 다른 스위치부는 오픈되되,
    상기 기준커패시터는 상기 전압원과 상기 제2그라운드와 연결되어 상기 전압원으로부터 전압을 인가받아 전하가 충전되며, 상기 센서커패시터는 상기 제1그라운드 및 상기 제2그라운드와 연결되어 초기화되는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2클록신호가 입력되면, 상기 스위치부는 오픈되고, 상기 또 다른 스위치부는 연결되되,
    상기 센서커패시터는 상기 전압원과 연결되어 상기 외부 변화에 따른 전하가 충전되는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압출력부는 출력저항을 낮추기 위한 연산증폭기 버퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 커패시터 방식의 인터페이스 회로.
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