KR102451873B1

KR102451873B1 - 저항값 측정 장치

Info

Publication number: KR102451873B1
Application number: KR1020160169726A
Authority: KR
Inventors: 양상혁
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2022-10-06
Also published as: CN108614160A; KR20180068106A; US20180164356A1; US10241141B2; CN108614160B

Abstract

저항값 측정 장치는, 제1 전압이 인가되는 일단과, 타겟 저항이 연결되는 타단을 포함하는 레퍼런스 저항, 온도에 따라 가변되는 상기 제1 전압을 생성하며, 상기 제1 전압을 상기 레퍼런스 저항의 일단으로 공급하는 가변 전압 생성 회로, 및 상기 레퍼런스 저항의 타단으로 출력되는 전압에 대응하여, 상기 타겟 저항의 저항값을 출력하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

Description

저항값 측정 장치{APPARATUS FOR resistance measurement}

실시 예는 저항값 측정 장치에 관한 것이다.

저항값을 측정을 위해 레퍼런스 저항을 포함하는 측정 회로의 경우, 주변 온도 변화에 따라 레퍼런스 저항의 저항값이 크게는 30%까지 변할 수 있다. 레퍼런스 저항의 저항값 변화는 저항값 측정의 오차를 발생시키는 요인으로 작용한다. 따라서, 정확한 저항값 측정을 위해서는 온도에 따른 레퍼런스 저항의 변화를 보상하기 위한 회로가 반드시 필요하다.

따라서, 종래에는 테스트를 통해 레퍼런스 저항의 온도에 따른 저항값 변화를 미리 파악하고, 이를 토대로 디지털 후처리 과정을 수행하여 측정된 저항값을 보상하는 방법이 사용되었다. 이러한 보상 방법은, 측정값의 오차 보상을 통해 측정 정확도를 높일 수 있는 반면에, 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC) 등 비교적 복잡도가 높고 부피가 큰 부품들이 추가적으로 필요한 단점이 있다.

실시 예를 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는 저항값의 온도에 따른 오차를 보상하는 것이 가능면서도 복잡도가 감소된 저항값 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 일 실시 예에 따른 저항값 측정 장치는, 제1 전압이 인가되는 일단과, 타겟 저항이 연결되는 타단을 포함하는 레퍼런스 저항, 온도에 따라 가변되는 상기 제1 전압을 생성하며, 상기 제1 전압을 상기 레퍼런스 저항의 일단으로 공급하는 가변 전압 생성 회로, 및 상기 레퍼런스 저항의 타단으로 출력되는 전압에 대응하여, 상기 타겟 저항의 저항값을 출력하는 신호 처리부를 포함할 수 있다.

상기 저항값 측정 장치에서, 상기 가변 전압 생성 회로는, 제2 전압을 온도에 따라 가변하여 출력하는 온도 가변 전압 생성 회로, 및 상기 온도 가변 전압 생성 회로의 출력 전압을 상기 제1 전압으로 증폭하여 출력하는 증폭기를 포함할 수 있다.

상기 저항값 측정 장치는, 상기 제2 전압을 공급하며, 밴드갭 레퍼런스(bandgap reference) 회로를 포함하는 전원 공급 회로를 더 포함하고, 상기 온도 가변 전압 생성 회로는, 상기 밴드갭 레퍼런스 회로의 절대 온도 반비례(Complementary To Absolute Temperature) 회로일 수 있다.

상기 저항값 측정 장치에서, 상기 온도 가변 전압 생성 회로는 온도에 반비례하는 전압을 출력할 수 있다.

상기 저항값 측정 장치에서, 상기 증폭기는, 상기 온도 가변 전압 생성 회로의 출력 전압을 온도에 비례하는 전압으로 위상 변경하는 반전 증폭기일 수 있다.

상기 저항값 측정 장치에서, 상기 증폭기는, 레퍼런스 전압이 인가되는 포지티브 입력단과, 네거티브 입력단, 및 출력단을 포함하는 OP 앰프, 상기 OP 앰프의 네거티브 입력단과 상기 온도 가변 전압 생성 회로의 출력단 사이에 연결되는 제1 저항, 및 상기 OP 앰프의 네거티브 입력단과 상기 OP 앰프의 출력단 사이에 연결되는 제2 저항을 포함할 수 있다.

상기 저항값 측정 장치에서, 상기 가변 전압 생성 회로는 상기 증폭기의 출력단과 상기 레퍼런스 저항의 일단 사이에 연결되는 레귤레이터를 더 포함할 수 있다.

상기 저항값 측정 장치는, 상기 레퍼런스 저항의 타단과 상기 신호 처리부 사이에 연결되는 버퍼를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따르면, 저항값의 온도에 따른 오차를 보상하는 것이 가능면서도 복잡도가 감소된 저항값 측정 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 저항값 측정 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 실시 예에 따른 가변 전압 공급 회로를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시 예에 따른 가변 전압 공급 회로의 일 예를 도시한 것이다.
도 4는 가변 전압 생성 회로를 이용한 온도 보상 없이 저항값을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 가변 전압 생성 회로를 이용하여 온도 보상을 수행한 경우의 저항값 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 여러 실시 예들에 대하여 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 실시 예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.

실시 예들을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 붙이도록 한다. 따라서 이전 도면에 사용된 구성요소의 참조 번호를 다음 도면에서 사용할 수 있다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 실시 예들은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께 및 영역을 과장하여 나타낼 수 있다.

2개의 구성요소를 전기적으로 연결한다는 것은 2개의 구성요소를 직접(directly) 연결할 경우뿐만 아니라, 2개의 구성요소 사이에 다른 구성요소를 거쳐서 연결하는 경우도 포함한다. 다른 구성요소는 스위치, 저항, 커패시터 등을 포함할 수 있다. 실시 예들을 설명함에 있어서 연결한다는 표현은, 직접 연결한다는 표현이 없는 경우에는, 전기적으로 연결한다는 것을 의미한다.

이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예에 따른 저항값 측정 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 실시 예에 따른 저항값 측정 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 또한, 도 2는 실시 예에 따른 가변 전압 공급 회로를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 실시 예에 따른 가변 전압 공급 회로의 일 예를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 실시 예에 따른 저항값 측정 장치(100)는 가변 전압 생성 회로(110), 레퍼런스 저항(Rr), 버퍼(120) 및 신호 처리부(130)를 포함할 수 있다.

레퍼런스 저항(Rr)은 저항 측정용 전압(V2)이 인가되는 일단과 타겟 저항(Rt)과 연결되는 타단을 포함한다. 타겟 저항(Rt)은 레퍼런스 저항(Rr)과 접지 사이에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 레퍼런스 저항(Rr)의 일단으로 인가된 전압(V2)은 레퍼런스 저항(Rr)과 타겟 저항(Rt)에 의해 전압 분배되고, 레퍼런스 저항(Rr)의 타단과 타겟 저항(Rt) 사이의 연결 노드(n1)(이하, '출력 노드'라 명명하여 사용함)에는 타겟 저항(Rt)의 저항값에 대응하는 전압(Vo)이 출력된다.

버퍼(120)는 출력 노드(n1)와 신호 처리부(130) 사이에 연결되며, 출력 노드(n1)의 출력 전압(Vo)을 신호 처리부(130)로 전달한다.

신호 처리부(130)는 버퍼(120)를 통해 출력 전압(Vo)이 입력되면, 출력 전압(Vo)을 대응하는 저항값으로 변환하여 출력한다.

레퍼런스 저항(Rr)은 온도에 따라 특성(저항값)이 변화한다. 레퍼런스 저항(Rr)의 특성 변화는 출력 노드(n1)의 출력 전압(Vo)에 영향을 미쳐 저항값 측정에 오차 발생을 초래할 수 있다.

아래 수학식 1은 레퍼런스 저항(Rr)의 특성 변화에 따른 출력 전압(Vo)의 변화를 수식으로 나타낸 것이다.

[수학식 1]

위 수학식 1에서, V2는 레퍼런스 저항(Rr)에 공급되는 전압이고, Vo는 출력 노드(n1) 즉, 레퍼런스 저항(Rr)과 타겟 저항(Rt) 사이의 노드로 출력되는 전압이다. 또한, α는 레퍼런스 저항(Rr)의 온도 계수이고, T는 레퍼런스 저항(Rr)의 주변 온도 즉, 저항값 측정 장치(100)의 내부 온도를 나타낸다.

위 수학식 1에서, 타겟 저항(Rt)은 저항값 측정 장치(100)의 외부에 위치하는 측정 대상으로, 저항값 측정 장치(100)의 내부 온도 변화와는 무관한 것으로 가정한다.

위 수학식 1을 참조하면, 레퍼런스 저항(Rr)의 저항값은

로 온도가 증가할수록 증가한다. 따라서, 타겟 저항(Rt)이 동일하더라도 온도에 따라 출력 노드(n1)로 출력되는 출력 전압(Vo)이 달라져 전압값 측정에 오차가 발생할 수 있다. 위 수학식 1에 따르면, 출력 전압(Vo)은 온도에 따라 대략 5% 이상 변화할 수 있다.

따라서, 실시 예에서는 위 수학식 1의 분모에서의 레퍼런스 저항(Rr)의 저항값 변화를 보상하기 위해, 레퍼런스 저항(Rr)에 인가되는 전압(V2)을 온도에 따라서 가변한다.

가변 전압 생성 회로(110)는 전압원(VDD)과 레퍼런스 저항(Rr)의 일단 사이에 전기적으로 연결되며, 전압원(VDD)으로부터 공급되는 고정 전압을 온도에 따라 가변하여 레퍼런스 저항(Rr)으로 출력한다.

도 2를 참조하면, 가변 전압 생성 회로(110)는 온도 가변 전압 생성 회로(111), 증폭기(112) 및 레귤레이터(113)를 포함할 수 있다.

온도 가변 전압 생성 회로(111)는, 전압원(VDD)에 연결되며 전압원(VDD)으로부터 공급되는 고정 전압을, 온도에 따라 가변시켜 출력할 수 있다.

통상적으로 전자 기기의 전원 공급 회로는 온도에 독립적인 레퍼런스 전압을 공급하는 밴드갭 레퍼런스(bandgap reference) 회로를 포함한다. 밴드갭 레퍼런스 회로는, 절대 온도에 비례하는 출력을 출력하는 절대 온도 비례(Proportional To Absolute Temperature, PTAT) 회로와, 절대 온도에 반비례하는 출력을 출력하는 절대 온도 반비례(Complementary To Absolute Temperature) 회로를 포함하며, PTAT 회로와 CTAT 회로의 출력들을 적절한 계수로 더하여 온도에 독립적인 레퍼런스 전압을 출력한다.

온도 가변 전압 생성 회로(111)는 저항값 측정 장치(100)에 동작 전압(VDD)을 공급하는 전원 공급 회로에 포함된 CTAT 회로가 사용될 수 있다. 이 경우, 온도 가변 전압 생성 회로(111)는 온도에 반비례하는 전압 즉, 온도가 올라갈수록 작아지는 전압(V11)을 출력할 수 있다. 전원 공급 회로에 포함된 CTAT 회로를 온도 가변 전압 생성 회로(111)로 사용할 경우, 온도 가변 전압 생성 회로(111)를 구현하기 위해 추가적인 부품이나 회로의 사용이 필요없는 장점이 있다.

증폭기(112)는 온도 가변 전압 생성 회로(111)의 출력 전압(V11)을 증폭률(G)에 따라 증폭하여 출력할 수 있다. 온도 가변 전압 생성 회로(111)가 CTAT 회로인 경우, 증폭기(112)는 도 3에 도시된 바와 같이, 온도 가변 전압 생성 회로(111)의 출력 전압 즉, 온도에 반비례하여 출력되는 전압을 온도에 비례하는 전압으로 위상을 변경하여 출력할 수 있다.

도 3을 예로 들면, 증폭기(112)는 반전 증폭기로서, OP 앰프(OP-AMP, OPA1), OP 앰프(OPA1)의 네거티브 입력단과 온도 가변 전압 생성 회로(111)의 출력단 사이에 전기적으로 연결되는 저항(R11) 및 OP 앰프(OPA1)의 네거티브 입력단과 출력단 사이에 전기적으로 연결되는 저항(R12)을 포함하는 반전 증폭기일 수 있다. OP 앰프(OPA1)의 포지티브 입력단에는 레퍼런스 전압(Vref)이 인가된다.

이러한 구조의 반전 증폭기(112)는 출력 전압(V11)의 위상을 반전시켜 출력한다. 따라서, 온도에 반비례하여 변화하는 온도 가변 전압 생성 회로(111)의 출력(V11)은, 증폭기(112)에 의해 온도에 비례하는 전압(V12)으로 변환되어 출력될 수 있다.

반전 증폭기(112)의 증폭률(G)은 저항들(R11, R12)의 저항값에 의해 결정된다. 실시 예에서는, 레퍼런스 저항(Rr)의 저항값, 레퍼런스 저항(Rr)의 온도 계수, 전압의 온도 변화 계수 등을 고려하여 저항들(R11, R12)의 저항값을 설정함으로써, 반전 증폭기(112)의 증폭률(G)을 결정할 수 있다.

다시, 도 2를 보면, 레귤레이터(113)는 증폭기(112)의 고임피던스 연결을 위한 것으로서, 증폭기(112)의 특성 저하를 방지하여 증폭기(112)의 출력 전압(V12)을 일정하게 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 레귤레이터(113)의 출력단은 레퍼런스 저항(Rr)과 연결되어, 레귤레이터(113)의 출력 전압(V2)은 레퍼런스 저항(Rr)으로 출력된다.

도 3을 예로 들면, 레귤레이터(113)는 OP 앰프(OPA2), 트랜지스터(T1) 및 저항(R20)을 포함할 수 있다. 트랜지스터(T1)는, P 채널 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)로서, 소스 단자와 드레인 단자가 각각 전압원(VDD)과 저항(R20) 사이에 연결된다. 또한, 트랜지스터(T1)의 게이트 단자는 OP 앰프(OPA2)의 출력단과 연결된다. OP 앰프(OPA2)는 네거티브 입력단이 증폭기(112)의 출력단과 연결되며, 포지티브 입력단은 저항(R20)을 통해 트랜지스터(T1)의 드레인 단자에 연결된다. 또한, OP 앰프(OPA2)의 포지티브 입력단은 레퍼런스 저항(Rr)의 일단과 연결되어, OP 앰프(OPA2)의 포지티브 입력단의 전압(V2)이 레퍼런스 저항(Rr)의 일단에 공급된다.

전술한 구조의 가변 전압 생성 회로(110)는, 아래의 수학식 2와 같이 온도에 따라 변화된 전압(V2)이 레퍼런스 저항(Rr)으로 출력할 수 있다.

[수학식 2]

위 수학식 2에서, V1은 가변 전압 생성 회로(110)의 입력 전압(도 1의 VDD), β는 전압의 온도 변화 계수, T는 온도, G는 증폭기(112)의 증폭률을 나타낸다.

수학식 2를 위 수학식 1에 대입할 경우, 위 수학식 1은 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

위 수학식 3에 따르면, G를 적절한 값으로 설정할 경우, 가변 전압에 의해 분모에서의 레퍼런스 저항의 저항값 변화가 보상될 수 있다.

도 4 및 도 5는 실시 예에 따른 저항값 측정 장치의 효과를 설명하기 위한 도면들로서, 도 4는 가변 전압 생성 회로를 이용한 온도 보상 없이 저항값을 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5는 가변 전압 생성 회로를 이용하여 온도 보상을 수행한 경우의 저항값 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

도 4 및 도 5의 그래프에서, X축은 타겟 저항(Rt)의 저항값이고, Y축은 레퍼런스 저항(Rr)과 타겟 저항(Rt) 사이의 출력 노드의 출력 전압을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 가변 전압 생성 회로를 이용한 온도 보상을 적용하기 전의 저항값 측정 장치의 출력 전압은, 주변 온도에 따라 동일한 타겟 저항(Rt)에 대해 최대 46mV정도 차이가 남을 알 수 있다.

반면에, 도 5를 참조하면, 실시 예에 따른 가변 전압 생성 회로(110)를 적용하고, 가변 전압 생성 회로(110) 내 증폭기(112)의 증폭률(G)을 0.23으로 설정할 경우, 저항값 측정 장치(100)의 출력 전압은, 주변 온도에 따라 동일한 타겟 저항(Rt)에 대해 최대 1.19mV정도 차이만 발생하여 온도에 따른 오차가 보상됨을 알 수 있다.

이와 같이, 실시 예에 따른 저항값 측정 장치(100)는 레퍼런스 저항(Rr)에 공급되는 전압을 가변함으로써, 레퍼런스 저항(Rr)의 온도에 따른 특성 변화로 인해 저항값 측정 오차가 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한, 간단한 아날로그 회로를 이용하여 레퍼런스 저항(Rr)의 온도에 따른 특성 변화를 보상할 수 있어, 레퍼런스 저항(Rr)의 온도에 따른 특성 변화를 보상하기 위해 복잡한 회로를 사용하던 종래 방식에 비해 회로 복잡도가 감소하고 부품 단가가 감소하는 효과가 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 저항값 측정 장치
110: 가변 전압 생성 회로
111: 온도 가변 전압 생성 회로
112: 증폭기
113: 레귤레이터
120: 버퍼
130: 신호 처리부
Rr: 레퍼런스 저항
Rt: 타겟 저항

Claims

제1 전압이 인가되는 일단과, 타겟 저항이 연결되는 타단을 포함하는 레퍼런스 저항,
온도에 따라 가변되는 상기 제1 전압을 생성하며, 상기 제1 전압을 상기 레퍼런스 저항의 일단으로 공급하는 가변 전압 생성 회로, 및
상기 레퍼런스 저항의 타단으로 출력되는 전압에 대응하여, 상기 타겟 저항의 저항값을 출력하는 신호 처리부를 포함하며,
상기 가변 전압 생성 회로는,
제2 전압을 온도에 따라 가변하여 출력하는 온도 가변 전압 생성 회로,
상기 온도 가변 전압 생성 회로의 출력 전압을 증폭하여 출력하는 증폭기, 및
상기 증폭기의 출력단과 상기 레퍼런스 저항의 일단 사이에 연결되어 상기 제1 전압을 상기 레퍼런스 저항에 출력하는 레귤레이터를 포함하는 저항값 측정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 전압을 공급하며, 밴드갭 레퍼런스(bandgap reference) 회로를 포함하는 전원 공급 회로를 더 포함하고,
상기 온도 가변 전압 생성 회로는, 상기 밴드갭 레퍼런스 회로의 절대 온도 반비례(Complementary To Absolute Temperature) 회로인 저항값 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 온도 가변 전압 생성 회로는 온도에 반비례하는 전압을 출력하는 저항값 측정 장치.
제4항에 있어서,
상기 증폭기는, 상기 온도 가변 전압 생성 회로의 출력 전압을 온도에 비례하는 전압으로 위상 변경하는 반전 증폭기인 저항값 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 증폭기는,
레퍼런스 전압이 인가되는 포지티브 입력단과, 네거티브 입력단, 및 출력단을 포함하는 OP 앰프,
상기 OP 앰프의 네거티브 입력단과 상기 온도 가변 전압 생성 회로의 출력단 사이에 연결되는 제1 저항, 및
상기 OP 앰프의 네거티브 입력단과 상기 OP 앰프의 출력단 사이에 연결되는 제2 저항을 포함하는 저항값 측정 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 레퍼런스 저항의 타단과 상기 신호 처리부 사이에 연결되는 버퍼를 더 포함하는 저항값 측정 장치.