KR102612944B1 - 홀 센서 온도보상을 위한 adc 기준전압회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀 센서의 온도보상을 위한 ADC의 기준전압회로에 관한 것으로, 이동체의 현재 위치에 관한 차동신호를 출력하는 홀 센서와, 상기 차동신호를 증폭 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부의 출력을 디지털 데이터로 변환 출력하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 기준전압회로에 있어서,
바이어스 전류를 공급하기 위한 전류원과; 접지단에 베이스와 컬렉터가 연결되고 에미터가 상기 전류원에 연결되어 온도변화를 전압으로 변환하는 트랜지스터와; 복수의 저항들이 직렬연결되어 기준 최고전압과 기준 최저전압을 출력하는 피드백 저항부와; 상기 복수의 저항들 중 두 저항의 접속점과 상기 트랜지스터의 에미터단에 연결되어 온도변화에 따른 전압 변화량을 보정하는 온도 보정용 저항과; 밴드갭 기준회로의 기준전압 출력단과 상기 온도 보정용 저항의 일측에 각각 제1 및 제2단자가 연결되고, 출력단자가 상기 피드백 저항부의 일측과 연결되는 연산 증폭기;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

홀 센서 온도보상을 위한 ADC 기준전압회로{ADC reference voltage circuit for Hall sensor temperature compensation}

본 발명은 아날로그 디지털 컨버터(ADC)의 기준전압회로에 관한 것으로, 특히 홀 센서의 온도보상을 위한 ADC의 기준전압회로에 관한 것이다.

홀 센서(Hall Sensor)는 홀 효과(Hall Effect)를 이용한 자기-전기 변환기(Magnetic-Electo Transducer)이다. 이러한 홀 센서는 일반적으로 브리지(bridge) 형태의 4개의 저항으로 구성되어 자속의 변화를 차동(differential) 전압으로 변경시키는 수동형 센서(passive sensor)이다.

홀 센서의 출력(전압)은 홀 계수에 비례하므로 온도에 의존적이다. 즉, 주위의 온도변화에 따라 센서의 감도(sensitivity)가 가변되기에 센싱 신호의 크기도 같이 변하는 특성을 갖는다. 이에 온도 변화에 따라 홀 센서의 출력을 보상하기 위한 방안이 요구되어진다.

이와 같이 홀 센서의 온도 변화에 따른 특성 변화를 보상하기 위한 기술로서 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0114976호에 게시된 "홀 센서의 온도 보상장치"가 있다. 이러한 홀 센서의 온도 보상장치는 온도 변화에 따라 출력 전압이 달라지는 정전압원과, 일정한 기준 전압이 입력되는 기준전압 입력단과, 정전압원의 출력 전압과 기준전압 입력단에서 입력되는 입력 전압을 소정의 비율로 가산하는 가산부와, 가산부의 출력 전압을 전류로 변환하는 전압-전류 변환부와, 상기 전압-전류 변환부의 출력에 의해 구동되며 온도에 따른 특성 변화를 갖는 홀 센서를 포함한다.

이러한 홀 센서의 온도 보상장치는 온도에 따라 출력 전압이 변화되는 전류 센서의 온도를 보상할 수 있는 효과가 있지만, 상대적으로 정전압원과 가산부, 전압-전류 변환부와 같은 부수적인 회로 구성을 요구하므로 회로 규모가 커지는 문제점이 있다.

한편, 정전압이 아닌 홀 센서 바이어스 전류를 온도변화에 맞춰 바꾸어 주는 방식도 소개되고 있지만, 이러한 경우에도 센서를 위한 별도의 전류 레퍼런스가 필요함은 물론, 전류 레퍼런스값을 맞추는 것도 용이하지 못하다. 이에 간단한 회로 구성만으로도 홀 센서의 온도변화에 따른 출력 특성을 보상할 수 있는 방안이 필요하다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0114976호 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0038304호 미국 등록특허 US6,204,657

이에 본 발명은 상술한 필요성에 따라 창안된 발명으로서, 본 발명의 주요 목적은 홀 센서의 온도 변화에 따른 특성 변화를 보상하되, 홀 센서 출력을 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 온도변화 특성을 보상할 수 있는 ADC의 기준전압회로를 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 홀 센서 출력을 디지털 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 홀 센서의 온도변화 특성을 보상하기 위한 기준전압회로를 제공하되, 간단한 회로 구성으로 복수 개의 전압 발생이 가능한 ADC의 기준전압회로를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로는 홀 센서 시그널 체인을 구성하는 아날로그 디지털 컨버터의 기준전압회로로서,

바이어스 전류를 공급하기 위한 전류원과;

접지단에 베이스와 컬렉터가 연결되고 에미터가 상기 전류원에 연결되어 온도변화를 전압으로 변환하는 트랜지스터와;

복수의 저항들이 직렬연결되어 기준 최고전압과 기준 최저전압을 출력하는 피드백 저항부와;

상기 복수의 저항들 중 두 저항의 접속점과 상기 트랜지스터의 에미터단에 연결되어 온도변화에 따른 전압 변화량을 보정하는 온도 보정용 저항과;

밴드갭 기준회로의 기준전압 출력단과 상기 온도 보정용 저항의 일측에 각각 제1 및 제2단자가 연결되고, 출력단자가 상기 피드백 저항부의 일측과 연결되는 연산 증폭기;를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상술한 구성의 ADC의 기준전압회로에 있어서, 상기 트랜지스터는 베이스 에미터 전압이 온도에 반비례하는 특성을 가지는 BJT(Bipolar Junction Transistor)임을 특징으로 한다.

또한 상술한 구성의 ADC의 기준전압회로에 있어서, 상기 온도 보정용 저항은 홀 센서 시그널 체인을 구성하는 홀 센서의 온도변화와 같은 변화율을 갖도록 조절됨을 특징으로 하며,

더 나아가 상기 연산 증폭기는 기준전압을 비반전 단자인 제1단자로 입력받는 차동증폭기임을 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로는 간단한 회로 구성만으로도 홀 센서 시그널 체인을 구성하는 ADC에서 홀 센서의 온도변화에 따른 출력을 보상할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 기준전압회로의 사이즈를 소형화할 수 있는 효과도 있다.

아울러 본 발명은 ADC, CL(폐루프) VCM 드라이버, optical image stabilizer 등 홀 센서를 포함하는 회로에 폭넓게 적용 가능한 장점이 있고, 간단한 회로 구성으로 복수 개의 전압 발생이 가능한 ADC의 기준전압회로를 제공하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 센서 온도보상을 위한 ADC 기준전압회로가 적용된 홀 센서 시그널 체인(Hall sensor signal chain) 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC 기준전압회로의 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC의 온도보상 특성을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로 시뮬레이션 결과 예시도.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.

또한 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

한편, 본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능, 예를 들면 아날로그 디지털 컨버터의 상세 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

우선 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀 센서 온도보상을 위한 ADC 기준전압회로가 적용된 홀 센서 시그널 체인(Hall sensor signal chain)을 예시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 홀 센서 시그널 체인은 홀 센서(100)와 증폭부(110) 및 ADC(120)를 포함한다.

홀 센서(100)는 일반적으로 브리지(bridge) 형태의 4개의 저항으로 구성되어 자속(Flux)의 변화를 차동(differential) 전압으로 변경시킨다. 이러한 홀 센서(100)는 예를 들어 VCM에 의해 이동하는 이동체, 예를 들면 카메라 렌즈의 현재 위치에 대한 차동신호를 출력한다.

홀 센서(100) 후단에 위치하는 증폭부(110)는 홀 센서(100)로부터 출력되는 차동신호를 증폭하여 출력한다. 경우에 따라서는 증폭부(110)는 증폭된 차동신호의 값에 필요한 값을 더하는 시프트 기능이 부가될 수도 있다.

ADC(120)는 상기 증폭부(110)의 출력을 디지털 데이터로 변환 출력한다. 이러한 ADC(120)는 증폭부(110)의 출력을 디지털 데이터로 변환 출력하기 위해 필요한 기준전압을 생성하기 위한 기준전압회로(기준전압 발생회로로 명명되기도 함)를 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC 기준전압회로를 예시한 것이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC의 온도보상 특성을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로는,

후술할 트랜지스터(Q1)에 바이어스 전류를 공급하기 위한 전류원(121)을 포함한다. 이러한 전류원(121)은 공지된 바와 같이 복수의 MOSFET로 구성되어 바이어스 전류를 공급한다.

상기 전류원(121) 외에 ADC의 기준전압회로는 접지단(GND)에 각각 베이스와 컬렉터가 연결되고, 에미터가 상기 전류원(121)에 연결되어 홀 센서의 온도변화를 전압으로 변환하는 트랜지스터(Q1)를 포함한다.

이러한 트랜지스터(Q1)는 베이스 에미터 전압(VBE)이 온도에 반비례하는 특성을 가지는 BJT(Bipolar Junction Transistor)로서, PNP와 NPN 타입 모두 사용 가능하다.

더 나아가 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로는,

복수의 저항들(R1,R2,R3,R4)이 후술할 연산 증폭기(123)와 접지단 사이에 직렬연결되어 기준 최고전압(REF_TOP)과 기준 최저전압(REF_BOT)을 출력하는 피드백 저항부(125)를 포함하며,

상기 복수의 저항들(R1,R2,R3,R4) 중 두 저항(R3,R4)의 접속점과 상기 트랜지스터(Q1)의 에미터단에 연결되어 홀 센서의 온도변화에 따른 전압 변화량(혹은 게인)을 보정하는 온도 보정용 저항(R5) 및;

기준전압을 생성하는 밴드갭 기준회로(BGR)의 기준전압(VREF) 출력단과 상기 온도 보정용 저항(R5)의 일측에 각각 제1 및 제2단자(+, -)가 연결되고, 출력단자가 상기 피드백 저항부(125)의 일측과 연결되는 연산 증폭기(123)를 더 포함한다.

상술한 구성에서, 상기 온도 보정용 저항(R5)은 홀 센서의 온도변화와 같은 변화율을 갖도록 크기 조절되며,

상기 연산 증폭기(123)는 기준전압(VREF)을 비반전 단자(+)인 제1단자로 입력받는 차동증폭기로 구현할 수 있다.

참고적으로, 도 3의 (a)는 온도 변화에 대한 홀 센서의 감도특성을 나타낸 것이다. 일반적인 ADC를 사용할 경우 도 3의 (b)에서와 같이 온도 변화에 따른 홀 센서의 출력이 ADC를 그대로 통과하여 출력에 나타난다.

그러나 만약 도 3의 (c)에서와 같이 ADC의 기준전압이 x축의 온도에 따라 홀 센서의 감도와 같은 기울기로 바뀌게 되면, ADC의 게인은 같은 비율로 낮아지고 도 3의 (d)에서와 같이 ADC의 출력이 온도변화와 무관하게 된다. 이와 같이 ADC의 출력이 온도변화에 무관하도록 하기 위해 도 2에 도시한 바와 같은 ADC의 기준전압회로를 창안한 것이다.

이하 도 2에 도시한 구성들을 포함하는 ADC의 기준전압회로의 동작을 부연 설명하기로 한다. 설명에 앞서 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로에 대한 시뮬레이션 결과를 예시한 것이다.

우선 본 발명의 실시예에 따른 ADC 기준전압회로의 연산증폭기(123)에는 밴드갭 기준회로에서 출력되는 기준전압(VREF)이 입력되고, 연산증폭기(123)의 출력단과 접지단 사이에는 복수의 저항들(R1,R2,R3,R4)이 직렬연결되는 분압회로가 구성됨으로써 원하는 기준 최고전압(REF_TOP)과 기준 최저전압(REF_BOT)을 얻을 수 있다.

전류원(121)과 접지단 사이에 연결되어 있는 BJT(Q1)의 베이스 에미터 전압(VBE)은 온도에 반비례하는 특성을 갖는다. 즉, BJT(Q1)의 베이스 에미터 전압은 온도가 상승함에 따라 감소하게 되고, 이러한 경우 온도 보정용 저항(R5)을 통과하는 전류는 증가하게 됨으로써, 결과적으로 기준 최고전압(REF_TOP)과 기준 최저전압(REF_BOT)의 차이는 벌어지게 된다.

결과적으로 온도 보정용 저항 R5의 크기는 온도변화에 게인을 조절하게 되고, 적절한 게인 선택시 기준전압의 온도변화가 홀 센서의 감도 온도변화와 같아지게 되어 도 3의 (d)와 같이 온도변화와 무관한 ADC의 출력을 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 ADC의 기준전압회로에 대한 시뮬레이션 결과를 참조해 보면, 도 4의 (a)는 온도를 변화시키면서 시뮬레이션한 결과인데, 온도가 증가하면서 기준 최고전압(REF_TOP)과 기준 최저전압(REF_BOT)이 모두 증가한 것을 알 수 있으며, 각각의 변화율도 달라 REF(REF_TOP - REF_BOT)의 전압도 증가한 것을 알 수 있다. 도 4의 (b)는 REF의 온도에 대한 기울기를 표시(plot)한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 간단한 회로 구성만으로도 홀 센서 시그널 체인을 구성하는 ADC(120)에서 홀 센서의 온도변화에 따른 출력을 보상(온도보상)할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 간단한 회로 구성만으로 홀 센서의 온도변화에 따른 출력을 보상할 수 있어 홀 센서 시그날 체인의 회로 사이즈를 소형화할 수 있는 효과도 있다.

아울러 본 발명은 ADC, CL(폐루프) VCM 드라이버, optical image stabilizer 등 홀 센서를 포함하는 회로에 폭넓게 적용 가능한 장점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 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 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 이동체의 현재 위치에 관한 차동신호를 출력하는 홀 센서와, 상기 차동신호를 증폭 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부의 출력을 디지털 데이터로 변환 출력하는 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 기준전압회로로 이루어진 장치의 상기 ADC의 기준전압회로에 있어서,
   바이어스 전류를 공급하기 위한 전류원과;
   접지단에 베이스와 컬렉터가 연결되고 에미터가 상기 전류원에 연결되어 상기 홀 센서의 온도변화를 전압으로 변환하는 트랜지스터와;
   복수의 저항들이 직렬연결되어 기준 최고전압과 기준 최저전압을 출력하는 피드백 저항부와;
   상기 복수의 저항들 중 두 저항의 접속점과 상기 트랜지스터의 에미터단에 연결되어 상기 홀 센서의 온도변화에 따른 전압 변화량을 보정하는 온도 보정용 저항과;
   기준전압을 생성하는 밴드갭 기준회로의 기준전압 출력단과 상기 온도 보정용 저항의 일측에 각각 제1 및 제2단자가 연결되고, 출력단자는 상기 피드백 저항부의 일측과 연결되는 연산 증폭기;를 포함함을 특징으로 하는 ADC의 기준전압회로.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 트랜지스터는 BJT(Bipolar Junction Transistor)임을 특징으로 하는 ADC의 기준전압회로.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 온도 보정용 저항은 상기 홀 센서의 온도변화와 같은 변화율을 갖도록 조절됨을 특징으로 하는 ADC의 기준전압회로.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 연산 증폭기는 기준전압을 비반전 단자인 상기 제1단자로 입력받는 차동증폭기임을 특징으로 하는 ADC의 기준전압회로.

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