KR102671074B1 - 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치 - Google Patents

복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치 Download PDF

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Abstract

복수의 센싱(sensing)부들과, 차동 증폭기를 포함하는 적분 회로부와, 차동 증폭기의 제1입력 단자에 센싱부들 중 적어도 어느 하나가 순차적으로 돌아가며 결합하고 차동 증폭기의 제2입력 단자에 센싱부들의 나머지들이 결합하도록 스위칭(swiching)하는 복수의 스위치들 및 적분 회로부가 출력하는 출력 데이터(data) 행렬로부터 개개의 센싱부에 대응되는 개별 출력 데이터들을 추출하는 연산을 수행하는 로직(logic)부를 포함하는 센싱 장치를 제시한다.

Description

복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치{Sensing device for simultaneously sensing multi sensors}
본 출원은 복수의 센싱부들의 커패시턴스(capacitance)들을 동시에 센싱하는 센싱 장치에 관한 것이다.
노트북 컴퓨터나 모바일 핸드셋(mobile handset)과 같은 다양한 컴퓨팅 장치(computing device)들은 사용자 편의성을 위해서, 터치 스크린 패널(touch screen panel)이나 터치 센서 패드(touch sensor pad)와 같은 인터페이스 장치(interface device)들을 입력 수단으로 채용하고 있다. 터치 스크린 패널은 디스플레이 패널에 결합되어, 사용자의 터치에 의해서 데이터(data)를 컴퓨팅 장치에 입력하도록 할 수 있다.
터치 스크린 패널과 같은 인터페이스 장치는, 터치를 감지하는 터치 센서(touch sensor)들의 어레이(array)와, 터치된 동작을 감지 또는 인식하는 센싱 장치를 구비할 수 있다. 터치 센서 어레이는 터치에 따른 커패시턴스(capacitance)들의 변화를 저장하는 커패시터(capacitor)들의 2차원 어레이로 구비될 수 있다. 터치 센싱 장치는 터치에 의해서 유도되는 커패시턴스(capacitance)의 변화를 센싱하여 터치 여부에 대한 데이터를 얻을 수 있다. 터치 센싱 장치는 터치 센서 어레이를 구성하는 복수의 센서 커패시터들의 커패시턴스 값들을 보다 짧은 시간 내에 정확하게 센싱하는 동작을 수행하도록 요구될 수 있다.
본 출원은 복수의 센싱부들의 커패시턴스들을 동시에 센싱하는 센싱 장치를 제시하고자 한다.
본 출원의 일 관점은, 복수의 센싱(sensing)부들; 차동 증폭기를 포함하는 적분 회로부; 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 센싱부들 중 적어도 어느 하나가 순차적으로 돌아가며 결합하고 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 센싱부들의 나머지들이 결합하도록 스위칭(swiching)하는 복수의 스위치들; 및 상기 적분 회로부가 출력하는 상기 센싱(sensing)부들을 센싱한 출력 데이터(data) 행렬로부터 개개의 상기 센싱부에 대응되는 개별 출력 데이터들을 추출하는 연산을 수행하는 로직(logic)부;를 포함하는 센싱 장치를 제시한다.
본 출원의 일 관점은, 제1 내지 제4센싱(sensing)부들을 적어도 포함하는 센싱부들의 어레이(array); 차동 증폭기를 포함하는 적분 회로부; 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제4센싱부를 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제1 내지 제3센싱부들을 결합하는 제1스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제3센싱부를 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제1, 제2 및 제4센싱부들을 결합하는 제2스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제2센싱부를 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제1, 제3 및 제4센싱부들을 결합하는 제3스위칭 동작, 및 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제1센싱부를 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제2 내지 제4센싱부들을 결합하는 제4스위칭 동작을 순차적으로 수행하는 스위치들; 및 상기 적분 회로부가 출력하는 출력 데이터(data) 행렬에 어느 하나의 상기 센싱부가 상기 제1입력 단자에 결합하도록 동작한 어느 하나의 상기 스위치의 동작 상태를 "-1"로 대표하고 다른 하나의 상기 센싱부가 상기 제2입력 단자에 결합하도록 동작한 다른 하나의 상기 스위치의 동작 상태를 "-1"로 대표한 스위칭 데이터(data) 행렬의 역행렬(inverse matrix)을 곱해주는 행렬 연산을 수행하는 로직(logic)부;를 포함하는 센싱 장치를 제시한다.
본 출원의 일 관점은, 제1 내지 제5센싱(sensing)부들을 적어도 포함하는 센싱부들의 어레이(array); 차동 증폭기를 포함하는 적분 회로부; 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제4 및 제5센싱부들을 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제1 내지 제3센싱부들을 결합하는 제1스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제3 및 제4센싱부들을 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제1, 제2 및 제5센싱부들을 결합하는 제2스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제2 및 제3센싱부들을 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제1, 제4 및 제5센싱부들을 결합하는 제3스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제1 및 제2센싱부들을 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제3 내지 제5센싱부들을 결합하는 제4스위칭 동작, 및 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제5 및 제1센싱부들을 결합하고, 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 상기 제2 내지 제4센싱부들을 결합하는 제5스위칭 동작을 순차적으로 수행하는 스위치들; 및 상기 적분 회로부가 출력하는 출력 데이터(data) 행렬에 어느 하나의 상기 센싱부가 상기 제1입력 단자에 결합하도록 동작한 어느 하나의 상기 스위치의 동작 상태를 "-1"로 대표하고 다른 하나의 상기 센싱부가 상기 제2입력 단자에 결합하도록 동작한 다른 하나의 상기 스위치의 동작 상태를 "-1"로 대표한 스위칭 데이터(data) 행렬의 역행렬(inverse matrix)을 곱해주는 행렬 연산을 수행하는 로직(logic)부;를 포함하는 센싱 장치를 제시한다.
본 출원의 일 관점은, 제1 및 제2 단자들의 전기적 특성들을 센싱하여 출력 전압들을 생성하는 적분 회로부; 및 복수의 스위치들을 포함하는 센싱 장치를 제시한다. 상기 복수의 스위치들은 복수의 연속적인 스위칭 주기들의 각각의 스위칭 주기 동안 상기 스위치들 중 적어도 하나를 상기 제1 단자에 연결하고, 상기 스위치들 중 나머지들을 상기 제2 단자에 연결하도록 동작하는 스위칭부를 포함할 수 있다.
본 출원의 실시예들은 복수의 센싱부들의 커패시턴스들을 동시에 센싱하는 센싱 장치를 제시할 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 순차적으로 반복 센싱하는 센싱 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 센싱 장치의 센싱 타이밍(sensing timing)을 보여주는 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 센싱 장치의 센싱 타이밍(sensing timing)을 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 8은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 동작을 보여주는 도면들이다.
도 9 내지 도 13은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 동작을 보여주는 도면들이다.
본 출원의 예의 기재에서 사용하는 용어들은 제시된 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 기술 분야에서의 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 사용된 용어의 의미는 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우 정의된 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석될 수 있다.
예컨대, 본 출원의 예의 기재에서 "제1" 및 "제2"와 같은 기재는 부재를 구분하기 위한 것이며, 부재 자체를 한정하거나 특정한 순서를 의미하는 것으로 사용된 것은 아니다. 또한, 어느 하나의 구성 요소가 다른 하나의 구성 요소에 "연결되어 있다" 또는 "결합(coupling)되어 있다"의 기재는, 구성 요소들이 상호 간에 전기적으로 또는 기계적으로 직접 연결되어 있거나 또는 접속되어 있는 것을 의미할 수 있으며, 또한, 중간에 다른 별도의 구성 요소들이 개재되어 연결 관계 또는 접속 관계를 구성할 수도 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들에서도 마찬가지의 해석이 적용될 수 있다.
명세서 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 복수의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)를 순차적으로 반복 센싱하는 센싱 장치(10)을 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 센싱 장치(10)의 센싱 타이밍(sensing timing)을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 센싱 장치(10)는 복수의 센싱부들(12-1, 12-2, …, 12-n)이 배열된 센싱부 어레이부(11)와 적분 회로부(integrator: 15)를 포함할 수 있다. 적분 회로부(15)는 센싱부 어레이부(11)의 커패시턴스를 센싱하는 회로를 포함할 수 있다. 센싱부 어레이부(11)는 터치 스크린 패널 또는 터치 디스플레이 패널(touch display panel)에서와 같이 터치에 따른 커패시턴스의 변화를 센싱하는 커패시터들의 어레이로 구성될 수 있다. 예컨대, 센싱부 어레이부(11)는 각각의 터치 지점에서의 커패시턴스의 변화를 감지하는 센싱부들(12-1, 12-2, …, 12-n)로 구비할 수 있다. 센싱부(12-1, 12-2, …, 12-n)는 사용자의 손가락이나 터치 펜(touch pen) 등과 같은 입력 수단의 접촉에 의한 커패시턴스의 변화량을 커패시턴스(C1, C2, …, Cn) 성분으로 저장하고 있을 수 있다. 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)이 터치를 인식하는 커패시터들로 구성되는 경우를 예시하지만 이에 한정되지 않을 수 있다. 예컨대, 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)은 전압의 변화나 또는 전류의 변화를 인식하는 센서들일 수도 있다.
센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)은 서로 독립적으로 커패시턴스 성분들을 제공할 수 있는 커패시터들로 각각 구비될 수 있다. 센싱부(12-1, 12-2, … 12-n)에 적분 회로부(15)가 연결되고, 적분 회로부(15)는 커패시턴스(C1, C2, …, Cn)에 대응되는 출력 전압(Vout)을 센싱 신호로 출력할 수 있다. 적분 회로부(15)는 연산 증폭기(operational amplifier)를 포함하고, 연산 증폭기(AMP)의 입력단과 출력단 사이에 귀환 커패시터(CINT)를 결합한 네거티브 귀환(negative feedback) 회로를 포함할 수 있다. 적분 회로부(15)의 증폭기(AMP)의 제2입력 단자, 예컨대, 네거티브(negative) 입력 단자에 센싱부(12-1, 12-2, … 12-n)가 연결되고, 기준 전압(Vref)이 증폭기(AMP)의 제1입력 단자, 예컨대, 포지티브(positive) 입력 단자에 연결될 수 있다. 기준 전압(Vref)은 도 2에 제시된 바와 같은 구형파(square wave)의 입력 신호로 포지티브 입력 단자(+)에 입력될 수 있다.
센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)은 복수 개가 어레이부(11)를 이루고 있으므로, 스위칭부(switching part: 13)가 센싱부 어레이부(11)와 적분 회로부(15) 회로 사이에 배치될 수 있다. 스위칭부(13)는 특정 센싱부가 적분 회로부(15)에 연결되어 커패시턴스가 센싱되도록 할 수 있다. 스위칭부(13)의 스위치들(14-1, 14-2, …, 14-n)들의 스위칭 동작에 의해서, 복수의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n) 중 어느 하나의 센싱부(12-1, 12-2, … 12-n)를 선택적으로 적분 회로부(15)에 연결시킬 수 있다. 스위칭 동작으로 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)이 순차적으로 적분 회로부(15)에 연결되도록 함으로써, 하나의 적분 회로부(15)를 사용하여 복수의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)을 순차적으로 센싱할 수 있다.
제1스위치(14-1)를 온(on) 하여 제1센싱부(12-1)의 제1커패시턴스(C1)에 의한 제1리딩 전압(Vread)을 적분 회로부(15)의 증폭기(AMP)의 네거티브 입력 단자(-)에 공급하고, 증폭기(AMP)의 포지티브 입력 단자(+)에 기준 전압(Vref)을 입력하여, 적분 회로부(15)가 제1커패시턴스(C1)에 대응되는 제1출력 신호를 출력 전압 신호(Vout)로 출력하도록 할 수 있다. 이후에, 제2스위치(14-2)를 온 시켜 적분 회로부(15)가 제2커패시턴스(C2)에 대응되는 제2출력 신호를 출력 전압 신호(Vout)로 출력하도록 할 수 있다. 이와 같이 하나의 적분 회로부(15)를 사용하여 복수의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)을 순차적으로 센싱할 경우, 전체 센싱에 요구되는 시간은 증가할 수 있다.
선택된 제1센싱부(12-1)의 제1커패시턴스(C1)에 대한 센싱 동작은 1 번의 센싱 동작, 즉, 1 번의 샘플링(sampling) 동작에 그치지 않고 복수 번 연이어 반복할 수 있다. 제1센싱부(12-1)로부터 센싱되는 데이터(data)의 신뢰성을 보다 높게 확보하기 위해서, 즉, 즉, 제1커패시턴스(C1)에 대응하는 출력 전압신호(Vout)의 정확도를 보다 높게 확보하기 위해서, 샘플링 동작은 동일한 제1센싱부(12-1)에 대해서 복수 번 반복 수행될 수 있다. 예컨대, 제1센싱부(12-1)에 대해서 4번의 샘플링 동작을 수행할 경우, 4번의 샘플링 동작이 수행되는 시간(도 2의 T1) 동안, 제1스위치(14-1)는 제1센싱부(12-1)가 적분 회로부(15)에 연결되도록 온(on) 상태로 유지하고, 기준 전압(Vref)은 네 번 반복하여 적분 회로부(15)에 입력될 수 있다. 적분 회로부(15)에 의해서 출력되는 네 번의 출력 신호들을 고려하여, 최종적인 제1센싱부(12-1)의 제1커패시턴스(C1)에 대한 최종 출력 신호가 얻어질 수 있다. 이와 같이, 각각의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)에 대해서 4 번의 샘플링 동작이 요구될 경우 샘플링 동작 수행 시간(T1, T2, …, Tn)들이 증가하여, 전체 센싱 동작이 수행되는 시간은 4배로 늘어날 수 있다.
전체 센싱 동작 시간을 줄이기 위해서, 복수의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n) 각각에 적분 회로부(15)들이 각각 연결되도록 회로를 구성하는 방안이 고려될 수 있다. 이러한 경우, 실질적으로 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)의 수만큼의 적분 회로부(15) 회로들이 요구되므로, 전체 센싱 장치(10)의 크기가 커질 수 있다.
본 출원에서는 하나의 적분 회로부(15)를 사용하여 다수의 센싱부들(12-1, 12-2, … 12-n)의 커패시턴스들을 동시에 센싱하여, 센싱에 소요되는 시간을 줄이고 센싱 장치(10)의 크기를 줄일 수 있다.
도 3은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치(30)를 보여주는 도면이다. 도 4는 도 3의 센싱 장치(30)의 센싱 타이밍(sensing timing)을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 센싱 장치(30)는 센싱부 어레이부(100)와 스위칭부(200), 적분 회로부(300), 아날로그 디지털 변환부(ADC: Analog Digital Convertor: 400) 및 직교 벡터(orthogonal vector)를 곱하는 연산을 수행하는 로직부(logic part: 500)를 포함할 수 있다. 센싱 장치(30)는 복수의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, …)이 적분 회로부(300)에 의해 동시에 센싱하도록 스위칭부(200)를 구성할 수 있다. 하나의 적분 회로부(300)가 동시에 센싱할 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)은 적어도 3 개 이상의 수로 설정될 수 있다.
센싱부 어레이부(100)를 구성하는 복수의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)은 커패시턴스들 또는 커패시턴스 변화량들이 각각 입력되는 커패시터들로 각각 구비될 수 있다. 센싱부 어레이부(100)는 터치 스크린 패널이나 터치 디스플레이 패널과 같은 터치 인식 장치의 터치 센서 어레이로 구성될 수 있다. 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)은 사용자의 손가락이나 터치 펜 등과 같은 입력 수단의 접촉에 의한 커패시턴스의 변화량을 감지는 터치 센서들로 구비될 수 있다.
센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)의 커패시터들은 커패시턴스(C1, C2, …, Cn) 성분들을 각각 저장하고 있을 수 있다. 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)이 커패시터들로 구성되는 경우를 예시하지만 이에 한정되지 않을 수 있다. 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)은 전압의 변화나 또는 전류의 변화를 인식하는 센서들일 수도 있다.
적분 회로부(300)는 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …) 또는 센싱부 어레이부(100)의 커패시턴스의 변화에 의한 전하량에 대응하여 전압 형태의 출력 신호(Vout)을 출력할 수 있다. 적분 회로부(300)는 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)의 커패시턴스들을 센싱하는 회로를 포함할 수 있다. 적분 회로부(300)는 차동 증폭기(differential amplifier: 301)와 적어도 제1귀환부(feedback unit: 302)와 제2귀환부(303)를 포함할 수 있다. 제1네거티브 귀환 회로를 구성하는 제1귀환부(302)는 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)와 포지티브 출력 단자 사이에 제1내부 커패시턴스(CINT1)를 가지는 제1귀환 커패시터를 결합하여 구성될 수 있다. 제2네거티브 귀환 회로를 구성하는 제2귀환부(303)는 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)와 네거티브 출력 단자 사이에 제2내부 커패시턴스(CINT2)를 가지는 제2귀환 커패시터를 결합하여 구성될 수 있다.
Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들이 차동 증폭기(301)에 입력될 입력 전압들을 단속하도록 구비될 수 있다. Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들은, 도 4에 제시된 바와 같이 기준 전압(Vref)의 파형을 따라 교대로 온(on)될 수 있다. Q1 스위치 쌍들이 온(on)될 때, Q2 스위치 쌍들은 오프(off)될 수 있다. Q1 스위치 쌍들은 각각에 연결되는 노드(node)들 각각에, 기준 전압(Vref), 공통 모드 인풋 전압(Vcmi: Common Mode Input Voltage), 공통 모드 아웃풋 전압(Vcmo: Common Mode output Voltage)이 공급되도록 단속될 수 있다. Q2 스위치 쌍들은 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)들이 차동 증폭기(301)의 입력단들에 각각 연결되도록 단속할 수 있다. 예컨대, 제4센싱부(100-4)가 제1노드(N1)를 통해 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자인 포지티브 입력 단자(+)에 연결되고, 나머지 센싱부들인 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)은 제2노드(N2)을 통해 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자인 네거티브 입력 단자(-)에 연결되도록 단속할 수 있다. 도 3에서 4개의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)이 병렬로 배치된 경우가 예시되고 있지만, 적어도 3 이상의 정수인 n 개의 센싱부들이 하나의 차동 증폭기(301)에 돌아가며 교번적으로 연결될 수 있도록 구비될 수 있다.
센싱부 어레이부(100)와 적분 회로부(300) 사이에 위치하는 스위칭부(200)는, 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …) 중 어느 하나를 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자, 예컨대 포지티브 입력 단자(+)에 연결되도록 단속하고, 나머지 센싱부들은 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자, 예컨대, 네거티브 입력 단자(-)에 연결되도록 단속하는 다수의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …)을 포함할 수 있다. 나머지 센싱부들은 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자에 상호 병렬로 연결될 수 있다.
제1 내지 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …)의 일단은 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)에 각각 연결될 수 있다. 제1 내지 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …)의 타단에 각각에 대응되도록 위치하는 제1 내지 제4단자들(A11, A21, A31, A41, ….)들이, 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)에 접속될 수 있는 제2노드(N2)에 연결될 수 있다. 제1 내지 제4단자들(A11, A21, A31, A41, ….)들은 상호 간에 병렬로 연결될 수 있다. 제1 내지 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …)의 타단들이, 제1 내지 제4단자들(A11, A21, A31, A41, ….)들 각각에 대해서 교번적으로 연결될 제5 내지 제8단자들(A12, A22, A32, A42, ….)이 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)에 접속될 수 있는 제1노드(N1)에 연결될 수 있다. 제1 내지 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …) 각각은 제1 내지 제4단자들(A11, A21, A31, A41, ….)들에 연결되거나 또는 교번적으로 제5 내지 제8단자들(A12, A22, A32, A42, ….)들에 연결되도록 동작할 수 있다.
제1 내지 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …)은, 도 4에 제시된 바와 같이 기준 전압(Vref)의 파형을 따라, 어느 하나의 스위치만이 제1노드(N1)에 접속되고 나머지 스위치들 모두는 제2노드(N2)에 접속되도록 동작할 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, …)은 기준 전압(Vref)의 파형을 따라 순차적으로 돌아가며 제1노드(N1)에 연결되도록 동작하고, 제1노드(N1)에 연결된 특정 스위치 이외의 나머지 스위치들은 모두 제2노드(N2)에 연결되도록 동작할 수 있다.
예시적으로, 제1스위치 동작 주기(도 4의 t1)에서는 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)이 제1 내지 제3단자(A11, A21, A31)들 각각에 연결되도록 동작하고, 제4스위치(200-4)는 제8단자(A42)에 연결되도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)의 커패시턴스(C1, C2, C3) 성분들의 합해진 커패시턴스에 의한 예컨대 제1입력 전압이 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자인 네거티브 입력 단자(-)에 입력되고, 제4센싱부(100-4)의 커패시턴스(C4) 성분에 의한 다른 레벨(level)의 제2입력 전압이 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자인 포지티브 입력 단자(+)에 입력될 수 있다. 차동 증폭기(301)는 제1 및 제2입력 전압의 차이에 비례하여 증폭된 출력 전압을 출력하므로, 제1 내지 제3커패시턴스(C1, C2, C3)들의 합과 제4커패시턴스(C4)의 차이에 비례하여 대응되는 출력 전압이 출력될 수 있다. 전압 형태의 출력 데이터(data)는 제1 내지 제4센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)을 동시에 센싱된 결과를 반영할 수 있다.
적분 회로부(300)의 출력단에 연결되는 아날로그 디지털 변환부(400)는 적분 회로부(300)로부터 출력된 전압 형태의 아날로그 데이터를 디지털 데이터(digital data: 401)로 변환할 수 있다. 아날로그 디지털 변환부(400)에 연결되는 로직부(500)는 아날로그 디지털 변환부(400)로부터 출력된 디지털 데이터(401)로부터 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …) 각각에 대응하는 개별 데이터(501)들을 추출하는 연산을 수행할 수 있다. 적분 회로부(300) 및 아날로그 디지털 변화부(400)에 의해 출력된 디지털 데이터(401)는 복수의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, …)이 혼합된 혼합 커패시턴스에 대응되는 출력 데이터(401)일 수 있다. 따라서, 개개의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, …)의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, …) 각각에 대응하는 개별 출력 데이터들을 얻기 위한 추가적인 조작이 요구될 수 있다. 로직부(500)는 이러한 출력 데이터(401)로부터 개별 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, …) 각각에 대응되는 개별 출력 데이터(501)들을 추출하는 연산 동작을 수행하는 연산 로직을 포함할 수 있다. 로직부(500)는 출력 데이터(401)에 직교 벡터(orthogonal vector)를 곱해주는 연산을 수행할 수 있다.
도 5 내지 도 8은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치의 동작을 보여주는 도면들이다.
도 5를 참조하면, 복수의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)를 동시에 센싱하는 동작을, 4 개의 센싱부들이 어레이된 경우를 예시하여 설명한다. 4 개의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)이 센싱부 어레이부(100)를 구성한 경우를 예시하지만, 3 개의 센싱부들이나 또는 5 개 이상 n 개의 센싱부들이 센싱부 어레이부(100)를 구성한 경우에도 적용될 수 있다.
도 4에 제시된 바와 같은 제1스위치 동작 주기(t1)에서, 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)을 제1 내지 제3단자들(A11, A21, A31) 각각에 연결시키고, 제4스위치(200-4)를 제8단자(A42)에 연결시키는 제1스위칭 동작이 수행될 수 있다. 도 4에 제시된 바와 같이, 제1스위치 동작 주기(t1)는 기준 전압(Vref)의 파형의 주기와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1스위칭 동작의 주기(t1) 내에서, 적분 회로부(300)의 Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들이, 도 4에 제시된 바와 같이 기준 전압(Vref)의 상승 및 하강(rising and falling)을 따라 교대로 온(on)될 수 있다.
제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)이 제1 내지 제3단자들(A11, A21, A31) 각각에 연결되므로, 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3) 각각에 연결된 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)은 제2노드(N2)에 접속될 수 있다. 제4스위치(200-4)가 제8단자(A42)에 연결되므로, 제4스위치(200-4)에 연결된 제4센싱부(100-4)는 제1노드(N1)에 접속될 수 있다. 제2노드(N2)는 기준 전압(Vref)이 로우 레벨을 갖는 동안 턴 온된 스위치들(Q2)중 어느 하나를 통하여, 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자인 네거티브 입력 단자(-)에 연결될 수 있고, 제1노드(N1)는 기준 전압(Vref)이 로우 레벨을 갖는 동안 턴 온된 스위치들(Q2)중 다른 하나를 통하여, 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자인 포지티브 입력 단자(+)에 연결될 수 있다. 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)은 상호 간에 병렬로 연결되므로, 제2노드(N2)에는 제1커패시턴스(C1), 제2커패시턴스(C2), 제3커패시턴스(C3)가 합해진 커패시턴스(+C1+C2+C3)에 대응하는 전압이 유도될 수 있다. 제1노드(N1)에는 제4센싱부(100-4)의 제4커패시턴스(C4)에 대응하는 전압이 유도될 수 있다.
제1스위칭 동작 동안, Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들의 동작 타이밍에 따른 제1 내지 제2 노드들(N1, N2)중 어느 하나에 저장된 전하량(Q)들은 다음의 수학식 1 내지 수학식 4들 중 어느 하나로 도출될 수 있다. Q1 스위치 쌍들이 온(on)될 때, 제2 노드(N2)에 저장되는 전하량 및 제1 노드(N1)에 저장되는 전하량은 각각 수학식 1과 수학식 2로 도출될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00001
Figure 112016126421995-pat00002
Q2 스위치 쌍들이 온(on)될 때, 제2 노드(N2)에 저장되는 전하량 및 제1 노드(N1)에 저장되는 전하량은 각각 수학식 3과 수학식 4로 도출될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00003
Figure 112016126421995-pat00004
C1, C2, C3, C4는 각각 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)의 커패시턴스들이고, CINT1는 제1내부 커패시턴스, CINT2는 제2내부 커패시턴스, Vref는 기준 전압, Vcmi는 공통 모드 인풋 전압, Vcmo는 공통 모드 아웃풋 전압, Vxn는 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력단(-)에 입력되는 전압, Vxp는 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력단(+)에 입력되는 전압, Vod는 아웃풋 구동 전압일 수 있다.
전하량은 보전되므로, 수학식 1 = 수학식 3의 관계가 성립되고, 수학식 2 = 수학식 4의 관계가 성립될 수 있다. CINT1와 CINT2가 실질적으로 동일한 커패시턴스 값 CINT을 가질 경우, 제2 노드(N2)에 저장되는 전하량 및 제1 노드(N1)에 저장되는 전하량은 각각 다음의 수학식 5 및 수학식 6으로 도출될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00005
Figure 112016126421995-pat00006
이상적인 상태를 고려할 경우 Vxn와 Vxp는 유사한 값을 가지도록 차동 증폭기(301)는 설계될 수 있다.
Figure 112021139284914-pat00007
일 수 있으므로, 수학식 5와 수학식 6의 차로부터 차동 증폭기(301)의 출력 전압 Vod는 다음의 수학식 7로 도출될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00008
도 7에서 "A"는 비례상수를 나타낼 수 있다. 수학식 7의 결과를 고려하면, 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)에 의해서 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)이 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)로 연결되고, 제4스위치(200-4)에 의해 제4센싱부(100-4)가 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)로 연결된 경우, 차동 증포기(301)는 제1 내지 제3커패시턴스들의 합(+C1+C2+C3)과 제4커패시턴스(C4)의 차가 혼합된 혼합 커패시턴스들의 값(+C1+C2+C3-C4)에 비례하는 출력 전압 Vod를 출력할 수 있다. 즉, 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)과 제4센싱부(100-4)의 커패시턴스들 동시에 출력한 출력 데이터는, A(+C1+C2+C3-C4)와 같이 커패시턴스들의 값(+C1+C2+C3-C4)에 비례하는 값으로 센싱될 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 4의 제2스위치 동작 주기(t2)에 따른 제2스위치 동작을 수행하여, 제1, 제2 및 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-4)을 제1, 제2 및 제4단자들(A11, A21, A41) 각각에 연결시키고, 제3스위치(200-3)를 제7단자(A32)에 연결시킬 수 있다. 제2스위치 동작 주기(t2)는 기준 전압(Vref)의 파형의 주기와 실질적으로 동일할 수 있다. 제2스위칭 동작의 주기(t2) 내에서, 적분 회로부(300)의 Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들이, 도 4에 제시된 바와 같이 기준 전압(Vref)의 상승 및 하강(rising and falling)을 따라 교대로 온(on)될 수 있다.
제1, 제2 및 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-4)이 제1, 제2 및 제4단자들(A11, A21, A41) 각각에 연결되므로, 제1, 제2 및 제4스위치들(200-1, 200-2, 200-4) 각각에 연결된 제1, 제2 및 제4센싱부들(100-1, 100-2, 100-4)은 제2노드(N2)에 접속될 수 있다. 제3스위치(200-3)가 제7단자(A32)에 연결되므로, 제3스위치(200-3)에 연결된 제3센싱부(100-3)는 제1노드(N1)에 접속될 수 있다. 제2노드(N2)를 통해 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)에 제1커패시턴스(C1), 제2커패시턴스(C2), 제4커패시턴스(C4)가 합해진 커패시턴스 값(+C1+C2+C4)이 결합될 수 있고, 제1노드(N1)를 통해 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)에 제3센싱부(100-3)의 제3커패시턴스(C3)가 결합될 수 있다.
수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, 출력 전압 Vod는 제1, 제2 및 제4커패시턴스들의 합(+C1+C2+C4)과 제3커패시턴스(C3)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(+C1+C2-C3+C4)을 센싱한 A(+C1+C2-C3+C4)로 도출될 수 있다. 제1, 제2 및 제4센싱부들(100-1, 100-2, 100-4)과 제3센싱부(100-3)의 커패시턴스들 동시에 출력한 출력 데이터는 A(+C1+C2-C3+C4)와 같이 커패시턴스들의 값(+C1+C2-C3+C4)에 비례하는 값으로 센싱될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 4의 제3스위치 동작 주기(t3)에 따른 제3스위치 동작을 수행하여, 제1, 제3 및 제4스위치들(200-1, 200-3, 200-4)을 제1, 제3 및 제4단자들(A11, A31, A41) 각각에 연결시키고, 제2스위치(200-2)를 제6단자(A22)에 연결시킬 수 있다. 제3스위치 동작 주기(t3)는 기준 전압(Vref)의 파형의 주기와 실질적으로 동일할 수 있다. 제3스위칭 동작의 주기(t3) 내에서, 적분 회로부(300)의 Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들이, 도 4에 제시된 바와 같이 기준 전압(Vref)의 상승 및 하강(rising and falling)을 따라 교대로 온(on)될 수 있다.
제1, 제3 및 제4스위치들(200-1, 200-3, 200-4)이 제1, 제3 및 제4단자들(A11, A31, A41) 각각에 연결되므로, 제1, 제3 및 제4스위치들(200-1, 200-3, 200-4) 각각에 연결된 제1, 제3 및 제4센싱부들(100-1, 100-3, 100-4)은 제2노드(N2)에 접속될 수 있다. 제2스위치(200-2)가 제6단자(A22)에 연결되므로, 제2스위치(200-2)에 연결된 제2센싱부(100-2)는 제1노드(N1)에 접속될 수 있다. 제2노드(N2)를 통해 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)에 제1커패시턴스(C1), 제3커패시턴스(C3), 제4커패시턴스(C4)가 합해진 커패시턴스 값(+C1+C3+C4)이 결합될 수 있고, 제1노드(N1)를 통해 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)에 제2센싱부(100-2)의 제2커패시턴스(C2)가 결합될 수 있다.
수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, Vod는 제1, 제3 및 제4커패시턴스들의 합(+C1+C3+C4)과 제2커패시턴스(C2)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(+C1-C2+C3+C4)을 센싱한 A(+C1-C2+C3+C4)로 도출될 수 있다. 제1, 제3 및 제4센싱부들(100-1, 100-3, 100-4)과 제2센싱부(100-2)의 커패시턴스들 동시에 출력한 출력 데이터는, A(+C1-C2+C3+C4)와 같이 커패시턴스들의 값(+C1-C2+C3+C4)에 비례하는 값으로 센싱될 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 4의 제4스위치 동작 주기(t4)에 따른 제4스위치 동작을 수행하여, 제2, 제3 및 제4스위치들(200-2, 200-3, 200-4)을 제2, 제3 및 제4단자들(A21, A31, A41) 각각에 연결시키고, 제1스위치(200-1)를 제5단자(A12)에 연결시킬 수 있다. 제4스위치 동작 주기(t4)는 기준 전압(Vref)의 파형의 주기와 실질적으로 동일할 수 있다. 제4스위칭 동작의 주기(t4) 내에서, 적분 회로부(300)의 Q1 스위치 쌍들과 Q2 스위치 쌍들이, 도 4에 제시된 바와 같이 기준 전압(Vref)의 상승 및 하강(rising and falling)을 따라 교대로 온(on)될 수 있다.
제2, 제3 및 제4스위치들(200-2, 200-3, 200-4)이 제2, 제3 및 제4단자들(A21, A31, A41) 각각에 연결되므로, 제2, 제3 및 제4스위치들(200-2, 200-3, 200-4) 각각에 연결된 제2, 제3 및 제4센싱부들(100-2, 100-3, 100-4)은 제2노드(N2)에 접속될 수 있다. 제1스위치(200-1)가 제5단자(A12)에 연결되므로, 제1스위치(200-1)에 연결된 제1센싱부(100-1)는 제1노드(N1)에 접속될 수 있다. 제2노드(N2)를 통해 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)에 제2커패시턴스(C2), 제3커패시턴스(C3), 제4커패시턴스(C4)가 합해진 커패시턴스 값(+C2+C3+C4)이 결합될 수 있고, 제1노드(N1)를 통해 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)에 제1센싱부(100-1)의 제1커패시턴스(C1)가 결합될 수 있다.
수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, Vod는 제2, 제3 및 제4커패시턴스들의 합(+C2+C3+C4)과 제1커패시턴스(C1)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(-C1+C2+C3+C4)을 센싱한 A(-C1+C2+C3+C4)로 도출될 수 있다. 제2, 제3 및 제4센싱부들(100-2, 100-3, 100-4)과 제1센싱부(100-1)의 커패시턴스들 동시에 출력한 출력 데이터는, A(-C1+C2+C3+C4)와 같이 커패시턴스들의 값(-C1+C2+C3+C4)에 비례하는 값으로 센싱될 수 있다.
도 5 내지 도 8에서와 같이, 제1 내지 제4스위치 동작 주기(t1, t2, t3, t4)에 따라 제1 내지 제4커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)이 하나씩 돌아가면서 차동 증폭기(301)에 포지티브 입력 단자(+)에 구동됨으로써, 차동 증폭기(301)는 어느 하나의 커패시턴스 값이 나머지 커패시턴들 값의 합으로부터 빼준 혼합 커패시턴스 값들에 대응되는 출력 신호 데이터를 출력시킬 수 있다. 즉, A(+C1+C2+C3-C4), A(+C1+C2-C3+C4), A(+C1-C2+C3+C4), A(-C1+C2+C3+C4)의 출력 데이터가 차동 증폭기(301)로부터 출력될 있다. 이러한 출력 데이터는 제1 내지 제4커패시턴스들(C1, C2, C3, C4) 각각의 성분으로 내포하고 있으나, 서로 다른 값들일 수 있다. 따라서, 이들 차동 증폭기(301)의 출력 데이터로부터 제1 내지 제4커패시턴스들(C1, C2, C3, C4) 각각의 성분에 대응되는 개별 센싱 출력 데이터들을 추출하는 과정이 요구될 수 있다.
도 3에 제시된 바와 같이, 차동 증폭기(301)로부터 출력된 아날로그 데이터를 아날로그 디지털 변환부(400)를 이용하여 디지털 데이터(401)로 변환할 수 있다. 제1 내지 제4스위치 동작 주기들(t1, t2, t3, t4)동안, 아날로그 디지털 변환부(400)에 의해 출력된 디지털 데이터(401)들은, 예컨대, 각각 (+C11+C22+C33-C44), (+C11+C22-C33+C44), (+C11-C22+C33+C44), (-C11+C22+C33+C44)일 수 있고, 이들은 각각 적분 회로부(300)로부터 출력된 데이터 A(+C1+C2+C3-C4), A(+C1+C2-C3+C4), A(+C1-C2+C3+C4), A(-C1+C2+C3+C4)들이 디지털 변환된 데이터일 수 있다. 커패시턴스 센싱 출력 데이터(401)는 각각의 개별 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)에 대응되는 성분(C11, C22, C33, C44)을 내포하고 있다. 커패시턴스 센싱 출력 데이터(401)는 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)이 네 번 센싱된 결과를 내포하고 있다. 제1 내지 제4스위칭 주기(도 4의 t1, t2, t3, t4)마다 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)이 매번 센싱된 결과가 출력 데이터(401)에 반영되고 있다.
출력 데이터(401)로부터 개개의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)에 대응되는 개별 커패시턴스 센싱 데이터들(C11, C22, C33, C44)을 추출하기 위해서, 추출 연산을 수행하는 로직부(500)를 이용할 수 있다. 로직부(500)는 출력 데이터(401)로부터 개별 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4) 각각에 대응되는 개별 출력 데이터(501)들을 연산하는 동작을 수행할 수 있다.
아날로그 디지털 변환부(400)로부터 출력된 데이터(401)는 수학식 8의 행렬 형태로 표시될 수 있고, 데이터 로직부(500)에 입력될 수 있다. 출력 데이터(501)들 (+C11+C22+C33-C44), (+C11+C22-C33+C44), (+C11-C22+C33+C44), (-C11+C22+C33+C44)을 각각의 성분으로 하는 열 벡터(column vector) 형태의 출력 데이터의 행렬 Md이 수학식 8로 제시될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00009
수학식 8로 제시되는 커패시턴스 센싱 출력 데이터(401)로부터 개개의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)에 대응되는 개별 커패시턴스 센싱 데이터들(C11, C22, C33, C44)을 추출하기 위해서, 로직부(500)는 스위칭부(200)의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)의 동작 타이밍 데이터를 이용할 수 있다. 도 5 내지 도 8을 인용하여 설명한 바와 같이, 적분 회로부(300)의 차동 증폭기(301)에 입력되는 커패시턴스들은 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)의 동작 상태에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)의 동작에 따른 차동 증폭기(301)에 입력되는 커패시턴스들은 아래의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00010
수학식 9에서 (C1 C2 C3 C4)의 행렬 Mo는 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4) 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)을 행 벡터(row vector)로 나타내고 있고, Ms의 정방 행렬(square matrix)은 센싱 동작들에서의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)의 동작 상태를 나타내는 스위칭 데이터를 대표하고 있다. 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)의 동작에 따른 차동 증폭기(301)에 입력되는 커패시턴스들은 수학식 9에서와 같이 행력 Mo와 Ms의 행렬 곱셈 연산 결과인 행렬 Mi로 표시될 수 있다. 차동 증폭기(301)에서 출력되는 출력 데이터(301), 즉, A(+C1+C2+C3-C4), A(+C1+C2-C3+C4), A(+C1-C2+C3+C4), A(-C1+C2+C3+C4)는 A*Mi 형태의 행렬로 대표될 수 있다.
스위치(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)가 제1노드(N1)에 결합되어 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자인 포지티브 입력 단자(+)에 결합되는 동작을 할 경우, 일정한 음의 수 예컨대 "-1"로 대표하고, 스위치(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)가 제2노드(N2)에 결합되어 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자인 네거티브 입력 단자(-)에 결합되는 동작을 할 경우, 일정한 양의 수 예컨대 "+1"로 대표하도록 할 경우, 센싱 동작들에서의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4)의 동작 상태를 나타내는 스위칭 데이터인 행렬 Ms는 와 같은 정방 행렬로 나타내어질 수 있다. 스위칭 데이터 행렬 Ms는 수학식 8의 출력 데이터(401)의 계수 행렬(coefficient matrix)과 실질적으로 동일할 수 있다.
로직부(500)는 스위칭 데이터 행렬 Ms의 역행렬(inverse matrix), Ms-1을 구하고, 커패시턴스 센싱 출력 데이터(401)에 구해진 역행렬 Ms-1을 곱하는 행렬 연산을 수행하여 개개의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)에 대응되는 개별 커패시턴스 센싱 데이터들(C11, C22, C33, C44)를 추출할 수 있다. 경우에 따라, 로직부(500)는 스위칭 데이터 행렬 Ms의 직교 행렬(orthogonal matrix) MsT을 구하고, 커패시턴스 센싱 출력 데이터(401)에 구해진 직교 행렬 MsT을 곱하는 행렬 연산을 수행하여 개개의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)에 대응되는 개별 커패시턴스 센싱 데이터들(C11, C22, C33, C44)를 추출할 수도 있다.
수학식 9의 행렬식에서 다음의 수학식 10이 도출될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00012
수학식 10에 의해서, 차동 증폭기(301)에 입력되는 커패시턴스들의 행렬 Mi에 스위칭 데이터 행렬 Ms의 역행렬 Ms-1을 곱해주면, 원래의 개별 커패시턴스들의 행렬 Mo를 추출할 수 있다. 임의의 행렬과 이 행렬의 역행렬의 곱은 단위 행렬로 유도되므로, 스위칭 데이터 행렬 Ms과 역행렬 Ms-1의 곱은 단위 행렬로 유도되고, 임의의 행렬과 단위 행렬의 곱은 임의의 행렬로 유도되므로, 수학식 10의 결과가 유도될 수 있다. 즉, 차동 증폭기(301)의 출력 데이터에 스위칭 데이터 행렬 Ms의 역행렬 Ms-1을 곱해주는 연산으로 개별 커패시턴스들의 행렬 (C1, C2, C3, C4)이 추출될 수 있다.
스위칭 데이터 행렬 Ms이 와 같이 대칭 행렬의 형태를 가질 경우, 스위칭 데이터 행렬 Ms과 이에 대한 직교 행렬 MsT의 행렬 곱은 단위 행렬로 유도될 수 있다. 직교 행렬 MsT는 스위칭 데이터 행렬 Ms의 역행렬이 될 수 있으므로, 직교 행렬 MsT이 스위칭 데이터 행렬 Ms에 곱해져도 단위 행렬이 유도될 수 있다. 따라서, 차동 증폭기(301)의 출력 데이터에 스위칭 데이터 행렬 Ms의 직교 행렬 MsT를 곱해주는 연산으로 개별 커패시턴스들의 행렬 (C1, C2, C3, C4)이 추출될 수 있다. 차동 증폭기(301)의 출력 데이터는 아날로그 데이터이므로, 디지털 변환된 출력 데이터(401)에 대해 이러한 행렬 연산이 로직부(500)에서 수행될 수 있다.
이러한 수학식 10의 결과를 이용하여, 아래의 수학식 11에서와 같이 출력 데이터 Md에 스위칭 데이터 행렬 Ms의 역행렬 Ms-1을 곱하는 행렬 연산을 수행하여, 커패시턴스 성분들(C11, C22, C33, C44)을 포함하는 개별 커패시턴스 센싱 데이터(501)들을 추출할 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00014
수학식 8에 제시된 바와 같이, 출력 데이터(401)는 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)이 복수 번, 즉, 네 번 센싱 구동된 결과 데이터를 내포하고 있으므로, 로직부(500)를 사용한 행렬 연산으로 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4) 각각에 대응되는 개별 출력 데이터(501)가 (C11, C22, C33, C44)로 얻어질 수 있다.
개별 출력 데이터(501)는 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)이 네 번 센싱 구동한 결과를 평균한 결과와 대등한 결과일 수 있다. 이 경우에, 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)은 매번 동시에 센싱될 수 있다. 따라서, 도 5 내지 도 8의 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2의 실시예에 비하여, 전체 센싱 시간을 1/4로 줄일 수 있다. 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)을 네 번 동시 센싱함으로써, 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4) 각각을 독립적으로 4번씩 반복하여 센싱하는 경우에 비해, 전체 센싱 시간을 1/4로 줄일 수 있다. 본 출원의 실시예에서 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4)은 동시에 센싱 구동되므로, 어느 하나의 커패시턴스만을 고려하면 4번 반복 센싱한 효과를 얻을 수 있다.
도 9 내지 도 13은 일 예에 따른 복수의 센싱부들을 동시에 센싱하는 센싱 장치의 동작을 보여주는 도면들이다.
도 9를 참조하면, 복수의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4)의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5)를 동시에 센싱하는 동작을, 5 개의 센싱부들이 어레이된 경우를 예시하여 설명한다. 5 개의 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5)이 센싱부 어레이부(100)를 구성한 경우를 예시하지만, 6 개 이상 n 개의 센싱부들이 센싱부 어레이부(100)를 구성한 경우에도 적용될 수 있다.
스위칭부(200)의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, 200-5)은 적어도 어느 두 개의 센싱부들이 차동 증폭기(300)의 제1입력 단자에 결합되도록 하고, 나머지 센싱부들이 차동 증폭기(300)의 제2입력 단자에 결합되도록 스위칭 동작할 수 있다. 이러한 스위칭 동작은 센싱부들이 돌아가며 순차적으로 차동 증폭기(300)의 제1입력 단자에 결합되도록 수행될 수 있다.
제1스위치 동작 주기에서, 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)을 제1 내지 제3단자들(A11, A21, A31) 각각에 연결시키고, 제4 및 제5스위치(200-4, 200-5)를 제9단자(A42), 및 제10단자(A52)에 연결시키는 제1스위칭 동작이 수행될 수 있다. 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)이 제1 내지 제3단자들(A11, A21, A31) 각각에 연결되므로, 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3) 각각에 연결된 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)은 제2노드(N2)에 결합될 수 있다. 제4스위치(200-4)가 제9단자(A42)에 접속되고, 제5스위치(200-5)가 제10단자(A52)에 연결되므로, 제4스위치(200-4)에 연결된 제4센싱부(100-4)와 제5스위치(200-5)에 연결된 제5센싱부(100-5)는 제1노드(N1)에 결합될 수 있다. 제2노드(N2)는 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자인 네거티브 입력 단자(-)에 결합될 수 있고, 제1노드(N1)는 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자인 포지티브 입력 단자(+)에 결합될 수 있다. 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)은 상호 간에 병렬로 연결되므로, 제2노드(N2)에는 제1커패시턴스(C1), 제2커패시턴스(C2), 제3커패시턴스(C3)가 합해진 커패시턴스(+C1+C2+C3)가 접속될 수 있다. 제1노드(N1)에는 제4센싱부(100-4)의 제4커패시턴스(C4)와 제5센싱부(100-5)의 제5커패시턴스(C5)를 포함하는 커패시턴스(-C4-C5)가 결합될 수 있다.
수학식 7의 결과를 고려하면, 제1 내지 제3스위치들(200-1, 200-2, 200-3)에 의해서 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)이 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)로 연결되고, 제4스위치(200-4) 및 제5스위치(200-5)에 의해 제4센싱부(100-4) 및 제5센싱부(100-5)가 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)로 연결된 경우, 차동 증폭기(301)는 제1 내지 제3커패시턴스들의 합(+C1+C2+C3)과 제4 및 제5커패시턴스들(C4, C5)의 차인 혼합 커패시턴스들의 값(+C1+C2+C3-C4-C5)에 비례하는 출력 전압 Vod를 출력할 수 있다. 즉, 제1 내지 제3센싱부들(100-1, 100-2, 100-3)과 제4 및 제5센싱부(100-4, 100-5)의 커패시턴스들 동시에 출력한 출력 데이터는, A(+C1+C2+C3-C4-C5)와 같이 가감된 커패시턴스들의 값(+C1+C2+C3-C4-C5)에 비례하는 값으로 센싱될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제2스위치 동작을 수행하여, 제1, 제2 및 제5스위치들(200-1, 200-2, 200-5)을 제1, 제2 및 제5단자들(A11, A21, A51) 각각에 연결시키고, 제3 및 제4스위치들(200-3, 200-4)를 제8 및 제9단자들(A32, A42)에 연결시킬 수 있다. 제1, 제2 및 제5스위치들(200-1, 200-2, 200-5)이 제1, 제2 및 제5단자들(A11, A21, A51) 각각에 연결되므로, 제1, 제2 및 제5스위치들(200-1, 200-2, 200-5) 각각에 연결된 제1, 제2 및 제5센싱부들(100-1, 100-2, 100-5)은 제2노드(N2)에 결합될 수 있다. 제3 및 제4스위치들(200-3, 200-4)이 제8 및 9단자(A32, A42)에 연결되므로, 제3 및 제4스위치(200-3, 200-4)에 연결된 제3 및 제4센싱부(100-3, 100-4)는 제1노드(N1)에 결합될 수 있다. 제2노드(N2)를 통해 차동 증폭기(301)의 네거티브 입력 단자(-)에 제1커패시턴스(C1), 제2커패시턴스(C2), 제5커패시턴스(C5)가 합해진 커패시턴스 값(+C1+C2+C5)이 결합될 수 있고, 제1노드(N1)를 통해 차동 증폭기(301)의 포지티브 입력 단자(+)에 제3 및 제4센싱부(100-3, 100-4)의 제3 및 제4커패시턴스(C3, C4)가 결합될 수 있다.
수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, 출력 전압 Vod는 제1, 제2 및 제5커패시턴스들의 합(+C1+C2+C5)과 제3 및 제4커패시턴스들(C3, C4)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(+C1+C2-C3-C4+C5)을 센싱한 A(+C1+C2-C3-C4+C5)로 도출될 수 있다.
도 11을 참조하면, 제3스위치 동작을 수행하여, 제1, 제4 및 제5스위치들(200-1, 200-4, 200-5)을 제1, 제4 및 제5단자들(A11, A41, A51) 각각에 연결시키고, 제2 및 제3스위치들(200-2, 200-3)를 제7 및 제8단자들(A22, A32)에 연결시킬 수 있다. 제1, 제4 및 제5스위치들(200-1, 200-4, 200-5)이 제1, 제4 및 제5단자들(A11, A41, A51) 각각에 연결되므로, 제1, 제4 및 제5스위치들(200-1, 200-4, 200-5) 각각에 연결된 제1, 제4 및 제5센싱부들(100-1, 100-4, 100-5)은 제2노드(N2)에 결합될 수 있다. 제2 및 제3스위치들(200-2, 200-3)이 각각 제7 및 8단자(A22, A32)에 연결되므로, 제3 및 제2스위치(200-3, 200-2)에 연결된 제3 및 제2센싱부(100-3, 100-2)는 제1노드(N1)에 결합될 수 있다. 수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, 출력 전압 Vod는 제1, 제4 및 제5커패시턴스들의 합(+C1+C4+C5)과 제3 및 제2커패시턴스들(C3, C2)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(+C1-C2-C3+C4+C5)을 센싱한 A(+C1-C2-C3+C4+C5)로 도출될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제4스위치 동작을 수행하여, 제3, 제4 및 제5스위치들(200-3, 200-4, 200-5)을 제3, 제4 및 제5단자들(A31, A41, A51) 각각에 연결시키고, 제2 및 제1스위치들(200-2, 200-1)를 제7 및 제6단자들(A22, A12)에 연결시킬 수 있다. 제3, 제4 및 제5스위치들(200-3, 200-4, 200-5)이 제3, 제4 및 제5단자들(A31, A41, A51) 각각에 연결되므로, 제3, 제4 및 제5스위치들(200-3, 200-4, 200-5) 각각에 연결된 제3, 제4 및 제5센싱부들(100-3, 100-4, 100-5)은 제2노드(N2)에 결합될 수 있다. 제2 및 제1스위치들(200-2, 200-1)이 제7 및 6단자(A22, A12)에 연결되므로, 제2 및 제1스위치(200-2, 200-1)에 연결된 제2 및 제1센싱부(100-2, 100-1)는 제1노드(N1)에 결합될 수 있다. 수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, 출력 전압 Vod는 제3, 제4 및 제5커패시턴스들의 합(+C3+C4+C5)과 제1 및 제2커패시턴스들(C1, C2)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(-C1-C2+C3+C4+C5)을 센싱한 A(-C1-C2+C3+C4+C5)로 도출될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제5스위치 동작을 수행하여, 제3, 제4 및 제2스위치들(200-3, 200-4, 200-2)을 제3, 제4 및 제2단자들(A31, A41, A21) 각각에 연결시키고, 제5 및 제1스위치들(200-5, 200-1)를 제10 및 제6단자들(A52, A12)에 연결시킬 수 있다. 제3, 제4 및 제2스위치들(200-3, 200-4, 200-2)이 제3, 제4 및 제2단자들(A31, A41, A21) 각각에 연결되므로, 제3, 제4 및 제2스위치들(200-3, 200-4, 200-2) 각각에 연결된 제3, 제4 및 제2센싱부들(100-3, 100-4, 100-2)은 제2노드(N2)에 결합될 수 있다. 제5 및 제1스위치들(200-5, 200-1)이 제10 및 제6단자(A52, A12)에 연결되므로, 제5 및 제1스위치(200-5, 200-1)에 연결된 제5 및 제1센싱부(100-5, 100-1)는 제1노드(N1)에 결합될 수 있다. 수학식 1 내지 7을 이용하여 Vod를 도출할 경우, 출력 전압 Vod는 제3, 제4 및 제2커패시턴스들의 합(+C3+C4+C2)과 제1 및 제5커패시턴스들(C1, C5)의 차인 혼합된 커패시턴스들의 값(-C1+C2+C3+C4-C5)을 센싱한 A(-C1+C2+C3+C4-C5)로 도출될 수 있다.
도 9 내지 도 13에서와 같이, 제1 내지 제5스위치 동작 주기에 따라 제1 내지 제5커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5)이 적어도 둘씩 돌아가면서 차동 증폭기(301)에 포지티브 입력 단자(+)에 구동됨으로써, 차동 증폭기(301)는 어느 두 개의 커패시턴스 값들이 나머지 커패시턴들 값의 합으로부터 빼준 혼합 커패시턴스 값들에 대응되는 출력 신호 데이터를 출력시킬 수 있다. 즉, A(+C1+C2+C3-C4-C5), A(+C1+C2-C3-C4+C5), A(+C1-C2-C3+C4+C5), A(-C1-C2+C3+C4+C5), A(-C1+C2+C3+C4-C5)의 출력 데이터가 차동 증폭기(301)로부터 출력될 수 있다. 이러한 출력 데이터는 제1 내지 제5커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5) 각각의 성분으로 내포하고 있으나, 서로 다른 값들일 수 있다. 따라서, 이들 출력 데이터로부터 제1 내지 제5커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5) 각각의 성분에 대응되는 개별 센싱 출력 데이터들을 추출하는 과정이 요구될 수 있다.
차동 증폭기(301)로부터 출력된 출력 데이터 A(+C1+C2+C3-C4-C5), A(+C1+C2-C3-C4+C5), A(+C1-C2-C3+C4+C5), A(-C1-C2+C3+C4+C5), A(-C1+C2+C3+C4-C5) 를 디지털 변환한 데이터는 (+C11+C22+C33-C44-C55), (+C11+C22-C33-C44+C55), (+C11-C22-C33+C44+C55), (-C11-C22+C33+C44+C55), (-C11+C22+C33+C44-C55)일 수 있고, 이러한 출력 데이터의 행렬 Md이 아래의 수학식 12로 제시될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00015
수학식 12로 제시되는 커패시턴스 센싱 출력 데이터로부터 개개의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5)에 대응되는 개별 커패시턴스 센싱 데이터들(C11, C22, C33, C44, C55)을 추출하기 위해서, 로직부(도 5의 500)는 스위칭부(도 13의 200)의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, 200-5)의 동작 타이밍 데이터를 이용할 수 있다.
센싱 동작들에서의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, 200-5)의 동작 상태를 나타내는 스위칭 데이터 Ms는 아래의 수학식 13과 같이 제시될 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00016
어느 하나의 스위치(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, 200-5)가 제1노드(N1)에 결합되어 차동 증폭기(301)의 제1입력 단자인 포지티브 입력 단자(+)에 결합되는 동작을 할 경우, 일정한 스칼라(scalar) 수 n에 부호를 붙인 행렬 성분 예컨대 "-1"로 대표하고, 다른 하나의 스위치(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, 200-5)가 제2노드(N2)에 결합되어 차동 증폭기(301)의 제2입력 단자인 네거티브 입력 단자(-)에 결합되는 동작을 할 경우, 일정한 수 n에 반대 부호를 붙인 행렬 성분 예컨대 "+1"로 대표하도록 할 경우, 센싱 동작들에서의 스위치들(200-1, 200-2, 200-3, 200-4, 200-5)의 동작 상태를 나타내는 스위칭 데이터는 행렬 Ms는 수학식 13으로 표현될 수 있다.
수학식 13의 스위칭 데이터 행력 Ms의 역행렬 Ms-1의 일 예는 다음의 수학식 14로 구해질 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00017
수학식 11을 인용하여 설명한 바와 같이 출력 데이터 Md에 스위칭 데이터 행렬 Ms의 역행렬 Ms-1을 곱하는 수학식 15와 같은 행렬 연산을 로직부(500)가 수행하여, 개별 커패시턴스 센싱 데이터(501)들을 추출할 수 있다.
Figure 112016126421995-pat00018
수학식 15에 제시된 바와 같이, 출력 데이터 Md는 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5)이 복수 번, 즉, 다섯 번 센싱 구동된 결과 데이터를 내포하고 있지만, 로직부(500)를 사용한 행렬 연산으로 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5) 각각에 대응되는 개별 출력 데이터(501)가 (C11, C22, C33, C44, C55)로 얻어질 수 있다. 개별 출력 데이터(501)는 각각의 커패시턴스들(C1, C2, C3, C4, C5)이 다섯 번 센싱 구동한 결과를 평균한 결과와 대등한 결과일 수 있다. 따라서, 센싱부들(100-1, 100-2, 100-3, 100-4, 100-5)을 다섯 번 동시 센싱한 효과를 얻을 수 있다. 상술한 바와 같이 본 출원의 실시 형태들을 도면들을 예시하며 설명하지만, 이는 본 출원에서 제시하고자 하는 바를 설명하기 위한 것이며, 세밀하게 제시된 형상으로 본 출원에서 제시하고자 하는 바를 한정하고자 한 것은 아니다. 본 출원에서 제시한 기술적 사상이 반영되는 한 다양한 다른 변형예들이 가능할 것이다.
100: 센싱부 어레이부,
200: 스위칭부,
300: 적분 회로부,
500: 로직부.

Claims (20)

  1. 복수의 센싱(sensing)부들;
    차동 증폭기를 포함하는 적분 회로부;
    복수의 스위칭 주기들 각각이 진행되는 동안, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 복수의 센싱부들 중 적어도 어느 하나가 결합하고, 상기 복수의 센싱부들의 나머지들이 서로 병렬로 연결되면서 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 결합하도록 스위칭(swiching)하는 복수의 스위치들; 및
    상기 적분 회로부가 출력하는 상기 센싱(sensing)부들을 센싱한 출력 데이터(data) 행렬로부터 상기 복수의 센싱부들에 각각의 개별 출력 데이터들을 추출하는 연산을 수행하는 로직(logic)부;를 포함하는 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로직부는
    상기 출력 데이터(data)의 행렬에
    상기 제1입력 단자에 결합되는 상기 스위치의 동작 상태를 음의 수로 나타내고, 상기 제2입력 단자에 결합되는 상기 스위치들의 동작 상태를 양의 수로 나타내는 스위칭 데이터(data) 행렬의 역행렬(inverse matrix)을 곱해주는 행렬 연산을 수행하는 센싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로직부는
    상기 출력 데이터(data)의 행렬에
    상기 제1입력 단자에 결합되는 상기 스위치의 동작 상태를 음의 수로 나타내고, 상기 제2입력 단자에 결합되는 상기 스위치들의 동작 상태를 양의 수로 나타내는 스위칭 데이터(data)의 행렬의 직교 행렬(orthogonal matrix)을 곱해주는 행렬 연산을 수행하는 센싱 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적분 회로부는
    상기 차동 증폭기의 상기 제2입력 단자에 연결된 상기 나머지 센싱부들의 커패시턴스들의 합에 대한 상기 차동 증폭기의 상기 제1입력 단자에 연결된 상기 센싱부의 커패시턴스의 차인 혼합 커패시턴스에 비례하는 출력 값을 상기 출력 데이터로 출력하는 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로직(logic)부와 상기 적분 회로부 사이에
    상기 출력된 데이터를 디지털 데이터(digital data)로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(ADC)를 더 포함하는 센싱 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적분 회로부는
    상기 차동 증폭기의 출력단과 상기 제2입력 단자와 사이에 연결된 제1귀환 커패시터; 및
    상기 차동 증폭기의 다른 출력단과 상기 제1입력 단자와 사이에 연결된 제2귀환 커패시터;를 더 포함하는 센싱 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위치들은
    상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 센싱부들 중 하나만이 순차적으로 돌아가며 결합되도록 동작하는 센싱 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위치들은
    상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 센싱부들 중 적어도 둘 이상이 순차적으로 돌아가며 함께 결합되도록 동작하는 센싱 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    커패시턴스의 변화를 저장하는 커패시터를 포함하는 센싱 장치.
  11. 제1 내지 제4센싱(sensing)부들을 적어도 포함하는 센서 어레이(array);
    차동 증폭기를 포함하는 적분 회로부;
    상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제4센싱부를 결합하고, 상기 제1 내지 제3센싱부들이 서로 병렬로 연결되면서 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 결합하는 제1스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제3센싱부를 결합하고, 상기 제1, 제2 및 제4센싱부들이 서로 병렬로 연결되면서 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 결합하는 제2스위칭 동작, 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제2센싱부를 결합하고, 상기 제1, 제3 및 제4센싱부들이 서로 병렬로 연결되면서 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 결합하는 제3스위칭 동작, 및 상기 차동 증폭기의 제1입력 단자에 상기 제1센싱부를 결합하고, 상기 제2 내지 제4센싱부들이 서로 병렬로 연결되면서 상기 차동 증폭기의 제2입력 단자에 결합하는 제4스위칭 동작을 순차적으로 수행하는 스위치들; 및
    상기 적분 회로부가 출력하는 출력 데이터(data) 행렬에
    상기 제1입력 단자에 결합되는 상기 스위치의 동작 상태를 "-1"로 나타내고 상기 제2입력 단자에 결합되는 상기 스위치들의 동작 상태를 "+1"로 나타내는 스위칭 데이터(data) 행렬의 역행렬(inverse matrix)을 곱해주는 행렬 연산을 수행하는 로직(logic)부;를 포함하는 센싱 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 역행렬(inverse matrix)은
    상기 스위칭 데이터(data)의 행렬의 직교 행렬(orthogonal matrix)인 센싱 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적분 회로부는
    상기 차동 증폭기의 상기 제2입력 단자에 연결된 상기 센싱부들의 커패시턴스들의 합에 대한 상기 차동 증폭기의 상기 제1입력 단자에 연결된 상기 센싱부의 커패시턴스의 차인 혼합 커패시턴스에 비례하는 출력 값을 상기 출력 데이터로 출력하는 센싱 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 로직(logic)부와 상기 적분 회로부 사이에
    상기 출력된 데이터를 디지털 데이터(digital data)로 변환하는 아날로그 디지털 변환부(ADC)를 더 포함하는 센싱 장치.
  15. 제1 및 제2 단자들의 전기적 특성들을 센싱하여 출력 전압들을 생성하는 적분 회로부; 및
    복수의 스위치들을 포함하고,
    상기 복수의 스위치들은 복수의 스위칭 주기들 각각이 진행되는 동안 상기 복수의 스위치들 중 적어도 하나를 상기 제1 단자에 연결하고, 상기 복수의 스위치들 중 나머지들을 설 병렬로 연결하면서 상기 제2 단자에 연결하도록 동작하는 스위칭부를 포함하는 센싱 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 적분 회로부는
    상기 스위칭 주기들 각각에 대해 상기 스위치들의 모든 전압 값들을 실질적으로 동시에 센싱함으로써 상기 출력 전압을 생성하는 센싱 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 적분 회로부는
    상기 제1 단자에 연결된 제1입력 단자 및 상기 제2 단자에 연결된 제2입력 단자를 가지는 차동 증폭기를 포함하는 센싱 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 스위칭부는
    상기 적분 회로부 보다 더 많은 개수의 상기 스위치들을 포함하는 센싱 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    복수의 센서들을 포함하는 센서 어레이를 더 포함하고,
    상기 복수의 스위치들은
    각각의 상기 스위칭 주기들 동안 상기 복수의 센서들 중 적어도 하나를 상기 제1 단자에 연결하고, 상기 복수의 센서들 중 나머지 센서들을 상기 제2 단자에 연결하도록 동작하는 센싱 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 적분 회로부에 의해 생성된 상기 출력 전압들로부터
    상기 복수의 스위치들에 각각 대응하는 출력 데이터를 추출하는 연산을 수행하는 로직부를 더 포함하는 센싱 장치.
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