KR20010038055A - 적외선 수신장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부의 산란광에 의한 노이즈를 차단하기 위하여 자동으로 이득을 조정해주는 적외선 수신장치에 관한 것으로, 이러한 적외선 수신장치는 적외선 신호를 검출하는 신호검출부; 상기 신호검출부로부터 검출된 적외선 신호를 소정레벨로 증폭하는 제1증폭기; 상기 제1증폭기로부터 출력되는 적외선 신호를 자동이득조절에 의해 증폭하는 자동이득조절증폭기; 상기 자동이득조절증폭기로부터 출력되는 신호를 소정 주파수 신호대에 해당하는 신호만을 걸려내는 대역통과필터; 상기 대역통과필터로부터 출력된 신호의 전압과 소정의 문턱전압과 비교하여 충전상태인지 방전상태인지를 결정하는 신호를 만들어 내고, 이 신호에 따라 상기 자동이득조절증폭기의 이득을 조정하는 자동이득조절제어부; 상기 대역통과필터로부터 출력되는 신호의 출력전압레벨의 평균값보다 다소 높은 전압을 갖는 기준전압과 비교되어 기준전압보다 높은 출력전압을 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 복조하는 복조부; 및 상기 복조부로부터 출력되는 신호를 정형화된 구형파신호로 변환하는 슈미트트리거를 포함함을 특징으로 한다.

Description

적외선 수신장치{Infrared receiver}

본 발명은 수신장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TV 등 가전제품에 주로 사용되는 적외선을 이용한 리모콘에 사용되거나, 적외선 데이터 통신(IrDA)을 위한 적외선 수신장치에 관한 것이다.

도 1은 종래의 적외선 수신장치를 도시한 블록도이다.

적외선 신호를 감지하는 포토다이오드(10)와 초단증폭기(11)의 입력에 연결되고 초단증폭기(11)의 출력은 커플링 캐패시터(C11)를 거쳐 리미터증폭기(12)의 입력과 연결되고 그 출력은 다시 커플링 캐패시터(C12)를 거쳐서 대역통과필터(13)에 연결되고, 그 출력은 비교기(14)의 한 입력에 연결된다. 이 입력은 고정된 전압인 Vref와 비교되어 그 출력을 복조부(15)와 연결되어 있고, 복조부(15)의 출력은 슈미트 트리거(16)를 거쳐 최종출력 트랜지스터(TR11)의 베이스(base)에 연결되며 트랜지스터(TR11)의 콜렉터는 풀업(pull-up)저항(R11)과 출력으로 연결되며 출력은 외부의 마이크로프로세서 콘드롤 유닛(MCU)과 연결된다.

도 1에서 포토다이오드(10)로부터의 출력은 초단증폭기(11)와 리미터증폭기(12)에서 증폭된후 38KHz의 중심주파수를 가진 대역통과필터(13)를 통하여 비교기(14)에서 고정된 전압, 보통 대역통과필터(13)의 출력전압의 중심전압(DC, 평균전압)보다 보통 100mV정도 높은 전압과 비교하여 이 전압(Vref)보다 높은 전압의 신호가 들어오면 이 신호를 TTL 레벨의 신호로 변환한다.

이 신호는 복조부(15)를 거치면서 도 3a에 도시된 캐리어 주파수가 제거되고 도 3b와 같이 된다. 이 신호는 다시 슈미트 트리거(16)를 거쳐 최종출력전압 도 3c와 같이 변환된다.

이러한 종래의 적외선 수신장치는 외부의 형광등 또는 햇빛과 같은 외란광에 의해 발생되는 노이즈신호가 비교기(14)의 기준전압의 전압레벨보다 크면 최종출력은 노이즈에 의한 이상출력이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 적외선을 감지하여 원신호를 복원하는 회로에서 외부의 산란광(형광등 또는 햇빛)등에 노출되었을 때 외부의 산란광에 의한 노이즈를 차단하기 위하여 자동으로 이득을 조정해주는 적외선 수신장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 적외선 수신장치를 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 수신장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 3a 내지 도 3d는 적외선 신호가 입력되어 출력되는 과정을 도시한 것이다.

도 4a는 대역통과필터로부터 출력된 신호를 도시한 것이다.

도 4b는 AGC제어부의 C23의 전압신호를 도시한 것이다.

도 4c는 AGC증폭기의 C10에서 충방전되는 전류신호를 도시한 것이다.

도 4d는 AGC증폭기의 C10에서 충방전되는 전압신호를 도시한 것이다.

도 5는 AGC증폭기의 이득특성곡선을 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 사용되는 AGC증폭기와 AGC제어부를 도시한 회로도이다.

도 7은 AGC제어부의 다른 일실시예를 도시한 회로도이다.

도 8은 AGC증폭기의 GM cell을 도시한 회로도이다.

도 9는 노이즈신호를 도시한 것이다.

도 10은 적외선신호의 포맷을 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여,

적외선 신호를 검출하는 신호검출부; 상기 신호검출부로부터 검출된 적외선 신호를 소정레벨로 증폭하는 제1증폭기; 상기 제1증폭기로부터 출력되는 적외선 신호를 자동이득조절에 의해 증폭하는 자동이득조절증폭기; 상기 자동이득조절증폭기로부터 출력되는 신호를 소정 주파수 신호대에 해당하는 신호만을 걸려내는 대역통과필터; 상기 대역통과필터로부터 출력된 신호의 전압과 소정의 문턱전압과 비교하여 충전상태인지 방전상태인지를 결정하는 신호를 만들어 내고, 이 신호에 따라 상기 자동이득조절증폭기의 이득을 조정하는 자동이득조절제어부; 상기 대역통과필터로부터 출력되는 신호의 출력전압레벨의 평균값보다 다소 높은 전압을 갖는 기준전압과 비교되어 기준전압보다 높은 출력전압을 출력하는 비교기; 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 복조하는 복조부; 및 상기 복조부로부터 출력되는 신호를 정형화된 구형파신호로 변환하는 슈미트트리거를 포함함을 특징으로 하는 적외선 수신장치.

또한, 상기 자동이득조절증폭기는 캐패시터를 내장하여 상기 캐패시터에 전류를 충전하거나 방전하여 충방전된 양으로 이득을 조정하고, 상기 캐패시터에 충전되는 전류의 양과 방전되는 전류의 양에 따른 전압의 시간변동값이 균형을 이루면 데이터로서, 노이즈라면 충전되는 양이 많아져 상기 캐패시터의 평균전압이 올라가 자동이득조절증폭기의 이득을 줄임을 특징으로 한다.

또한, 상기 자동이득조절제어부는 데이터의 판별을 위하여 상기 비교기의 기준전압보다 낮은 전압의 문턱전압을 사용하는 비교기 구조를 채용하고, 상기 자동이득증폭기에 내장된 캐패시터의 충반전 시정수가 수십㎳ 내지 수백㎳를 만족하고, 충방전 전류량을 수 nA로 줄이기 위하여 전류미러로 구성된 트랜지스터의 베이스전류를 이용한 충방전회로를 사용함을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

본 발명은 TV 등 가전제품에 주로 사용되는 적외선을 이용한 리모콘에 사용되는 적외선 수신을 위한 반도체에서 형광등과 같은 외부 노이즈를 감쇄시켜 원래의 신호와 노이즈를 분리해 주는 회로구조로서, 자동이득조절(Auto Gain Control:이하 AGC라 함)증폭기와 AGC제어부를 이용하여 상기 AGC증폭기의 이득을 조정하여 노이즈 신호를 제거하고 원래의 적외선 신호만을 수신하는 적외선 수신장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적외선 수신장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 블록도는 신호검출부(20), 제1증폭기(21), AGC증폭기(22), 대역통과필터(23), AGC제어부(24), 비교부(25), 복조부(26), 슈미트 트리거(27)를 포함한다. 도 1과 같은 종래의 적외선 수신장치와 다른 점은 AGC증폭기(22)와 AGC제어부(24)를 더 구비한다는 것이다.

신호검출부(20)는 포토다이오드를 이용하여 리모콘으로부터 출력되는 적외선 신호를 검출한다.

제1증폭기(21)는 신호검출부로부터 검출된 적외선 신호를 소정레벨로 증폭한다.

AGC증폭기(22)는 제1증폭기(21)로부터 출력되는 적외선 신호를 자동이득조절에 의해 증폭한다.

대역통과필터(23)는 AGC증폭기(22)로부터 출력되는 신호를 소정 주파수 신호대에 해당하는 신호만을 걸려낸다.

AGC제어부(24)는 대역통과필터(23)로부터 출력된 신호의 전압과 소정의 문턱전압과 비교하여 충전상태인지 방전상태인지를 결정하는 신호를 만들어 내고, 이 신호에 따라 AGC증폭기(22)내에 내장된 캐패시터에 전류를 충전하거나 방전하여 충방전된 양으로 AGC증폭기(22)의 이득을 조정한다.

비교부(25)는 대역통과필터(23)로부터 출력되는 신호의 출력전압레벨의 평균값보다 다소 높은 전압을 갖는 기준전압과 비교되어 기준전압보다 높은 출력전압을 출력한다.

복조부(26)는 비교부(25)로부터 출력되는 신호를 복조하여 캐리어주파수를 제거한다.

슈미트 트리거(27)는 복조부(26)로부터 출력되는 신호를 정형화된 구형파신호로 변환한다.

상술한 구성에 의거하여 본 발명의 동작을 설명하기로 한다.

신호검출부(20)가 적외선 신호를 검출하여 제1증폭기(21)에 입력으로 들어가면 제1증폭기(21)는 상기 적외선 신호를 증폭하여 AGC제어부(22)의 출력전압에 따라 도 5와 같이 이득이 달라지는 AGC증폭기(22)에 들어가서 증폭되어 그 출력은 38KHz의 신호만 걸려지고 다른 주파수는 감쇄되어 그 출력이 비교부(25)나 AGC제어부(24)에 인가된다.

이제 도 6의 회로도를 참조하여 AGC제어부(24)와 AGC증폭기(22)의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

도 8과 같은 GM Cell을 갖는 회로에서 출력전압과 입력전압의 이득(Gain)은 I_s(전류원의 전류량)에 의해 결정되는 트랜지스터 Q1, Q2의 g_m(trnsconductance)에 의해 출력되는 출력전류(I_o)와 출력전압(V_o)은 수학식 1과 같이 정의된다.

I_o= -g_mV_i

V_o= -g_mV_iR1

여기서, g_m이란 GM Cell에서 트랜지스터 Q1, Q2에 흐르는 전류로서 I_s의 전류원에 의해 결정되므로 I_s의 전류원의 값을 변경하면 AGC증폭기(22)의 전체 이득이 조정된다.

도 6의 QN91에 흐르는 전류는 QN91의 전류미러(current mirror)에 의해서 결정되어지나 AGC제어회로의 출력전류가 C10에 충전 또는 방전되어 전압으로 바뀌게 되며 이 전압은 PNP 트랜지스터 QP101, QP100, NPN형 트랜지스터 QN96을 통하여 QN94에 흐르는 전류를 결정하는 전류미러를 구성하는 QN95에 흐르는 전류를 저항 R99에 의해 결정된다. 여기서, QN95에 흐르는 전류는 다음 수학식 2와 같다.

따라서, AGC의 이득에 영향을 주는 g_m은 I_s에 관계 있으므로 QN93에서 QN91로 미러링(mirroring)되는 전류는 QN94에 의해 QN91의 전류값이 바뀌게 된다.

여기서, R92 저항의 역할은 AGC증폭기(22)의 이득변화의 기울기를 결정한다.

도 6의 AGC 제어부(24)에서 대역통과필터의 출력이 비교기의 입력으로 들어가고 또다른 비교기의 입력은 필터 출력의 중심전압(V_cen)에서 저항 R12에 의해 전류원 I15에 의해 중심전압(V_cen)보다 높은 전압(도 2의 V_ref전압보다 낮은 전압)이 걸리게 된다.

도 4a와 같이 V_ref와 대역통과필터 출력전압을 비교하여 도 6의 AGC제어부()의 QN17을 온,오프시키게 된다. 이에 따라 C23에 방전과 충전을 결정하게 된다. 도 4b와 같다.

이와 같은 파형은 QN33의 베이스전압으로 인가되고 QN32의 베이스전압은 QN31, QN36에 의해 약 3.6V(V_CC=5V 일 경우)의 전압이 걸리게 된다.

이 전압과 C23에 걸리는 전압과 비교하여 QN33, QN32를 온, 오프시키게 된다. 이렇게 온, 오프되는 QN33, QN32에 의해 QP30, QP29, QN19, QN18과 QP34, QP26, QN24, QN25, QN27, QN28의 전류미러로 구성된 소자와 연결된다. 이러한 연결에 의해 C10에 충전 또는 방전이 이루어진다. 여기서 충전되고 방전되는 양은 미러링되는 트랜지스터의 크기에 의해 결정되어 진다.

여기서 충전과 방전되는 전류량의 비를 결정하는 요소는 적외선 송신장치에서 보내진 적외선 데이터와 그 외 신호를, 즉 외란광에 의한 노이즈를 구분하는데 중요하다. 보통 적외선 송신장치(Remocon transmitter, IrDA transceiver)에서 데이터는 적외선을 보내는 구간과 보내지 않는 구간의 시간비가 1:N(N＞1)이다.

따라서 만일 그 구간비가 N≤1이라면 그 데이터는 정상적인 데이터가 아니라 노이즈라고 할 수 있다.

도 10은 적외선 송신장치에서 많이 사용중인 데이터 포맷의 일예를 도시한 것이다.

도 10과 같이 적외선이 들어오는 실제의 시간과 들어오지 않는 시간과의 시간평균비(1프레임상의 구간에서의 평균값)는 위의 경우 통상적으로 1:3정도이다. 물론 포맷종류에 따라 다소간의 차이는 있을 수 있다.

따라서, 적외선이 들어오는 구간과 들어오지 않는 시간의 평균값으로 데이터와 노이즈의 구분이 가능하다.

즉, 1:N으로 표시할 수 있다.

여기서, N은 적외선이 들어오는 구간에 대한 들어오지 않는 구간의 비를 나타내는데, 노이즈의 경우는 1:0, 1:0.5, 1:1 즉, N의 값이 1이하인 경우로로 표시되며, 데이터의 경우는 1:1.5, 1:2, 1:2.5 즉, N의 값이 1보다 큰 수로 표시된다.

위의 구분은 C10에 충전되는 전류의 양과 방전되는 전류의 양에 따른 전압의 시간변동값이 균형을 이루면 데이터로서, 노이즈라면 충전되는 양이 많아져 C10의 평균전압이 올라가 AGC증폭기(22)의 이득을 줄이게 된다. 따라서 노이즈의 크기도 줄게되어 노이즈에 의한 최종출력이 사라지게 된다.

따라서, AGC를 이용한 장치에서는 C10과 같은 캐패시터가 필요하므로 보통 데이터의 크기(여기서는 1프레임의 시간길이)에 따라 충방전 시정수가 보통 100msec이고 IC내부에 내장할 수 있는 캐패시터의 최대 크기가 수백 pF이므로 도 6의 QN37, QP41과 같이 베이스 전류를 이용하여 충방전량을 극도로 줄여(수 nA) 원하는 시정수를 맞추었다.

여기서, 충전과 방전의 전류량을 일정하게 유지하기 위하여 충전되는 QP41의 베이스 전류량은 방전되는 QN37의 베이스 전류량과의 비가 항상 일정해야 한다. 그런데 IC제조 공정상 NPN트랜지스터와 PNP트랜지스터의 HFE(트랜지스터의 베이스 전류에 대한 컬렉터전류의 비)가 독립적으로 변하므로 QN27, QP28, QP41로 구성된 회로로서 이러한 공정상의 불일치(mismatch)를 보상하였다. 즉 충전전류의 수학식은 다음과 같다.

따라서, 충전전류는 PNP트랜지스터에 의한 변동요소는 사라지고, NPN트랜지스터에 의한 요소만 반영이 되어 공정에 의한 변동요인을 제거하였다.

이 충방전양의 크기는 신호와 노이즈를 구분하는데 있어 중요하다. 보통 형광등과 같은 외란광에 의한 잡음이 증폭기를 거쳐 증폭되어 중심주파수가 38KHz에 맞추어진 대역통과필터를 거치게 되면 38KHz의 연속적인 펄스가 도 9와 같이 들어오게 된다. 이 노이즈 신호는 도 6의 R12에 의해 결정되어지는 전압으로 노이즈를 일정하게 유지된다. 이러한 결과는 AGC증폭기(22)의 이득을 줄여 이루어지게 된다. 이상태에서 대역통과필터의 출력은 도 2의 비교부(25)의 입력보다 낮으므로 최종출력에 노이즈에 의한 출력이 나오지 않게 된다.

비교부(25)는 대역통과필터(23)의 출력전압 레벨의 평균값보다 다소 높은 전압을 갖는 기준전압(V_ref)과 비교되어 상기 기준전압(V_ref)보다 높은 필터의 출력이 나오게 되면 복조부(26)에서 도 3c와 같이 신호를 변환시킨다. 이와같은 신호의 전송방식을 PCM방식이라 하는데 원신호를 캐리어주파수에 실어 보내는 방식을 말한다. 변환된 신호는 슈미트 트리거(27)는 출력 트랜지스터(TR21)를 거쳐 도 3d와 같은 파형으로 나오게 된다.

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

본 발명에 의하면, 형광등과 같은 외란광이 있는 상태에서 적외선 신호를 제외한 잡음을 출력으로 나오지 않게 한다.

AGC제어회로에서 베이스 전류를 이용한 충방전회로를 사용함으로써 충방전 전류를 전압으로 변환시키는 캐패시터를 내장하여 IC의 신뢰성을 향상시키고 포토모듈의 제작비용을 절감한다.

Claims (5)

1. 적외선 신호를 검출하는 신호검출부;

   상기 신호검출부로부터 검출된 적외선 신호를 소정레벨로 증폭하는 제1증폭기;

   상기 제1증폭기로부터 출력되는 적외선 신호를 자동이득조절에 의해 증폭하는 자동이득조절증폭기;

   상기 자동이득조절증폭기로부터 출력되는 신호를 소정 주파수 신호대에 해당하는 신호만을 걸려내는 대역통과필터;

   상기 대역통과필터로부터 출력된 신호의 전압과 소정의 문턱전압과 비교하여 충전상태인지 방전상태인지를 결정하는 신호를 만들어 내고, 이 신호에 따라 상기 자동이득조절증폭기의 이득을 조정하는 자동이득조절제어부;

   상기 대역통과필터로부터 출력되는 신호의 출력전압레벨의 평균값보다 다소 높은 전압을 갖는 기준전압과 비교되어 기준전압보다 높은 출력전압을 출력하는 비교기;

   상기 비교기로부터 출력되는 신호를 복조하는 복조부; 및

   상기 복조부로부터 출력되는 신호를 정형화된 구형파신호로 변환하는 슈미트트리거를 포함함을 특징으로 하는 적외선 수신장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자동이득조절증폭기는

   캐패시터를 내장하여 상기 캐패시터에 전류를 충전하거나 방전하여 충방전된 양으로 이득을 조정함을 특징으로 하는 적외선 수신장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 캐패시터에 충전되는 전류의 양과 방전되는 전류의 양에 따른 전압의 시간변동값이 균형을 이루면 데이터로서, 노이즈라면 충전되는 양이 많아져 상기 캐패시터의 평균전압이 올라가 자동이득조절증폭기의 이득을 줄임을 특징으로 하는 적외선 수신장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 자동이득조절제어부는

   데이터의 판별을 위하여 상기 비교기의 기준전압보다 낮은 전압의 문턱전압을 사용하는 비교기 구조를 채용함을 특징으로 하는 적외선 수신장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 자동이득조절제어부는

   상기 자동이득증폭기에 내장된 캐패시터의 충방전 시정수가 수십㎳ 내지 수백㎳를 만족하고, 충방전 전류량을 수 nA로 줄이기 위하여 전류미러로 구성된 트랜지스터의 베이스전류를 이용한 충방전회로를 사용함을 특징으로 하는 적외선 수신장치.