KR20100107101A - 비접촉식 센서 회로 - Google Patents

비접촉식 센서 회로 Download PDF

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KR20100107101A
KR20100107101A KR1020090025201A KR20090025201A KR20100107101A KR 20100107101 A KR20100107101 A KR 20100107101A KR 1020090025201 A KR1020090025201 A KR 1020090025201A KR 20090025201 A KR20090025201 A KR 20090025201A KR 20100107101 A KR20100107101 A KR 20100107101A
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Abstract

본 발명은 비접촉식 센서 회로를 제공한다. 이 센서 회로는 측정 대상과 전기적, 물리적으로 비접촉하여 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다. 이 센서 회로는 측정 대상과 축전 결합하는 측정 전극, 측정 전극과 직렬 연결되는 결합 축전기, 제1 음의 입력단 및 결합 축전기에 연결된 제1 양의 입력단을 포함하고 측정 신호를 제1 양의 입력단으로 입력받아 측정 신호를 증폭하여 제1 출력단으로 출력하는 제1 증폭기, 및 제1 증폭기의 제1 양의 입력단과 결합 축전기 사이에 위치한 제1 노드와 제1 증폭기의 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 제1 증폭기의 안정적 동작을 제공하는 바이어스 회로부를 포함할 수 있다. 제1 증폭기는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함하고, 결합 축전기의 결합 정전용량은 측정 대상과 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량보다 작을 수 있다.
비접촉 센서, 전위 센서, 생체 신호 증폭기, 고입력 임피던스, 저입력 커패시턴스

Description

비접촉식 센서 회로{CONTACTLESS SENSOR CIRCUIT}
본 발명은 센서 회로에 관한 것이다. 더 구조체적으로, 비접촉식 센서 회로에 관한 것이다.
생체 전기 신호 계측에 있어서 신호 검출을 위해서는 피검자 피부에 전극이 부착된다. 상기 전극에 연결된 전선을 이용하여 신호 증폭기에 연결하고, 상기 전극에 감지된 신호는 충분히 증폭되어 계측된다. 여기서, 상기 전극은 측정 과정의 번거로움 및 피검자의 불쾌감을 유발한다. 또한, 상기 전극은 오늘날 생체 전기 신호 활용의 폭발적인 수요를 막는 큰 걸림돌이기도 하다. 이러한, 문제점을 해결하는 방안은 신호원의 임피던스가 높을 경우에도 입력 임피던스가 훨씬 더 높은 신호 계측용 전단 증폭기를 구비하여 비접촉식으로 신호 계측이 가능한 구체적인 회로를 구현하는 것이다.
본 발명은 교육과학기술부의 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호-M103KV010019-06K2201-01910 , 과제명: 뇌-기계접속장치개발].
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 신호원에 물리적 및/또는 전기적으로 접촉하지 않고 신호원의 전위를 측정할 수 있는 비접촉식 센서 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 센서 회로는 측정 대상과 전기적, 물리적 비접촉으로 상기 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다. 이 센서 회로는 상기 측정 대상과 축전 결합하는 측정 전극, 상기 측정 전극과 직렬 연결되는 결합 축전기, 제1 음의 입력단 및 상기 결합 축전기에 연결된 제1 양의 입력단을 포함하고 측정 신호를 상기 제1 양의 입력단으로 입력받아 상기 측정 신호를 증폭하여 제1 출력단으로 출력하는 제1 증폭기, 및 상기 제1 증폭기의 상기 제1 양의 입력단과 상기 결합 축전기 사이에 위치한 제1 노드와 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 제1 증폭기의 안정적 동작을 제공하는 바이어스 회로부를 포함하되, 상기 제1 증폭기는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함하고,상기 결합 축전기의 결합 정전용량은 상기 측정 대상과 상기 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 증폭기의 상기 제1 음의 입력단은 상기 제1 출력단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 결합 축전기 및 상기 측정 전극 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 상기 제1 출력단에 연결된 가드부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시키는 임피던스 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 임피던스 회로부는 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량을 감소시키는 용량성 전류 회로부, 및 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 전류 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저항성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 연결된 되먹임 저항(Rf), 및 상기 되먹임 저항(Rf)과 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vrf)을 제공하는 전압원을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 되먹임 전압(Vrf)은
Figure 112009017845693-PAT00001
을 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저항성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf), 상기 제2 노드에 연결되는 제2 출력단을 포함하는 제2 증폭기, 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 제1 저항(R1), 및 상기 제2 노드와 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단 사이에 연결된 제2 저항(R2)을 포함하되, 상기 제2 증폭기의 제2 양의 입력단은 상기 제1 증 폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
Figure 112009017845693-PAT00002
를 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용량성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf), 및 상기 되먹임 축전기(Cf)와 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vcf)를 제공하는 전압원을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 되먹임 전압(Vcf)은
Figure 112009017845693-PAT00003
을 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용량성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf), 상기 제3 노드에 연결된 제3 출력단을 포함하는 제3 증폭기, 상기 제3 증폭기의 상기 제3 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 제3 저항(R3), 및 상기 제3 노드와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단 사이에 연결된 제4 저항(R4)을 포함하되, 상기 제3 증폭기의 제3 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 제1 출력단에 연결되고,
Figure 112009017845693-PAT00004
를 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저항성 전류 회로부는 양의 되먹임을 가지는 비반전 증폭회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용량성 전류 회로부는 양의 되먹임을 가지는 비반전 증폭회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용량성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 연결된 되먹임 저항(Rf), 및 상기 되먹임 저항(Rf)과 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vrf)을 제공하는 전압원을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용량성 전류 회로부는 상기 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf), 상기 제2 노드(N2)에 연결된 제2 출력단을 포함하는 제2 증폭기, 상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단 사이에 연결된 저항(R6), 및 상기 제2 증폭기의 상기 제2 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 축전기(C2)를 포함하되, 상기 제2 증폭기의 제2 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
Figure 112009017845693-PAT00005
를 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저항성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 연결된 되먹임 축전기(Cf), 및 상기 되먹임 축전기(Cf)와 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vcf)을 제공하는 전압원을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저항성 전류 회로부는 상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf), 상기 제3 노드(N3)에 연결된 제3 출력단을 포함하는 제3 증폭기, 상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단 사이에 연결된 축전기(C1), 및 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 저항(R5)을 포함하되, 상기 제3 증폭기의 제3 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
Figure 112009017845693-PAT00006
를 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이어스 회로부는 상기 제1 노드와 제4 노드 사이에 연결된 바이어스 저항(Rb), 상기 제4 노드에 연결된 제4 출력단을 포함하는 제4 증폭기, 상기 제4 노드와 상기 제4 증폭기의 제4 음의 입력단 사이에 연결된 축전기(C), 및 상기 제4 증폭기의 상기 제4 음의 입력단과 상기 제1 증폭기의 제1 출력단 사이에 연결된 저항(R)을 포함하되, 상기 제4 증폭기의 제4 양의 입력단은 접지단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이어스 회로부는 바이어스 저항 및 상기 바이어스 저항(Rb)을 통하여 음의 되먹임을 제공하는 반전 증폭회로를 가지는 적분회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시키는 임피던스 회로부를 포함하되, 상기 임피던스 회로부는 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량을 감소시키는 용량성 전류 회로부, 및 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 전류 회로부를 포함할 수 있다. 상기 저항성 전류 회로부는 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf), 상기 제2 노드에 연결되는 제2 출력단을 포함하는 제2 증폭기, 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 제1 저항(R1), 및 상기 제2 노드와 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단 사이에 연결된 제2 저항(R2)을 포함하되, 상기 제2 증폭기의 제2 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
Figure 112009017845693-PAT00007
를 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시키는 임피던스 회로부를 포함하되, 상기 임피던스 회로부는 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량을 감소시키는 용량성 전류 회로부, 및 상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 전류 회로부를 포함할 수 있다. 상기 저항성 전류 회로부는 상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf), 상기 제3 노드(N3)에 연결된 제3 출력 단을 포함하는 제3 증폭기, 상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단 사이에 연결된 축전기(C1), 및 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 저항(R5)을 포함하되, 상기 제3 증폭기의 제3 양의 입력단은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단에 연결되고,
Figure 112009017845693-PAT00008
를 충족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로는 증폭기의 설계 지침을 제공하고, 상기 센서 회로의 유효 입력저항을 높이는 방법, 유효 입력 정전용량(capacitance)을 줄이는 방법, 및 증폭기의 올바른 동작을 위한 바이어스 방법을 제공한다. 이에 따라, 상기 센서 회로는 다양한 신호원에 대해 비접촉으로 신호 계측을 제공할 수 있다. 특히, 생체 전기 신호 계측에 있어서, 전해질 전극 없는 비접촉식으로 신호 계측이 가능하다.
더구나, 비접촉식 생체 전기 신호 계측은 접촉식 생체 전기 신호 측정 방법에서 탈피할 수 있어, 생체 전기 신호 계측 분야의 계측 장비 및 산업화의 활성화에 크게 기여할 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로는 뇌파나 심전도 같은 생체 전기 신호가 전극의 피부 접촉 없이 계측할 수 있는 이론적 및 실질적 방안을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 센서 회로는 생체 전기 신호 계측뿐만 아니라 모든 전기 신호 측정에 있어서 비접촉 센서로서 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로는 전압 신호원으로부터 전기적,물리적 접촉 없이 전위 신호 측정을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 센서 회로는 생체 전기 신호 계측에 활용될 수 있다. 신호원의 임피던스가 클 경우, 상기 신호원의 전압 신호는 상기 센서 회로의 증폭기의 입력 임피던스가 매우 높을 때 손실 없이 계측할 수 있다. 상기 증폭기로 연산 증폭기(OP AMP)가 사용될 경우, 상기 연산 증폭기의 자체 입력 임피던스에 의해 상기 센서 회로의 입력 임피던스가 거의 결정될 수 있다. 특히, 생체 전기 신호 계측 분야에서 사용하는 상기 연산 증폭기의 자체 입력 임피던스는 상기 센서 회로의 입력 임피던스일 수 있다. 따라서, 다른 회로 요소는 거의 상기 센서 회로의 임피던스의 증가에 기여하지 않을 수 있다. 통상적으로, 접촉식 생체 전기 신호 계측 분야에서, 상기 연산 증폭기 자체의 입력 임피던스만으로도 충분히 손실 없는 측정을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 연산 증폭기의 입력 임피던스는 제어될 수 있다. 즉, 상기 연산 증폭기 자체의 입력 임피던스 값에 무관하게 상기 센서 회로의 입력 임피던스를 결정할 수 있다.
전압 신호원과 전기적, 물리적 접촉 없이 상기 전압 신호원의 전위를 계측할 수 있는 원리를 이하에서 설명한다.
[비접촉 전위 측정의 물리적 상황]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로의 동작 원리를 설명하는 도면 이다. 도 2는 도 1의 센서 회로의 등가 회로도이다. 도 3은 도 2의 센서 회로의 주파수 특성을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전압 신호원(102)의 전위(electric potential,Vs)는 비접촉식으로 측정 전극(103)에 축전 결합할 수 있다. 상기 측정전극(103)에 유도된 측정 전압(Vm) 또는 측정 신호는 이득이 A인 증폭기(106)를 통하여 계측될 수 있다. 상기 전압 신호원(102)과 상기 측정 전극(103)은 전기적으로 축전 결합(capacitive coupling)을 형성할 수 있다. 상기 축전 결합은 등가 정전용량(Cs)를 가지는 측정 축전기(104)로 표시될 수 있다. 상기 전압 신호원(102)과 상기 증폭기(106)는 상기 등가 정전용량(Cs), 상기 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri), 및 자체 입력 정전용량(Ci)으로 모델화될 수 있다.
상기 증폭기(106)는 상기 측정 전극(103)에 의한 측정 전위(Vm)를 이득 A로 증폭하여 출력할 수 있다. 상기 증폭기(106)는 연산 증폭기일 수 있다. 상기 측정 전위(Vm)는 상기 전압 신호원(102)의 생성 전위(Vs)와 다음과 같은 관계를 보일 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00009
여기서, ω는 상기 전압 신호원(102)의 상기 생성 전위(Vs)의 각주파수(angular frequency)이다. 상기 각주파수가 매우 큰 상황을 고려하면, 수학식 1 은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00010
gm은 상기 측정 전위(Vm)의 최대 크기를 얻을 조건이다.
상기 등가 정전용량(Cs)은 상기 전압 신호원(102)과 상기 측정 전극(103)의 비접촉 거리 및 대향 면적에 따라 다를 수 있다. 통상적으로, 상기 등가 정전용량(Cs)는 1pF 이하의 값을 가질 수 있다. 한편, 상기 증폭기(106)의 입력 정전용량(Ci)은 10pF 수준일 수 있다. 이 경우, 수학식 2에 따르면, 상기 측정 전위(Vm)는 상기 생성 전위(Vs)의 1/10 이하일 수 있다. 따라서, 상기 등가 정전용량(Cs)이 작고 상기 증폭기(106)의 자체 입력 정전용량(Ci)이 크면, 비접촉식 방식의 상기 측정 전위(Vm)의 계측은 어렵다. 더구나, 생체 전기 신호와 같이 신호 주파수가 낮을 경우(1Hz 수준)에는, 상기 주파수 특성은 더 나빠지기 때문에 비접촉 계측은 더 어려워질 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 측정 전위(Vm)은 주파수 의존성 측면에서 고주파 통과 필터(high pass filter)와 같다. 상기 고주파 통과 필터의 차단 주파수(cut-off frequency, ωc)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00011
상기 등가 정전용량(Cs)이 1pF이고, 상기 증폭기의 자체 입력 정전용량이 10pF인 경우, 상기 고주파 통과 필터의 상기 차단 주파수(ωc)가 1Hz를 얻기 위한 상기 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)은 수학식 3에 따르면 약 140TΩ 수준임을 알 수 있다. 통상적으로, 상기 증폭기(106)의 자체 입력 저항은 1TΩ 정도이다. 따라서 상기 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)은 100TΩ 이상을 가지고, 상기 증폭기(106)의 자체 입력 정전용량(Ci)은 1pF 이하를 가지는 경우, 비접촉으로 상기 측정 전위(Vs)의 측정은 가능할 수 있다.
[전압 신호원과 측정 전극 사이의 등가 정전용량(Cs)의 영향 줄이기]
상기 전압 신호원(102)과 상기 측정 전극(103) 사이의 전기적 결합이 상기 센서 회로에 미치는 영향을 줄이는 방법이 검토될 필요가 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 상기 센서 회로는 측정 대상(102)과 물리적으로 비접촉하여 상기 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다. 상기 센서 회로는 제1 증폭기(106)와 결합 축전기(112)를 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 상기 측정 대상(102)과 축전 결합하여 측정 신호(Vm)를 생성하는 측정 전극(미도시)에 연결된 입력단(105)을 포함할 수 있다. 상기 센서 회로가 측정 대상과 물리적으로 비접촉 하기 위하여, 상기 측정 전극과 상기 측정 대상 사이에 공기, 옷, 또는 유전체 등이 개재될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 입력 정전 용량(Ci)을 포함할 수 있다.
상기 제1 증폭기(106)는 상기 측정 신호(Vm)를 상기 입력단(105)으로 입력받아 상기 측정 신호(Vm)를 증폭하여 제1 출력단(107)으로 출력할 수 있다. 상기 결합 축전기(112)는 상기 측정 전극과 상기 제1 증폭기(106)의 상기 입력단(105) 사이에 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(112)의 결합 정전용량(Cc)은 상기 측정 대상(102)과 상기 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다.
상기 측정 전극(103)이 상기 전압 신호원(102)에 근접하는 정도에 따라 등가 정전용량(Cs)은 변할 수 있다. 이에 따라, 상기 측정 전위(Vm)는 상기 등가 정전용량(Cs)에 의존할 수 있다. 상기 측정 전위(Vm)의 상기 등가 정전용량(Cs) 의존성은 상기 측정 전위(Vm)의 계측을 어렵게 할 수 있다. 측정 과정 중에 발생하는 상기 등가 정전용량(Cs) 의 변화가 잡음으로 유입될 수 있기 때문에 정전용량(Cs) 의존성이 억제될 필요가 있다. 상기 등가 정전용량(Cs) 의존성을 줄이기 위해, 상기 등가 정전용량(Cs)과 상기 제1 증폭기(106)의 입력단(105) 사이에 연결된 결합 축전기(112)가 배치될 수 있다. 상기 결합 축전기(112)는 상기 결합 정전용량(Cc)을 가질 수 있다. 직렬 연결된 상기 결합 축전기(112)와 상기 등가 정전 용량(Cs)의 총 정전용량(CT)은 각각의 정전용량보다 항상 작다. 따라서 상기 등가 정전용 량(Cs)보다 충분히 작은 결합 정전용량(Cc)을 연결하면, 상기 총 정전용량(CT)은 상기 결합 정전용량(Cc)보다 작아, 상기 등가 정전용량(Cs) 의존성은 감소할 수 있다. 상기 총 정전용량(CT)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00012
여기서, 상기 결합 정전용량(Cc)이 등가 정전용량(Cs)보다 충분히 작다면, 총 정전용량(CT)은 거의 상기 결합 정전용량(Cc)과 같음을 알 수 있다. 즉, 이 조건이 성립하면 상기 전압 신호원(102)과 상기 측정 전극 사이의 상기 등가 정전용량(Cs)이 상기 측정 전위(Vm)에 미치는 영향은 무시될 수 있다. 예를 들어, 상기 등가 정전용량(Cs)이 1pF 수준인 경우, 상기 등가 정전용량(Cs)의 의존성을 무시하려면, 상기 결합 정전용량(Cc)은 0.1pF 수준일 수 있다.
[센서의 입력 저항 늘이기]
상기 증폭기의 자체 입력 저항(Ri)은 1TΩ 이상이 바람직할 수 있고, 상기 증폭기의 자체 입력 정전용량(Ci)은 0.1pF 이하가 바람직할 수 있다. 이제, 이렇게 높은 입력 저항과 이렇게 낮은 정전용량을 얻기 위한 방법에 대해 논의해 본다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로의 등가 회로도이다.
도 5를 참조하면, 상기 센서 회로는 측정 대상과 물리적으로 비접촉하여 상기 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다. 상기 센서 회로는 제1 증폭기(106) 및 결합 축전기(112)를 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 입력 정전 용량(Ci)을 포함할 수 있다.
상기 제1 증폭기(106)는 상기 측정 대상(102)과 축전 결합하여 측정 신호를 생성하는 측정 전극(미도시)에 연결된 제1 양의 입력단(106a) 및 제1 음의 입력단(106b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 상기 측정 전압 신호(Vm)를 상기 제1 양의 입력단(106a)으로 입력받아 상기 측정 전압 신호(Vm)를 증폭하여 제1 출력단(107)으로 출력할 수 있다. 상기 결합 축전기(112)는 상기 측정 전극과 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a) 사이에 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(112)의 결합 정전용량(Cc)은 상기 측정 대상(102)과 상기 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다.
상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 측정 전압 신호(Vm)를 측정 전류(Im)로 나눈 값으로 정의된다. 편의상 제1 증폭기(106)의 입력 정전용량은 없는 것으로 간주한다. 상기 결합 축전기(112)를 통하여 상기 측정 전류(Im)가 흐를 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00013
상기 측정 전류(Im)가 영의 값에 접근할수록 상기 센서 회로의 상기 유효입력 저항(Rie)은 증가한다. 상기 측정 전류(Im)는 상기 측정 전압 신호(Vm)에 의하여 상기 제1 증폭기(106)의 입력 저항(Ri)을 통해 흐른다. 따라서, 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)일 수 있다. 그러나, 상기 측정 전압 신호(Vm)에 의한 상기 측정 전류(Im) 대신에 다른 전류를 제공하는 저항성 전류 회로부(120)에 의해 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)에 전류가 흐른다면, 상기 센서 회로의 상기 유효 입력 저항(Rie)은 수정될 수 있다. 상기 저항성 전류 회로부(120)는 상기 되먹임 저항(121,Rf) 및 저항 되먹임 전압(Vrf)을 제공하는 저항 전압원(20)을 포함할 수 있다.
상기 되먹임 저항(121,Rf)은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 자체 입력 저항(Ri)과 상기 저항 전압원(20) 사이에 놓인다.
상기 제1 증폭기의 자체 입력 저항(Ri)을 통하여 흐르는 전류(Ii)는 주로 상기 측정 전위(Vm)에 의한 전류(Im)가 아니라, 상기 저항 전압원(20)에 의한 저항 전류(If)일 수 있다. 이 경우, 상기 측정 전압 신호(Vm)는 그대로 유지하면서 상기 측정 전류(Im)는 억제될 수 있다. 이 조건이 성립하면 상기 센서 회로의 입력 저항(Rie)은 이론상 무한대가 될 수 있다. 상기 측정 전류(Im)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00014
상기 저항 전압원(20)의 전위(Vrf)의 크기에 따라 상기 측정 전류(Im)가 달라질 수 있다. 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00015
상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 0 이상이어야 한다는 조건에서 상기 저항 전압원(20)의 제한 조건이 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00016
수학식 8에서, 등호가 성립할 경우는 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 무한대일 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로는 수학식 7을 구현한 예이다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 증폭기(106)는 전압 플로우(Voltage follower)일 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)가 전압 플로우로 결선되었기 때문에, 측정 전압 신호(Vm)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 그대로 나타날 수 있다. 상기 저항성 전류 회로부(120)는 되먹임 저항(Rf,121) 및 저항 전압원(20)을 포함할 수 있다. 제1 노드(N1)는 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)과 상기 결합 축전기(112) 사이에 위치할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함할 수 있다. 상기 결합 축전기(112)의 정전용량은 측정 대상과 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다.
상기 되먹임 저항(Rf,121)은 상기 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다. 상기 저항 전압원(20)은 제2 증폭기(124), 제1 저항(R1,123), 및 제2 저항(R2,122)을 포함할 수 있다. 상기 제2 증폭기(124)는 연산 증폭기일 수 있다. 상기 저항 전압원(20)은 비반전 증폭회로일 수 있다. 상기 제2 증폭기(124)의 제2 양의 입력단(124a)은 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제2 증폭기(124)의 제2 출력단(124c)은 상기 제2 노드(N2)에 연결될 수 있다. 상기 제2 저항(R2,122)은 상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 증폭기(124)의 제2 음의 입력단(124b) 사이에 연결될 수 있다. 상기 제1 저항(R1,123)은 상기 제2 증폭기(124)의 제2 음의 입력단(124b)과 접지단 사이에 연결될 수 있다.
상기 제2 증폭기(124)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)의 출력신호(Vout)를 입력받아 양의 되먹임하는 출력 신호(Vrf)를 제공할 수 있다. 상기 제 2 증폭기(124)의 이득을 고려하면 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00017
상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 상기 저항성 전류 회로부(120)의 저항들(Rf,R1,R2)에 의존할 수 있다. 수학식 9를 참조하면, 상기 유효 입력 저항(Rie)은 영 이상일 수 있다. 따라서, 상기 저항성 전류 회로부(120)는 다음과 같은 조건을 가질 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00018
상기 저항값들의 오차를 고려하면, 상기 되먹임 저항(Rf)과 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)은 서로 비슷한 크기를 갖는 것이 바람직하다.
[센서 회로의 입력 정전용량 줄이기]
앞에서 설명한 센서 회로의 입력 저항 늘이기와 유사한 방식으로 센서 회로의 입력 정전용량은 감소될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.
편의상 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)은 없는 것으로 취급한다.
도 7을 참조하면, 상기 제1 증폭기(106)는 전압 플로우(Voltage follower)일 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)가 전압 플로우로 결선되었기 때문에, 측정 전압 신호(Vm)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 그대로 나타날 수 있다. 용량성 전류 회로부(130)는 되먹임 축전기(131,Cf) 및 정전용량 전압원(30)을 포함할 수 있다. 제1 노드(N1)는 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)과 결합 축전기(112) 사이에 위치할 수 있다. 상기 결합 축전기(112)의 정전용량은 측정 대상과 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다. 상기 정전용량 전압원(30)은 상기 되먹임 축전기(131,Cf)와 직렬 연결되어, 정전용량 되먹임 전압(Vcf)을 제공할 수 있다.
상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 측정 전압 신호(Vm)에 의해 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)에 축적된 전하량(Qm)을 상기 측정 전압 신호(Vm)로 나눈 값으로 정의될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00019
상기 측정 전압 신호(Vm)에 의해 축적되는 측정 전하량(Qm)이 영이 되면, 상 기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 영이 될 수 있다. 상기 측정 전하량(Qm)은 상기 측정 전압 신호(Vm)에 의해 상기 제1 증폭기(106)의 입력 정전용량(Ci)에 축적될 수 있다. 따라서, 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 상기 제1 증폭기(106)의 입력 정전용량(Ci)일 수 있다. 그러나, 상기 제1 증폭기(106)의 입력 정전용량(Ci)에 축적되는 전하량(Qi)이 상기 측정 전압 신호(Vm)에 기인한 것이 아니라 다른 정전용량 전압원(30)의 전위(Vcf) 및 되먹임 정전용량(Cf,131)에 기인할 수 있다. 이 경우, 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 영이 될 수 있다. 상기 측정 전하량(Qm)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00020
상기 정전용량 전압원(30) 및 상기 되먹임 축전기(131, Cf)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)에 축적되는 상기 측정 전하량(Qm)을 변경할 수 있다. 상기 되먹임 정전용량(Cf) 및 상기 정전용량 전압원(30)의 전위(Vcf)는 상기 측정 전하량(Qm)을 제어할 수 있다. 이 경우, 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00021
상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 영 이상일 수 있다. 이에 따라, 상기 용량성 전류 회로부(130)는 다음과 같은 조건을 가질 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00022
이 식에서 등호가 성립하는 조건일 경우, 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 영이 될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로는 수학식 14를 구현한 예이다.
도 8을 참조하면, 제1 증폭기(106)는 전압 플로우(Voltage follower)일 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)가 전압 플로우로 결선되었기 때문에 측정 전압 신호(Vm)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 그대로 나타날 수 있다. 상기 용량성 전류 회로부(130)는 되먹임 축전기(Cf,131) 및 정전용량 전압원(30)을 포함할 수 있다. 제1 노드(N1)는 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)과 상기 결합 축전기(112) 사이에 위치할 수 있다. 상기 되먹임 축전기(Cf,131)는 상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결될 수 있다. 상기 정전용량 전압원(30)은 상기 제3 노드(N3)에 연결되어 정전용량 되먹임 전압(Vcf)을 제공할 수 있다. 상기 용량성 전류 회로부(130)는 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)을 감소시킬 수 있다.
상기 정전용량 전압원(30)은 제3 증폭기(135), 제3 저항(R3,134), 및 제4 저항(R4,133)을 포함할 수 있다. 상기 제3 증폭기(135)는 연산 증폭기일 수 있다. 상기 정전용량 전압원(30)은 비반전 증폭회로일 수 있다. 상기 제3 증폭기(135)의 제3 양의 입력단(135a)은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제3 증폭기(135)의 상기 제3 출력단(135c)은 상기 제3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 상기 제4 저항(R4,133)은 상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단(135b) 사이에 연결될 수 있다. 상기 제3 저항(R3, 134)은 상기 제3 증폭기(135)의 제3 음의 입력단(135b)과 접지단 사이에 연결될 수 있다.
상기 제3 증폭기(135)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)의 출력신호(Vout)를 입력받아 양의 되먹임하는 출력 신호(Vcf)를 제공할 수 있다. 상기 제3 증폭기의 이득을 고려하면, 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00023
상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)는 양의 되먹임를 제공하는 제3 증폭기의 이득을 결정하는 저항들(R3,R4)에 의해 제어됨을 확인할 수 있다. 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량은 영 이상일 수 있다. 따라서, 상기 제3 증폭기의 저항들(R3,R4)은 다음과 같이 제한될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00024
저항값들의 오차를 고려하면, 상기 되먹임 정전용량(Cf)과 상기 제1 증폭기(106)의 입력 정전용량(Ci)은 비슷한 크기를 갖는 것이 바람직하다.
[연산 증폭기의 안정적인 작동을 위한 바이어스]
상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)을 늘이는 저항성 전류 회로부 또는 유효 입력 정전용량(Cie)을 줄이는 용량성 전류 회로부 만으로는 센서 회로의 정상적인 동작을 보장하지 못할 수 있다. 상기 센서회로의 안정적 동작을 위하여, 상기 제1 증폭기(106)의 입력 바이어스 전류 경로가 확보될 필요가 있다.
다시, 도 5 내지 도 8를 참조하면, 상기 제1 증폭기(106)가 안정적으로 동작하려면, 입력 바이어스 전류 경로가 회로적으로 형성될 필요가 있다. 상기 저항성 전류 회로부(120) 또는 상기 용량성 전류 회로부(130)는 이득 결정용 저항들과 회로 결선 방식에 의하여 입력 바이어스 전류 경로를 제공할 수 있다. 하지만, 상기 센서 회로의 주요 기능을 수행하는 상기 제1 증폭기(106)의 입력 바이어스 전류 경로는 보장되지 않을 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서회로를 설명하는 회로도이다.
도 9를 참조하면, 제1 증폭기(106)는 전압 플로우(Voltage follower)일 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)가 전압 플로우로 결선되었기 때문에 측정 전압 신호(Vm)는 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 그대로 나타날 수 있다. 제1 노드(N1)는 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)과 상기 결합 축전기(112) 사이에 위치할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함할 수 있다. 상기 결합 축전기(112)의 정전용량은 측정 대상과 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다.
상기 바이어스 회로부(140)는 음의 되먹임을 포함하는 적분 회로를 포함할 수 있다. 상기 바이어스 회로부(140)은 바이어스 저항(Rb,141), 제4 증폭기(144), 적분 저항(R,143), 적분 축전기(C,142)를 포함할 수 있다. 상기 바이어스 저항(Rb,141)은 상기 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이에 연결될 수 있다. 상기 적분 축전기(C,142)는 상기 제4 노드(N4)와 상기 제4 증폭기(144)의 제4 음의 입력단(144b) 사이에 연결될 수 있다. 상기 적분 저항(R,143)은 상기 제4 증폭기(144)의 제4 음의 입력단(144b)과 제1 증폭기(106)의 출력단(107) 사이에 연결될 수 있다. 상기 제4 증폭기(144)의 제4 출력단(144c)은 상기 제4 노드(N4)에 연결될 수 있다. 상기 제4 증폭기(144)의 제4 양의 입력단(144a)은 접지될 수 있다.
상기 제1 증폭기(106)의 입력 바이어스 전류(Ib)는 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)를 통해 흐를 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)에 직류 오프셋 전압(Voffset)은 Ib x Ri 일 수 있다. 상기 직류 오프셋 전압(Voffset)이 상기 제1 증폭기(106)의 구동 전압(Vcc) 범위 내에 있으면, 상기 제1 증폭기(106)의 동작은 보장될 수 있다. 그러나, 상기 제1 증폭기(106)의 출력에 직류 요동이 발생하면, 상기 제1 증폭기(106)의 동작은 불안할 수 있다.
되먹임 저항에 의한 바이어스 전류 경로를 생각해 볼 수도 있으나, 상기 되먹임 저항값은 상기 제1 증폭기(106)의 입력 저항(Ri)과 거의 같은 값을 가질 수 있으므로, 상기 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)에 상기 직류 오프셋 전압(Voffset)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 증폭기(106)에 따라 입력 바이어스 전류(Ib)와 입력 저항(Ri)은 다를 수 있기 때문에, 상기 직류 오프셋 전압(Voffset)이 항상 상기 제1 증폭기(106)의 구동 전압(Vcc) 범위 내에 있을 것을 보장하지 못할 수 있다. 더구나, 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)에 존재하는 상기 직류 오프셋 전압(Voffset)은 수학식 9의 유효 입력 저항(Rie)을 무의미하게 할 수 있다.
상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)을 높이면 높일수록, 본 발명의 일 실시예에 부합하는 비접촉 전위 측정이 가능해 질 수 있다. 하지만, 상기 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)에 상기 직류 오프셋 전압(Voffset)이 존재하면, 상 기 제1 증폭기(106)의 출력(Vout)은 포화될 수 있다. 따라서, 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 높은 값(이론적으로는 무한대)으로 유지하면서, 상기 제1 증폭기(106)를 안정적으로 동작시키기 위하여 별도의 입력 바이어스 전류 경로를 확보할 필요가 있다. 예를 들어, 상기 바이어스 회로부(140)는 상기 직류 오프셋 전압(Voffset)이 제1출력단(107)에 나타나지 않도록 상기 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)을 기준 전위( 예를 들면, 0 V)로 유지할 수 있다. 이를 위하여, 상기 바이어스 회로부(140)는 음의 되먹임 신호(Vb)를 제공할 수 있다. 또한, 상기 되먹임 신호(Vb)는 상기 제1 증폭기(106)의 출력(Vout)의 크기에 무관하게 항상 상기 기준 전위를 유지하도록 제공될 수 있다. 따라서, 상기 바이어스 회로부(140)는 적분회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 증폭기(106)의 입력 바이어스 전류(Ib)에 의해 제1 출력단(107)에 양(음) 직류 오프셋 전압(Voffset)이 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 바이어스 회로부(140)의 상기 제4 증폭기(144)의 상기 적분 저항(R,143)을 통한 전류 유입(유출)은 상기 적분 축전기(C,142)에 전하를 충전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제4 증폭기(144)의 제4 출력단(144c)에 음(양)의 전압이 생성될 수 있다. 이어서, 상기 제4 증폭기(144)는 상기 바이어스 저항(Rb,141)을 통하여 상기 직류 바이어스 전류(Ib)를 흡수(생성)할 수 있다. 따라서, 상기 제1 증폭기(106)의 제1 양의 입력단(106a)에 직류 오프셋 전압(Voffset)의 생성을 억제할 수 있다.
상기 바이어스 회로부(140)를 통해 측정 전류가 역시 흐를 수 있다. 하지 만, 상기 바이어스 회로부(140)의 주파수 특성으로 인해, 상기 측정 전류의 높은 주파수 성분은 상기 바이어스 회로부(140)를 통과하지 못할 수 있다. 상기 적분 저항(143)의 저항값(R)과 적분 축전기(142)의 정전용량(C)은 신호의 주파수 대역에 따라 적합하게 선정될 수 있다. 1/RC값이 신호의 각주파수보다 훨씬 작도록 선정할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 바이어스 저항(Rb,141)은 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)에는 영향을 미칠 수 있다. 이 영향을 고려한 센서 회로의 구성에 대해 논의해 본다.
[센서 회로 구성]
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.
도 10을 참조하면, 비접촉식 센서 회로는 측정 대상과 전기적, 물리적 비접촉으로 상기 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다. 상기 센서 회로는 제1 증폭기(106) 및 결합 축전기(112)를 포함할 수 있다.
상기 비접촉식 센서 회로는 상기 측정 대상과 축전 결합하는 측정 전극(미도시)과 직렬 연결되는 결합 축전기(112), 제1 음의 입력단(106b) 및 상기 결합 축전기(112)에 연결된 제1 양의 입력단(106a)을 포함하고 측정 신호(Vm)를 상기 제1 양의 입력단(106a)으로 입력받아 상기 측정 신호(Vm)를 증폭하여 제1 출력단(107)으로 출력하는 제1 증폭기(106), 및 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)과 상기 결합 축전기(112) 사이에 위치한 제1 노드(N1)와 상기 제1 증 폭기(106)의 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 상기 제1 증폭기(106)의 안정적 동작을 제공하는 바이어스 회로부(140)를 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함하고, 상기 결합 축전기(112)의 결합 정전용량(Cc)은 상기 측정 대상과 상기 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다.
상기 센서 회로는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시키는 임피던스 회로부(150)를 포함할 수 있다. 상기 임피던스 회로부(150)는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)을 감소시키는 용량성 전류 회로부(130) 및 상기 제1 노드(N1)와 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)을 증가시키는 저항성 전류 회로부(120) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 저항성 전류 회로부(120)는 상기 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf,121), 상기 제2 노드(N2)에 연결되는 제2 출력단(124c)을 포함하는 제2 증폭기(124), 상기 제2 증폭기(124)의 제2 음의 입력단(124b)과 접지단 사이에 연결된 제1 저항(R1,123), 및 상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 증폭기(124)의 제2 음의 입력단(124b) 사이에 연결된 제2 저항(R2,122)을 포함할 수 있다. 상기 제2 증폭기(124)의 제2 양의 입력단(124a)은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 저항성 전류 회로부(120)는 양의 되먹 임을 가지는 비반전 증폭회로를 포함할 수 있다. 상기 제2 증폭기(124)의 제2 출력단(124c)은 저항 되먹임 전위(Vrf)를 제공할 수 있다.
상기 용량성 전류 회로부(130)는 상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf,131), 상기 제3 노드(N3)에 연결된 제3 출력단(135c)을 포함하는 제3 증폭기(135), 상기 제3 증폭기(135)의 상기 제3 음의 입력단(135b)과 접지단 사이에 연결된 제3 저항(R3,134), 및 상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기(135)의 제3 음의 입력단(135b) 사이에 연결된 제4 저항(R4,133)을 포함할 수 있다. 상기 제3 증폭기(135)의 제3 양의 입력단(135a)은 상기 제1 증폭기(106)의 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 용량성 전류 회로부는 양의 되먹임을 가지는 비반전 증폭회로를 포함할 수 있다. 상기 제3 증폭기(135)의 제3 출력단(135c)은 정전용량 되먹임 전위(Vcf)를 제공할 수 있다.
상기 바이어스 회로부(140)는 상기 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이에 연결된 바이어스 저항(Rb), 상기 제4 노드(N4)에 연결된 제4 출력단(144c)을 포함하는 제4 증폭기(144), 상기 제4 노드(N4)와 상기 제4 증폭기(144)의 제4 음의 입력단(144b) 사이에 연결된 축전기(C,142), 및 상기 제4 증폭기(144)의 상기 제4 음의 입력단(144b)과 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결된 저항(R,143)을 포함할 수 있다. 상기 제4 증폭기(144)의 제4 양의 입력단(144a)은 접지에 연결될 수 있다. 상기 바이어스 회로부(140)는 음의 되먹임을 가지는 반전 증폭회로를 포함하는 적분회로를 포함할 수 있다. 상기 제4 증폭기(144)의 제4 출력단(144c)은 바이어스 전위(Vb)를 제공할 수 있다.
이하에서, 상기 바이어스 회로부(140)와 상기 임피던스 회로부(150)의 결합에 따른 동작을 설명한다.
상기 센서 회로의 설계조건을 예를 통해 제시한다. 앞에서 설명한 것에서 크게 수정되는 부분은 상기 바이어스 회로부(140)의 바이어스 저항(Rb)의 도입으로 인한 유효 입력 저항(Rie)일 수 있다. 수학식 9를 참조하면, 측정 전압 신호(Vm)와 되먹임 저항(Rf)의 관점에서 보면, 상기 바이어스 저항(Rb)은 상기 제1 증폭기(106)의 입력 저항(Ri)과 병렬 연결된 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 수학식 9의 유효 입력 저항(Rie)은 다음과 같이 수정될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00025
유사하게, 수학식 10을 참조하면, 되먹임 저항(Rf)에 되먹임 신호(Vrf)를 제공하는 제2 증폭기(124)의 이득을 결정하는 저항들(R1,R2)의 제한 조건은 다음과 같이 수정될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00026
되먹임 축전기(Cf)에 관련된 수학식 15 및 수학식 16은 그대로 유용할 수 있 다. 즉, 상기 바이어스 회로(140)는 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)에는 영향을 미치지 않을 수 있다.
가드부(115)는 상기 결합 축전기(112) 및/또는 상기 측정 전극 주위를 감싸고 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 정전용량(Ci)은 실제 회로 결선 과정에서 전기적 배선에 의해 변형될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)은 실제 회로 결선 과정에서 전기적 배선에 의해 변형될 수 있다. 이러한 상기 전기적 배선에 의한 영향을 줄이기 위해, 신호 입력 경로에 가드부(guard,115)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 인쇄 회로 기판(PCB)에서 신호 입력선 주위에 측정 전압 신호(Vs)와 다른 전위가 형성되어 있으면, 그 전위차에 기인한 누설전류가 발생될 수 있다. 상기 누설 전류는 상기 제1 증폭기(106)의 자체 입력 저항(Ri)과 자체 입력 정전용량(Ci)에 영향을 줄 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 누설 전류는 상기 제1 증폭기(106)의 입력 바이어스 전류(Ib)를 변형할 수 있다. 이러한 영향을 줄이기 위해, 상기 신호 입력선 주위는 측정 전압 신호(Vs)와 동등한 전위를 갖는 금속 도선으로 둘러싸일 수 있다.
상기 가드부(115)의 구동 신호는 상기 제1 증폭기(106)의 출력 신호(Vout)에서 제공받을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 증폭기(106)는 외부 잡음의 유입을 억제하는 저 임피던스 상태의 가드부로 보호될 수 있다. 상기 가드부(115)는 신호 입력단(118) 주위에 배치된 가드 연결단(116)에 연결될 수 있다. 상기 가드 연결단(116)는 신호 검출용 측정 전극(미도시)의 가드 역할도 수행할 수 있다. 입력 단자부(119)는 신호입력단자(118), 기준 접지단(117), 및 가드 연결단(116)를 포함할 수 있다. 상기 입력 단자부(119)는 측정 전극의 장착을 용이하도록 구성해 둘 수 있다.
상기 측정 대상의 전압 신호(Vs)에 대한 상기 센서 회로의 출력 신호(Vout)의 주파수 응답 특성은 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00027
여기서, i는 복소수를 나타내고, ω는 상기 측정 대상의 전압 신호(Vs)의 각주파수, Cc는 결합 정전용량, Cie는 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(수학식 15 참조), Rb는 바이어스 저항, R은 적분 저항, C는 적분 축전기의 정전용량, Rie는 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(수학식 17 참조), ωo는 상기 센서 회로의 고유 각주파수를 각각 나타낸다. 상기 센서 회로의 상기 고유 각주파수(ωo)는 상기 측정 대상의 전압 신호(Vs)의 최저 주파수 보다 월등히 낮도록 설정될 수 있다. 이 경우, 상기 센서 회로는 수학식 19에서 알 수 있듯이 고주파 통과 필터처럼 동작할 수 있다. 상기 측정 대상의 전압 신호(Vs)의 각주파수(ω)가 상기 고유 각주파수( ωo)보다 월등히 큰 경우, 입출력 신호 크기 비는 수학식1과 유사하게 다음과 같이 근사될 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00028
Rie를 Ri로 대치하고, Cie를 Ci로 대치하면, 수학식 20은 수학식 1과 동일하다. 그러나, 유효 입력 정전용량(Cie, 수학식 15 참조) 및 유효 입력 저항(Rie, 수학식 17 참조)은 각각 상기 용량성 전류 회로부(130) 및 저항성 전류 회로부(140)에 의하여 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 유효 입력 정전용량(Cie)은 상기 용량성 전류 회로부(130)의 제3 증폭기(135)의 이득용 저항값들(R3,R4)에 의하여 조절될 수 있고, 상기 유효 입력 저항(Rie)은 상기 저항성 전류 회로부(120)의 제2 증폭기(124)의 이득용 저항값들(R1,R2)에 의하여 조절될 수 있다. 결국, 상기 센서 회로는 유효 입력 정전 용량(Cie)을 감소시킬 수 있고, 상기 유효 입력 저항(Rie)을 증가시킬 수 있어, 상기 센서 회로는 비접촉식으로 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다.
상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)과 유효 입력 정전용량(Cie)의 제어는 결합 정전용량(112)의 선택의 폭을 넓혀줄 수 있다. 따라서, 측정 대상과 측정 전극 사이의 전기적 결합(capacitive coupling)의 정도에 무관하게, 비접촉 전위 측정이 가능할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 변형된 실시예를 설명한다. 변형된 실시예는 도 10에서 설명한 센서 회로와 유사하게 동작한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 비접촉식 센서 회로는 측정 대상과 전기적, 물리적 비접촉으로 상기 측정 대상의 전위를 측정할 수 있다. 상기 센서 회로는 제1 증폭기(106) 및 결합 축전기(112)를 포함할 수 있다.
상기 비접촉식 센서 회로는 상기 측정 대상과 축전 결합하는 측정 전극(미도시)과 직렬 연결되는 결합 축전기(112), 제1 음의 입력단(106b) 및 상기 결합 축전기(112)에 연결된 제1 양의 입력단(106a)을 포함하고 측정 신호(Vm)를 상기 제1 양의 입력단(106a)으로 입력받아 상기 측정 신호(Vm)를 증폭하여 제1 출력단(107)으로 출력하는 제1 증폭기(106), 및 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 양의 입력단(106a)과 상기 결합 축전기(112) 사이에 위치한 제1 노드(N1)와 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 상기 제1 증폭기(106)의 안정적 동작을 제공하는 바이어스 회로부(140)를 포함할 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함하고, 상기 결합 축전기(112)의 결합 정전용량(Cc)은 상기 측정 대상과 상기 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량(Cs)보다 작을 수 있다. 상기 측정 전극은 신호 입련단(118)에 장착될 수 있다. 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 음의 입력단(106b)은 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다. 상기 센서 회로는 임피던스 회로부(350)를 포함할 수 있다. 상기 임피던스 회로부(350)는 상기 센서 회로의 임피던스를 제어할 수 있다.
상기 바이어스 회로부(140)는 상기 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이에 연결된 바이어스 저항(Rb), 상기 제4 노드(N4)에 연결된 제4 출력단(144c)을 포함하 는 제4 증폭기(144), 상기 제4 노드(N4)와 상기 제4 증폭기(144)의 제4 음의 입력단(144b) 사이에 연결된 축전기(C,142), 및 상기 제4 증폭기(144)의 상기 제4 음의 입력단(144b)과 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결된 저항(R,143)을 포함할 수 있다. 상기 제4 증폭기(144)의 제4 양의 입력단(144a)은 접지에 연결될 수 있다. 상기 바이어스 회로부(140)는 음의 되먹임을 가지는 반전 증폭회로를 포함하는 적분회로를 포함할 수 있다.
상기 임피던스 회로부(350)는 용량성 전류 회로부(320) 및 저항성 전류 회로부(330)를 포함할 수 있다. 상기 용량성 전류 회로부(320)는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량(Cie)을 감소시킬 수 있다. 저항성 전류 회로부(330)는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제1 출력단(107) 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)을 증가시킬 수 있다.
상기 용량성 전류 회로부(320)는 상기 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf,321), 상기 제2 노드(N2)에 연결된 제2 출력단(324c)을 포함하는 제2 증폭기(324), 상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 증폭기(324)의 제2 음의 입력단(324b) 사이에 연결된 저항(R6,322), 및 상기 제2 증폭기(324)의 상기 제2 음의 입력단(324b)과 접지단 사이에 연결된 축전기(C2,325)를 포함할 수 있다. 상기 제2 증폭기(324)의 제2 양의 입력단(324a)은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다.
상기 저항성 전류 회로부(330)는 상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf,331), 상기 제3 노드(N3)에 연결된 제3 출력단(335c)을 포함하는 제3 증폭기(335), 상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기(335)의 제3 음의 입력단(335b) 사이에 연결된 축전기(C1,336), 및 상기 제3 증폭기(335)의 제3 음의 입력단(335b)과 접지단 사이에 연결된 저항(R5,334)을 포함할 수 있다. 상기 제3 증폭기(335)의 제3 양의 입력단(335a)은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단(107)에 연결될 수 있다.
상기 저항성 전류 회로부(330)에 의한 센서 회로의 유효 입력 저항(Rie)은 수학식 17 대신에 다음으로 얻을 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00029
유효 저항(Rie)값은 0 이상일 수 있다는 조건에 의해 상기 저항성 전류 회로부(330)의 회로 요소는 다음의 조건을 가질 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00030
이것은 상기 수학식 18과 유사한 조건이다.
도 11의 되먹임 축전기(Cf,331)는 저항성 전류 회로부를 구성할 수 있다. 반면, 되먹임 저항(Rf,321)은 용량성 전류 회로부를 구성할 수 있다. 유사하게, 상기 용량성 전류 회로부(320)에 의한 센서 회로의 입력 정전용량(Cie)은 수학식 15 대신에 다음으로 얻는다.
Figure 112009017845693-PAT00031
유효 정전용량(Cie)이 0이상일 수 있다는 조건에 의해 상기 용량성 전류 회로부(320)의 회로 요소는 다음의 조건을 가질 수 있다.
Figure 112009017845693-PAT00032
이것은 상기 수학식 16과 유사한 조건이다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 센서 회로의 등가 회로도이다.
도 3은 도 2의 센서 회로의 주파수 특성을 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 센서 회로를 설명하는 회로도이다.

Claims (21)

  1. 측정 대상과 전기적, 물리적 비접촉으로 상기 측정 대상의 전위를 측정하는 비접촉식 센서 회로에 있어서,
    상기 측정 대상과 축전 결합하는 측정 전극;
    상기 측정 전극과 직렬 연결되는 결합 축전기;
    제1 음의 입력단 및 상기 결합 축전기에 연결된 제1 양의 입력단을 포함하고 측정 신호를 상기 제1 양의 입력단으로 입력받아 상기 측정 신호를 증폭하여 제1 출력단으로 출력하는 제1 증폭기; 및
    상기 제1 증폭기의 상기 제1 양의 입력단과 상기 결합 축전기 사이에 위치한 제1 노드와 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 제1 증폭기의 안정적 동작을 제공하는 바이어스 회로부를 포함하되,
    상기 제1 증폭기는 자체 입력 저항(Ri) 및 자체 정전용량(Ci)를 포함하고,
    상기 결합 축전기의 결합 정전용량은 상기 측정 대상과 상기 측정 전극에 의하여 형성된 등가 정전 용량보다 작은 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 증폭기의 상기 제1 음의 입력단은 상기 제1 출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 결합 축전기 및 상기 측정 전극 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 상기 제1 출력단에 연결된 가드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시키는 임피던스 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 임피던스 회로부는:
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량을 감소시키는 용량성 전류 회로부; 및
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 전류 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 저항성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 연결된 되먹임 저항(Rf); 및
    상기 되먹임 저항(Rf)과 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vrf)을 제공하는 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 되먹임 전압(Vrf)은
    Figure 112009017845693-PAT00033
    을 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 저항성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf);
    상기 제2 노드에 연결되는 제2 출력단을 포함하는 제2 증폭기;
    상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 제1 저항(R1); 및
    상기 제2 노드와 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단 사이에 연결된 제2 저항(R2)을 포함하되,
    상기 제2 증폭기의 제2 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
    Figure 112009017845693-PAT00034
    를 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 용량성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf); 및
    상기 되먹임 축전기(Cf)와 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vcf)를 제공하는 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 되먹임 전압(Vcf)은
    Figure 112009017845693-PAT00035
    을 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  11. 제5 항에 있어서,
    상기 용량성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf);
    상기 제3 노드에 연결된 제3 출력단을 포함하는 제3 증폭기;
    상기 제3 증폭기의 상기 제3 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 제3 저항(R3); 및
    상기 제3 노드와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단 사이에 연결된 제4 저항(R4)을 포함하되,
    상기 제3 증폭기의 제3 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 제1 출력단에 연결되고,
    Figure 112009017845693-PAT00036
    를 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  12. 제5 항에 있어서,
    상기 저항성 전류 회로부는 양의 되먹임을 가지는 비반전 증폭회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  13. 제5 항에 있어서,
    상기 용량성 전류 회로부는 양의 되먹임을 가지는 비반전 증폭회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  14. 제5 항에 있어서,
    상기 용량성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 연결된 되먹임 저항(Rf); 및
    상기 되먹임 저항(Rf)과 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vrf)을 제공하는 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  15. 제5 항에 있어서,
    상기 용량성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf);
    상기 제2 노드(N2)에 연결된 제2 출력단을 포함하는 제2 증폭기;
    상기 제2 노드(N2)와 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단 사이에 연결된 저항(R6); 및
    상기 제2 증폭기의 상기 제2 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 축전기(C2)를 포함하되,
    상기 제2 증폭기의 제2 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
    Figure 112009017845693-PAT00037
    를 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  16. 제5 항에 있어서,
    상기 저항성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 연결된 되먹임 축전기(Cf); 및
    상기 되먹임 축전기(Cf)와 직렬 연결되어 되먹임 전압(Vcf)을 제공하는 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  17. 제5 항에 있어서,
    상기 저항성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf);
    상기 제3 노드(N3)에 연결된 제3 출력단을 포함하는 제3 증폭기;
    상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단 사이에 연결된 축전기(C1);
    및 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 저항(R5)을 포함하되,
    상기 제3 증폭기의 제3 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
    Figure 112009017845693-PAT00038
    를 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 바이어스 회로부는:
    상기 제1 노드와 제4 노드 사이에 연결된 바이어스 저항(Rb);
    상기 제4 노드에 연결된 제4 출력단을 포함하는 제4 증폭기;
    상기 제4 노드와 상기 제4 증폭기의 제4 음의 입력단 사이에 연결된 축전기(C); 및
    상기 제4 증폭기의 상기 제4 음의 입력단과 상기 제1 증폭기의 제1 출력단 사이에 연결된 저항(R)을 포함하되,
    상기 제4 증폭기의 제4 양의 입력단은 접지단에 연결된 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 바이어스 회로부는 바이어스 저항 및 상기 바이어스 저항(Rb)을 통하여 음의 되먹임을 제공하는 반전 증폭회로를 가지는 적분회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시키는 임피던스 회로부를 포함하되,
    상기 임피던스 회로부는:
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량을 감소시키는 용량성 전류 회로부; 및
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 전류 회로부를 포함하고,
    상기 저항성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 되먹임 저항(Rf);
    상기 제2 노드에 연결되는 제2 출력단을 포함하는 제2 증폭기;
    상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 제1 저항(R1); 및
    상기 제2 노드와 상기 제2 증폭기의 제2 음의 입력단 사이에 연결된 제2 저항(R2)을 포함하되,
    상기 제2 증폭기의 제2 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 상기 제1 출력단에 연결되고,
    Figure 112009017845693-PAT00039
    를 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 입력 임피던스를 증가시 키는 임피던스 회로부를 포함하되,
    상기 임피던스 회로부는:
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 정전용량을 감소시키는 용량성 전류 회로부; 및
    상기 제1 노드와 상기 제1 출력단 사이에 연결되어 상기 센서 회로의 유효 입력 저항을 증가시키는 저항성 전류 회로부를 포함하고,
    상기 저항성 전류 회로부는:
    상기 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 되먹임 축전기(Cf);
    상기 제3 노드(N3)에 연결된 제3 출력단을 포함하는 제3 증폭기;
    상기 제3 노드(N3)와 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단 사이에 연결된 축전기(C1);
    및 상기 제3 증폭기의 제3 음의 입력단과 접지단 사이에 연결된 저항(R5)을 포함하되,
    상기 제3 증폭기의 제3 양의 입력단은 상기 제1 증폭기(106)의 상기 제1 출력단에 연결되고,
    Figure 112009017845693-PAT00040
    를 충족하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 센서 회로.
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