KR20130008102A - 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로 - Google Patents

기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로에 관한 것으로, 본 발명에 따른 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서를 이용한 정전용량 측정회로는, 상기 정전용량형 센서를 구비하여 센싱된 센싱정전용량과 상기 기생정전용량을 함께 출력하는 센싱부와; 보상용 커패시터와 반전증폭기를 구비하여 상기 기생정전용량에 대응되는 보상정전용량을 출력하는 보상부와; 상기 센싱부의 출력신호와 상기 보상부의 출력신호를 전기적 신호로 변화시키고 증폭하여 출력하는 전하증폭부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 경우에도 센싱의 어려움 없이 정확한 센싱이 가능하다.

Description

기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로{Electrostatic capacity measuring circuits for electrostatic capacity sensor having parasitic capacitance}
본 발명은 정전용량 측정회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서에서 정전용량을 정확하게 측정할 수 있는 정전용량 측정회로에 관한 것이다.
일반적으로, 정전용량변화를 이용하여 압력이나 수위 혹은 물질의 양을 측정할 수 있는 센서들이 많이 개발되어오고 있다.
정전용량의 변화를 측정하기 위한 방법으로는 전통적인 브릿지 회로를 이용하는 방법, 콘덴서의 충방전 시간을 이용하는 방법, 발진회로를 이용하는 방법들이 사용되어 있다.
이러한 정전용량의 변화를 측정하기 위한 정전용량 센서는 센서의 구조적 문제로 인해 압력이나 물질 등의 물리적 입력신호가 없어도 일정 정전용량 값을 가지는 기생정전용량(parasitic capacitance)이 나타난다.
도 1은 종래의 정전용량 측정회로를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 정전용량 측정회로는 센싱부(10)와 전하증폭부(20)를 구비한다.
상기 센싱부(10)는 일반적인 정전용량형 센서를 구비하며, 상기 정전용량형 센서는 주기적인 입력신호(Vs)에 응답하여 발생되는 센싱정전용량변화(Cs)와 센서의 구조에 따른 기생정전용량(Cp)을 가진다.
상기 전하증폭부(20)는 증폭기를 구비하여 상기 센싱부(10)의 신호를 증폭하여 출력신호(Vo)로 출력하게 된다. 이때 출력신호는 아래의 수학식1과 같이 나타난다.
[수학식1]
Figure pat00001
여기서 Vs(t)는 주기적인 입력신호, Cs는 물리적 입력에 의한 센서의 정전용량변화, Cp는 센서의 구조에서 나타나는 기생정전용량이다.
수학식1에서 만약 Cs ≪ Cp인 경우에는 입력신호의 변화에 따른 출력신호(Vo)의 변화가 거의 나타나지 않아서, 정전용량의 변화를 측정하기 어렵다. 즉 센서의 구조에 따라 이 기생정전용량이 클수록 입력신호에 대응하는 용량변화가 미미하게 나타나므로 정전용량 측정에 어려움과 오차를 많이 발생시킨다.
예를 들어, 마주보는 전극으로 수위센서를 만든다고 가정하면 물이 전혀 없을 때는 공기에 의한 두 전극사이에 정전용량이 존재하게 되며, 이 값은 작지만 '0'의 값을 가지는 것은 아니다. 물이 없으면 정전용량이 '0'의 값을 가져야 하는 것이 원칙이나, 실제로는 '0' 이 아닌 일정한 값을 가지게 된다. 이는 구조적으로 생겨나는 불필요한 정전용량이다. 이러한 불필요한 정전용량은 물리적 입력신호의 입력에 따라 변화하는 정전용량변화보다 작은 경우가 보통이지만, 각속도계 또는 가속도계 등의 정전용량형 센서 등에서는 입력신호에 의해 변화하는 정전용량변화량보다 훨씬 큰 경우도 발생된다. 이 경우에는 구조적으로 발생하는 정전용량변화를 상쇄시키지 않으면 센서로서의 기능을 발휘할 수 없게 된다.
따라서, 기생정전용량을 가지고 있는 정전용량형 센서의 경우에도 정확한 센싱이 가능하도록 하기 위한 필요성이 대두된다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 정전용량 측정회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량변화를 정확히 측정할 수 있는 정전용량 측정회로를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로는, 상기 정전용량형 센서를 구비하여 센싱된 센싱정전용량과 상기 기생정전용량을 함께 출력하는 센싱부와; 보상용 커패시터와 반전증폭기를 구비하여 상기 기생정전용량에 대응되는 보상정전용량을 출력하는 보상부와; 상기 센싱부의 출력신호와 상기 보상부의 출력신호를 전기적 신호로 변화시키고 증폭하여 출력하는 전하증폭부를 구비한다.
상기 정전용량 측정회로는, 일정진폭과 일정주기의 구형파를 발생하는 구형파 발생부를 더 구비하며, 상기 구형파 발생부에서 발생된 구형파는 상기 센싱부 및 상기 보상부에 입력될 수 있다.
상기 정전용량 측정회로는, 상기 구형파가 로우레벨 일 때 상기 전하증폭부의 출력신호를 샘플링하여 제1샘플링 신호를 발생하는 제1샘플링 스위치와, 상기 제1샘플링 신호를 저장하여 홀딩시키는 제1홀딩커패시터와, 상기 구형파가 하이레벨일 때 상기 전하증폭부의 출력신호를 샘플링하여 제2샘플링 신호를 발생하는 제2샘플링 스위치와, 상기 제2샘플링 신호를 저장하여 홀딩시키는 제2홀딩 커패시터를 구비하는 샘플링 및 홀딩부와; 상기 제1샘플링신호와 상기 제2샘플링신호의 차이값을 출력하는 뺄셈부를 더 구비할 수 있다.
상기 샘플링 및 홀딩부는, 상기 제1샘플링 신호 및 상기 제2샘플링 신호를 각각 증폭하기 위한 적어도 두 개의 비반전 증폭기들을 구비할 수 있다.
상기 정전용량 측정회로는, 상기 제1샘플링 스위치 및 상기 제2샘플링 스위치의 제어를 위한 제어신호를 발생하는 스위치 제어신호 발생부를 더 구비할 수 있다.
상기 정전용량 측정회로는, 상기 뺄셈부의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하고, 상기 기생정전용량과 상기 보상정전용량의 차이에 따라 발생되는 오프셋 전압의 제거를 위한 증폭 및 오프셋 조정부를 더 구비할 수 있다.
상기 증폭 및 오프셋 조정부는, 상기 뺄셈부의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하기 위한 연산증폭기와; 상기 연산증폭기의 출력레벨의 조절을 위한 적어도 두 개의 크기조절 저항들과; 상기 오프셋 전압의 미세조정을 위한 적어도 두 개의 조정 저항들을 구비할 수 있다.
상기 증폭 및 오프셋 조정부는, 상기 뺄셈부의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하기 위한 연산증폭기와; 별도의 오프섹 전압 조정신호에 응답하여 오프셋 전압을 조정하는 조정부를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 정전용량용 센서가 기생정전용량을 가지는 경우에도, 오류나 측정의 어려움없이 정확한 측정이 가능하게 된다.
도 1은 종래의 정전용량 측정회로를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 측정회로를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 측정회로를 나타낸 것이고,
도 4는 도 3의 스위칭 제어신호를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 측정회로를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명에서는 정전용량형 센서에서 발생되는 불필요한 정전용량 변화를 모두 통칭하여 기생정전용량이라 칭하기로 한다. 예를 들어, 센서의 두 전극사이에 존재하는 공기에 의한 정전용량변화, 센서의 구조적 문제로 인한 기생정전용량 등을 포함하여 입력과 관계없이 발생되는 모든 불필요한 정전용량을 '기생 정전용량'이라 칭하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 측정회로를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 측정회로는, 센싱부(110), 전하증폭부(120), 및 보상부(130)를 구비한다.
상기 센싱부(110)는 기생정전용량(Cp)을 가지는 정전용량형 센서를 구비하고 있다. 이에 따라 물리적 입력에 따라 센싱된 센싱정전용량(Cs)과 상기 기생정전용량(Cp)을 함께 출력하게 된다.
상기 보상부(130)는 보상용 커패시터와 반전증폭기(132)를 구비하여 상기 기생정전용량(Cp)에 대응되는 보상정전용량(Cp1)을 출력하게 된다. 여기서는 상기 보상정전용량(Cp1)을 상기 기생정전용량(Cp)과 동일하게 설정할 수 있다.
상기 보상부(130)는 이득이 1인 반전증폭기(132)와 직렬로 연결된 보상용 커패시터를 구비하게 된다.
상기 전하증폭부(120)는 상기 센싱부(110)의 출력신호와 상기 보상부(130)의 출력신호를 전기적 신호로 변화시키고 증폭하여 출력하게 된다.
상기 전하증폭부(120)는 증폭기(122)와 커패시터(CF)를 구비하여 전하증폭기를 구성하여 정전용량의 변화를 전기적 신호로 변화시키게 된다.
이 경우에 상기 전하증폭부(120)의 출력신호는 수학식2와 같은 수식으로 나타낼 수 있다(여기서 상기 보상정전용량(Cp1)은 상기 기생정전용량(Cp)과 동일하다고 가정한다).
[수학식2]
Figure pat00002
여기서 Vs(t)는 주기적인 입력신호, Cs는 물리적 입력에 의한 센서의 정전용량변화인 센싱정전용량이고, Cp는 센서의 구조에서 나타나는 기생정전용량이다.
수학식2의 경우는 수학식1에서 기생정전용량의 변화인 '
Figure pat00003
'이 상쇄되어 센싱정전용량(Cs)에 따른 결과만이 출력됨을 알 수 있다.
상기 전하증폭부(120)의 결과값은 상기 입력신호(Vs(t))의 형태에 대응하여 파형형태로 나타나므로, 이를 크기를 나타내는 직류전압 레벨로 변환시키는 것이 필요하다. 예를 들어 입력신호(Vs(t))가 진폭이 'VS'인 구형파이고 펄스폭의 중간에서 샘플링하여 절대값을 취하면 상기 전하증폭부(120)의 출력신호는 '
Figure pat00004
'가 되어 센서의 정전용량 변화량을 "
Figure pat00005
" 의 값으로 구할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 측정회로를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전용량 측정회로는, 센싱부(110), 전하증폭부(120), 보상부(130), 샘플링 및 홀딩부(140)를 구비한다. 또한, 구형파 발생부(150), 스위치제어신호 발생부(160), 증폭 및 오프셋 조정부(170) 등을 더 구비할 수 있다
상기 센싱부(110)는 기생정전용량(Cp)을 가지는 정전용량형 센서를 구비하고 있다. 이에 따라 물리적 입력에 따라 센싱된 센싱정전용량(Cs)과 상기 기생정전용량(Cp)을 함께 출력하게 된다.
상기 보상부(130)는 보상용 커패시터와 반전증폭기(132)를 구비하여 상기 기생정전용량(Cp)에 대응되는 보상정전용량(Cp1)을 출력하게 된다. 상기 보상부(130)는 이득이 1인 반전증폭기(132) 및 상기 반전증폭기(132)와 직렬로 연결된 보상용 커패시터를 구비하게 된다.
여기서는 상기 보상정전용량(Cp1)을 상기 기생정전용량(Cp)과 동일하게 설정할 수 있다. 그러나 상기 기생정전용량(Cp)은 일정하게 정해진 값이 아니고 온도나 기타 상황에 따라 변동가능하기 때문에 상기 보상정전용량(Cp1)을 상기 기생정전용량(Cp)과 동일하게 설정하는 것이 불가능할 수 있다. 상기 보상정전용량(Cp1)이 상기 기생정전용량(Cp)과 차이가 있을 경우는 상기 증폭 및 오프셋 조정부(170)를 통해 해결하는 것이 가능하다.
상기 전하증폭부(120)는 상기 센싱부(110)의 출력신호와 상기 보상부(130)의 출력신호를 전기적 신호로 변화시키고 증폭하여 출력하게 된다. 즉 상기 전하증폭부(120)는 일정 이득을 가지는 연산증폭기(122)와 상기 연산증폭기(122)의 (-)입력단과 출력단 사이에 커패시터(CF)를 구비하여 전하덧셈증폭기를 구성하게 되고, 정전용량의 변화를 전기적 신호로 변화시키게 된다. 상기 연산증폭기(122)의 (+)입력단에는 바이어스 전압(VBIAS)이 인가된다. 여기서 일반적으로 바이어스 전압(VBIAS)은 양전원을 사용하는 경우에는 0V 가 되고 단전원을 사용하는 경우에는 전원전압의 '1/2' 값으로 정해질 수 있다.
이 경우에 상기 전하증폭부(120)의 출력신호는 수학식3과 같은 수식으로 나타낼 수 있다. 상기 보상정전용량(Cp1)이 상기 기생정전용량(Cp)과 동일한 값을 가지는 경우에 상기 보상커패시터(Cp1)에 인가되는 신호는 반전된 구형파 신호이고, 상기 센싱부(110)에 인가되는 신호는 비반전 구형파 신호가 인가되면, 상기 수학식 3과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
[수학식3]
Figure pat00006
여기서 Vs(t)는 주기적인 입력신호, Cs는 물리적 입력에 의한 센서의 정전용량변화인 센싱정전용량이고, 'Cp'는 센서의 구조에서 나타나는 기생정전용량이다.
상기 전하증폭부(120)의 결과값은 예를 들어, 상기 입력신호(Vs(t))의 형태에 대응하여 파형형태로 나타나므로, 이를 크기를 나타내는 직류전압 레벨로 변환시키는 것이 필요하다. 예를 들어 입력신호(Vs(t))가 진폭이 'VS'인 구형파이고 펄스폭의 중간에서 샘플링하여 절대값을 취하면 상기 전하증폭부(120)의 출력신호는 '
Figure pat00007
'가 되어 센서의 정전용량 변화량을 "
Figure pat00008
" 의 값으로 구할 수 있게 된다.
이에 따라 구형파 발생부(150), 스위치 제어신호 발생부(160), 상기 샘플링 및 홀딩부(140) 및 뺄셈부(S1)가 필요하게 된다.
상기 구형파 발생부(150)는 일정진폭과 일정주기의 구형파를 발생하기 위한 것으로, 상기 구형파 발생부(150)에서 발생된 구형파는 상기 센싱부(110), 상기 보상부(130), 상기 스위치 제어신호 발생부(160)로 각각 입력될 수 있다.
상기 샘플링 및 홀딩부(140)는 제1샘플링 스위치(SWL), 제1홀딩커패시터(C1), 제2샘플링 스위치(SWH), 제2홀딩커패시터(C2)를 구비한다.
상기 제1샘플링 스위치(SWH)는, 상기 구형파 발생부(150)에서 발생된 구형파가 로우레벨 일 때 상기 전하증폭부(120)의 출력신호를 샘플링하여 제1샘플링 신호를 발생하게 된다. 상기 제1샘플링 신호는 상기 전하증폭부(120)의 출력신호 중에서 로우레벨부분의 샘플링 신호일 수 있다.
상기 제1홀딩커패시터(C1)는 상기 제1샘플링 신호를 저장하여 홀딩시키게 된다.
상기 제2샘플링 스위치(SWH) 상기 구형파가 하이레벨일 때 상기 전하증폭부(120)의 출력신호를 샘플링하여 제2샘플링 신호를 발생하게 된다. 상기 제2샘플링 신호는 상기 전하증폭부(120)의 출력신호 중에서 하이레벨부분의 샘플링 신호일 수 있다.
상기 제2홀딩커패시터(C2)는 상기 제2샘플링 신호를 저장하여 홀딩시키게 된다.
그리고, 상기 샘플링 및 홀딩부(140)는, 상기 제1샘플링 신호 및 상기 제2샘플링 신호를 각각 증폭하기 위한 적어도 두 개의 비반전 증폭기들(142a,142b)을 구비할 수 있으며, 이들은 이득이 '1'인 비반전 증폭기일 수 있다.
상기 스위치 제어신호 발생부(160)는 상기 구형파 발생부(150)에서 발생되는 구형파가 로우레벨을 가지는 경우에 상기 제1샘플링 스위치(SWL)를 온 시키기 위한 제1스위치 제어신호를 발생하고, 상기 구형파 발생부(150)에서 발생되는 구형파가 하이레벨을 가지는 경우에 상기 제2샘플링 스위치(SWH)를 온 시키기 위한 제2스위치 제어신호를 발생하게 된다.
상기 스위치 제어신호들은 도 4에 나타난다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1스위치제어신호(SWL제어신호)는 상기 전하증폭부(120)의 출력신호 중에서 로우레벨 부분의 신호를 샘플링하기 위한 제어신호를 발생하고, 상기 제2스위치 제어신호(SWH제어신호)는 상기 전하증폭부(120)의 출력신호 중에서 하이레벨부분의 신호를 샘플링하기 위한 제어신호를 발생하게 된다.
이를 위해 상기 제1스위치 제어신호는 상기 구형파 발생부(150)에서 발생된 구형파 중에서 로우레벨 부분의 신호를 샘플링하여 생성하고, 상기 제2스위치 제어신호는 상기 구형파 발생부(150)에서 발생된 구형파 중에서 하이레벨 부분의 신호를 샘플링하여 생성하게 된다.
이에 따라, 상기 제1샘플링 신호는 상기 전하증폭부(120)의 구형파 출력신호 중에서 로우(low)부분의 신호에 대한 샘플링 신호이고, 상기 제2샘플링 신호는 상기 전하증폭부(120)의 구형파 출력신호 중에서 하이(high) 부분의 신호에 대한 샘플링 신호이다.
상기 제1스위치 제어신호 및 상기 제2스위치 제어신호의 발생 위치와 폭은 회로의 특성에 의하여 결정되는데 구형파 펄스 폭의 중간에 발생하는 것이 가장 좋을 수 있다. 상기 제1스위치 제어신호 및 상기 제2스위치 제어신호의 폭은 이상적인 경우에는 거의 0 즉 임펄스에 가깝지만 회로의 특성 때문에 적당한 폭을 가져야 할 경우가 있을 수 있다. 제2스위치 제어신호를 예로 들어 설명하면 회로의 특성이 이상적인 경우 구형파 펄스의 상승에지 직후에 상기 제2스위치 제어신호가 발생될 수도 있고 구형파 펄스의 하강에지 직전에 상기 제2스위치 제어신호가 발생될 수가 있다. 본 발명에서는 상기 제1스위치 제어신호 및 상기 제2스위치 제어신호의 발생은 회로의 안정성을 고려하여 상기 구형파 펄스 폭의 중간부분에서 발생되도록 할 수 있다.
상기 뺄셈부(S1)는 상기 제1샘플링신호와 상기 제2샘플링신호의 차이값을 출력하게 된다. 두 샘플링 신호의 차를 상기 뺄셈부(S1)를 통해 구하면 전하증폭부(120)의 출력에 나타나는 구형파 신호의 진폭을 구할 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같은 스위치 제어신호들에 의해 샘플링된 상기 제1샘플링신호는 상기 제1홀딩 커패시터(C1)에 의해 홀딩 및 저장되게 된다. 그리고, 상기 제2샘플링신호는 상기 제2홀딩 커패시터(C2)에 의해 홀딩 및 저장되게 된다.
상기 수학식 3에 나타난 신호가 상기 샘플링 및 홀딩부(140)에 인가되게 되면, 상기 제1홀딩 커패시터(C1) 및 상기 제2홀딩 커패시터(C2)에는 수학식4에 나타낸 바와 같은 출력신호가 나타나게 된다.
[수학식4]
Figure pat00009
,
Figure pat00010
여기서 'Vp' 는 상기 구형파 발생부(150)에서 발생된 구형파의 진폭을 의미할 수 있다.
그리고 수학식 4에서 'VBIAS' 는 상기 뺄셈부(S1)에 의해 상쇄되므로 상기 뺄셈부(S1)의 출력신호는 '
Figure pat00011
'으로 나타나게 된다. 상기 뺄셈부(S1)의 출력신호(Vs1)는 상기 전하증폭부(120)의 출력에 나타나는 구형파 신호의 진폭을 의미할 수 있다.
상기 증폭 및 오프셋 조정부(170)는 상기 뺄셈부(S1)의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하고, 상기 기생정전용량(Cp)과 상기 보상정전용량(Cp1)의 차이에 따라 발생되는 전압의 제거를 위한 것이다. 즉 오프셋(offset) 전압을 미세조정하기 위한 것이다.
상기 증폭 및 오프셋 조정부(170)는 복수의 저항들(R1,R2,R3,R4)과 연산증폭기(172)를 구비한다. 상기 연산증폭기(172)는 (+)입력단이 상기 뺄셈부(S1)의 출력단과 연결되고, (-) 입력단과 상기 연산증폭기(172)의 최종출력단 사이에 저항(R1)이 구비되고, (-)입력단과 연결노드 사이에 저항(R2)가 연결되고, 상기 연결노드와 접지단자 사이에 저항(R3)이 연결된다. 또한 상기 연결노드와 전원전압(VCC) 단자 사이에 저항(R4)이 연결되게 된다.
이에 따라 상기 증폭 및 오프셋 조정부(170)의 최종출력신호는 수학식 5와 같이 나타나게 된다.
[수학식 5]
Figure pat00012
여기서 저항 R1 및 R2는 상기 뺄셈부(S1)의 출력신호인 구형파 신호의 진폭 '
Figure pat00013
'을 증폭하기 위해 사용된다. 그리고, 저항 R3과 R4는 직류전압 '
Figure pat00014
'의 크기를 결정하여 오프셋 전압을 조정하기 위해 사용된다.
즉 수학식 5에서 오른쪽의 첫 번째 항은 상기 연산증폭기(172)의 출력을 나타내고, 두 번째 항은 오프셋 전압을 나타낸다. 상술한 바와 같이, 보상정전용량(Cp1)이 기생정전용량(Cp)과 동일한 값을 가지는 경우에는 오프셋이 발생하지 않지만 실제회로에서는 동일한 경우가 거의 없다. 이 차이로 나타나는 전압을 제거하기 위하여 오프셋 전압을 사용하게 된다.
예를 들어, 저항 R1이 증가하거나 저항 R2가 감소하면 상기 연산증폭기(172)의 출력신호 크기가 증가하고, 저항 R3가 증가하거나 저항 R4가 감소하면 오프셋 전압이 증가하게 된다.
상기 기생정전용량(Cp)의 영향은 상기 오프셋 전압을 증가시키거나 감소시켜 제거하게 된다. 그러나 상기 기생정전용량(Cp)은 측정가능하므로, 이를 측정하여 상기 보상정전용량(Cp1)이 상기 기생정전용량(Cp)과 동일한 값을 가지도록 하면 상기 기생정전용량(Cp)에 따른 영향을 없앨 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정전용량측정회로를 나타낸 것이다.
증폭 및 오프셋 조정부(170)를 제외하고는 도 5는 도 4와 동일한 구성을 가진다. 따라서, 증폭 및 오프셋 조정부(170)를 제외한 나머지 구성들에 대한 설명을 생략한다.
상기 증폭 및 오프셋 조정부(170)는 상기 뺄셈부(S1)의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하기 위한 연산증폭기(174)와, 별도의 오프셋 전압 조정신호(VOFS)에 응답하여 오프셋 전압을 조정하는 조정부(S2)를 구비한다. 상기 조정부(S2)는 뺄셈회로를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 조정부(S2)는 상기 뺄셈부(S1)의 출력신호와 상기 오프셋 전압 조정신호(VOFS)의 차이 값을 구하게되고, 상기 연산증폭기(174)는 상기 조정부(S2)의 출력값을 원하는 레벨로 하여 출력하게 된다.
상기 증폭 및 오프셋 조정부(170)의 출력신호는 수학식6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00015
여기서 'A'는 상기 연산증폭기(174)의 이득(gain)이고, 'VOFS'는 수학식 5에서 오른쪽 두 번째항과 동일한 값을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 3 및 도 5의 회로에서 구형파가 사용되지 않고 정현파가 사용될 수도 있다. 이때는 진폭을 구하기 위해 피크 검출회로 및 정교한 샘플링 회로가 필요할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 정전용량형 센서가 기생정전용량을 가지는 경우에도, 오류나 측정의 어려움없이 정확한 측정이 가능하게 된다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
110 : 센싱부 120 : 전하증폭부
130 : 보상부 140 : 샘플링 및 홀딩부
150 : 구형파 발생부 160 : 스위치 제어신호 발생부
170 : 증폭 및 오프셋 조정부

Claims (8)

  1. 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로에 있어서:
    상기 정전용량형 센서를 구비하여 센싱된 센싱정전용량과 상기 기생정전용량을 함께 출력하는 센싱부와;
    보상용 커패시터와 반전증폭기를 구비하여 상기 기생정전용량에 대응되는 보상정전용량을 출력하는 보상부와;
    상기 센싱부의 출력신호와 상기 보상부의 출력신호를 전기적 신호로 변화시키고 증폭하여 출력하는 전하증폭부를 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 정전용량 측정회로는,
    일정진폭과 일정주기의 구형파를 발생하는 구형파 발생부를 더 구비하며,
    상기 구형파 발생부에서 발생된 구형파는 상기 센싱부 및 상기 보상부에 입력됨을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 정전용량 측정회로는,
    상기 구형파가 로우레벨 일 때 상기 전하증폭부의 출력신호를 샘플링하여 제1샘플링 신호를 발생하는 제1샘플링 스위치와, 상기 제1샘플링 신호를 저장하여 홀딩시키는 제1홀딩커패시터와, 상기 구형파가 하이레벨일 때 상기 전하증폭부의 출력신호를 샘플링하여 제2샘플링 신호를 발생하는 제2샘플링 스위치와, 상기 제2샘플링 신호를 저장하여 홀딩시키는 제2홀딩 커패시터를 구비하는 샘플링 및 홀딩부와;
    상기 제1샘플링신호와 상기 제2샘플링신호의 차이값을 출력하는 뺄셈부를 더 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 샘플링 및 홀딩부는,
    상기 제1샘플링 신호 및 상기 제2샘플링 신호를 각각 증폭하기 위한 적어도 두 개의 비반전 증폭기들을 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 정전용량 측정회로는,
    상기 제1샘플링 스위치 및 상기 제2샘플링 스위치의 제어를 위한 제어신호를 발생하는 스위치 제어신호 발생부를 더 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 정전용량 측정회로는,
    상기 뺄셈부의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하고, 상기 기생정전용량과 상기 보상정전용량의 차이에 따라 발생되는 전압의 제거를 위한 증폭 및 오프셋 조정부를 더 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 증폭 및 오프셋 조정부는,
    상기 뺄셈부의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하기 위한 연산증폭기와;
    상기 연산증폭기의 출력레벨의 조절을 위한 적어도 두 개의 크기조절 저항들과;
    상기 오프셋 전압의 미세조정을 위한 적어도 두 개의 조정 저항들을 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 증폭 및 오프셋 조정부는,
    상기 뺄셈부의 출력신호를 원하는 레벨로 증폭하기 위한 연산증폭기와;
    별도의 오프섹 전압 조정신호에 응답하여 오프셋 전압을 조정하는 조정부를 구비함을 특징으로 하는 정전용량 측정회로.
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