KR20150054214A - 커패시터형 센서 리드아웃 회로 - Google Patents

커패시터형 센서 리드아웃 회로 Download PDF

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KR20150054214A
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조민형
전영득
노태문
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Abstract

본 발명은 커패시터형 센서 리드아웃 회로에 관한 것이다. 본 발명의 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 센서로부터 입력된 센서 신호를 출력하는 신호 변환부, 바이어스 전압을 생성하는 전압 부스터, 및 센서 신호를 피드백받아 바이어스 전압에 혼합하여 출력하는 커패시터형 신호 커플링 회로를 포함한다.

Description

커패시터형 센서 리드아웃 회로{SENSOR READ OUT INTEGRATED CIRCUIT OF CAPACITOR TYPE}
본 발명은 전자 소자에 관한 것으로, 특히 연결된 센서로부터의 신호의 신호 대 잡음비를 향상시켜 출력하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로에 관한 것이다.
리드아웃 회로는 다양한 센서들에 연결될 수 있고, 연결된 센서로부터 출력되는 신호를 처리하여 출력한다. 일예로, 다양한 센서들 중의 하나로 마이크로폰 센서는 전극층으로 구성되어 가변 커패시터 소자와 같은 특성을 갖는다. 이러한, 마이크로폰 센서는 음압에 따라 커패시터 소자의 간격이 변화하여 커패시턴스 값이 변화한다.
이때, 마이크로폰 센서에 연결된 리드아웃 회로는 마이크로폰 센서에 센서 바이어스 전압(Vmic)을 인가한다. 이때, 마이크로폰 센서에서 음압 변화에 따라 커패시턴스 값이 변화하면 하기의 수학식 1에 의해 리드아웃 회로로 입력되는 신호의 전압이 변화한다.
Figure pat00001
여기서, Q는 센서에 저장된 전하량이고, C는 커패시턴스이다. 또한, V는 마이크로폰 센서의 양단에 걸리는 전압이다. 이를 통해, 마이크로폰 센서에 연결된 리드아웃 회로는 입력되는 신호를 증폭시켜 출력한다.
마이크로폰 센서로부터 입력되는 신호의 증폭 동작으로 인해, 리드아웃 회로는 잡음 신호가 함께 증폭되어 신호 대 잡음비가 낮아지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 신호 대 잡음비를 향상시킨 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 신호 증폭 성능을 향상시킨 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 크기가 소형이고, 저전력으로 구현 가능한 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 센서로부터 입력된 센서 신호를 출력하는 신호 변환부, 바이어스 전압을 생성하는 전압 부스터, 및 상기 센서 신호를 피드백받아 상기 바이어스 전압에 혼합하여 출력하는 커패시터형 신호 커플링 회로를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 바이어스 전압에 혼합되는 센서 신호는 교류 형태의 신호이다.
이 실시예에 있어서, 상기 신호 변환부는 상기 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로, 상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 제 1 증폭기, 및 상기 제 1 증폭기에서 출력된 센서 신호를 출력하는 제 2 증폭기를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 제 1 증폭기에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 신호 변환부는 상기 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로, 상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 소스 팔로워, 및 상기 소스 팔로워에서 출력된 센서 신호를 출력하는 연산 증폭기를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 소스 팔로워에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 신호 변환부는 상기 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로, 상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 공통 소스 증폭기, 및 상기 공통 소스 증폭기에서 출력된 센서 신호를 출력하는 연산 증폭기를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 공통 소스 증폭기에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 전압 부스터는 상기 부스팅 전압을 생성하는 전압원, 및 상기 부스팅 전압을 필터링하여 상기 바이어스 전압을 생성하는 저항을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 저항은 다이오드, 모스펫 트랜지스터, 백투백 구조를 갖는 모스펫 트랜지스터들, 백투백 구조를 갖는 다이오드들, 백투백 구조를 갖는 다이오드 접속 피모스 트랜지스터들, 및 백투백 구조를 갖는 다이오드 접속 엔모스 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명에 따른 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 센서로부터 입력된 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로, 상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 제 1 증폭기, 상기 제 2 증폭기에서 출력된 센서 신호를 출력하는 제 2 증폭기, 바이어스 전압을 생성하는 전압 부스터, 및 상기 제 1 증폭기로부터 출력된 센서 신호를 피드백받아 상기 바이어스 전압에 혼합하여 출력하는 커패시터형 신호 커플링 회로를 포함하고, 상기 커패시터형 신호 커플링 회로는 상기 제 1 증폭기에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터, 및 상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 바이어스 전압에 혼합되는 센서 신호는 교류 형태의 신호이다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 소스 팔로워를 포함하고, 상기 소스 팔로워는 일단은 전원 전압을 입력받는 전류원, 및 게이트는 상기 고임피던스 회로에 연결되고, 드레인은 접지단에 연결되고, 소스는 상기 전류원의 다른 일단에 연결되는 트랜지스터를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 증폭기는 공통 소스 증폭기를 포함하고, 상기 공통 소스 증폭기는 일단은 전원 전압을 입력받는 저항, 및 게이트는 상기 고임피던스 회로에 연결되고, 드레인은 접지단에 연결되고, 소스는 상기 저항의 다른 일단에 연결되는 트랜지스터를 포함한다.
본 발명의 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 센서로 제공되는 바이어스 전압에 센서의 신호를 인가함으로써 센서로부터 입력되는 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 리드아웃 회로는 신호 대 잡음비를 향상시킴으로 인해 센서로부터 입력되는 신호의 신호 증폭 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 리드아웃 회로는 센서로 제공되는 바이어스 전압에 센서 신호를 피드백하는 구조를 가짐으로 소형화가 가능하고, 저전력을 소모하도록 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 다른 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 개략적으로 도시한 도면, 및
도 4는 본 발명에 따른 커패시터형 센서 리드아웃 회로에 포함된 전압 부스터 내부의 저항 소자의 다양한 실시예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 센서의 신호를 신호 처리하여 출력하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 제공한다. 본 발명의 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 다양한 센서들 중에서 마이크로폰 센서(일예로, 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 마이트로폰 센서)의 신호를 신호 처리하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 예시적으로 설명하기로 한다. 하지만, 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 설명의 편의를 위한 것으로, 본 발명에서 제안된 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 마이크로폰 센서의 신호뿐만 아니라 다양한 다른 센서의 신호를 신호처리 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(100)는 기준 전류/전압 생성기(110), 전압 부스터(120), 커패시터형 신호 커플링 회로(130), 및 신호 변환부(140)를 포함한다. 리드 아웃 회로(100)는 센서(10)로 바이어스 전압(Vmic)을 출력하는 제 1 출력 단자(OUT1), 센서(10)로부터 신호를 입력받는 입력 단자(IN), 센서로부터 검출된 신호를 출력하는 제 2 출력 단자(OUT2)를 포함한다. 여기서, 제 1 출력 단자(OUT1)와 입력 단자(IN)는 센서(10)에 연결되고, 센서(10)는 일예로 마이크로폰 센서(10)가 될 수 있다. 또한, 센서 기생 커패시터(11)의 일단은 센서(10)와 입력 단자(IN) 사이의 접점에 연결되고, 나머지 일단은 접지단에 연결된다.
기준 전류/전압 생성기(110)는 기준 전압(Vref)과 기준 전류(Iref)를 생성한다. 기준 전류/전압 생성기(110)는 기준 전압(Vref)을 전압 부스터(120)로 출력하고, 생성된 기준 전류(Iref)를 신호 변환부(130)로 출력한다.
전압 부스터(120)는 기준 전압에 근거하여 내부에 전압의 부스팅을 통해 바이어스 전압을 생성하고, 생성된 바이어스 전압을 커패시터형 신호 커플링 회로(130)로 출력한다. 전압 부스터(120)는 내부에 저항(Rf)를 포함할 수 있다. 저항(Rf)은 높은 인피던스를 가지고 있으며, 출력에 위치할 수 있으며, 전압 부스터(120)의 구조에 따라 신호 손실이 발생되지 않을 경우, 저항은 사용되지 않을 수도 있다.
커패시터형 신호 커플링 회로(130)는 센서(10)를 통해 입력된 센서 신호를 신호 변환부(140)로부터 피드백받는다. 여기서, 센서 신호는 교류 신호이다. 즉, 커패시터형 신호 커플링 회로(130)는 부스팅 전압(Vcp)에 교류 신호를 혼합하여 제 1 출력 단자(OUT1)를 통해 센서(10)로 출력한다. 커패시터형 신호 커플링 회로(130)의 상세 구조와 동작에 대해서는 하기에서 상세히 설명한다.
신호 변환부(140)는 센서(10)로부터 유입되는 센서 신호(전류 신호)를 신호 처리하여 출력한다. 또한, 신호 변환부(140)는 센서(10)로 출력되는 바이어스 전압에 혼합되는 센서 신호(전압 신호)를 커패시터형 신호 커플링 회로(130)로 출력한다. 신호 변환부(140)는 고임피던스 회로(141), 제 1 증폭기(142), 및 제 2 증폭기(143)를 포함한다.
고임피던스 회로(141)는 임피던스값(Rin)을 갖는다. 고임피던스 회로(141)의 일단은 입력 단자(IN)에 연결되고, 다른 일단은 접지단에 연결된다. 이를 통해, 고임피던스 회로(141)는 센서(10)를 통해 입력되는 전류 신호를 전압 신호로 변환한다. 고임피던스 회로(141)는 변환된 전압 신호, 즉 센서 신호를 제 1 증폭기(142)로 출력한다.
제 1 증폭기(142)는 고임피던스 회로(141)에 연결되고, 고임피던스 회로(141)에서 출력된 전압 신호를 출력한다. 제 1 증폭기(142)는 센서 신호(Vo1)를 제 2 증폭기(143)로 출력한다. 이때, 제 1 증폭기(142)는 센서 신호(Vo1)를 제 1 커패시터(C1)로도 출력한다.
제 2 증폭기(143)는 제 1 증폭기(142)에 연결되고, 제 1 증폭기(142)에서 출력된 센서 신호(Vo1)를 출력한다. 제 2 증폭기(143)는 센서 신호(Vo2)를 제 2 출력 단자(OUT2)를 통해 출력한다.
여기서, 증폭기들(142, 143) 각각은 입력된 센서 신호를 증폭기들(142, 143) 각각에서 설정된 이득에 따라 이득을 제어하여 출력할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제안된 커패시터형 신호 커플링 회로(130)는 제 1 증폭기(142)에서 출력되는 센서 신호(Vo1)를 전압 부스터(120)를 통해 출력된 바이어스 전압에 혼합하여 센서(10)로 출력한다.
커패시터형 센서 커플링 회로(130)는 제 1 커패시터(C11)와 제 2 커패시터(C12)를 포함한다.
제 1 커패시터(C11)는 제 1 증폭기(142)의 출력과 전압 부스터(120)의 출력을 연결한다. 제 1 커패시터(C11)는 제 1 증폭기(142)로부터 센서 신호(Vo1)를 전압 부스터(120)에서 출력된 바이어스 전압과 혼합한다. 여기서, 바이어스 전압에 혼합되는 센서 신호는 교류 형태의 신호이다.
제 2 커패시터(C12)는 전압 부스터(120)와 제 1 커패시터(C11)의 접점과, 접지단 사이에 연결된다. 제 2 커패시터(C12)는 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절한다. 제 2 커패시터(C12)는 이득이 조절된 바이어스 전압(Vmic) 신호를 출력 단자(OUT1)로 출력한다.
이와 같이, 본 발명의 커패시터형 센서 리드아웃 회로(100)는 커패시터형 센서 커플링 회로(130)를 통해 센서 신호가 피드백 되는 구조를 가짐으로 인해, 제 2 증폭기(143)의 잡음 비중을 감소시킨다. 이로 인해, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(100)에서 출력되는 센서 신호(Vo2)의 신호대 잡음비(SNR: Singal to Noise Ratio)는 향상될 수 있다.
이를 보다 상세히 살펴보면, 커패시터형 센서 커플링 회로(130)를 포함하지 않은 커패시터형 센서 리드아웃 회로(100)에서, 출력 신호 크기(Vout_signal1)와 잡음(Vout_noise1)의 크기는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서, A1은 제 1 증폭기(142)의 이득이고, A2는 제 2 증폭기(143)의 이득이다. Vs는 센서(10)의 신호이다. Vn1은 제 1 증폭기(142)의 잡음이고, Vn2는 제 2 증폭기(143)의 잡음이다. Ap는 센서(10)에 의한 이득 성분이고, 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서, Co는 센서(10)의 커패시턴스이고, Cp는 기생 커패시터(11)의 커패시턴스이다. 참고로, 고임피던스 회로(141)의 잡음 성분은 분석에서 제외하기로 한다.
이에 반해, 본 발명에서 제안된 커패시터형 센서 커플링 회로(130)를 포함한 커패시터형 센서 리드아웃 회로(100)에서, 출력 신호 크기(Vout_signal2)와 잡음(Vout_noise2)의 크기는 하기의 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서, Ac는 커패시터형 센서 커플링 회로(130)에 의한 이득 성분이고, 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서, CC1은 제 1 커패시터(C11)의 커패시턴스이고, CC2 은 제 2 커패시터(C12)의 커패시턴스이다. 수학식 4에 포함된 나머지 인자들에 대한 설명은 수학식 2와 3에 대한 설명을 참조한다.
이를 통해, 커패시터형 센서 커플링 회로(130)의 존재 여부에 따른 신호 특성과 잡음 특성의 변화는 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
여기서, 상수인 A1, A2, Ap, Ac를 다음과 같이 설정할 수 있다. 예를 들어, A1을 1로 설정하고, A2는 2로 설정하고, Ap를 0.8로 설정하고, Ac를 0.9로 설정할 수 있다.
이를 통해, 하기의 수학식 7을 획득할 수 있다.
Figure pat00007
즉, 커패시터형 센서 커플링 회로(130)에 의해 신호 크기가 3. 5714배 증가할 때, 잡음의 크기는 2.2857배 증가함하고 있으므로, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(100)의 신호대 잡음비가 향상됨을 확인할 수 있다.
한편, 신호 처리부(140)에서 신호 증폭 동작이 제 1 증폭기(142)에서 이루어지므로, 제 2 증폭기(143)의 이득을 제 1 증폭기(142)의 이득보다 감소시켜 구현할 수도 있다. 이와 같은 구성을 통해, 제 2 증폭기(143)의 회로 구성을 간소화시킬 수 있고, 제 2 증폭기(143)의 잡음 크기를 감소(Vn2 감소)시켜 신호 대 잡음비를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(200)는 기준 전류/전압 생성기(210), 전압 부스터(220), 커패시터형 센서 커플링 회로(230), 및 신호 변환부(240)를 포함한다.
리드아웃 회로(200)는 신호 변환부(240)의 구조를 제외한 나머지 구조에 대해 도 1의 리드아웃 회로(100)의 설명을 참조한다.
신호 변환부(240)는 고임피던스 회로(241), 소스 팔로워(242), 및 연산 증폭기(243)를 포함한다.
고임피던스 회로(241)는 임피던스값(Rin)을 갖는다. 고임피던스 회로(241)의 일단은 입력 단자(IN)에 연결되고, 다른 일단은 접지단에 연결된다. 이를 통해, 고임피던스 회로(241)는 센서(10)를 통해 입력되는 전류 신호를 전압 신호로 변환한다. 고임피던스 회로(241)는 변환된 전압 신호, 즉 센서 신호를 소스 팔로워(242)로 출력한다.
소스 팔로워(242)는 입력된 센서 신호의 이득을 제어하는 기능을 갖는다. 여기서, 소스 팔로워(242)는 전류원(I1)과 트랜지스터(T1)를 포함한다.
전류원(I1)의 일단은 전원 전압을 입력받고, 다른 일단은 제 1 트랜지스터(T1)의 소스에 연결된다.
제 1 트랜지스터(T1)의 게이트는 고임피던스 회로(241)에서 변환된 전압 신호를 입력받는다. 제 1 트랜지스터(T1)의 드레인은 접지단에 연결되고, 제 1 트랜지스터(T1)의 소스는 전류원(I1)에 연결된다.
제 1 트랜지스터(T1)의 소스와 전류원(I1) 사이의 접점을 통해 센서 신호(Vo1)는 연산 증폭기(243)와 커패시터형 센서 커플링 회로(230)의 제 2 커패시터(C2)로 출력된다.
연산 증폭기(243)는 입력된 센서 신호(Vo1)의 이득을 제어하는 기능을 갖는다. 따라서, 연산 증폭기(243)는 출력 버퍼로 동작할 수도 있다. 연산 증폭기(243)의 플러스 입력 단자(+)는 연산 증폭기(243)의 출력 단자에 연결되고, 센서 신호(Vo2)를 피드백 받는다. 연산 증폭기(243)의 마이너스 단자(-)는 소스 팔로워(242)를 통해 센서 신호(Vo1)를 입력받는다.
여기서, 소스 팔로워(242)와 연산 증폭기(243) 각각은 입력된 센서 신호를 소스 팔로워(242)와 연산 증폭기(243)각각에서 설정된 이득에 따라 이득을 제어하여 출력할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제안된 커패시터형 신호 커플링 회로(230)는 소스 팔로워(242)에서 출력되는 센서 신호(Vo1)를 전압 부스터(220)를 통해 출력된 바이어스 전압에 혼합하여 센서(10)로 출력한다.
커패시터형 신호 커플링 회로(230)는 교류 형태의 센서 신호를 바이어스 전압과 혼합하는 제 3 커패시터(C21)와, 센서 신호가 혼합된 바이어스 신호의 이득을 제어하는 제 4 커패시터(C22)를 포함한다.
도 2에서도, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(200)는 커패시터형 센서 커플링 회로(230)를 통해 센서 신호가 피드백 되는 구조를 가짐으로 인해, 연산 증폭기(243)의 잡음 비중을 감소시킨다. 이로 인해, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(200)에서 출력되는 센서 신호(Vo2)의 신호대 잡음비(SNR: Singal to Noise Ratio)는 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 커패시터형 센서 리드아웃 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(300)는 기준 전류/전압 생성기(310), 전압 부스터(320), 커패시터형 센서 커플링 회로(330), 및 신호 변환부(340)를 포함한다. 리드아웃 회로(300)는 신호 변환부(340)의 구조를 제외한 나머지 구조에 대해 도 1의 리드아웃 회로(100)의 설명을 참조한다.
신호 변환부(340)는 고임피던스 회로(341), 공통 소스 증폭기(342), 및 연산 증폭기(343)를 포함한다.
고임피던스 회로(341)는 임피던스값(Rin)을 갖는다. 고임피던스 회로(341)의 일단은 입력 단자(IN)에 연결되고, 다른 일단은 접지단에 연결된다. 이를 통해, 고임피던스 회로(341)는 센서(10)를 통해 입력되는 전류 신호를 전압 신호로 변환한다. 고임피던스 회로(341)는 변환된 전압 신호, 센서 신호를 공통 소스 증폭기(342)로 출력한다.
한편, 고임피던스 회로(341)는 공통 소스 증폭기(342)에 포함된 트랜지스터의 동작을 위한 전압을 제공하기 위한 전압원을 추가로 포함할 수 있다.
공통 소스 증폭기(342)는 입력된 센서 신호의 이득을 제어하는 기능을 갖는다. 여기서, 공통 소스 증폭기(342)는 제 4 저항(R4)과 제 2 트랜지스터(T2)를 포함한다.
제 4 저항(R4)의 일단은 전원 전압을 입력받고, 다른 일단은 제 2 트랜지스터(T2)의 소스에 연결된다.
제 2 트랜지스터(T2)의 게이트는 고임피던스 회로(341)에서 변환된 전압 신호를 입력받는다. 제 2 트랜지스터(T2)의 드레인은 접지단에 연결되고, 제 2 트랜지스터(T2)의 소스는 전류원(I2)에 연결된다.
제 2 트랜지스터(T2)의 소스와 전류원(I1) 사이의 접점을 통해 출력된 센서 신호(Vo1)는 연산 증폭기(343)와 커패시터형 센서 커플링 회로(330)의 제 3 커패시터(C3)로 출력된다.
연산 증폭기(343)는 입력된 센서 신호(Vo1)의 이득을 제어하는 기능을 갖는다. 따라서,, 연산 증폭기(343)는 출력 버퍼로 동작할 수도 있다. 연산 증폭기(343)의 플러스 입력 단자(+)는 연산 증폭기(343)의 출력 단자에 연결되고, 센서 신호(Vo2)를 피드백 받는다. 연산 증폭기(343)의 마이너스 단자(-)는 공통 소스 증폭기(342)를 통해 센서 신호(Vo1)를 입력받는다.
여기서, 공통 소스 증폭기(342)와 연산 증폭기(343) 각각은 입력된 센서 신호를 공통 소스 증폭기(342)와 연산 증폭기(343) 각각에서 설정된 이득에 따라 이득을 제어하여 출력할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제안된 커패시터형 신호 커플링 회로(330)는 공통 소스 증폭기(342)에서 출력되는 센서 신호(Vo1)를 전압 부스터(320)를 통해 출력된 바이어스 전압에 혼합하여 센서(10)로 출력한다.
커패시터형 신호 커플링 회로(330)는 교류 형태의 센서 신호를 바이어스 전압과 혼합하는 제 5 커패시터(C51)와, 센서 신호가 혼합된 바이어스 신호의 이득을 제어하는 제 6 커패시터(C32)를 포함한다.
도 3에서도, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(300)는 커패시터형 센서 커플링 회로(330)를 통해 센서 신호가 피드백되는 구조를 가짐으로 인해, 연산 증폭기(343)의 잡음 비중을 감소시킨다. 이로 인해, 커패시터형 센서 리드아웃 회로(300)에서 출력되는 센서 신호(Vo2)의 신호대 잡음비(SNR: Singal to Noise Ratio)는 향상될 수 있다.
한편, 공통 소스 증폭기(342)는 센서 기생 커패시터(11)의 기생 커패시턴스(Cp)에 의한 루프 이득 손실을 보상함으로써, 신호 증폭 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 커패시터형 센서 리드아웃 회로에 포함된 전압 부스터 내부의 저항 소자의 다양한 실시예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 3에 도시된 전압 부스터들(120, 220, 320) 각각에 포함된 저항 소자(Rf)는 하기와 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다.
(a)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 위치한 일반 저항 소자(R11) 형태로 구현될 수 있다.
(b)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 위치한 제 1 다이오드(D11) 형태로 구현될 수 있다. 제 1 다이오드(D11)의 애노드(+)는 제 1 노드(N1)에 연결되고, 캐소드(-)는 제 2 노드(N2)에 연결된다.
(c)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 위치한 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOS Field-Effect Transistor, 이하 'MOSFET'라 칭하기로 함)(T11) 형태로 구현될 수 있다. 제 1 MOSFET(11)의 소스는 제 1 노드(N1)에 연결되고, 드레인은 제 2 노드(N2)에 연결된다.
(d)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 2개의 MOSFET들(T12, T13)이 병렬로 교차 연결된 형태로 구현될 수 있다. 제 2 MOSFET(T12)의 드레인은 제 1 노드(N1)에 연결되고, 제 2 MOSFET(T12)의 소스는 제 2 노드(N2)에 연결된다. 또한, 제 3 MOSFET(T13)의 소스는 제 1 노드(N1)에 연결되고, 제 3 MOSFET(T13)의 드레인은 제 2 노드(N2)에 연결된다.
(e)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 2개의 다이오드들(D12, D13)이 병렬로 교차 연결된 형태로 구현될 수 있다. 제 2 다이오드(D12)의 애노드(+)는 제 1 노드(N1)에 연결되고, 캐소드(-)는 제 2 노드(N2)에 연결된다. 제 3 다이오드(D13)의 애노드(+)는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 캐소드(-)는 제 1 노드(N1)에 연결된다.
(f)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 2개의 트랜지스터들(T14, T15)이 병렬로 교차 연결된 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 트랜지스터들(T14, T15)은 게이트와 드레인이 상호 간에 접지되어 다이오드의 기능, 즉 다이오드 접속 된다. 제 3 트랜지스터(T14)의 소스는 제 1 노드(N1)에 연결되고, 드레인은 제 2 노드(N2)에 연결된다. 제 4 트랜지스터(T15)의 소스는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 드레인은 제 1 노드(N1)에 연결된다. 일예로, 제 3 트랜지스터(T14)와 제 4 트랜지스터(T15)는 피모스(PMOS) 트랜지스터이다.
(g)에서 저항 소자(Rf)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 2개의 트랜지스터들(T16, T17)이 병렬로 교차 연결된 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 트랜지스터들(T16, T17)은 게이트와 드레인이 상호 간에 접지되어 다이오드의 기능, 즉 다이오드 접속된다. 제 5 트랜지스터(T16)의 소스는 제 1 노드(N1)에 연결되고, 드레인은 제 2 노드(N2)에 연결된다. 제 6 트랜지스터(T17)의 소스는 제 2 노드(N2)에 연결되고, 드레인은 제 1 노드(N1)에 연결된다. 일예로, 제 5 트랜지스터(T16)와 제 6 트랜지스터(T17)는 엔모스(NMOS) 트랜지스터이다.
여기서, (d) 내지 (g)에서는 각 소자들은 두 개의 노드들(N1, N2)을 중심으로 백투백 형태로 연결된다.
이와 같이, 전압 부스터들(120, 220, 230)에 포함된 저항(Rf)은 (a) 내지 (g)를 통해 예시적으로 설명한 것으로 상술한 형태 이외의 다양한 형태로 구현될 수 있다.
결국, 본 발명에서 제안된 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 센서 신호를 처리하는 증폭기(또는, 소스 팔로워, 공통 소스 증폭기)에서 출력되는 교류 형태의 센서 신호를 센서(10)로 제공되는 바이어스 전압에 혼합하는 커패시터형 신호 커플링 회로의 구조를 이용한다. 이를 통해, 본 발명의 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 센서 신호의 증폭 성능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안된 커패시터형 센서 리드아웃 회로는 간단한 구성으로 인해 소형 제작이 가능하고, 수동 소자를 이용하여 저전력으로 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 센서
100, 200, 300: 커패시터형 센서 리드아웃 회로
110, 310, 310: 기준 전류/전압 생성기
120, 220, 320: 전압 부스터 130, 230, 330: 커패시터형 신호 커플링 회로
140, 240, 340: 신호 변환부 141, 241, 341: 고임피던스 회로
142, 143: 증폭기들 242: 소스 팔로워
243, 343: 연산 증폭기들 342: 공통 소스 증폭기

Claims (17)

  1. 센서로부터 입력된 센서 신호를 출력하는 신호 변환부;
    바이어스 전압을 생성하는 전압 부스터; 및
    상기 센서 신호를 피드백받아 상기 바이어스 전압에 혼합하여 출력하는 커패시터형 신호 커플링 회로를 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어스 전압에 혼합되는 센서 신호는 교류 형태의 신호인 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 변환부는
    상기 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로;
    상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 제 1 증폭기; 및
    상기 제 1 증폭기에서 출력된 센서 신호를 출력하는 제 2 증폭기를 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 제 1 증폭기에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터를 포함하는 커패시터형 센서 리드 아웃 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 변환부는
    상기 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로;
    상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 소스 팔로워; 및
    상기 소스 팔로워에서 출력된 센서 신호를 출력하는 연산 증폭기를 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 소스 팔로워에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터를 포함하는 커패시터형 센서 리드 아웃 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 변환부는
    상기 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로;
    상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 공통 소스 증폭기; 및
    상기 공통 소스 증폭기에서 출력된 센서 신호를 출력하는 연산 증폭기를 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 공통 소스 증폭기에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터를 포함하는 커패시터형 센서 리드 아웃 회로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 부스터는
    상기 부스팅 전압을 생성하는 전압원; 및
    상기 부스팅 전압을 필터링하여 상기 바이어스 전압을 생성하는 저항을 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 저항은 다이오드, 모스펫 트랜지스터, 백투백 구조를 갖는 모스펫 트랜지스터들, 백투백 구조를 갖는 다이오드들, 백투백 구조를 갖는 다이오드 접속 피모스 트랜지스터들, 및 백투백 구조를 갖는 다이오드 접속 엔모스 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하는 리드아웃 회로.
  14. 센서로부터 입력된 센서 신호를 전압 신호로 변환하는 고임피던스 회로;
    상기 전압 신호로 변환된 센서 신호를 출력하는 제 1 증폭기;
    상기 제 2 증폭기에서 출력된 센서 신호를 출력하는 제 2 증폭기;
    바이어스 전압을 생성하는 전압 부스터; 및
    상기 제 1 증폭기로부터 출력된 센서 신호를 피드백받아 상기 바이어스 전압에 혼합하여 출력하는 커패시터형 신호 커플링 회로를 포함하고,
    상기 커패시터형 신호 커플링 회로는
    상기 제 1 증폭기에서 출력된 센서 신호를 피드백하여 상기 바이어스 전압과 혼합하는 제 1 커패시터; 및
    상기 센서 신호가 혼합된 바이어스 전압의 이득을 조절하여 출력하는 제 2 커패시터를 더 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 바이어스 전압에 혼합되는 센서 신호는 교류 형태의 신호인 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 증폭기는 소스 팔로워를 포함하고,
    상기 소스 팔로워는
    일단은 전원 전압을 입력받는 전류원; 및
    게이트는 상기 고임피던스 회로에 연결되고, 드레인은 접지단에 연결되고, 소스는 상기 전류원의 다른 일단에 연결되는 트랜지스터를 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 증폭기는 공통 소스 증폭기를 포함하고,
    상기 공통 소스 증폭기는
    일단은 전원 전압을 입력받는 저항; 및
    게이트는 상기 고임피던스 회로에 연결되고, 드레인은 접지단에 연결되고, 소스는 상기 저항의 다른 일단에 연결되는 트랜지스터를 포함하는 커패시터형 센서 리드아웃 회로.
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