KR20180048447A

KR20180048447A - 정전용량 감지회로

Info

Publication number: KR20180048447A
Application number: KR1020177030466A
Authority: KR
Inventors: 유 안 량
Original assignee: 선전 구딕스 테크놀로지 컴퍼니, 리미티드
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-05-10
Also published as: US20180089489A1; CN106462309A; US10346668B2; WO2018058336A1; EP3321848A4; KR102032889B1; EP3321848A1; EP3321848B1; CN106462309B

Abstract

본 발명은 접촉 정전용량과 결합되는 샘플홀드 회로; 상기 샘플홀드 회로와 결합되는 적분회로; 상기 적분 회로와 결합되는 제1 입력단, 기준전압을 수신하는 제2 입력단 및 비교 출력전압을 출력하는 비교 출력단을 포함하는 비교기; 및 상기 비교 출력단과 연결되어, 상기 비교 출력전압이 상기 비교기의 상태전환을 나타내면, 상기 적분회로의 적분시간을 출력하는 로직회로;를 포함하되, 상기 적분시간은 상기 접촉 정전용량의 정전용량 값과 관련되는 정전용량 감지회로를 제공했다.

Description

정전용량 감지회로

본 발명은 정전용량 감지회로에 관한 것으로, 특히 회로구성이 간단한 정전용량 감지회로에 관한 것이다.

과학기술이 나날이 발전함에 따라, 이동전화, 디지털 카메라, 태블릿 PC, 노트북 등 갈수록 많은 휴대용 전자장치들은 이미 사람들의 일상생활에서 필수품이 되었다. 휴대용 전자장치는 일반적으로 개인에 의해 사용되므로 일정한 프라이버시를 갖고 있으며, 휴대용 전자장치 내부에 저장된 연락처, 사진, 개인정보 등과 같은 데이터는 개인 소유이다. 만일 전자장치를 분실했을 경우, 해당 데이터들이 타인에 의해 이용됨으로써 불필요한 손실을 초래할 수 있다. 비록 현재 암호화 보호 방법으로 전자장치가 타인에 의해 사용되는 것을 방지하고 있지만, 비밀번호는 쉽게 유출되거나 풀리므로, 보안성이 낮다. 또한, 사용자는 전자장치를 사용하기 위해 비밀번호를 기억해야 하고, 비밀번호를 잊어버리면, 사용자는 많은 불편을 겪게 된다. 따라서 현재, 데이터의 안정성을 향상시키고자, 개인의 지문을 인식하는 방식을 통해 신분 인증을 하는 단계까지 발전하였다.

일반적으로, 지문인식 시스템에서 정전용량 감지회로를 이용하여 손가락의 접촉을 수신하고, 정전용량 감지회로는 손가락의 접촉을 수신하여 손가락과의 사이에서 접촉 정전용량을 형성하고, 정전용량 감지회로는 접촉 정전용량의 정전용량 값을 아날로그 전압신호로 변환시킬 수 있으며, 아날로그 전압신호는 디지털 전압신호로 변환시킨 다음, 후단의 지문판단모듈로 전송하여 정전용량 감지회로가 지문의 융선(Finger Ridge) 또는 골(Finger Valley)에 대응하는지 판단해야 한다. 다시 말하면, 아날로그 전압신호는 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital Convertor, ADC)를 통해 디지털 전압신호로 변환된다. 그러나, 아날로그-디지털 변환기는 회로구조가 복잡하고, 차지하는 회로면적이 크며, 동시에 생산비용을 증가시키고, 소비전력이 높다. 따라서, 어떻게 회로구조가 간단하고, 회로면적이 작고, 비용이 저렴하면서 소비전력이 낮은 정전용량 감지회로를 제공할 것인가 하는 문제는 업계에서 노력하고 있는 목표 중 하나가 되었다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 회로구성이 간단한 정전용량 감지회로를 제공하는 것이다.

상술한 기술문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 접촉 정전용량을 감지하는 정전용량 감지회로에 있어서, 상기 접촉 정전용량과 결합되는 샘플홀드 회로; 상기 샘플홀드 회로와 결합되는 적분 입력단 및 적분 출력단을 포함하는 적분 회로; 상기 적분 출력단과 결합되는 제1 입력단, 기준전압을 수신하는 제2 입력단 및 비교 출력전압을 출력하는 비교 출력단을 포함하는 비교기; 및 상기 비교 출력단과 결합되어, 상기 비교 출력전압이 상기 비교기의 상태전환을 나타내면, 상기 적분회로의 적분시간을 출력하는 로직회로;를 포함하되, 상기 적분시간은 상기 접촉 정전용량의 정전용량 값과 관련되는 정전용량 감지회로를 제공한다.

바람직하게는, 상기 비교 출력전압이 상기 비교기의 상태전환을 나타내면, 상기 로직회로는 상기 적분회로의 적분동작을 종료하도록 제어신호를 생성한다.

바람직하게는, 상기 적분시간은 상기 적분회로가 적분동작을 시작하여 적분동작을 종료하기까지 경과한 시간이다.

바람직하게는, 상기 샘플홀드 회로는, 일단은 정전압(正電壓)을 수신하고, 타단은 상기 접촉 정전용량과 결합되는 제1 스위치; 및 일단은 상기 접촉 정전용량과 결합되고, 타단은 상기 적분 입력단과 결합되는 제2 스위치;를 포함하고, 제1 시간에 상기 제1 스위치는 온되고 상기 제2 스위치는 오프되고, 또한 제2 시간에 상기 제1 스위치는 오프되고 상기 제2 스위치는 온된다.

바람직하게는, 상기 적분회로는, 증폭 입력단은 상기 적분 입력단이고, 증폭 출력단은 상기 적분 출력단인 증폭기; 상기 증폭 입력단과 상기 증폭 출력단 사이에 결합되는 제3 스위치; 상기 증폭 입력단과 상기 증폭 출력단 사이에 결합되는 적분 정전용량; 및 일단은 상기 적분 정전용량과 결합되고, 타단은 상기 증폭 출력단과 결합되는 제4 스위치;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 정전용량 감지회로의 리셋 모드 시, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 온되고, 또한 상기 적분회로의 적분동작 시, 상기 제3 스위치는 오프되고 상기 제4 스위치는 온된다.

본 발명에서 제공한 정전용량 감지회로는 접촉 정전용량에 저장된 전하를 시간신호로 변환시킬 수 있어, 회로구조가 간단하고, 회로면적이 작고, 비용이 저렴하고 소비전력이 낮은 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지회로의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적분 출력전압의 파형도이다.

본 발명의 목적, 기술방안 및 장점을 보다 명확하게 이해할 수 있도록, 이하에서는 도면 및 실시예를 결합하여, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이해해야 할 것은, 여기서 설명한 구체적인 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.

본 발명의 정전용량 감지회로는 접촉 정전용량에 저장된 전하를 시간신호로 변환하여, 접촉 정전용량의 정전용량 값을 정확하게 판독하고, 동시에 정전용량 감지회로의 회로의 복잡도를 감소시킨다. 구체적으로, 도 1을 참고하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전용량 감지회로(10)의 개략도이다. 정전용량 감지회로(10)는, 접촉 정전용량(Cf)을 감지하고, 샘플홀드 회로(SH), 적분회로(100), 비교기(comp), 카운터(cntr), 전압상승회로(104), 로직회로(102) 및 제어회로(106)를 포함한다. 적분회로(100)는 스위치(S3, S4), 증폭기(Amp) 및 적분 정전용량(C_INT)을 포함하고, 증폭기(Amp)의 입력단은 적분회로(100)의 적분 입력단이고, 증폭기(Amp)의 출력단은 적분회로(100)의 적분 출력단이고, 적분 출력단은 적분 출력전압(V_OUT)을 출력한다. 또한, 비교기(comp)의 정입력단(「＋」로 표시)은 적분회로(100)의 적분 출력단과 결합되어, 적분 출력전압(V_OUT)을 수신하고, 비교기(comp)의 부입력단(「－」로 표시)은 기준전압(V_REF)을 수신하고, 비교기(comp)의 비교 출력단은 비교 출력전압(V_CMP)을 출력한다. 로직회로(102)는 디지털 회로를 이용하여 실현할 수 있고, 비교기(comp)의 비교 출력단과 적분회로(100) 사이에 결합되고, 비교 출력전압(V_CMP)이 비교기(comp)의 상태전환을 나타내면, 로직회로(102)는 상기 적분회로의 적분시간(T_OUT)을 출력하고, 로직회로(102)는 적분회로(100)의 적분동작을 종료하도록 제어신호(도 1에 미도시)를 생성하여 적분회로(100)에 보내고, 적분시간(_OUT)은 접촉 정전용량(Cf)의 정전용량 값을 의미/반영할 수 있다.

상세하게 말하자면, 샘플홀드 회로(SH)는 스위치(S1) 및 스위치(S2)를 포함하고, 스위치(S1)의 일단은 정전압(V_DD)을 수신하고, 스위치(S1)의 타단은 접촉 정전용량(Cf)과 전기적으로 연결되고, 스위치(S2)의 일단은 접촉 정전용량(Cf)과 전기적으로 연결되고, 스위치(S2)의 타단은 적분회로(100)의 적분 입력단과 전기적으로 연결된다. 또한, 적분회로(100)에서, 스위치(S3)는 적분회로(100)의 적분 입력단과 적분 출력단 사이에 결합되고, 적분 정전용량(C_INT)과 스위치(S4)는 직렬 연결되고, 적분 정전용량(C_INT) 및 스위치(S4)도 적분회로(100)의 적분 입력단과 적분 출력단 사이에 결합된다. 스위치(S3, S4)의 온 상태를 제어하는 것을 통해, 적분회로(100)(또는 정전용량 감지회로(10))의 동작 모드를 제어할 수 있다. 예를 들면, 정전용량 감지회로(10)의 리셋(Reset) 모드에서, 스위치(S3, S4)는 모두 온되고, 정전용량 감지회로(10)의 적분 모드에서(즉 적분회로(100)가 적분동작을 진행할 때), 스위치(S3)는 오프되고 스위치(S4)는 온된다. 적분회로(100)의 적분동작을 종료해야 하는 경우, 로직회로(102)는 스위치(S4)를 오프시키도록 제어신호를 생성할 수 있다.

적분회로(100)가 적분조작을 진행할 때, 클럭(Clock)주기(T) 중의 전반주기(제1 시간에 대응)에서, 스위치(S1)는 온(ON)되고 스위치(S2)는 오프(OFF)되고, 접촉 정전용량(Cf)은 정전압(V_DD)까지 충전되고, 클럭주기(T) 중의 후반주기(제2 시간에 대응)에서, 스위치(S1)는 오프되고 스위치(S2)는 온되고, 접촉 정전용량(Cf)에 저장된 전하는 적분 정전용량(C_INT)으로 흐른다. 다시 말하면, 적분회로(100)가 적분동작을 진행할 때, 적분 출력전압(V_OUT)은 시간이 갈수록 감소된다. 또한, 적분회로(100)가 적분모드에서 동작할 경우, 적분 출력전압(V_OUT)은 지속적으로 감소되어, 적분 출력전압(V_OUT)이 기준전압(V_REF)보다 조금 낮아질 때까지 감소하면, 비교기(comp)는 상태전환하고, 이때 로직회로(102)는 적분회로(100)의 적분동작을 종료하도록 제어신호를 생성하고, 적분시간(T_OUT)을 출력한다.

접촉 정전용량(Cf)의 정전용량 값과 적분시간(T_OUT)은 반비례하므로, 동일한 소정의 횟수(N_TH)에 있어서, 적분시간(T_OUT)이 작을수록 접촉 정전용량(Cf)의 정전용량 값이 더 크다는 것을 의미한다. 따라서, 정전용량 감지회로(10)의 후단회로(도 1에 미도시)는 적분시간(T_OUT)에 따라 접촉 정전용량(Cf)의 정전용량 값을 판단할 수 있다.

구체적으로, 도 2를 참고하면, 도 2는 정전용량 감지회로(10)가 접촉 정전용량(Cf_1) 및 접촉 정전용량(Cf_2)에 대해 각각 정전용량 감지를 진행하여 생성된 적분 출력전압(V_OUT _{_1}) 및 적분 출력전압(V_OUT _{_} ₂)의 파형도이고, 접촉 정전용량(Cf_1)과 접촉 정전용량(Cf_2)은 서로 다른 정전용량 값을 가지며, 점선은 적분 출력전압(V_{OUT_1})의 파형도를 나타내고, 실선은 적분 출력전압(V_OUT _{_} ₂)의 파형도를 나타낸다. 도 2를 통해 알 수 있듯이, 정전용량 감지회로(10)는 시간(t₀)에 적분동작을 시작(또는 적분 모드로 진입하기 시작)하고, 정전용량 감지회로(10)가 접촉 정전용량(Cf_1)에 대해 정전용량 감지를 진행하면, 적분회로(100)가 지속적으로 적분함에 따라, 적분 출력전압(V_OUT)은 시간(t₁)이 되기까지 지속적으로 감소되고, 즉 적분 출력전압(V_OUT)이 기준전압(V_REF)보다 조금 낮아지면, 이때 비교기(comp)는 상태전환하고, 적분회로(100)는 적분동작을 종료하고, 로직회로(102)는 적분시간(T_{OUT_1})을 출력한다. 동일하게, 정전용량 감지회로(10)가 접촉 정전용량(Cf_2)에 대해 정전용량 감지를 진행하면, 적분회로(100)가 지속적으로 적분함에 따라, 적분 출력전압(V_OUT)은 시간(t₂)이 되기까지 지속적으로 감소되고, 즉 적분 출력전압(V_OUT)이 기준전압(V_REF)보다 조금 낮아지면, 이때 비교기(comp)는 상태전환하고, 적분회로(100)는 적분동작을 종료하고, 로직회로(102)는 적분시간(T_{OUT_2})을 출력한다. 이 경우, 정전용량 감지회로(10)의 후단회로는 적분시간(T_{OUT_1}, T_{OUT_2})에 따라 접촉 정전용량(Cf_1, Cf_2)의 정전용량 값을 각각 판단할 수 있다.

간단히 말해서, 본 발명은 로직회로(102) 및 비교기(comp)를 이용하여, 적분회로(100)가 출력하는 적분 출력전압(V_OUT)이 기준전압(V_REF)보다 작은지 여부를 판단하고, 적분 출력전압(V_OUT)이 기준전압(V_REF)보다 작으면, 로직회로(102)는 적분시간(T_OUT)을 출력하고, 정전용량 감지회로(10)의 후단회로는 적분시간(T_OUT)에 따라 접촉 정전용량(Cf)의 정전용량 값을 판단할 수 있다.

종래의 정전용량 감지회로는 접촉 정전용량에 저장된 전하를 아날로그 전압신호로 변환시켜야 하고, 또한 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital Convertor, ADC)를 통해 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환시켜야 한다. 그러나, 아날로그-디지털 변환기는 회로구조가 복잡하고, 차지하는 회로면적이 크다. 이와 달리, 본 발명의 정전용량 감지회로는 아날로그-디지털 변환기를 사용하지 않는 상황에서, 접촉 정전용량에 저장된 전하를 시간신호(즉 적분시간(T_OUT))로 변환시키고, 후단회로는 적분시간(T_OUT)에 따라 접촉 정전용량의 정전용량 값을 판단함으로써, 터치 이벤트 발생유무를 판단하거나, 또는 정전용량 감지회로가 지문의 융선(Finger Ridge) 또는 골(Finger Valley)에 대응하는지 판단하여, 지문인식을 진행한다.

결론적으로, 본 발명의 정전용량 감지회로는 접촉 정전용량에 저장된 전하를 시간신호로 변환할 수 있으므로, 종래의 아날로그-디지털 변환기를 사용할 필요 없이, 본 발명의 정전용량 감지회로는 출력한 적분시간에 따라, 접촉 정전용량의 정전용량 값을 판단할 수 있다. 따라서, 본 발명의 정전용량 감지회로는 회로구조가 간단하고, 회로면적이 작고, 비용이 저렴하고 소비전력이 낮은 장점이 있다.

이상은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니고, 본 발명의 정신 및 원칙을 벗어나지 않으면서 진행한 모든 수정, 등가적 대체 및 개선 등은 본 발명의 보호범위 내에 포함되어야 한다.

Claims

접촉 정전용량을 감지하는 정전용량 감지회로에 있어서,
상기 정전용량 감지회로는,
상기 접촉 정전용량과 결합되는 샘플홀드 회로;
상기 샘플홀드 회로와 결합되는 적분 입력단 및 적분 출력단을 포함하는 적분회로;
상기 적분 출력단과 결합되는 제1 입력단, 기준전압을 수신하는 제2 입력단 및 비교 출력전압을 출력하는 비교 출력단을 포함하는 비교기; 및
상기 비교 출력단과 결합되고, 상기 비교 출력전압이 상기 비교기의 상태전환을 나타내면, 상기 적분회로의 적분시간을 출력하는 로직회로
를 포함하고,
상기 적분시간은 상기 접촉 정전용량의 정전용량 값과 관련되는,
정전용량 감지회로.
제1항에 있어서,
상기 비교 출력전압이 상기 비교기의 상태전환을 나타내면, 상기 로직회로는 상기 적분회로의 적분동작을 종료하도록 제어신호를 생성하는, 정전용량 감지회로.
제2항에 있어서,
상기 적분시간은 상기 적분회로가 적분동작을 시작하여 적분동작을 종료하기까지 경과한 시간인, 정전용량 감지회로.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 샘플홀드 회로는,
일단은 정전압을 수신하고, 타단은 상기 접촉 정전용량과 결합되는 제1 스위치; 및
일단은 상기 접촉 정전용량과 결합되고, 타단은 상기 적분 입력단과 결합되는 제2 스위치
를 포함하되,
제1 시간에 상기 제1 스위치는 온되고 상기 제2 스위치는 오프되고, 또한 제2 시간에 상기 제1 스위치는 오프되고 상기 제2 스위치는 온되는, 정전용량 감지회로.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적분회로는,
증폭 입력단은 상기 적분 입력단이고, 증폭 출력단은 상기 적분 출력단인 증폭기;
상기 증폭 입력단과 상기 증폭 출력단 사이에 결합되는 제3 스위치;
상기 증폭 입력단과 상기 증폭 출력단 사이에 결합되는 적분 정전용량; 및
일단은 상기 적분 정전용량과 결합되고, 타단은 상기 적분 출력단과 결합되는 제4 스위치
를 포함하는, 정전용량 감지회로.
제5항에 있어서,
상기 정전용량 감지회로의 리셋 모드에서, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 온되고, 또한 상기 적분회로의 적분동작 시, 상기 제3 스위치는 오프되고 상기 제4 스위치는 온되는, 정전용량 감지회로.