KR20230089262A - 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로 - Google Patents

기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로 Download PDF

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KR20230089262A
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Abstract

본 발명은 기생 커패시터에 무관하게 터치를 감지할 수 있는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로를 제안한다. 상기 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로는, 증폭기, 포지티브 SC 입력부, 포지티브 피드백 회로, 네거티브 SC 입력부, 네거티브 피드백 회로 및 전압조정회로를 포함하며, 전압조정회로가 증폭기의 입력단의 전압준위를 강제로 조정함으로써 목표를 달성한다.

Description

기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로 {High sensitivity touch sensing circuit not related to parasitic capacitors}
본 발명은 터치 센싱 회로에 관한 것으로, 특히, 터치부에 기생하는 커패시터의 크기에 상관없이 터치 여부를 감지할 수 있는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로에 관한 것이다.
다양한 전자기기에서 화면의 출력과 함께 사용자가 전자기기에 명령을 입력할 수 있는 수단으로, 터치 패널(Touch Panel)의 사용이 증가하고 있다. 터치 패널 상에서 터치가 이루어질 때 이를 검출하는 기술 중 정전용량(Capacitance)의 변화를 검출하는 방식이 가장 많이 사용되며, 정전용량 변화를 검출하기 위해서는 터치 센싱 회로가 사용된다.
도 1은 스위치, 커패시터 및 증폭기를 이용하는 스위치드 커패시터 전 차동 적분기의 예이다.
도 2는 도 1에 도시된 스위치드 커패시터 전 차동 적분기의 스위치 제어신호에 따른 적분기의 연결상태를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 스위치드 커패시터 전 차동 적분기(100, Switched Capacitor fully Differential Integrator, 이하 차동 적분기)는, 증폭기(101), 포지티브 입력단(+) 및 네거티브 입력단(-)과 접지전압(VS) 사이를 연결하는 2개의 입력 커패시터(CI) 및 증폭기(101)의 2개의 입력단(+, -)과 2개의 출력단(VOUTP & VOUTN)을 연결하는 2개의 피드백 커패시터(CF)를 포함하며, 복수의 스위치들은 3종류의 스위치 제어신호에 응답하여 2개의 입력(VIP & VIN) 신호를 적분한다.
도 1의 하부에 도시된 스위치 제어신호에 응답하여 동작하는 종래의 차동 적분기(100)는 초기화(Initialization) 즉 피드백 커패시터(CF)를 방전시키는 스위치 제어신호 파이 0(zero, Φ0), 활성화 시간 구간이 서로 중첩되지 않는(Non-Overlapping Signal) 2개의 스위치 제어신호 파이 1(Φ1, one) 및 파이 2(Φ2, two)를 사용한다. 이하의 설명에서, 신호처리를 수행하는 하나의 단계 즉 한 주기(cycle)는 파이 1(Φ1) 및 파이 2(Φ2)가 각각 한 번씩 활성화되었을 때라고 가정한다.
설명의 편의를 위해, 스위치 제어신호의 논리값이 하이 상태일 때 즉 활성화 구간에 해당 스위치가 턴 온 되고, 논리 로우 상태일 때 해당 스위치가 턴 오프 되는 것으로 가정하고 설명한다.
스위치 제어신호 파이 0(이하 파이 0)이 논리 하이 값을 가질 때, 스위치 제어신호 파이 1(이하 파이 1) 및 스위치 제어신호 파이 2(이하 파이 2)는 모두 논리 로우 값을 가지게 되므로, 2개의 피드백 커패시터(CF)가 방전(또는 초기화)되는 동안 2개의 입력 커패시터(CI)의 양 단자는 모두 개방된다.
설명의 편의를 위해, 증폭기(101)의 포지티브 입력단자(+) 및 포지티브 출력단자(VOUTP)와 연결되는 커패시터를 포지티브 측 커패시터라고 가정하고, 증폭기(101)의 네거티브 입력단자(-) 및 네거티브 출력단자(VOUTN)와 연결되는 커패시터를 네거티브 측 커패시터라고 가정한다.
도 2의 좌측을 참조하면, 파이 1이 논리 하이 상태일 때, 파이 0은 논리 로우 상태이므로 피드백 커패시터(CF)는 증폭기(101)의 포지티브 입력단(+) 및 네거티브 입력단(-)을 연결하며, 포지티브 측 커패시터(CI) 및 네거티브 측 커패시터(CI)에는 VIP-VS에 비례하는 전하가 충전된다는 것을 알 수 있다.
도 2의 우측을 참조하면, 도 2의 우측에 도시된 것과 같이 파이 2가 논리 하이 상태일 때, 파이 0은 논리 로우 상태를 유지하고 있으며, 따라서 2개의 커패시터(CI)가 증폭기(101)의 포지티브 입력단(+) 및 네거티브 입력단(-)에 각각 연결된다는 것을 알 수 있다.
파이 1이 논리 하이 일 때 좌측 회로의 커패시터에 충전되는 총 전하량(QP(Φ1) & QN(Φ1)) 및 파이 2가 논리 하이 일 때 우측 회로의 커패시터에 충전되는 총 전하량(QP(Φ2) & QN(Φ2))은 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, 제1 입력 전압 VIP의 크기와 제2 입력 전압 VIN의 크기가 같다고 가정할 때 VD는 VIP-VS 및 VIN-VP 이다. 전하량 보존 법칙에 따르면, 파이 1일 때의 총 전하량과 파이 2일 때의 총 전하량은 같아야 하므로, 수학식 1 및 수학식 2를 정리하면, 포지티브 측은 아래의 수학식 3 그리고 네거티브 측은 아래의 수학식 4와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
수학식 4에서 수학식 3을 빼서 정리하면 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 5에서, VOUTP’- VOUTN’는 이전 단계에서 적분한 출력 값이므로, 한차례의 적분 시 파이 2일 때의 출력 값 VOUTP- VOUTN은, 이전 단계에서 적분한 출력 값에
Figure pat00006
를 더 한 값을 가지게 된다.
도 3은 도 2에 도시된 차동 적분기에 기생 커패시터가 존재한다고 가정할 때의 회로를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 스위치 제어신호에 따른 차동 적분기의 연결상태를 나타낸다.
도 3의 차동 적분기는 도 1에 기생 커패시터(CP, 상부의 점선 사각형 내)와 내부 오프셋 커패시터(CO, 하부의 점선 사각형 내)가 추가된 것 이외에는 도 1에 도시된 차동 적분기와 동일하며, 도 3에 도시된 차동 적분기를 구성하는 스위치 제어신호의 특성은 도 1에 도시된 스위치 제어신호의 특성과 동일하다.
도 4의 좌측에 도시된 것과 같이, 파이 1이 논리 하이 상태일 때 포지티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QP(Φ1)) 및 네거티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QN(Φ1))과 도 4의 우측에 도시된 것과 같이, 파이 2가 논리 하이 상태일 때 포지티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QP(Φ2)) 및 네거티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QN(Φ2))은 아래의 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
수식을 간단하게 표시하기 위해, 파이 1 및 파이 2의 표시는 생략한다.
Figure pat00007
Figure pat00008
전하량 보존 법칙에 따르면, 파이 1일 때의 총 전하량과 파이 2일 때의 총 전하량은 같아야 하므로, 수학식 6은 아래의 수학식 7과 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00009
수학식 7에서 기생 커패시터(CP)와 내부 오프셋 커패시터(CO)의 값이 동일하다고 가정할 때, 수학식 7에 표시된 두 식의 차이는 아래의 수학식 8과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00010
수학식 8을 참조하면, 도 1에 도시된 적분기에 기생 커패시터(CP)나 내부 오프셋 커패시터(CO)가 추가되더라도, 파이 1 및 파이 2의 스위치 제어구간 동안 적분기에 증가되는 값이 없다는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 차동 적분기에 사람의 손이 터치하였다고 가정할 때의 회로를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 스위치 제어신호에 따른 차동 적분기의 연결상태를 나타낸다.
도 5에 도시된 차동 증폭기는 기생 커패시터(CP)와 병렬로 사람의 손이 터치할 때의 터치 커패시터(CT, 점선 사각형 내)가 추가된다는 것 외에는 도 3에 도시된 차동 적분기와 동일하며, 이때 사용되는 스위치 제어신호의 특성도 동일하다.
도 6의 좌측에 도시된 것과 같이, 파이 1(Φ1)이 논리 하이 상태일 때 포지티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QP) 및 네거티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QN)과 도 6의 우측에 도시된 것과 같이, 파이 2(Φ2)가 논리 하이 상태일 때 포지티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QP) 및 네거티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QN)은 아래의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
전하량 보존 법칙에 따르면, 파이 1일 때의 총 전하량과 파이 2일 때의 총 전하량은 같아야 하므로, 수학식 9는 아래의 수학식 10과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00013
수학식 10에서 기생 커패시터(CP)와 내부 오프셋 커패시터(CO)의 값이 동일하다고 가정할 때, 수학식 10의 두 식의 차이는 아래의 수학식 11과 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00014
수학식 11에서, VOUTP’- VOUTN’는 이전 단계에서 적분한 출력 값이므로, 파이 2일 때의 출력 값 VOUTP- VOUTN은 이전 단계에서 적분한 출력 값에
Figure pat00015
를 더 한 값을 가지게 된다.
VB = CI/(CI+CP+CT) * VDD 이므로, 한 번의 적분(integration)에 의해 증가하는 이득(Gain)은 수학식 12와 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00016
수학식 12에서 CT, CF 및 VDD는 이미 정해져 있으므로, CT/CF*VDD는 Gain 상수라고 할 때 이득은 CI/(CI+CP+CT)에 의해 결정된다.
수학식 12를 참조하면, 터치에 의해 증가하는 이득은 CT의 크기에 의해서만 결정되는 것이 아니라 CP의 크기에 제한을 받는다는 것을 알 수 있다.
실제 SAR(Successive Approximation Register) 응용(application)에서는 외부의 기생 커패시터(CP)는 수백pF 정도의 매우 큰 전정용량을 가진다. 즉, 외부의 기생 커패시터(CP)의 용량이 클수록 터치에 의한 감도는 작아지게 된다.
예를 들어,
1) CI=10pF, CF=10pF, CP=10pF, CT=1pF, VDD=3V 일 때의 감도 변화는
Vgain = 1pF/10pF * 10pF/(10pF+10pF+1pF) * 3 = 0.143V이다.
2) CI=10pF, CF=10pF, CP=100pF, CT=1pF, VDD=3V 일 때의 감도 변화는
Vgain = 1pF/10pF * 10pF/(10pF+10pF+1pF) * 3 = 0.027V이다.
CP가 10pF에서 100pF으로 증가하면 감도는 0.143V에서 0.027V로 약 1/5 감소한다는 것을 알 수 있다.
미국 공개 특허: US 2020/0220543 A1(2020년07월09일)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기생 커패시터에 무관하게 터치를 감지할 수 있는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로는, 증폭기, 포지티브 SC 입력부, 포지티브 피드백 회로, 네거티브 SC 입력부, 네거티브 피드백 회로 및 전압조정회로를 포함한다.
상기 포지티브 SC 입력부는 스위치 제어신호 파이 1(이하 파이 1) 및 스위치 제어신호 파이 2(이하 파이 2)에 응답하여 제1 전압원 및 제2 전압원 중 하나의 전압을 이용하여 내부에 포함되는 제1 입력단 커패시터에 일정한 전하량을 충전한 후 상기 증폭기의 포지티브 입력단자에 전달한다. 상기 포지티브 피드백 회로는 스위치 제어신호 파이 0(이하 파이 0)에 응답하여 상기 증폭기의 포지티브 입력단자와 상기 증폭기의 포지티브 출력단자를 연결하는 제1 피드백 커패시터를 방전시키거나 상기 포지티브 SC 입력부로부터 인가되는 전하량에 응답하는 전하량을 충전한다. 상기 네거티브 SC 입력부는 상기 파이 1 및 상기 파이 2에 응답하여 상기 제1 전압원 및 상기 제2 전압원 중 하나의 전압을 이용하여 내부에 포함되는 제2 입력단 커패시터에 일정한 전하량을 충전한 후 상기 증폭기의 네거티브 입력단자에 전달한다. 상기 네거티브 피드백 회로는 상기 파이 0에 응답하여 상기 증폭기의 네거티브 입력단자와 상기 증폭기의 네거티브 출력단자를 연결하는 제2 피드백 커패시터를 방전시키거나 상기 네거티브 SC 입력부로부터 인가되는 전하량에 응답하는 전하량을 충전한다. 상기 전압조정회로는 상기 파이 2에 응답하여 상기 파이 2 신호가 활성화될 때 상기 증폭기의 상기 포지티브 입력단 및 상기 네거티브 입력단의 전압준위를 상기 제1 전압원으로 조정한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로는 터치부에 기생하는 커패시터의 크기에 상관없이 터치 여부를 감지할 수 있는 기생 커패시터에 무관하게 고감도로 사용자의 터치 여부를 감지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 스위치, 커패시터 및 증폭기를 이용하는 스위치드 커패시터 전 차동 적분기의 예이다.
도 2는 도 1에 도시된 스위치드 커패시터 전 차동 적분기의 스위치 제어신호에 따른 적분기의 연결상태를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 차동 적분기에 기생 커패시터가 존재한다고 가정할 때의 회로를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 스위치 제어신호에 따른 차동 적분기의 연결상태를 나타낸다.
도 5는 도 3에 도시된 차동 적분기에 사람의 손이 터치하였다고 가정할 때의 회로를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 스위치 제어신호에 따른 차동 적분기의 연결상태를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로의 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로의 일 실시 예이다.
도 9는 본 발명에서 사용하는 파이 1 및 파이 2의 신호 다이어그램이다.
도 10은 도 8에 도시된 스위치 제어신호에 따른 본 발명에 따른 고감도 터치 센싱 회로의 연결상태를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로의 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로의 일 실시 예이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로(700, 이하 고감도 터치 센싱 회로)는 증폭기(710), 포지티브 SC 입력부(720), 포지티브 피드백 회로(730), 네거티브 SC 입력부(740), 네거티브 피드백 회로(750) 및 증폭기 입력단 전압조정회로(760, 이하 전압조정회로)를 포함한다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 병합하여 설명한다.
본 발명에 따른 고감도 터치 센싱 회로(700)는 스위치 제어신호 파이 0(zero, Φ0)가 활성화되는 구간에는 초기화(Initialization) 즉 피드백 커패시터(CFp & CFn)를 방전시키고, 스위치 제어신호 파이 0가 불활성 구간에는 활성화 시간 구간이 서로 중첩되지 않는(Non-Overlapping Signal) 2개의 스위치 제어신호 파이 1(Φ1) 및 파이 2(Φ2)를 사용하여 센싱 과정을 수행한다.
도 9는 본 발명에서 사용하는 파이 1 및 파이 2의 신호 다이어그램이다.
도 9를 참조하면, 파이 1이 활성화되는 구간(ON) 및 파이 2가 활성화되는 구간(On)이 서로 중첩되지 않는 것을 알 수 있다. 파이 1 및 파이 2가 중첩되지 않아야 할 필요는, 만일 파이 1이 활성화되는 구간과 파이 2가 활성화되는 구간이 중첩되었을 때, 제1 입력단 커패시터(CIp) 및 제2 입력단 커패시터(CIn)의 일 단자에 제1 전원(VDD) 및 제2 전원(GND)가 동시에 연결될 수 있기 때문이다.
본 발명의 명세서 전반에 걸쳐, 스위치 제어신호의 논리값이 하이 상태일 때 즉 활성화 구간에 해당 스위치가 턴 온(즉 단락) 되고, 논리 로우 상태일 때 해당 스위치가 턴 오프(즉 개방) 되는 것으로 가정하고 설명한다.
포지티브 SC 입력부(720)는 파이 1 및 파이 2에 응답하여 제1 전압원(VDD) 및 제2 전압원(GND) 중 하나의 전압을 이용하여 내부에 포함되는 제1 입력단 커패시터(CIp)에 일정한 전하량을 충전한 후 증폭기(710)의 포지티브 입력단자(+)에 전달한다.
포지티브 피드백 회로(730)는 파이 0 신호에 응답하여 내부에 포함되는 제1 피드백 커패시터(CFp)를 방전시키거나 포지티브 SC 입력부(720)로부터 인가되는 전하량에 응답하는 전하량을 충전하는 기능을 수행한다.
네거티브 SC 입력부(740)는 파이 1 및 파이 2에 응답하여 제1 전압원(VDD) 및 제2 전압원(GND) 중 하나의 전압을 이용하여 내부에 포함되는 제2 입력단 커패시터(CIn)에 일정한 전하량을 충전한 후 증폭기(710)의 네거티브 입력단자(-)에 전달한다.
네거티브 피드백 회로(750)는 파이 0 신호에 응답하여 내부에 포함되는 제2 피드백 커패시터(CFn)를 방전시키거나 네거티브 SC 입력부(740)로부터 인가되는 전하량에 응답하는 전하량을 충전하는 기능을 수행한다.
전압조정회로(760)는 파이 2 신호에 응답하여 파이 2 신호가 활성화될 때 증폭기(710)의 2개의 입력단(+, -)의 전압준위를 제1 전압원(VDD)으로 조정한다. 후술하겠지만, 파이 2 신호가 활성화될 때 2개의 입력단(+, -)의 전압준위를 제1 전압원(VDD)과 동일하게 함으로써, 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱이 가능하게 된다.
이하의 설명에서, 제5 스위치(sw5) 및 제10 스위치(sw10)는 파이 0에 응답하여 스위칭하고, 제2 스위치(sw2), 제3 스위치(sw3), 제7 스위치(sw7) 및 제8 스위치(sw8)는 파이 1에 응답하여 스위칭하며, 제1 스위치(sw1), 제4 스위치(sw4), 제6 스위치(sw6), 제9 스위치(sw9), 제11 스위치(sw11) 및 제12 스위치(sw12)는 파이 2에 응답하여 스위칭한다. 스위칭동작은 파이 0, 파이 1 및 파이 2가 논리 하이 상태일 때는 단락되고, 반대로 논리 로우 상태일 때는 개방되는 것으로 가정하고 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 고감도 터치 센싱 회로(700)는, 포지티브 SC 입력부(720)가 제1 입력단 커패시터(CIp)와 4개의 스위치(sw1~sw4)를 포함하며, 포지티브 피드백 회로(730)는 제1 피드백 커패시터(CFp) 및 제5 스위치(sw5)를 포함하고, 네거티브 SC 입력부(740)는 제2 입력단 커패시터(CIn) 및 4개의 스위치(sw6~sw9)를 포함하며, 네거티브 피드백 회로(750)는 제2 피드백 커패시터(CFn) 및 제10스위치(sw10)를 포함한다는 것을 알 수 있다.
제1 입력단 커패시터(CIp)는 일 단자가 제1 스위치(sw1) 및 제2 스위치(sw2)에 의해 제1 전압원(VDD) 또는 제2 전압원(GND)에 연결되고 다른 일 단자는 제3 스위치(sw3) 및 제4 스위치(sw4)에 의해 증폭기(701)의 포지티브 입력단자(+) 또는 제2 전압원(GND)에 연결된다.
제2 입력단 커패시터(CIn)는 일 단자가 제6 스위치(sw6) 및 제7 스위치(sw7)에 의해 제1 전압원(VDD) 또는 제2 전압원(GND)에 연결되고 다른 일 단자는 제8 스위치(sw8) 및 제9 스위치(sw9)에 의해 증폭기(701)의 네거티브 입력단자(-) 또는 제2 전압원(GND)에 연결된다.
제1 피드백 커패시터(CFp)는 증폭기(701)의 포지티브 입력단자(+)와 포지티브 출력단자(VOUTP)를 연결한다.
제2 피드백 커패시터(CFn)는 증폭기(701)의 네거티브 입력단자(-)와 네거티브 출력단자(VOUTN)를 연결한다.
전압조정회로(760)는 제1 입력단 커패시터(CIp)의 다른 일 단자 및 제2 입력단 커패시터(CIn)의 다른 일 단자 사이에 설치되며, 제11 스위치(sw11), 제12스위치(sw12), 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)을 포함한다. 제11 스위치(sw11)는 일 단자가 제1 전압원(VDD)에 연결된 제1 저항(R1)의 다른 일 단자를 제1 입력단 커패시터(CIp)의 다른 일 단자로 스위칭한다. 제12 스위치(sw12)는 일 단자가 제1 전압원(VDD)에 연결된 제2 저항(R2)의 다른 일 단자를 제2 입력단 커패시터(CIn)의 다른 일 단자로 스위칭한다.
도 10은 도 8에 도시된 스위치 제어신호에 따른 본 발명에 따른 고감도 터치 센싱 회로의 연결상태를 나타낸다.
도 10의 좌측은 파이 1이 활성화되었을 때, 도 10의 우측은 파이 2가 활성화되었을 때 고감도 터치 센싱 회로(700)의 연결상태를 각각 나타낸다.
이하에서는, 본 발명에 따른 고감도 터치 센싱 회로(700)가 기생 커패시터(Cp)의 값에 상관없이 사용자의 터치 여부를 판단할 수 있는 이유를 도 9의 연결 상태와 함께 설명한다.
도 10의 좌측에 도시된 것과 같이, 파이 1(Φ1)이 논리 하이 상태일 때 포지티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QP) 및 네거티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QN)과 도 10의 우측에 도시된 것과 같이, 파이 2(Φ2)가 논리 하이 상태일 때 포지티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QP) 및 네거티브 측 커패시터에 충전되는 전하량(QN)은 아래의 수학식 13과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
전하량 보존 법칙에 따르면, 파이 1일 때의 총 전하량과 파이 2일 때의 총 전하량은 같아야 하므로, 수학식 13은 아래의 수학식 14과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00019
수학식 14에서 기생 커패시터(CP)와 내부 오프셋 커패시터(CO)의 정전 용량이 동일하고, 제1 입력단 커패시터(CIp) 및 제2 입력단 커패시터(CIn)의 정전 용량이 동일하며, 제1 피드백 커패시터(CFp) 및 제2 피드백 커패시터(CFn)의 정전 용량도 서로 동일하다고 가정하고, 제1 피드백 커패시터(CFp) 및 제2 피드백 커패시터(CFn)를 CF라고 가정할 때, 수학식 14의 두 식의 차이는 아래의 수학식 15와 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00020
수학식 15에서, VOUTP’- VOUTN’는 이전 단계에서 적분한 출력 값이므로, 파이 2일 때의 출력 값 VOUTP- VOUTN은 이전 단계에서 적분한 출력 값에
Figure pat00021
를 더 한 값을 가지게 된다. 즉, 수학식 15를 참조하면, 터치에 의해 증가하는 이득
Figure pat00022
는 CT의 크기에 의해서만 결정되며, CP와는 전혀 상관없다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 회로와 종래의 회로의 차이를 비교하기 위해 실제 정전용량을 대입하여 보면 아래와 같다.
기존 구조에서는 CI=10pF, CF=10pF, CP=10pF, CT=1pF, VDD=3V 일 때 변화되는 감도는 1pF/10pF * 10pF/(10pF+10pF+1pF) * 3 = 0.143V이고, CI=10pF, CF=10pF, CP=100pF, CT=1pF, VDD=3V 일 때 변화되는 감도는 1pF/10pF * 10pF/(10pF+10pF+1pF) * 3 = 0.027V이므로, CP가 10pF에서 100pF으로 증가하면 감도는 0.143V에서 0.027V로 약 1/5 감소했다.
그러나 본 발명에서는 CP의 정전용량이 10pF이거나 100pF 상관없이 변화되는 감도는 1pF/10pF * 3 = 0.3V로써, 기생 커패시터 CP에 상관없이 고감도의 값을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
710: 증폭기
720: 포지티브 SC 입력부
730: 포지티브 피드백 회로
740: 네거티브 SC 입력부
750: 네거티브 피드백 회로
760: 증폭기 입력단 전압조정회로(전압조정회로)

Claims (7)

  1. 증폭기;
    스위치 제어신호 파이 1(이하 파이 1) 및 스위치 제어신호 파이 2(이하 파이 2)에 응답하여 제1 전압원 및 제2 전압원 중 하나의 전압을 이용하여 내부에 포함되는 제1 입력단 커패시터에 일정한 전하량을 충전한 후 상기 증폭기의 포지티브 입력단자에 전달하는 포지티브 SC 입력부;
    스위치 제어신호 파이 0(이하 파이 0)에 응답하여 상기 증폭기의 포지티브 입력단자와 상기 증폭기의 포지티브 출력단자를 연결하는 제1 피드백 커패시터를 방전시키거나 상기 포지티브 SC 입력부로부터 인가되는 전하량에 응답하는 전하량을 충전하는 포지티브 피드백 회로;
    상기 파이 1 및 상기 파이 2에 응답하여 상기 제1 전압원 및 상기 제2 전압원 중 하나의 전압을 이용하여 내부에 포함되는 제2 입력단 커패시터에 일정한 전하량을 충전한 후 상기 증폭기의 네거티브 입력단자에 전달하는 네거티브 SC 입력부;
    상기 파이 0에 응답하여 상기 증폭기의 네거티브 입력단자와 상기 증폭기의 네거티브 출력단자를 연결하는 제2 피드백 커패시터를 방전시키거나 상기 네거티브 SC 입력부로부터 인가되는 전하량에 응답하는 전하량을 충전하는 네거티브 피드백 회로; 및
    상기 파이 2에 응답하여 상기 파이 2 신호가 활성화될 때, 사용자의 터치에 의한 증가하는 이득이 일 단자가 상기 포지티브 SC 입력부에 연결된 기생 커패시터와는 무관하고 사용자가 접촉하는 부분에서의 터치 커패시터의 정전용량의 크기에 의해서 결정되도록 상기 증폭기의 상기 포지티브 입력단 및 상기 네거티브 입력단의 전압준위를 조정하는 전압조정회로를 포함하는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
  2. 제1항에서, 상기 전압조정회로는,
    상기 파이 2에 응답하여 상기 파이 2 신호가 활성화될 때 상기 증폭기의 상기 포지티브 입력단 및 상기 네거티브 입력단의 전압준위를 상기 제1 전압원으로 조정하는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
  3. 제1항에서, 상기 포지티브 SC 입력부는,
    제1 입력단 커패시터;
    상기 파이 2에 응답하여 상기 제1 전압원을 상기 제1 입력단 커패시터의 일 단으로 스위칭하는 제1 스위치;
    상기 파이 1에 응답하여 상기 제2 전압원을 상기 제1 입력단 커패시터의 일단으로 스위칭하는 제2 스위치;
    상기 파이 1에 응답하여 상기 제2 전압원을 상기 제1 입력단 커패시터의 다른 일 단자로 스위칭하는 제3 스위치; 및
    상기 파이 2에 응답하여 상기 제1 입력단 커패시터의 다른 일 단자를 상기 포지티브 입력단자로 스위칭하는 제4 스위치를 포함하는
    기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
  4. 제3항에서, 상기 네거티브 SC 입력부는,
    상기 파이 2에 응답하여 상기 제1 전압원을 상기 제2 입력단 커패시터의 일 단으로 스위칭하는 제6 스위치;
    상기 파이 1에 응답하여 상기 제2 전압원을 상기 제2 입력단 커패시터의 일단으로 스위칭하는 제7 스위치;
    상기 파이 1에 응답하여 상기 제2 입력단 커패시터의 다른 일 단자를 상기 네거티브 입력단자로 스위칭하는 제8 스위치; 및
    상기 파이 2에 응답하여 상기 제2 입력단 커패시터의 다른 일 단자를 상기 포지티브 입력단자로 스위칭하는 제4 스위치를 포함하는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
  5. 제4항에서, 상기 전압조정회로는,
    일 단자가 상기 제1 전압원에 연결된 제1 저항;
    일 단자가 상기 제1 전압원에 연결된 제2 저항;
    상기 파이 2에 응답하여 상기 제1 저항의 다른 일 단자를 상기 제1 입력단 커패시터의 다른 일 단자로 스위칭하는 제11 스위치; 및
    상기 파이 2에 응답하여 상기 제2 저항의 다른 일 단자를 상기 제2 입력단 커패시터의 다른 일 단자로 스위칭하는 제12 스위치를
    포함하는 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
  6. 제1항에서,
    상기 포지티브 피드백 회로는 상기 파이 0에 응답하여 상기 제1 피드백 커패시터의 양 단자를 스위칭하는 제5 스위치를 포함하며,
    상기 네거티브 피드백회로는 상기 파이 0에 응답하여 상기 제2 피드백 커패시터의 양 단자를 스위칭하는 제10 스위치를 포함하는
    기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
  7. 제1항에서,
    상기 파이 1과 상기 파이 2는 활성화되는 구간이 서로 중복되지 않는 신호인 기생 커패시터에 무관한 고감도 터치 센싱 회로.
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