KR20240059955A

KR20240059955A - 로봇에 적용된 센서의 미소 신호 측정 시스템

Info

Publication number: KR20240059955A
Application number: KR1020220141071A
Authority: KR
Inventors: 조원기
Original assignee: 주식회사 세미엘렉
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2024-05-08

Abstract

정전용량 검출부에 의한 검출 정밀도를 저하시키지 않고, 소규모의 회로 구성으로 저전력의 신호 증폭 회로를 포함하는 미소 신호 측정 시스템을 개시한다. 교류 결합(AC coupled)된 증폭기와, 상기 교류 결합의 기준이 되는 직류의 바이어스 전압 V1을 발생하는 전압 발생 회로와, 상기 바이어스 전압 V1을 증폭기에 전달하는 전달 수단 R4를 구비한다. 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호를 교류 성분으로 하여 바이어스 전압 V1에 중첩시켜서 증폭한다. 전술한 바와 같이 구성된 신호 증폭 회로는, 이하와 같은 특징이 있다. 즉, 정전용량 검출부로부터 보았을 때, 전달 수단 R4의 입력 임피던스가, 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높아지도록 구성된다.

Description

로봇에 적용된 센서의 미소 신호 측정 시스템{MICRO-SIGNAL MEASUREMENT SYSTEM OF SENSORS APPLIED TO ROBOTS}

본 발명은, 교류 결합(AC coupled) 증폭기와, 상기 교류 결합의 기준이 되는 직류 바이어스 전압을 발생하는 전압 발생 회로와, 상기 바이어스 전압을 상기 증폭기에 전달하는 전달 수단을 구비하고, 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호를 교류 성분으로서 상기 바이어스 전압에 중첩시켜서 증폭하여 미소 신호를 측정하는 시스템에 관한 것이다.

정전용량 소자는, FET(전계 효과 트랜지스터)의 게이트를 0V로 바이어스되어 출력되는 경우가 많다. 이와 같은 회로에서는, FET의 드레인에는, 평균적으로 게이트-소스간 전압0V 시의 포화 전류(드레인 전류)가 계속 흐른다. 상기 포화 전류는 통상 100 내지 500㎂(micro amnpere)정도이다. 그러므로, 일렉트렛 콘덴서를 사용한 센서를 로봇에 적용할 경우, 소비 전력이 큰 문제가 된다.

상술한 과제에 대해서, 종래에는, 드레인 전류를 타이밍 파동에 따라 ON/OFF(on/off)하는 전류 제어 수단과, 상기 타이밍 파동를 발생하는 파동 발생기를 가지는 일렉트렛 콘덴서의 구동 회로가 제안되어 있다. 상기 구동 회로는, FET에 대한 전력의 공급 라인을 타이밍 파동에 따라 전기적인 접속 상태와 비접속 상태로 전환한다. 그리고, 드레인에 전압이 인가되었을 때에 발생하는 드레인 출력 전압을 검출하고, 드레인에의 전압 인가가 끊겼을 때에는 상기 드레인 전압을 레벨 홀드 회로에서 유지한다. 이와 같이 타이밍 파동에 의해 양자화된 전압 파형을 얻으면, 필요에 따라 증폭 회로에 대역 제한을 가하여, 계단형의 파형을 연속적인 파형으로 정형한다. FET에는 전압이 인가될 때만 전류가 흐른다. 따라서, 예를 들면 전압의 인가 기간이 비인가 기간의 1/100이면, 평균 전류도 1/100이 되어, 소비 전류가 대폭 삭감된다.

타이밍 파동에 의해 전원 공급을 제어하고자 하면, 상기 타이밍 파동를 발생시키는 논리 회로나 마이크로 컴퓨터 등의 제어 수단을 필요로 한다. 또한, 전원 공급을 ON/OFF하기 위한 스위칭 수단도 필요하다. 또한, 대역 제한을 가하여, 양자화되어 이산화된 스텝형의 파형을 연속 파형으로 정형할 수 있지만, 정전용량 검출부에 의해 검출되는 정전용량에 대한 변화 정보는, 전원 공급이 끊기는 동안에는 버려지게 된다. 그 결과, 정전용량 검출부가 가지는 검출 정밀도가 구동 회로 측에서 상실된다. 예를 들면, 로봇에 적용할 경우에는 압력 센서나 가속도 센서의 검출 정밀도가 저하된다.

본 발명의 목적은, 전술한 같은 문제점을 감안하여, 정전용량 검출부에 의한 검출 정밀도를 저하시키지 않고, 소규모의 회로 구성으로 저전력의 신호 증폭 회로를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 연산 증폭기, 바이어스 전압을 발생하는 전압 발생 회로, 상기 바이어스 전압을 상기 증폭기에 전달하는 전달 수단을 구비하고, 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호를 교류 성분으로 하여 상기 바이어스 전압에 중첩시켜서 증폭하는 신호 증폭 회로를 포함하는 미소 신호 측정 시스템을 개시한다.

본 발명에 따르면, 누설 전류의 영향을 거의 받지 않게 된다.

또한, 가드링 패턴이, 바이어스 전압이 입력되는 전달 수단의 일단의 배선 패턴과 접속되는 경우도 마찬가지로 생각할 수 있다. 바이어스 전압은 고임피던스 회로에 전달되므로, 전달 수단에 전류는 거의 흐르지 않는다. 따라서, 미소 전압 신호가 중첩되기 전후, 즉 전달 수단의 전후에 있어서, 전위차는 미소하기 때문에, 고임피던스 회로와 가드링 패턴은, 거의 동일한 전위를 가진다 할 수 있다. 따라서, 마찬가지로 고임피던스 회로와 가드링 패턴 사이에서의 누설 전류의 발생이 억제된다.

본 발명에 따르면, 소형이면서 저전력의 압력 센서를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 신호 증폭 회로의 제1 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 신호 증폭 회로의 제2 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 신호 증폭 회로의 제3 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 회로가 가드링 패턴을 구비하는 예를 나타낸 배선 패턴 도이다.

본 발명에 따른 미소 신호 측정 시스템은, 연산 증폭기, 바이어스 전압을 발생하는 전압 발생 회로, 상기 바이어스 전압을 상기 증폭기에 전달하는 전달 수단을 구비하고, 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호를 교류 성분으로 하여 상기 바이어스 전압에 중첩시켜서 증폭하는 신호 증폭 회로를 포함한다.

여기서, 상기 연산 증폭기는, 출력단부와, 상기 출력단부로부터의 피드백 신호가 입력되는 피드백 입력단부를 구비한다. 그리고, 상기 연산 증폭기는, 신호 입력단부와 상기 피드백 입력단부 사이에 전위차가 생기지 않도록 피드백 제어를 행함으로써 입력 신호를 증폭하고, 또한 교류 결합된다.

그리고, 본 발명에 따른 신호 증폭 회로의 구성상의 특징은, 상기 전달 수단은, 그 일단이 상기 전압 발생 회로에 접속됨과 동시에, 교류 결합 콘덴서를 통하여 상기 피드백 입력단부에 접속되고, 그 타단이 상기 신호 입력단부 및 상기 정전용량 검출부의 출력단부에 접속되는 저항부로 구성되며,

상기 피드백 제어에 의해, 상기 저항부의 양단에 전위차가 생기지 않도록 제어됨으로써, 상기 저항부의 저항값에 관계없이, 상기 정전용량 검출부로부터 보았을 때, 상기 전달 수단의 입력 임피던스가, 상기 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높아지도록 구성된다.

이러한 구성상의 특징에 의하면, 정전용량 검출부로부터의 출력을 FET(전계 효과 트랜지스터)를 이용하지 않고 인출하여 증폭하므로, 통상 100 내지 500㎂정도 흐르는 드레인 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 저전력 신호 증폭 회로를 구성할 수 있다.

또한, 미소 전압 신호를 출력하는 정전용량 검출부의 관점에서, 전달 수단의 입력 임피던스가 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높아지도록 구성된다. 따라서, 용량성의 측면에서 출력 임피던스의 높은 미소 전압 신호의 감쇠가 억제된다. 그 결과, 검출 정밀도가 저하되지 않고, 소규모의 회로 구성으로 저전력의 신호 증폭 회로를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 신호 증폭 회로는, 연산 증폭기와, 바이어스 전압을 발생하는 전압 발생 회로와, 상기 바이어스 전압을 상기 증폭기에 전달하는 전달 수단을 구비하고, 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호를 교류 성분으로 하여 상기 바이어스 전압에 중첩시켜서 증폭하는 신호 증폭 회로로서, 다음과 같은 별도의 구성상의 특징이 있다.

그리고, 본 발명에 따른 신호 증폭 회로의 구성상의 특징은, 상기 전달 수단은, 그 일단이 상기 전압 발생 회로에 접속되고, 그 타단이 상기 신호 입력단부 및 상기 정전용량 검출부의 출력단부에 접속되며, 상기 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높은 저항값을 가지는 고저항 회로이다.

상기 전달 수단을 고저항 회로로 구성하면, 특히 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높은 임피던스를 가지는 고저항 회로로 구성하면, 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호의 감쇠를 억제할 수 있다. 또한, 정전용량 검출부의 관점에서, 전달 수단의 입력 임피던스가 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높아지도록 구성되므로, 미소 전압 신호의 감쇠를 억제할 수 있다.

여기서, 상기 고저항 회로는, 2개의 정류 소자를 서로 역방향을 순방향으로 하여 병렬 접속함으로써 구성될 수 있다.

다이오드는, 역방향은 물론 순방향이라 하더라도, 단자 사이에 0.6 내지 0.7V정도의 순방향 전압을 가진다. 따라서, 순방향이라 하더라도, 상기 순방향 전압 이상의 전위차가 단자 사이에 나타나지 않는 이상, 전류가 흐르지 않는다. 정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호는 수mV 내지 수십mV이므로, 다이오드에는 전류가 흐르지 않는다. 따라서, 다이오드를 이용하여 매우 높은 임피던스를 가지는 고저항 회로가 구성된다

또한, 상기 고저항 회로는, 상기 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높은 저항값을 가지는 고저항값 저항부(High Resistance Resistor)에 의해 구성될 수 있다.

종래에는, 수십 ㏁(Mega ohm)정도까지의 저항부가 아니면 소신호 회로에 적용하는 것은, 비용면이나, 실장 공간을 고려하면 현실적이지 않았다. 그러나, 최근, 수G(Giga) 내지 수십GΩ의 고저항값 저항부가 실용화되고 있다. 상기 고저항값 저항부를 이용하면, 예를 들면 전술한 다이오드의 병렬 회로에 비해, 소규모의 회로를 구성할 수 있다. 또한, 이에 따라, 공간을 절약할 수 있고, 저비용화가 도모된다.

또한, 상기 특징 구성에 더하여, 상기 연산 증폭기의 상기 피드백 입력단부와, 상기 정전용량 검출부의 상기 출력단부와, 상기 전달 수단의 상기 타단을 접속하는 기판상의 배선을 둘러싼 가드링 패턴이 구비되고, 상기 가드링 패턴은 하기와 같이 접속되는 특징을 가진다.

즉, 상기 가드링 패턴과, 상기 연산 증폭기의 상기 피드백 입력단부가 접속되거나, 또는, 상기 가드링 패턴과 상기 전달 수단의 상기 일단이 접속된다.

본 발명에 따른 신호 증폭 회로에 있어서, 연산 증폭기의 다른 쪽의 입력단부와, 정전용량 검출부의 출력단부와 전달 수단의 타단이 접속되는 회로는, 고임피던스 회로이다. 따라서, 수p(pico)A정도의 근소한 누설 전류(leak current)에 의해서도, 전압이 크게 강하되거나, 신호의 감쇠가 생길 경우가 있다.

본 발명의 신호 증폭 회로는, 프린트 배선판(printed-circuit board) 등으로 구현된다. 따라서, 기판에 부품을 실장한 상태에서, 기판 표면에 티끌이나 먼지가 붙고, 이들이 습기를 흡수함으로써, 기판 표면에 누설 전류가 흐른다. 누설 전류는, 그라운드나 전원 전압, 연산 증폭기의 출력 신호 등의 저임피던스 회로와, 고인피던 회로 사이에 흐른다.

상기 구성상의 특징에 의하면, 고임피던스 회로를 둘러싸도록 설치된 가드링 패턴이, 저임피던스 회로와 고임피던스 회로 사이에서 흐르도록 누설 전류를 막는다. 가드링 패턴은, 연산 증폭기의 출력 신호가 피드백되어 입력되는 피드백 입력단부의 배선 패턴과 접속되어 있다. 연산 증폭기는, 피드백을 많이 걸 수 있는 성질을 가지고 있다. 따라서, 피드백 입력단부에 접속된 가드링 패턴에 누설 전류가 흐르더라도, 이 영향을 받지 않고 2개의 입력단부가 가상 접지의 관계를 만족하도록 피드백 제어를 행한다.

이에 따라, 피드백 입력단부와 가드링 패턴 및 신호 입력단부는 동일한 전위로 유지된다. 따라서, 고임피던스 회로와 가드링 패턴은 동일한 전위가 되고, 이 사이에 누설 전류도 흐르지 않는다. 그 결과, 고임피던스 회로는, 누설 전류의 영향을 거의 받지 않게 된다.

또한, 상기 정전용량 검출부는 일렉트렛 콘덴서로 구성되며, 각각의 구성에서 본 발명에 따른 신호 증폭 회로가 구비되어, 압력 센서를 구성할 수 있다.

소형이면서 저전력의 압력 센서를 얻고자 하는 경우, 일렉트렛 콘덴서형(ECM형)의 구성을 취하면 바람직하다. 즉, 정전용량을 검출할 때, 큰 바이어스 전압을 인가하지 않고, 일렉트렛 콘덴서를 사용하여 정전용량의 변화를 양호하게 검출할 수 있다. 또한, 소형이면서 저전력의 압력 센서는, 전지 구동의 기기에 구비되는 경우가 많고, 본 발명에 따른 각 구성의 신호 증폭 회로를 구비하여 압력 센서를 구성하면, 정전용량 검출부(ECM)에 의한 검출 정밀도를 저하시키지 않고, 소규모 회로 구성으로 저전력의 압력 센서를 얻을 수 있다.

Claims

정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호가 입력되는 신호 입력단부와, 출력단부와, 상기 출력단부로부터의 피드백 신호가 입력되는 피드백 입력단부를 구비하고, 상기 신호 입력단부와 상기 피드백 입력단부 사이에 전위차가 생기지 않도록 피드백 제어를 행함으로써 입력 신호를 증폭하고, 또한 교류 결합된(AC coupled) 연산 증폭기와,
상기 교류 결합의 기준이 되는 직류 바이어스 전압을 발생하는 전압 발생 회로와,
상기 바이어스 전압을 상기 연산 증폭기에 전달하는 전달 수단을 구비하고,
상기 바이어스 전압에 중첩된 상기 미소 전압 신호를 교류 성분으로 하여 증폭시키는 증폭 회로로서,
상기 전달 수단은, 그 일단이 상기 전압 발생 회로에 접속됨과 동시에, 교류 결합 콘덴서를 통하여 상기 피드백 입력단부에 접속되고, 그 타단이 상기 신호 입력단부 및 상기 정전용량 검출부의 출력단부에 접속되는 저항부로 구성되며,
상기 피드백 제어에 의해, 상기 저항부의 양단에 전위차가 생기지 않도록 제어됨으로써, 상기 저항부의 저항과 관계없이, 상기 정전용량 검출부로부터 보았을 때의 상기 전달 수단의 입력 입피던스가, 상기 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높아지도록 구성되는 신호 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 신호 측정 시스템.
정전용량 검출부가 출력하는 미소 전압 신호가 입력되는 신호 입력단부와, 출력단부와, 상기 출력단부로부터의 피드백 신호가 입력되는 피드백 입력단부를 구비하고, 상기 신호 입력단부와 상기 피드백 입력단부 사이에 전위차가 생기지 않도록 피드백 제어를 행함으로써 입력 신호를 증폭하고, 또한 교류 결합된 연산 증폭기와,
상기 교류 결합의 기준이 되는 직류 바이어스 전압을 발생하는 전압 발생 회로와,
상기 바이어스 전압을 상기 연산 증폭기에 전달하는 전달 수단을 구비하고,
상기 바이어스 전압에 중첩된 상기 미소 전압 신호를 교류 성분으로 하여 증폭시키는 증폭 회로로서,
상기 전달 수단은, 그 일단이 상기 전압 발생 회로에 접속되고, 그 타단이 상기 신호 입력단부 및 상기 정전용량 검출부의 출력단부에 접속되며, 상기 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높은 저항값을 가지는 고저항 회로인, 신호 증폭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소 신호 측정 시스템.
제2항에 있어서,
상기 고저항 회로는, 2개의 정류 소자를 서로 역방향을 순방향으로 하여 병렬 접속함으로써 구성되는, 미소 신호 측정 시스템.
제2항에 있어서,
상기 고저항 회로는 상기 정전용량 검출부의 출력 임피던스보다 높은 저항값을 가지는 고저항 저항부에 의하여 구성되는, 미소 신호 측정 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산 증폭기의 상기 신호 입력단부와, 상기 정전용량 검출부의 상기 출력단부와, 상기 전달 수단의 상기 타단을 접속하는 기판상의 배선을 둘러싸는 가드링 패턴이 구비되고, 상기 가드링 패턴과 상기 연산 증폭기의 상기 피드백 입력단부가 접속되는, 미소 신호 측정 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산 증폭기의 상기 신호 입력단부와, 상기 정전용량 검출부의 상기 출력단부와, 상기 전달 수단의 상기 타단을 접속하는 기판상의 배선을 둘러싸는 가드 링 패턴이 구비되고, 상기 가드링 패턴과 상기 전달 수단의 상기 일단이 접속되는, 미소 신호 측정 시스템.