KR100389095B1

KR100389095B1 - 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치

Info

Publication number: KR100389095B1
Application number: KR10-2000-0017591A
Authority: KR
Inventors: 우영신; 변광균; 김종열; 성만영
Original assignee: 학교법인고려중앙학원
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2020-04-04
Also published as: KR20010094126A

Abstract

본 발명은 자이로스코프의 커패시턴스의 미소한 변화량을 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 한 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 자이로스코프의 진동자의 진동신호를 인가 받아 전기적신호로 변환하고 증폭하여 출력하는 진동신호검출부와, 상기 진동신호검출부로부터 출력되는 전기적신호를 이용하여 클락(clk)펄스를 출력하는 클락발생기와, 상기 클락발생기에서 출력되는 클락신호를 카운트하는 카운터와, 상기 카운터에서 카운트된 신호를 인가받아 컨트롤 신호 파형을 발생하는 제1, 2컨트롤 신호 발생기와, 상기 제1, 2컨트롤 신호 발생기에서 발생하는 컨트롤 신호를 이용하여 제2증폭부의 출력전압을 사용자가 원하는 출력전압으로 변환시켜 검출하는 피크디텍터를 포함하여 구성된다.

Description

자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치{Device to measure capacitance variations of the gyroscope}

본 발명은 자이로스코프(gyroscope)의 커패시턴스(capacitance)의 변화량을 측정하는 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자이로스코프의 커패시턴스의 미소한 변화량을 정확하고 빠르게 측정할 수 있도록 한 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 자이로스코프는 정전력에 의해 구동되고, 각속도에 비례하는 커패시턴스의 변화량으로써 전압을 감지하도록 되어 있다. 이와 같은 자이로스코프는 각속도를 검출하는 센서로서, 폭 넓은 산업분야에서 이용되고 있다. 예를 들면, 항법장치(navigation system), 의학기구(medical apparatus), 차량의 에어백 제어기구(air-bags controller for vehicle) 및 민수용 가전 기기등 광범위한 산업분야에 적용되고 있다.

그러나, 종래의 자이로스코프는 크기가 크고 복잡하여 가격이 비싸 일반 제품에 적용되기에는 어려운 문제점이 있었다.

이러한 상기 문제점을 해결하기 위해, 구조가 간단하고 크기가 작은 미세가공 진동형 자이로스코프가 등장하게 되었다.

이에 따라, 비디오 카메라와 같은 일반적인 상품에 회전 각속도 측정 소자를 적용하는 것이 가능해졌다.

도 1은 종래의 미세가공 진동형 자이로스코프의 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 교류 전압원이 자이로스코프(10)를 X방향으로 진동하게 만들고 이 상태에서 Y축을 중심으로 회전 각속도가 인가되면 전압에 의한 진동방향과 수직인 Z방향으로 상기 자이로스코프(10)의 진동자가 진동을 한다.

상기 진동에 따라 자이로스코프(10)의 커패시턴스가 변화하게 되고, 상기 커패시턴스의 변화를 감지함으로써 인가되는 각속도를 측정한다.

도 2는 도 1의 자이로스코프와 유사한 기능을 하는 엥귤러 레이트 센서의 커패시턴스 변화량 측정장치의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, "T" 형상을 한 진동자(12)가 구비되고 자이로스코프와 유사한 기능을 하는 엥귤러 레이트 센서(Angular Rate Sensor)(11)와, 상기 진동자(12)의 머리부분의 일측에 연결되어 상기 진동자(12)의 상하진동 드라이빙신호(Driving Signal)를 인가 받는 MOS트랜지스터(M1)와, 상기 MOS트랜지스터(M1)로부터 출력되는 드라이빙신호를 증폭하는 증폭기(Am1)와, 상기 진동자(12)의 하단부의 우측 일측에 연결되어 상기 진동자(12)의 우진동 신호를 인가 받는 MOS트랜지스터(M2)와, 상기 진동자(12)의 하단부의 좌측 일측에 연결되어 상기 진동자(12)의 좌진동 신호를 인가 받는 MOS트랜지스터(M3)와, 상기 MOS트랜지스터(M2) 및 MOS트랜지스터(M3)로부터 출력되는 신호를 비교한 후 증폭하는 증폭기(Am2)와, 상기 증폭기(Am1)(Am2)로부터 증폭된 신호를 인가 받아 동기 복조하는 동기복조기(14)와, 상기 동기복조기(14)에서 동기 복조된 신호를 인가 받아 증폭하여 출력하는 증폭기(Am3)로 구성된다.

상기 동기복조기(14)의 내부에는 로패스필터(Low Pass Filter)(미도시)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 자이로스코프와 유사한 기능을 하는 엥귤러 레이트 센서의 커패시턴스 변화량 측정장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엥귤러 레이터 센서(11)에 구동전압을 인가하면, 진동자(12)에 진동이 발생되고 그 진동에 따라 MOS트랜지스터(M1)로 진동신호가 인가된다.

이어, 상기 MOS트랜지스터(M1)에 인가된 상/하 진동신호는 증폭기(Am1)로 출력되어진 후 증폭되어 동기복조기(14)로 입력된다.

한편, 상기 MOS트랜지스터(M2)에 인가된 우진동신호와 상기 MOS트랜지스터(M3)에 인가된 좌진동신호는 증폭기(Am2)로 출력되어진 후 비교 증폭되어 동기복조기(14)로 입력된다.

상기 동기복조기(14)로 인가된 진동자의 상/하 진동신호와 좌/우 진동신호는 동기복조됨과 아울러 로패스필터에 의해 필터링되어 증폭기(Am3)로 출력된다.

그러나, 이러한 종래 기술에 따른 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치는 CV(Capacitance-Voltage) 컨버터의 DC드리프트(drift)가 크고, 기생 커패시턴스에 민감한 문제점이 있었다.

또한, 구조상으로도 로패스필터가 필요로 하기 때문에 회로가 복잡해지는 문제점이 있었다.

그리고 진동자의 진동신호의 동기복조시 로패스필터에 의해 출력신호가 느리게 변하는 문제점이 있었다.

따라서, 커패시턴스 변화량의 측정 시간이 길어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 본 발명의 목적은, 전류바이어스회로를 사용하는 CV(Capacitance-Voltage)컨버터를 사용하여 DC드리프트가 없고 기생 커패시턴스를 자동적으로 보상하고 로패스필터를 포함한 동기복조기의 작용 없이 피크값으로 출력 신호를 빠르게 출력할 수 있도록 한 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치의 특징은, 자이로스코프의 진동자의 진동신호를 인가 받아 전기적신호로 변환하고 증폭하여 출력하는 진동신호검출부와, 상기 진동신호검출부로부터 출력되는 전기적신호를 이용하여 클락(clk)펄스를 출력하는 클락발생기와, 상기 클락발생기에서 출력되는 클락신호를 카운트하는 카운터와, 상기 카운터에서 카운트된 신호를 인가 받아 컨트롤 신호 파형을 발생하는 제1, 2컨트롤 신호 발생기와, 상기 제1, 2컨트롤 신호 발생기에서 발생하는 컨트롤 신호를 이용하여 제2증폭부의 출력전압을 사용자가 원하는 출력전압으로 변환시켜 검출하는 피크디텍터를 포함하여 이루어진다.

도 1은 종래의 미세가공 진동형 자이로스코프의 평면도,

도 2는 도 1의 자이로스코프와 유사한 기능을 하는 엥귤러 레이트 센서의 커패시턴스 변화량 측정장치의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치의 구성도,

도 4a는 도 3의 CV컨버터와 증폭부의 회로도,

도 4b는 도 4a의 CV컨버터의 다른 실시예를 나타낸 회로도,

도 5는 도 3의 클락발생기의 회로도,

도 6은 도 3의 카운터의 회로도,

도 7은 도 3의 컨트롤 신호 발생기의 회로도,

도 8은 도 3의 피크디텍터의 회로도,

도 9는 본 발명에 따른 컨트롤 신호의 파형도,

도 10은 도 3의 CV컨버터의 출력전압의 피크값의 그래프,

도 11은 도 3의 피크디텍터의 출력전압 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

18 : 진동신호검출부, 20 : CV컨버터,

22 : 제1증폭부, 24 : 레벨이동부,

26 : 제2증폭부, 28 : 클락발생기,

30 : 카운터, 32 : 제1컨트롤 신호 발생기,

34 : 제2컨트롤 신호 발생기, 36 : 피크디텍터.

이하, 본 발명에 따른 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치의 구성도이고, 도 4a는 도 3의 CV컨버터와 증폭부의 회로도이며, 도 4b는 도 4a의 CV컨버터의 다른 실시예를 나타낸 회로도이다.

도 3 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 자이로스코프의 진동자의 진동신호를 인가 받아 전기적신호로 변환하고 증폭하여 출력하는 진동신호검출부(18)와, 상기 진동신호검출부(18)로부터 출력되는 전기적신호를 이용하여 클락(clk)펄스를 출력하는 클락발생기(28)와, 상기 클락발생기(28)에서 출력되는 클락신호를 카운트하는 카운터(30)와, 상기 카운터(30)에서 카운트된 신호를 인가 받아 컨트롤 신호 파형을 발생하는 제1, 2컨트롤 신호 발생기(32)(34)와, 상기 제1, 2컨트롤 신호 발생기(32)(34)에서 발생하는 컨트롤 신호를 이용하여 제2증폭부(26)의 출력전압을 사용자가 원하는 출력전압으로 변환시켜 검출하는 피크디텍터(36)로 구성된다.

상기 진동신호검출부(18)는 자이로스코프의 진동자의 진동신호를 전기적신호로 변환하는 CV컨버터(20)(20')와, 상기 CV컨버터(20)(20')로부터 출력되는 전기적신호를 증폭하는 제1증폭기(22)와, 상기 제1증폭기(22)로부터 출력되는 증폭신호를 인가 받아 레벨이동 시키는 레벨이동부(24)와, 상기 레벨이동부(24)로부터 출력되는 레벨이동 신호를 증폭하는 제2증폭부(28)로 구성된다.

상기 CV컨버터(20)를 도 4a를 참조하여 설명하면, 게이트단에는 바이어스 전압이 연결되어 있고 소오스단에는 Vdd 전압이 연결되어 있는 PMOS트랜지스터(MP1)와, 상기 PMOS트랜지스터(MP1)의 드레인단에 드레인단과 게이트단이 연결됨과 아울러 소오스단이 접지되어 있으며 게이트단과 소오스단에는 자이로스코프(10)가 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN1)와, 상기 NMOS트랜지스터(MN1)의 게이트단 및 드레인단에 연결된 커패시턴스(C1)로 구성된다.

또한, 상기 제1증폭부(22)를 도 4a를 참조하여 설명하면, 상기 CV컨버터(20)의 커패시턴스(C1)에 연결된 저항(R11)(R12)과, 상기 저항(R11)을 통해 출력되는 신호를 반전단자측으로 인가 받는 증폭기(Am3)와, 상기 증폭기(Am3)의 비반전단자와 접지에 연결된 저항(RC1)과, 상기 저항(R12)과 증폭기(Am3)의 출력단 및 접지에 연결된 커패시턴스(CL1)와, 상기 증폭기(Am3)의 출력단에 연결된 저항(R21)(R22)과, 상기 저항(R21)을 통해 출력되는 신호를 반전단자측으로 인가 받는 증폭기(Am4)와, 상기 증폭기(Am4)의 비반전단자와 접지에 연결된 저항(RC2)과, 상기 저항(R22)과 증폭기(Am4)의 출력단 및 접지에 연결된 커패시턴스(CL2)로 구성된다.

상기 레벨이동부(24)를 도 4a를 참조하여 설명하면, 게이트단에는 상기 제1증폭부(22)의 증폭기(Am4)의 출력단에서 출력된 신호를 인가받고 드레인단에는 Vdd 전압이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN2)와, 상기 NMOS트랜지스터(MN2)의 소오스단에 드레인단 및 게이트단이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN3)와, 상기 NMOS트랜지스터(MN3)의 소오스단에 드레인단이 연결됨과 아울러 소오스단이 접지되어 있으며 게이트단에 바이어스 전압이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN4)로 구성된다.

상기 제2증폭부(26)를 도 4a를 참조하여 설명하면, 상기 레벨이동부(24)의 NMOS트랜지스터(MN3)의 소오스단에 연결된 저항(RC3)과, 상기 저항(RC3)을 통해 출력되는 신호를 비반전단자측으로 인가받는 증폭기(Am5)와, 상기 증폭기(Am5)의 반전단자, 출력단 및 접지에 연결된 저항(R31)(R32)으로 구성된다.

또한, 상기 CV컨버터(20)의 다른 실시예를 도 4b에 도시된 CV컨버터(20')를 참조하여 설명하면, 게이트단에는 바이어스 전압이 연결되어 있고 소오스단에는 Vss전압이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN1)와, 상기 NMOS트랜지스터(MN1)의 드레인단에 드레인단과 게이트단이 연결됨과 아울러 소오스단이 Vdd와 연결되어 있으며 게이트단과 소오스단에는 자이로스코프(10)가 연결되어 있는 PMOS트랜지스터(MP1)와, 상기 PMOS트랜지스터(MP1)의 게이트단 및 드레인단에 연결된 커패시턴스(C1)로 구성된다.

상기 클락발생기(28)를 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 제1증폭부(22)의 증폭기(Am4)로부터 출력되는 신호를 인가받아 클락(clk)/역신호(clk_bar)를 출력하는 제1인버터(I1), 제2인버터(I2), 제3인버터(I3) 그리고 제4인버터(I4)로 구성된다.

상기 카운터(30)를 도 6를 참조하여 설명하면, 상기 클락발생기(28)에서 출력되는 클락(clk)/역신호(clk_bar)를 스위칭하여 카운트신호(D, D_bar)를 출력하는 제5인버터(I5), 제6인버터(I6), 제7인버터(I7) 및 제8인버터(I8)로 구성된다.

상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)를 도 7를 참조하여 설명하면, 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는카운터(D)신호를 게이트단으로 인가받고 소오스단이 Vdd전압에 연결된 PMOS트랜지스터(MPC1) 및 NMOS트랜지스터(MNC1)와, 상기 NMOS트랜지스터(MNC1)의 소오스단에 드레인단이 연결되며 게이트단으로 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는 카운트(D)신호를 인가받는 NMOS트랜지스터(MNC2)와, 상기 PMOS트랜지스터(MPC1)의 드레인단에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는 카운트(D)신호를 인가받는 PMOS트랜지스터(MPC2)와, 상기 PMOS트랜지스터(MPC2)의 소오스단에 소오스단이 연결되고 게이트단으로 상기 PMOS트랜지스터(MPC2)의 드레인단에서 출력되는 신호를 인가받는 PMOS트랜지스터(MPC3)와, 상기 PMOS트랜지스터(MPC3)의 드레인단에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 PMOS트랜지스터(MPC2)의 드레인단에서 출력되는 신호를 인가받는 NMOS트랜지스터(MNC3)로 구성된다.

상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)는 도 7에 도시된 제1콘트롤 신호 발생기(32)와 동일한 구성이고, 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는 역신호(D_bar)가 입력된다.

상기 피크디텍터(36)를 도 8를 참조하여 설명하면, 상기 제2증폭부(26)의 증폭기(Am5)로부터 출력되는 신호를 인가받는 다이오드(D1)(D2)와, 상기 다이오드(D1)에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)에서 발생되는 신호(P1)를 인가받는 NMOS트랜지스터(MND1)와, 상기 다이오드(D2)에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)에서 발생되는 신호(P2)를 인가받으며 상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 소오스단에 소오스단이 연결된 NMOS트랜지스터(MND2)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 소오스단 과 접지에 연결된 저항(R1)과, 상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 드레인단에 연결되고 게이트단으로 상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)에서 발생되는 신호(P2)를 인가받는 NMOS트랜지스터(MND3)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND2)의 드레인단에 연결되고 게이트단으로 상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)에서 발생되는 신호(P1)를 인가받는 NMOS트랜지스터(MND4)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND3)에 연결되고 게이트단으로 상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)에서 발생되는 역신호(P2_bar)를 인가받는 PMOS트랜지스터(MPD3)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND4)에 연결되고 게이트단으로 상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)에서 발생되는 역신호(P1_bar)를 인가받으며 상기 PMOS트랜지스터(MPD3)에 연결된 PMOS트랜지스터(MPD4)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND2)의 드레인단 및 접지에 연결된 커패시턴스(C1)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND3)(MND4), PMOS트랜지스터(MPD3)(MPD3) 및 접지에 연결된 커패시턴스(C2)와, 상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 드레인단 및 접지에 연결된 커패시턴스(C3)로 구성된다.

상기 제1, 2콘트롤 신호 발생기(32)(34)는 NAND게이트와 인버터로 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치의 동작을 설명한다.

먼저, 상기 CV컨버터(20)는 전류원 바이어스 회로를 이용하여 NMOS트랜지스터(MN1)에 전류를 흐르게 할 수 있도록 게이트-소오스간의 기생 커패시턴스(Cgs)(미도시)를 적절한 전압 Vgs으로 충전 시킨다.

한편, 각속도가 변화면 NMOS트랜지스터(MN1)의 기생 커패시턴스(Cgs)와 병렬 연결되어 있는 자이로스코프의 커패시턴스의 값이 변화게 된다.

따라서, 상기 CV컨버터(20)의 출력전압은 순간적으로 변하게 되고 이는 출력 전압 변화로 나타나게 된다.

특히, 상기 기생 커패시턴스의 10KHz에서의 동작시 상기 CV컨버터(20)는 도 10에 도시된 바와 같이 10fF과 120fF 사이의 커패시턴스 변화에 대해 0.99995의 선형성과 0.33fF의 해상도를 갖는다.

상기 미세 정현파 전압은 제1증폭부(22)의 증폭기(Am3)(Am4)에 인가되어 증폭된후 출력(Vout1)된다.

상기 제1증폭부(22)의 증폭기(Am4)에서 증폭된 신호를 레벨이동부(24)의 NMOS트랜지스터(MN2), NMOS트랜지스터(MN3) 및 NMOS트랜지스터(MN4)에 인가하여 적절한 레벨의 전압으로 조절한다.

이어, 상기 레벨이동부(24)에서 조절된 레벨 전압은 제2증폭부(26)의 증폭기(Am5)에 인가되어 증폭된후 출력(Vout2)된다.

상기 제1, 2증폭부(22)(26) 및 레벨이동부(24)는 각 증폭기(Am3, Am4, Am5)의 증폭율과 이동할 전압값을 조절함으로써 각속도에 따라 변화하는 미세한 커패시턴스의 변화량을 설계자가 원하는 레벨의 출력전압으로 변환시킨다.

한편, 클락발생기(28)로 인가된 증폭전압(Vout1)은 제1인버터(I1), 제2인버터(I2), 제3인버터(I3)를 거쳐 펄스인 클락(clk)신호로 변환되고 또한, 제4인버터(I4)를 거쳐 역신호(clk-bar)로 변환되어 카운터(30)로 출력된다.

상기 클락(clk)/역신호(clk-bar)를 인가받은 카운터(30)는 제5인버터(I5), 제6인버터(I6) 및 제7인버터(I7)를 거쳐 역신호(D_bar)신호를 출력하고 또한, 제8인버터(I8)를 거쳐 카운트(D)신호로 변환되어 제1,2콘트롤 신호 발생기(32)(34)로 출력된다.

상기 클락발생기(30)로 클락신호와 카운터(30)로부터 카운터(D)/역카운터(D_ bar)신호를 인가받은 콘트롤 신호 발생기(32)(34)는 PMOS트랜지스터(MPC1), PMOS트랜지스터(MPC2), NMOS트랜지스터(MNC1), NMOS트랜지스터(MNC2), PMOS트랜지스터(MPC3) 및 NMOS트랜지스터(MNC3)를 동작시켜 콘트롤 신호 파형을 발생시킨다.

따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 클락(clk)신호, 역신호(clk_bar)가 상기 카운터(30)에 인가되면 카운터(D)신호, 역신호(D_bar)가 출력되고, 이 카운터신호, 역카운터신호는 제1, 2콘트롤 신호 발생기(32)(34)에 인가되어 콘트롤 신호 파형을 발생시킨다.

상기 제2증폭부(26)로부터 출력되는 출력전압(Vout2)과 제1,2콘트롤 신호 발생기(32)(34)로부터 발생된 콘트롤 신호(p1, p1_bar, p2, p2_bar)는 피크디텍터(36)로 인가되어 NMOS트랜지스터(MND1), NMOS트랜지스터(MND2), NMOS트랜지스터(MND3), NMOS트랜지스터(MND4), PMOS트랜지스터(MPD3) 및 NMOS트랜지스터(MPD4)를 동작시켜 피크값을 발생시킨다.

여기서, 상기 피크디텍터(36)는 도 9에 도시된 "A"상태에 C1에 저장된 피크값을 B, C 상태동안 C2에 유지하고, B상태에 방전되었던 C3에 새로운 피크값을 C상태에 충전해 놓은 뒤 그 피크값을 C2가 D, E상태동안 유지한다.

그리고 E상태에선 다시 C1에 새로운 피크값이 충전되고 그 이후에도 C1과 C3가 교대로 충방전을 계속한다.

상기 피크디텍터(36)의 커패시턴스의 10kHz에서의 동작시 도 11에 도시된 바와 같이 0.99972의 선형성과 0.67fF의 해상도를 갖는다.

상기 C1, C3의 값이 C2에 비해 10배 이상 크지 않으면 C2와 병렬 연결될 때 출력전압이 떨어지게 되고 너무 크게 하면 충전하는데 많은 시간이 걸리게 되므로

트랜지스터의 누설전류 성분 때문에 피크전압이 떨어지는 것을 막아주기 위해 커패시터의 C1, C2, C3값을 크게 하는 대신 저항(R1)을 삽입하는데 이 값이 너무 작으면 누설전류 때문에 출력전압이 떨어지고 너무 크면 C1과 C3가 방전할 때 충분히 방전하지 못해 동작 주파수에 비해 센서의 커패시턴스 성분이 크게 변할 때 잔류전압이 남아 있을 수 있으므로 이 저항값 역시 동작 주파수를 고려해 적절한 값으로 설정하여야 한다.

특히, 자이로스코프의 동작 주파수가 10kHz일 경우 C1과 C3는 300pF, C2는 50pF, 저항(R1)은 60㏀으로 설정하였으나 C1, C2, C3값과 저항(R1)을 조절하면 어떤 동작 주파수에서 동작 가능하도록 수정 가능하고 커패시턴스 변화량 범위가 바뀌어도 증폭율과 이동시킬 전압을 조절함으로써 출력전압을 원하는 범위의 값으로 간단히 변화 시킬 수 있다.

이상에서 상기한 바와 같이 본 발명은, 자이로스코프에 대한 측정회로서 CV컨버터에 DC드리프트 현상이 발생하지 않고, 기생 커패시턴스가 자동적으로 보상되어 높은 선형성과 높은 해상도를 갖는 효과가 있다.

또한, 구조적으로 로패스필터가 있는 동기복조를 행하지 않고 피크디텍터를 사용하기 때문에 빠른 정착특성과 빠른 측정을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims

자이로스코프의 진동자의 진동신호를 인가 받아 전기적신호로 변환하고 증폭하여 출력하는 진동신호검출부(18), 클락발생기(28), 카운터(30), 콘트롤 신호 파형을 발생하는 제1, 2콘트롤 신호 발생기(32)(34), 피크디텍터(36)로 이루어진 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치에 있어서,

상기 진동신호검출부(18)는 자이로스코프의 진동자의 진동신호를 전기적신호로 변환하는 CV컨버터(20)(20')와; 상기 CV컨버터(20)(20')로부터 출력되는 전기적신호를 증폭하는 제1증폭기(22)와; 상기 제1증폭기(22)로부터 출력되는 증폭신호를 인가받아 레벨이동 시키는 레벨이동부(24)와; 상기 레벨이동부(24)로부터 출력되는 레벨이동 신호를 증폭하는 제2증폭부(28)로 구성되고,

상기 클락발생기(28)는 상기 제1증폭부(22)의 증폭기(Am4)로부터 출력되는 신호를 인가받아 클락(clk)/역신호(clk_bar)를 출력하는 제1인버터(I1), 제2인버터(I2), 제3인버터(I3) 및 제4인버터(I4)로 구성되며,

상기 카운터(30)는 상기 클락발생기(28)에서 출력되는 클락(clk)/역신호(clk_bar)를 스위칭하여 카운터신호(D, D_bar)를 출력하는 제5인버터(I5), 제6인버터(I6), 제7인버터(I7) 및 제8인버터(I8)로 구성되고,

상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)는 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는 카운터(D)신호를 게이트단으로 인가받고 소오스단이 Vdd전압에 연결된 PMOS트랜지스터(MPC1) 및 NMOS트랜지스터(MNC1)와; 상기 NMOS트랜지스터(MNC1)의 소오스단에 드레인단이 연결되며 게이트단으로 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는 카운터(D)신호를 인가받는 NMOS트랜지스터(MNC2)와; 상기 PMOS트랜지스터(MPC1)의 드레인단에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 클락발생기(28)로부터 출력되는 클락(clk)신호 또는 카운터(30)로부터 출력되는 카운터(D)신호를 인가받는 PMOS트랜지스터(MPC2)와; 상기 PMOS트랜지스터(MPC2)의 소오스단에 소오스단이 연결되고 게이트단으로 상기 PMOS트랜지스터(MPC2)의 드레인단에서 출력되는 신호를 인가받는 PMOS트랜지스터(MPC3)와; 상기 PMOS트랜지스터(MPC3)의 드레인단에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 PMOS트랜지스터(MPC2)의 드레인단에서 출력되는 신호를 인가받는 NMOS트랜지스터(MNC3)로 구성한 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
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제 1 항에 있어서,

상기 CV컨버터(20)는 게이트단에 바이어스 전압이 연결되어 있고 소오스단에 Vdd 전압이 연결되어 있는 PMOS트랜지스터(MP1)와;

상기 PMOS트랜지스터(MP1)의 드레인단에 드레인단과 게이트단이 연결되고 소오스단이 접지되어 있으며 게이트단과 소오스단에 자이로스코프(10)가 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN1)와;

상기 NMOS트랜지스터(MN1)의 게이트단 및 드레인단에 연결된 커패시턴스(C1)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 CV컨버터(20')는 게이트단에 바이어스 전압이 연결되어 있고 소오스단에 Vss전압이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN1)와;

상기 NMOS트랜지스터(MN1)의 드레인단에 드레인단과 게이트단이 연결됨과 아울러 소오스단이 Vdd와 연결되어 있으며 게이트단과 소오스단에는 자이로스코프(10)가 연결되어 있는 PMOS트랜지스터(MP1)와;

상기 PMOS트랜지스터(MP1)의 게이트단 및 드레인단에 연결된 커패시턴스(C1)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제1증폭부(22)는 상기 CV컨버터(20)의 커패시턴스(C1)에 연결된 저항(R11)(R12)과;

상기 저항(R11)을 통해 출력되는 신호를 반전단자측으로 인가받는 증폭기(Am3)와;

상기 증폭기(Am3)의 비반전단자와 접지에 연결된 저항(RC1)과, 상기 저항(R12)과 증폭기(Am3)의 출력단 및 접지에 연결된 커패시턴스(CL1)와;

상기 증폭기(Am3)의 출력단에 연결된 저항(R21)(R22)과;

상기 저항(R21)을 통해 출력되는 신호를 반전단자측으로 인가받는 증폭기(Am4)와;

상기 증폭기(Am4)의 비반전단자와 접지에 연결된 저항(RC2)과, 상기 저항(R22)과 증폭기(Am4)의 출력단 및 접지에 연결된 커패시턴스(CL2)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 레벨이동부(24)는 게이트단에 상기 제1증폭부(22)의 증폭기(Am4)의 출력단에서 출력된 신호를 인가받고 드레인단에 Vdd 전압이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN2)와;

상기 NMOS트랜지스터(MN2)의 소오스단에 드레인단 및 게이트단이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN3)와;

상기 NMOS트랜지스터(MN3)의 소오스단에 드레인단이 연결되고 소오스단이 접지되어 있으며 게이트단에 바이어스 전압이 연결되어 있는 NMOS트랜지스터(MN4)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제2증폭부(26)는 상기 레벨이동부(24)의 NMOS트랜지스터(MN3)의 소오스단에 연결된 저항(RC3)과;

상기 저항(RC3)을 통해 출력되는 신호를 비반전단자측으로 인가받는 증폭기(Am5)와;

상기 증폭기(Am5)의 반전단자, 출력단 및 접지에 연결된 저항(R31)(R32)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
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자이로스코프의 진동자의 진동신호를 인가 받아 전기적신호로 변환하고 증폭하여 출력하는 진동신호검출부(18), 클락발생기(28), 카운터(30), 콘트롤 신호 파형을 발생하는 제1, 2콘트롤 신호 발생기(32)(34), 피크디텍터(36)로 이루어진 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치에 있어서,

상기 피크디텍터(36)는 상기 제2증폭부(26)의 증폭기(Am5)로부터 출력되는 신호를 인가받는 다이오드(D1)(D2)와;

상기 다이오드(D1)에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)에서 발생되는 신호(P1)를 인가받는 NMOS트랜지스터(MND1)와;

상기 다이오드(D2)에 드레인단이 연결되고 게이트단으로 상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)에서 발생되는 신호(P2)를 인가받으며 상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 소오스단에 소오스단이 연결된 NMOS트랜지스터(MND2)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 소오스단 과 접지에 연결된 저항(R1)과;

상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 드레인단에 연결되고 게이트단으로 상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)에서 발생되는 신호(P2)를 인가받는 NMOS트랜지스터(MND3)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND2)의 드레인단에 연결되고 게이트단으로 상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)에서 발생되는 신호(P1)를 인가받는 NMOS트랜지스터(MND4)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND3)에 연결되고 게이트단으로 상기 제2콘트롤 신호 발생기(34)에서 발생되는 역신호(P2_bar)를 인가받는 PMOS트랜지스터(MPD3)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND4)에 연결되고 게이트단으로 상기 제1콘트롤 신호 발생기(32)에서 발생되는 역신호(P1_bar)를 인가받으며 상기 PMOS트랜지스터(MPD3)에 연결된 PMOS트랜지스터(MPD4)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND2)의 드레인단 및 접지에 연결된 커패시턴스(C1)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND3)(MND4), PMOS트랜지스터(MPD3)(MPD3) 및 접지에 연결된 커패시턴스(C2)와;

상기 NMOS트랜지스터(MND1)의 드레인단 및 접지에 연결된 커패시턴스(C3)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자이로스코프의 커패시턴스 변화량 측정장치.
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