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KR102014220B1 - 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터 - Google Patents

복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터 Download PDF

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KR102014220B1
KR102014220B1 KR1020180054067A KR20180054067A KR102014220B1 KR 102014220 B1 KR102014220 B1 KR 102014220B1 KR 1020180054067 A KR1020180054067 A KR 1020180054067A KR 20180054067 A KR20180054067 A KR 20180054067A KR 102014220 B1 KR102014220 B1 KR 102014220B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensing
state buffer
tree state
value
digital converter
Prior art date
Application number
KR1020180054067A
Other languages
English (en)
Inventor
이정협
어르뿌 코치트라 죠지
심우윤
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
Priority to KR1020180054067A priority Critical patent/KR102014220B1/ko
Priority to US16/408,611 priority patent/US10892766B2/en
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Abstract

디지털 컨버터 및 제어 방법이 개시된다. 디지털 컨버터는 복수의 트리 스테이트 버퍼(tri-state buffer)를 포함하고, 저항성 센서 및 용량성 센서 중 적어도 하나의 센서의 변화 값에 대응하는 센싱 클럭 주기 신호를 발생시키는 센싱 오실레이터, 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 발생시키는 기준 오실레이터, 복수의 트리 스테이트 버퍼의 연결 상태를 변경하는 제어부, 발생된 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 값에 기초하여 확장하는 분주기, 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 확장된 센싱 클럭 주기 신호를 카운팅하여 디지털 값으로 출력하는 카운터를 포함한다.

Description

복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터{DIGITAL CONVERTER WITH MULTIPLE SENSORS BY RECONFIGURABILITY}
본 개시는 디지털 컨버터 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터 및 제어 방법에 관한 것이다.
최근 IoT(Internet-Of-Things)라고 불리는 장치 간 네트워크에 대한 관심이 높아지고 있다. IoT는 제조, 에너지 관리, 건강 관리 및 도시 개발 분야 등에 있어서 혁신을 일으킬 수 있다. IoT에 속하는 시스템(또는, 장치)은 온도, 압력, 습도 등과 같은 여러 환경 변수를 감지해야 한다. IoT 시스템의 환경 변수에 대한 감지는 저항성 센서의 저항 또는 용량성 센서의 커패시턴스와 같은 매개 변수의 변화를 측정하여 수행될 수 있다.
종래에는 개별적인 저항-디지털 변환기(Resistance Digital Converter, RDC) 또는 커패시턴스-디지털 변환기(Capacitance Digital Converter, CDC)가 저항 또는 커패시턴스의 읽어 들이는 데 사용되었다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, IoT 시스템은 온도 감지 또는 터치 감지를 위한 복수의 저항성 센서를 포함할 수 있고, 습도, 모션 또는 압력을 감지하기 위한 복수의 용량성 센서를 포함할 수 있다. 따라서, IoT 시스템은 복수의 저항성 센서의 감지 신호를 처리하기 위한 복수의 RDC 및 복수의 용량성 센서의 감지 신호를 처리하기 위한 복수의 CDC를 포함해야 한다.
각 센서에 대한 개별 센서 프런트 엔드(front-end)가 사용되는 종래 기술은 전체 면적이 늘어나고, 큰 전력을 소모하여 비용이 많이 드는 단점이 있다. 그리고, 종래 기술은 입력 범위가 제한적이기 때문에 센서 공칭 값(nominal value)이 크게 달라질 수 있는 광범위한 응용 분야에 대한 사용이 제한된다. 또한, 종래 기술은 해상도(resolution)가 낮아 다양한 민감도를 갖는 센서들을 통한 다양한 환경 변수 신호의 정확하고 정밀한 감지에 있어 한계가 존재한다. 더불어, 종래 기술은 전형적인 용량성 센서의 감지 정밀도에 영향을 미치는 기생 커패시턴스에 대한 해결 방법이 없다.
따라서, 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서에 대한 감지 신호를 하나의 컨버터에서 처리하는 기술이 필요하다.
본 개시는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 개시의 목적은 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서에 대한 감지 신호를 모두 처리하는 디지털 컨버터 및 제어 방법을 제공하는 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 디지털 컨버터는 복수의 트리 스테이트 버퍼(tri-state buffer)를 포함하고, 저항성 센서 및 용량성 센서 중 적어도 하나의 센서의 변화 값에 대응하는 센싱 클럭 주기 신호를 발생시키는 센싱 오실레이터, 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 발생시키는 기준 오실레이터, 상기 복수의 트리 스테이트 버퍼의 연결 상태를 변경하는 제어부, 상기 발생된 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 값에 기초하여 확장하는 분주기, 상기 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 상기 확장된 센싱 클럭 주기 신호를 카운팅하여 디지털 값으로 출력하는 카운터를 포함한다.
그리고, 상기 기준 오실레이터는 제1 역전압 제어기(inverse voltage controller), 제2 역전압 제어기, 제1 트리 스테이트 버퍼 및 제2 트리 스테이트 버퍼를 포함하고, 상기 제1 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 온도 변화에 강인한 제1 제로 온도 계수 저항의 일단과 연결되고, 상기 제2 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 제1 기준 커패시터의 일단과 연결되며, 상기 제1 역전압 제어기의 입력단은 상기 제1 제로 온도 계수 저항의 타단 및 상기 제1 기준 커패시터의 타단과 연결되고, 상기 제1 역전압 제어기의 출력단은 상기 제2 트리 스테이트 버퍼의 입력단 및 상기 제2 역전압 제어기의 입력단과 연결되며, 상기 제2 역전압 제어기의 출력단은 상기 제1 트리 스테이트 버퍼의 입력단과 연결되고, 상기 제1 제로 온도 계수 저항의 값 및 상기 제1 기준 커패시터의 용량 값에 비례하는 상기 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 출력할 수 있다.
그리고, 상기 센싱 오실레이터는 제3 역전압 제어기 및 제4 역전압 제어기를 포함하고, 상기 복수의 트리 스테이트 버퍼는 제3 트리 스테이트 버퍼, 제4 트리 스테이트 버퍼 및 적어도 하나의 제n 트리 스테이트 버퍼를 포함하며, 상기 제3 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 온도 변화에 강인한 제2 제로 온도 계수 저항의 일단과 연결되고, 상기 제4 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 제2 기준 커패시터의 일단과 연결되며, 상기 제3 역전압 제어기의 입력단은 상기 제2 제로 온도 계수 저항의 타단 및 상기 제2 기준 커패시터의 타단과 연결되고, 상기 제3 역전압 제어기의 출력단은 상기 제4 트리 스테이트 버퍼의 입력단, 상기 용량성 센서와 연결되는 적어도 하나의 제n 트리 스테이트 버퍼의 입력단 및 상기 제4 역전압 제어기의 입력단과 연결되며, 상기 제4 역전압 제어기의 출력단은 상기 제3 트리 스테이트 버퍼의 입력단 및 상기 저항성 센서와 연결되는 적어도 하나의 제n 트리 스테이트 버퍼의 입력단과 연결되고, 상기 센싱 클럭 주기 신호를 출력할 수 있다.
또한, 상기 제1 제로 온도 계수 저항과 상기 제2 제로 온도 계수 저항은 동일한 저항 값을 가지고, 상기 제1 기준 커패시터와 상기 제2 기준 커패시터는 동일한 용량 값을 가질 수 있다.
한편, 상기 저항성 센서가 상기 디지털 컨버터에 연결되는 경우, 상기 센싱 오실레이터는 상기 저항성 센서에 포함된 센싱 저항의 일단과 타단을 각각 상기 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼의 출력단과 상기 제3 역전압 제어기의 입력단과 연결하고, 상기 제어부는 상기 제4 트리 스테이트 버퍼 및 상기 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 온 시키고, 제3 트리 스테이트 버퍼 및 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 오프시킬 수 있다.
그리고, 상기 센싱 클럭 주기 신호는 상기 센싱 저항의 값 및 상기 제2 기준 커패시터의 용량 값에 비례하고, 상기 카운터는 상기 제1 제로 온도 계수 저항의 값을 기준으로 상기 센싱 저항의 값이 카운팅된 디지털 값을 출력할 수 있다.
한편, 상기 용량성 센서가 상기 디지털 컨버터에 연결되는 경우 상기 센싱 오실레이터는 상기 용량성 센서에 포함된 센싱 커패시터의 일단과 타단을 각각 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼의 출력단과 상기 제3 역전압 제어기의 입력단과 연결하고, 상기 제어부는 상기 제3 트리 스테이트 버퍼 및 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 온 시키고, 제4 트리 스테이트 버퍼 및 상기 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 오프시킬 수 있다.
그리고, 상기 센싱 클럭 주기 신호는 상기 제2 제로 온도 계수 저항의 값 및 상기 센싱 커패시터의 용량 값에 비례하고, 상기 카운터는 상기 제1 기준 커패시터의 용량 값을 기준으로 상기 센싱 커패시터의 용량 값이 카운팅된 디지털 값을 출력할 수 있다.
한편, 상기 용량성 센서가 상기 디지털 컨버터에 연결되고 기생 커패시턴스가 포함되는 경우, 상기 센싱 오실레이터는 상기 용량성 센서에 포함된 센싱 커패시터의 일단과 타단을 각각 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼의 출력단과 상기 제3 역전압 제어기의 입력단과 연결하고, 상기 카운터는 상기 제2 기준 커패시터의 용량 값, 상기 센싱 커패시터의 용량 값 및 상기 기생 커패시턴스의 용량 값의 누적 값에 비례하는 상기 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 제1 시간 동안 카운트 업하고, 상기 기 설정된 제1 시간 이후 상기 제2 기준 커패시터의 용량 값 및 상기 기생 커패시터의 용량 값의 누적 값에 비례하는 상기 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 제2 시간 동안 카운트 다운하며, 상기 제어부는 상기 기 설정된 제1 시간 동안 상기 제3 트리 스테이트 버퍼, 제4 트리 스테이트 버퍼 및 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 온 시키고, 상기 기 설정된 제1 시간 이후 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 오프시키며, 상기 카운트 업으로 산출된 카운트-업 값 및 상기 카운트 다운으로 산출된 카운트-다운 값에 기초하여 차이 값을 산출하고, 상기 산출된 차이 값을 디지털 값으로 출력하도록 상기 카운터를 제어할 수 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 디지털 컨버터의 제어 방법은 센싱 오실레이터에 포함된 복수의 트리 스테이트 버퍼(tri-state buffer)의 연결 상태를 변경하는 단계. 저항성 센서 및 용량성 센서 중 적어도 하나의 센서의 변화 값에 대응하는 센싱 클럭 주기 신호 및 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 발생시키는 단계, 상기 발생된 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 값에 기초하여 확장하는 단계 및 상기 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 상기 확장된 센싱 클럭 주기 신호를 카운팅하여 디지털 값으로 출력하는 단계를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터는 다양한 유형의 저항성 센서 및 용량성 센서의 감지 신호를 가변성을 통해 동일한 프런트 엔드로 인터페이스 할 수 있다.
그리고, 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터는 시스템의 모든 전류가 동적으로 흐르기 때문에 불필요한 전력 소비없이 여러 개의 센서를 연결할 수 있다.
또한, 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터는 작은 값을 가지는 용량성 센서라도 기생 커패시턴스에 무관하게 정확하게 센싱 신호를 처리할 수 있다.
또한, 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터는 온도 변화에 강인한 제로 온도 계수 저항 및 비례 측정 전달 함수를 사용하여 온도 의존성을 줄일 수 있다.
그리고, 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터는 넓은 범위의 값을 가지는 여러가지 센서에 적용될 수 있고 시간 교차 방식을 통해 복수의 센서 값을 읽어 들일 수 있다.
또한, 복수의 센서의 센싱 신호를 디지털 값으로 변환하는 가변 가능한 디지털 컨버터는 전체 면적을 줄이고 전력 소비를 감소시켜 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 복수 센서의 센싱 신호를 처리하는 방식을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수 센서의 센싱 신호를 처리하는 방식을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 디지털 컨버터의 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 센싱 오실레이터를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 기준 오실레이터를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 다양한 동작 모드를 설명하는 도면이다.
도 7은 용량성 센서가 연결된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 8은 저항성 센서가 연결된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 작은 값을 가지는 용량성 센서와 기생 커패시턴스의 영향을 설명하는 도면이다.
도 10 내지 도 11은 기생 커패시턴스의 영향을 제거하는 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 12는 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서가 연결된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 13 내지 도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디지털 컨버터의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디지털 컨버터 제어 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시 예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 제어부에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수 센서의 센싱 신호를 처리하는 방식을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 복수의 센서가 도시되어 있다. 예를 들어, 복수의 센서(11, 12, 13, 14, 15)는 온도 센서, 습도 센서, 모션 센서, 압력 센서 및 터치 센서 등을 포함할 수 있다. 복수의 센서(11, 12, 13, 14, 15)는 저항성 센서 또는 용량성 센서일 수 있다. 저항성 센서는 센싱 저항을 포함하고, 주변 환경의 변화에 따라 센싱 저항 값이 변경되는 센서를 의미한다. 용량성 센서는 센싱 커패시터를 포함하고. 주변 환경의 변화에 따라 센싱 커패시터 값이 변경되는 센서를 의미한다. 일 실시 예로서, 온도 센서 및 터치 센서는 저항성 센서일 수 있고, 습도 센서, 모션 센서 및 압력 센서는 용량성 센서일 수 있다. 상술한 센서의 종류 및 센싱 방식은 일 실시 예이고, 센서의 종류 및 센싱 방식은 다양할 수 있다.
센서에서 감지된 신호는 디지털 컨버터(100)에 의해 처리되어 출력될 수 있다. 기존 기술의 경우, 센서의 센싱 방식에 따라 개별적인 디지털 컨버터가 필요하다. 그러나, 본 개시의 디지털 컨버터(100)는 하나의 프론트 엔드 모듈로 여러 종류의 센서에서 감지된 신호를 처리할 수 있다.
본 개시에 따른 디지털 컨버터(100)는 트리 스테이트 버퍼(tri-state buffer)를 포함하고, 저항성 센서 또는 용량성 센서의 연결에 따라 일부 트리 스테이트 버퍼를 활성화(턴-온)시키고 일부 트리 스테이트 버퍼를 비활성화(턴-오프)시킨다. 그리고, 디지털 컨버터(100)는 기 설정된 고정 클럭 주기 신호 및 연결된 센서에 기초한 센싱 클럭 주기 신호를 발생시킨다. 그리고, 디지털 컨버터(100)는 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 센싱 클럭 주기 신호를 디지털 값으로 출력함으로써 센서 종류에 대응되는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있다. 디지털 컨버터(100)는 다양한 종류의 센서를 연결하더라도 대응되는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있으며, 복수의 센서가 연결되더라도 각 센서에 대응되는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 디지털 컨버터(100)에 한 종류의 센서가 연결된 경우, 디지털 컨버터(100)는 연결된 센서의 센싱 신호에 대응되는 디지털 센싱 값을 연속적으로 출력할 수 있다. 또한, 디지털 컨버터(100)에 다수의 센서가 연결된 경우, 디지털 컨버터(100)는 각 센서의 센싱 신호에 대응되는 일정 크기의 디지털 센싱 값을 시간에 따라 순차적으로 출력할 수 있다. 따라서, 본 개시의 디지털 컨버터(100)는 가변성(reconfigurability)을 가질 수 있다. 즉, 디지털 컨버터(100)는 연결되는 센서의 센싱 방식에 상관없이 센서에 대응되는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있다. 한편, 센서의 종류에 따라 저항 값 및 커패시터 값은 다양한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 저항성 센서는 센서 종류에 따라 kΩ 단위의 저항 값을 가질 수 있고, MΩ의 단위의 저항 값을 가질 수 있다. 또한, 용량성 센서는 센서 종류에 따라 pF 단위의 용량 값을 가질 수 있고, fF 단위의 용량 값을 가질 수 있다. 디지털 컨버터(100)는 연결되는 센서의 센싱 저항 또는 센싱 커패시터의 공칭 값(nominal value)에 상관없이 센서에 대응되는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있다. 디지털 컨버터(100)는 넓은 저항 입력 범위 또는 넓은 커패시턴스 입력 범위를 가질 수 있다.
그리고, 디지털 컨버터(100)는 스윙 부스팅을 통해 위상 잡음 성능을 개선할 수 있으므로 분해능(resolution)을 극대화할 수 있다. 또한, 센싱 커패시터가 fF 단위의 작은 용량 값을 가지는 경우, 일반적인 디지털 컨버터는 센싱 커패시터에 비해 상대적으로 큰 기생 커패시터의 영향을 받을 수 있다. 그러나, 본 개시의 디지털 컨버터(100)는 독특한 신호 처리 방식으로 기생 커패시터의 영향을 거의 없는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있다.
아래에서는 본 개시의 디지털 컨버터(100)의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 디지털 컨버터의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 디지털 컨버터(100)는 센싱 오실레이터(110), 기준 오실레이터(120), 제어부(130), 분주기(140) 및 카운터(150)를 포함한다.
센싱 오실레이터(110)는 복수의 트리 스테이트 버퍼를 포함한다. 복수의 트리 스테이트 버퍼는 온도 변화에 강인한 제로 온도 계수 저항(zero temperature-coefficient(TC) resistor)과 연결된 트리 스테이트 버퍼, 기준 커패시터와 연결된 트리 스테이트 버퍼를 포함할 수 있다. 그리고, 복수의 트리 스테이트 버퍼는 저항성 센서(11)와 연결되는 트리 스테이트 버퍼 및 용량성 센서(12)와 연결되는 트리 스테이트 버퍼 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 하나의 트리 스테이트 버퍼는 저항성 센서(11)에 포함된 센싱 저항과 연결되고, 다른 트리 스테이트 버퍼는 용량성 센서(12)에 포함된 센싱 커패시터와 연결될 수 있다. 디지털 컨버터(100)는 저항성 센서(11) 각각과 연결되는 트리 스테이트 버퍼를 복수 개 포함할 수 있고, 용량성 센서(12) 각각과 연결되는 트리 스테이트 버퍼를 복수 개 포함할 수도 있다. 센싱 오실레이터(110)는 저항성 센서(11) 및 용량성 센서(12) 중 적어도 하나의 센서와 연결되면 연결된 센서에 기초하여 센서의 변화 값에 대응하는 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 발생시킨다. 발생된 센싱 클럭 주기 신호(TM)는 분주기(140)로 전달된다. 센싱 오실레이터(110)의 구조 및 동작은 아래에서 자세히 설명한다.
기준 오실레이터(120)는 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR)를 발생시킨다. 기준 오실레이터(120)도 센싱 오실레이터(110)의 구조와 유사할 수 있다. 즉, 기준 오실레이터(120)도 온도 변화에 강인한 제로 온도 계수 저항과 연결된 트리 스테이트 버퍼, 기준 커패시터와 연결된 트리 스테이트 버퍼를 포함할 수 있다. 기준 오실레이터(120)는 제로 온도 계수 저항의 값 및 기준 커패시터의 값에 비례하는 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR)를 발생시킨다. 발생된 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR)는 카운터(150)로 전달된다. 기준 오실레이터(120)의 구조 및 동작은 아래에서 자세히 설명한다.
제어부(130)는 센싱 오실레이터(110)에 포함된 복수의 트리 스테이트 버퍼를 연결된 센서 종류 및 개수에 따라 활성화 또는 비활성화시킨다. 예를 들어, 저항성 센서(11)가 디지털 컨버터(100)에 연결되면, 제어부(130)는 저항성 센서(11)의 센싱 저항과 연결된 트리 스테이트 버퍼 및 기준 커패시터와 연결된 트리 스테이트 버퍼를 활성화시키고, 다른 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킬 수 있다. 또는, 용량성 센서(12)가 디지털 컨버터(100)에 연결되면, 제어부(130)는 용량성 센서(12)의 센싱 커패시터와 연결된 트리 스테이트 버퍼 및 제로 온도 계수 저항과 연결된 트리 스테이트 버퍼를 활성화시키고, 다른 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킬 수 있다.
또는, 저항성 센서(11) 및 용량성 센서(12)가 각각 디지털 컨버터(100)에 연결되면, 제어부(130)는 먼저 일정 시간 동안 저항성 센서(11)의 센싱 저항과 연결된 트리 스테이트 버퍼 및 기준 커패시터와 연결된 트리 스테이트 버퍼를 활성화시키고 다른 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킨다. 그 후, 제어부(130)는 다음 일정 시간 동안 용량성 센서(12)의 센싱 커패시터와 연결된 트리 스테이트 버퍼 및 제로 온도 계수 저항과 연결된 트리 스테이트 버퍼를 활성화시키고, 다른 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킬 수 있다. 즉, 저항성 센서(11) 및 용량성 센서(12)가 각각 디지털 컨버터(100)에 연결되면, 제어부(130)는 저항성 센서(11)의 센싱 신호 처리 및 용량성 센서(12)의 센싱 신호 처리를 일정한 주기로 번갈아가며 반복 수행하도록 센싱 오실레이터(110)를 제어할 수 있다. 센싱 오실레이터(110)에 포함된 복수의 트리 스테이트 버퍼는 활성화된 경우에만 전력을 소비할 수 있다. 따라서, 디지털 컨버터(110)는 다양한 종류의 센서가 연결되어, 다양한 종류의 센서의 센싱 신호를 처리하더라도 적은 전력을 소비할 수 있다.
분주기(140)는 발생된 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 기 설정된 값에 기초하여 확장한다. 분주기(140)는 입력된 클럭 주파수를 분할할 수 있다. 그리고, 클럭 주파수와 클럭 주기는 반비례한다. 따라서, 분주기(140)가 입력된 클럭 주파수를 분할하면 클럭 주기는 확장된다. 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)는 카운터(150)로 전달된다.
카운터(150)는 기준 오실레이터(120)로부터 고정 클럭 주기 신호(TR)를 전달받고, 분주기(140)로부터 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)를 전달받는다. 그리고, 카운터(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 고정 클럭 주기 신호(TR)를 기준으로 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)를 카운팅하여 디지털 값으로 출력한다. 예를 들어, 카운터(150)는 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)가 1인 상태에서 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)에 포함된 고정 클럭 주기 신호(TR)의 라이징 엣지의 개수를 카운트 업하고, 카운트 업으로 산출된 카운팅-업 값을 출력할 수 있다.
센싱 클럭 주기 신호(TM)는 주변 환경에 따라 달라질 수 있는 저항성 센서(11)에 포함된 저항의 값 또는 용량성 센서(12)에 포함된 커패시터의 값에 따라 결정된다. 따라서, 분주기(140)에서 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)도 달라질 수 있고, 카운터(150)에서 카운팅된 디지털 값도 달라질 수 있다. 즉, 디지털 컨버터(100)는 주변 환경에 따라 변하는 저항성 센서(11) 또는 용량성 센서(12)의 센싱 신호에 따라 달라지는 디지털 센싱 값을 출력할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 센싱 오실레이터를 설명하는 도면이다.
도 4(a)를 참조하면, 일 실시 예에 따른 센싱 오실레이터(110)의 구조가 도시되어 있다. 센싱 오실레이터(110)는 복수의 트리 스테이트 버퍼(113, 114, 115, 116) 및 두 개의 역전압 제어기(inverse voltage controller)(111, 112)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 복수의 트리 스테이트 버퍼(113, 114, 115, 116) 중 기준 저항에 연결되는 트리 스테이트 버퍼(113)를 제3 트리 스테이트 버퍼, 기준 커패시터(CINT)에 연결되는 트리 스테이트 버퍼(114)를 제4 트리 스테이트 버퍼라고 부르고, 적어도 하나의 저항성 센서(11)에 각각 연결되는 적어도 하나의 트리 스테이트 버퍼(115) 및 적어도 하나의 용량성 센서(12)에 각각 연결되는 적어도 하나의 트리 스테이트 버퍼(116)를 제n 트리 스테이트 버퍼라고 부르기로 한다. 즉, 디지털 컨버터는 센싱 오실레이터(110)에 포함된 제n 트리 스테이트 버퍼의 개수만큼 저항성 센서 또는 용량성 센서와 연결될 수 있다. 또한, 두 개의 역전압 제어기(111, 112)는 각각 제3 역전압 제어기 및 제4 역전압 제어기라고 부르기로 한다.
상술한 바와 같이, 제3 트리 스테이트 버퍼(113)의 출력단은 기준 저항의 일단과 연결되고, 제4 트리 스테이트 버퍼(114)의 출력단은 기준 커패시터(CINT)의 일단과 연결될 수 있다. 기준 저항은 온도 변화에 강인한 제로 온도 계수(zero temperature coefficient, RZTC) 저항일 수 있다.
일반적으로 저항은 온도에 따라 값이 변화될 수 있다. 그러나, 기준 저항은 온도에 거의 영향을 받지 않고 일정한 값을 유지하는 것이 필요하다. 따라서, 기준 저항은 온도로부터 독립적인 제로 온도 계수 저항(RZTC)일 수 있다. 제로 온도 계수 저항(RZTC)은 원하는 온도 계수보다 큰 온도 계수를 가지는 저항(RP)(제1 저항)과 원하는 온도 계수보다 작은 온도 계수를 가지는 저항(RN)(제2 저항)에 기초하여 만들어질 수 있다. 즉, 제로 온도 계수 저항(RZTC)은 제1 저항(RP)과 제2 저항(RN)을 직렬로 연결하여 제1 그룹을 만들고, 제3 저항과 제4 저항을 병렬로 연결한 제2 그룹을 만든 후 제1 그룹과 제2 그룹을 직렬로 연결하여 만들어질 수 있다. 한편, 제2 그룹의 제3 저항 및 제4 저항의 저항 값은 제1 저항의 저항률(RP0) 및 제2 저항의 저항률(RN0)에 기초한 기 설정된 값이 곱해진 값을 가질 수 있다. 제1 저항의 저항률(RP0)에 대한 제2 저항의 저항률(RN0)의 비율은 βs(βs = RN0/ RP0)로 표현할 수 있고, k = (1 + βs)2로 표현할 수 있다. 제2 그룹의 제3 저항의 저항 값은 kㆍRP일 수 있고, 제4 저항의 저항 값은 k/(βs)2ㆍRN일 수 있다. 제3 저항 및 제4 저항은 저항의 길이 및 폭에 기초하여 설정된 저항 값을 가지도록 만들어질 수 있다. 제로 온도 계수 저항(RZTC)은 직렬로 연결된 두 저항을 포함하는 제1 그룹과 병렬로 연결된 두 저항을 포함하는 제2 그룹을 직렬 연결됨으로써 공정상의 온도 계수 변화 보상 효과를 얻을 수 있다. 즉, 제로 온도 계수 저항(RZTC)은 온도에 따라 저항 값의 변화가 거의 없다. 제로 온도 계수 저항은 기 출원된 출원 명세서(출원번호 10-2017-0123968)에 자세히 설명되어 있다.
제3 역전압 제어기(111)의 입력단은 제로 온도 계수 저항(RZTC)의 타단 및 기준 커패시터(CINT)의 타단과 연결되고, 제3 역전압 제어기(111)의 출력단은 제4 트리 스테이트 버퍼(114)의 입력단, 용량성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(116)의 입력단 및 제4 역전압 제어기(112)의 입력단과 연결될 수 있다.
제4 역전압 제어기(112)의 출력단은 제3 트리 스테이트 버퍼(113)의 입력단 및 저항성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(115)의 입력단과 연결될 수 있고, 연결된 저항성 센서 또는 용량성 센서에 기초한 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 출력할 수 있다.
도 4(b)를 참조하면 센싱 오실레이터의 파형이 도시되어 있다. 일 실시 예로서, 디지털 컨버터에 용량성 센서(12)가 연결된 경우(C-모드), 제어부의 제어에 의해 제3 트리 스테이트 버퍼(113) 및 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)는 활성화되고, 나머지 트리 스테이트 버퍼(114, 115)는 비활성화될 수 있다. 센싱 클럭 주기 신호(TM)가 로우(low)일 때, 제3 트리 스테이트 버퍼(113)의 출력단의 전압은 VDD이고, 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)의 출력단의 전압은 GND일 수 있다. 용량성 센서(12)에 포함된 센싱 커패시터(CS)는 제로 온도 계수 저항(RZTC)를 통해 충전될 수 있다. 제3 역전압 제어기(111)의 입력 전압(VMID)이 제3 역전압 제어기(111)의 임계값(VTH)이 되면, 센싱 클럭 주기 신호(TM)는 하이(high)가 되어, 제3 트리 스테이트 버퍼(113)의 출력단의 전압은 GND로 되고, 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)의 출력단의 전압은 VDD가 될 수 있다. 이때 제3 역전압 제어기(111)의 입력 전압(VMID)은 VDD + VTH로 점프하고, 센싱 커패시터(CS)는 제로 온도 계수 저항(RZTC)을 통해 GND로 방전될 수 있다. 다시 제3 역전압 제어기(111)의 입력 전압(VMID)이 제3 역전압 제어기(111)의 임계값(VTH)이 되면, 센싱 클럭 주기 신호(TM)가 로우(low)가 되어, 제3 트리 스테이트 버퍼(113)의 출력단의 전압은 VDD로 되고, 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)의 출력단의 전압은 GND가 될 수 있다. 이때, 제3 역전압 제어기(111)의 입력 전압(VMID)은 - VDD + VTH가 되고, 센싱 커패시터(CS)는 제로 온도 계수 저항(RZTC)을 통해 충전될 수 있다. 결과적으로 제3 역전압 제어기(111)의 입력 전압(VDD)은 2ㆍ VDD 의 스윙을 가지며, 디지털 컨버터는 센싱 커패시터(CS) 값에 비례하는 TM ≒ 2ㆍRZTCㆍCSㆍln(3)의 센싱 클럭 주기(TM)를 만들 수 있다. 큰 스윙은 제3 역전압 제어기(111)의 입력 전압(VMID)이 VTH를 가로지르는 기울기를 최대화할 수 있다. 또한, 1/f 노이즈로 인한 주기 변화 및 제3 역전압 제어기(111)의 오프셋은 시간 파형의 충방전 영역에 반대 방식으로 영향에 주어 본질적으로 제거될 수 있다. 결과적으로 오실레이터의 위상-잡음 성능은 클로즈-인(close-in) 및 파-오프(far-off) 오프셋 모두에서 이론적으로 얻을 수 있는 최고 성능인 169dBc/Hz에 더 가까워질 수 있다. 이것은 주로 시간 윈도우 NㆍTM 내에서 축적되는 지터(jitter)에 의해 결정되는 디지털 컨버터의 센싱 분해능(sensing resolution)을 최대화할 수 있다.
디지털 컨버터에 저항성 센서(11)가 연결된 경우(R 모드), 제4 트리 스테이트 버퍼(114) 및 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(115)가 활성화되고, 나머지 트리 스테이트 버퍼(113, 116)는 비활성화되며, 저항성 센서(11)에 포함된 센싱 저항(RS) 값에 비례하는 TM ≒ 2ㆍRSㆍCINTㆍln(3)의 센싱 클럭 주기(TM)를 만들 수 있다는 점을 제외하고 디지털 컨버터는 상술한 동작과 유사한 동작을 수행할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 기준 오실레이터를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 기준 오실레이터(120)의 구조가 도시되어 있다. 기준 오실레이터(120)는 복수의 트리 스테이트 버퍼(123, 124) 및 두 개의 역전압 제어기(inverse voltage controller)(121, 122)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해 복수의 트리 스테이트 버퍼(123, 124) 중 기준 저항에 연결되는 트리 스테이트 버퍼(123)를 제1 트리 스테이트 버퍼, 기준 커패시터(CINT)에 연결되는 트리 스테이트 버퍼(124)를 제2 트리 스테이트 버퍼라고 부르기로 한다. 또한, 두 개의 역전압 제어기(121, 122)는 각각 제1 역전압 제어기 및 제2 역전압 제어기라고 부르기로 한다.
상술한 바와 같이, 제1 트리 스테이트 버퍼(123)의 출력단은 기준 저항의 일단과 연결되고, 제2 트리 스테이트 버퍼(124)의 출력단은 기준 커패시터(CINT)의 일단과 연결될 수 있다. 기준 저항은 온도 변화에 강인한 제로 온도 계수(zero temperature coefficient, RZTC) 저항일 수 있다.
제1 역전압 제어기(121)의 입력단은 제로 온도 계수 저항(RZTC)의 타단 및 기준 커패시터(CINT)의 타단과 연결되고, 제1 역전압 제어기(121)의 출력단은 제2 트리 스테이트 버퍼(124)의 입력단 및 제2 역전압 제어기(122)의 입력단과 연결될 수 있다. 그리고, 제2 역전압 제어기(122)의 출력단은 제1 트리 스테이트 버퍼(123)의 입력단과 연결되고, 제로 온도 계수 저항(RZTC)의 값 및 기준 커패시터(CINT)의 값에 비례하는 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 출력할 수 있다. 즉, 기준 오실레이터(120)는 TR ≒ 2ㆍRZTCㆍCINTㆍln(3)의 고정 주기의 신호를 발생시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 제로 온도 계수 저항(RZTC)은 적절하게 가중된 네거티브 및 포지티브 온도 계수(temperature coefficient, TC)를 갖는 온칩 저항의 직렬 및 병렬 조합으로 제작된 제로에 가까운 온도 계수를 갖는 저항이고, 기준 커패시터(CINT)는 온칩 커패시터일 수 있다. 기준 오실레이터(120)는 제1 및 제2 트리 스테이트 버퍼가 항상 활성화되고, TR ≒ 2ㆍRZTCㆍCINTㆍln(3)의 고정된 주기 신호를 발생시킨다는 점을 제외하고 센싱 오실레이터(110)의 동작과 유사한 동작을 수행한다.
기준 오실레이터(120)에 포함된 제로 온도 계수 저항과 센싱 오실레이터(110)에 포함된 제로 온도 계수 저항은 동일한 저항 값을 가지고, 기준 오실레이터(120)에 포함된 기준 커패시터와 센싱 오실레이터(110)에 포함된 기준 커패시터는 동일한 용량 값을 가질 수 있다. 아래에서는 디지털 컨버터의 각 모드에 대해 설명한다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 다양한 동작 모드를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 디지털 컨버터의 다양한 모드의 타이밍도가 도시되어 있다.
먼저, C-모드는 디지털 컨버터에 용량성 센서가 연결된 모드를 의미한다. 디지털 컨버터에 용량성 센서가 연결된 경우, 제어부는 센싱 오실레이터의 제3 트리 스테이트 버퍼(113) 및 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)를 활성화시키고, 나머지 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킨다. 트리 스테이트 버퍼는 역(inverse) 입력에 의해 동작되므로 센싱 오실레이터에 연결된 저항성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(115), 제3 트리 스테이트 버퍼(113), 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116) 및 제4 트리 스테이트 버퍼(114)에 대한 제어 입력 신호는 1001일 수 있다. 센싱 오실레이터는 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 발생시키고, 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 전달받은 분주기는 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)을 발생시킬 수 있다. 카운터는 제어부의 업 카운트 제어 신호에 따라 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR) 및 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)에 기초하여 센싱 값을 출력할 수 있다.
R-모드는 디지털 컨버터에 저항성 센서가 연결된 모드를 의미한다. 디지털 컨버터에 저항성 센서가 연결된 경우, 제어부는 센싱 오실레이터의 제4 트리 스테이트 버퍼(114) 및 저항성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(115)를 활성화시키고, 나머지 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킨다. 따라서, 센싱 오실레이터에 연결된 저항성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(115), 제3 트리 스테이트 버퍼(113), 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116) 및 제4 트리 스테이트 버퍼(114)에 대한 제어 입력 신호는 0110일 수 있다. 센싱 오실레이터는 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 발생시키고, 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 전달받은 분주기는 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)을 발생시킬 수 있다. 카운터는 제어부의 업 카운트 제어 신호에 따라 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR) 및 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)에 기초하여 센싱 값을 출력할 수 있다.
RC-모드는 디지털 컨버터에 저항성 센서 및 용량성 센서가 연결된 모드를 의미한다. 기본적인 동작은 C-모드 및 R-모드 동작과 동일하다. 다만, 디지털 컨버터는 일정한 주기로 C-모드 및 R-모드의 동작을 순차적으로 번갈아가며 반복할 수 있다.
SC-모드는 용량성 센서의 용량 값이 작아서 복수의 용량성 센서로 인한 기생 커패시터의 영향을 받는 경우, 기생 커패시터의 영향을 제거하며 작은 용량성 센서 값을 읽어 들이기 위한 모드이다. SC-모드의 구체적인 동작은 후술한다.
도 7은 용량성 센서가 연결된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 7(a)를 참조하면 용량성 센서(12)가 연결된 센싱 오실레이터가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 용량성 센서(12)의 센싱 커패시터(CS)는 센싱 오실레이터의 용량성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(116)에 연결될 수 있다. 즉, 센싱 커패시터(CS)의 일단과 타단은 각각 용량성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(116)의 출력단과 제3 역전압 제어기(111)의 입력단에 연결될 수 있다.
용량성 센서(12)가 연결된 경우, 제어부는 제3 트리 스테이트 버퍼(113) 및 용량성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(116)를 활성화시키고, 나머지 트리 스테이트 버퍼(114, 115)를 비활성화시킬 수 있다.
도 7(b)를 참조하면 트리 스테이트 버퍼의 활성화 및 비활성화에 따라 형성된 회로가 도시되어 있다. 센싱 오실레이터는 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 발생시킨다. 센싱 클럭 주기 신호(TM)는 제로 온도 계수 저항(RZTC), 센싱 커패시터(CS) 및 온도 변화에 영향을 받는 요소에 비례하고, 기 설정된 고정 클럭 주기 신호는 제로 온도 계수 저항(RZTC), 기준 커패시터(CINT) 및 온도 변화에 영향을 받는 요소에 비례할 수 있다. 카운터는 상기 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 분주기에서 기 설정된 값으로 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)를 카운팅해 디지털 값으로 출력하며 이는 아래 식으로 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112018046276345-pat00001
여기서, μ는 다음과 같다.
[식 2]
Figure 112018046276345-pat00002
용량성 센서(12)가 연결된 경우, 식 1과 같이 디지털 컨버터는 기준 오실레이터의 기준 커패시터(CINT)의 용량 값을 기준으로 센싱 커패시터(CS)의 용량 값이 카운팅된 디지털 값을 출력할 수 있다. 기준 오실레이터에 포함된 기준 커패시터의 용량 값은 센싱 오실레이터에 포함된 기준 커패시터의 용량 값과 동일할 수 있다. 식 1을 참조하면, 디지털 컨버터의 출력 값은 온도 변화에 영향을 거의 받지 않는다. 즉, 비례 측정 전달 함수를 통해 이미 작은 온도 계수(TC)를 갖는 매칭된 온칩 저항(RZTC)의 영향이 상쇄되고 더불어, 역전압 제어기의 임계 전압의 온도 의존성도 상쇄되어 C-모드에서 디지털 컨버터의 최종 디지털 출력 값은 Nㆍ(CS/CINT)이 될 수 있어 온도와 무관하게 될 수 있다.
용량성 센서(12)가 센싱 오실레이터에 연결된 경우, 센싱 클럭 주기 신호 및 고정 클럭 주기 신호를 근사화하면, 상술한 바와 같이 센싱 클럭 주기 신호(TM)는 2ㆍRZTCㆍCSㆍln(3)과 유사할 수 있다. 그리고, 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR)는 2ㆍRZTCㆍCINTㆍln(3)과 유사할 수 있다.
도 8은 저항성 센서가 연결된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 8(a)를 참조하면 저항성 센서(11)가 연결된 센싱 오실레이터가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 저항성 센서(11)의 센싱 저항(RS)는 센싱 오실레이터의 저항성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(115)에 연결될 수 있다. 즉, 센싱 저항(RS)의 일단과 타단은 각각 저항성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(115)의 출력단과 제3 역전압 제어기(111)의 입력단에 연결될 수 있다.
저항성 센서(11)가 연결된 경우, 제어부는 제4 트리 스테이트 버퍼(114) 및 저항성 센서와 연결되는 제n 트리 스테이트 버퍼(115)를 활성화시키고, 나머지 트리 스테이트 버퍼(113, 116)를 비활성화시킬 수 있다.
도 8(b)를 참조하면 트리 스테이트 버퍼의 활성화 및 비활성화에 따라 형성된 회로가 도시되어 있다. 센싱 오실레이터는 센싱 클럭 주기 신호(TM)를 발생시킨다. 센싱 클럭 주기 신호(TM)는 식 1의 분자에서 RZTC를 RS로 치환하고, CS를 CINT로 치환한 식과 같다. 그리고, 기 설정된 고정 클럭 주기 신호는 식 1의 분모와 동일하다. 카운터는 상기 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 분주기에서 기 설정된 값으로 확장된 센싱 클럭 주기 신호(NㆍTM)를 카운팅해 디지털 값으로 출력하며 이는 아래 식으로 나타낼 수 있다.
[식 3]
Figure 112018046276345-pat00003
저항성 센서(11)가 연결된 경우, 식 3과 같이 디지털 컨버터는 기준 오실레이터의 제로 온도 계수 저항(RZTC)의 저항 값을 기준으로 센싱 저항(RS)의 저항 값이 카운팅된 디지털 값을 출력할 수 있다. 기준 오실레이터에 포함된 제로 온도 계수 저항의 저항 값은 센싱 오실레이터에 포함된 제로 온도 계수 저항의 저항 값과 동일할 수 있다. 식 3을 참조하면, 디지털 컨버터의 출력 값은 온도 변화에 영향을 거의 받지 않는다. 즉, 비례 측정 전달 함수를 통해 이미 작은 온도 계수(TC)를 갖는 매칭된 온칩 커패시터(CINT)의 영향이 상쇄되고 더불어, 역전압 제어기의 임계 전압의 온도 의존성도 상쇄되어 R-모드에서 디지털 컨버터의 최종 디지털 출력 값은 Nㆍ(RS/RZTC)이 될 수 있어 온도와 무관하게 될 수 있다.
저항성 센서(11)가 센싱 오실레이터에 연결된 경우, 센싱 클럭 주기 신호 및 고정 클럭 주기 신호를 근사화하면, 상술한 바와 같이 센싱 클럭 주기 신호(TM)는 2ㆍRSㆍCINTㆍln(3)과 유사할 수 있다. 그리고, 기 설정된 고정 클럭 주기 신호(TR)는 2ㆍRZTCㆍCINTㆍln(3)과 유사할 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 작은 값을 가지는 용량성 센서와 기생 커패시턴스의 영향을 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, C-모드에서 기생 커패시터의 영향이 도시되어 있다. C-모드에서 fF 단위의 용량 값을 가지는 센싱 커패시터(CS)는 RZTCㆍCS를 거의 제로 값으로 만들어 센싱 오실레이터가 동작할 수 없게 된다. 또한, 센싱 노드 VMID는 여러 센서에서 공유될 수 있으므로 복수의 용량성 센서들의 기생 커패시터들의 병렬 연결로 인한 큰 기생 커패시터(CP)의 용량 값에 영향을 받을 수 있다. 기생 커패시터(CP)는 센싱 커패시터의 원래 전하량을 줄여, 오프셋 및 비선형성 오류를 발생시키기 때문에 센싱 정확도를 떨어뜨릴 수 있다. 기생 커패시터(CP)의 영향을 제거하기 위해 디지털 컨버터는 SC-모드로 재구성될 수 있다.
도 10 내지 도 11은 기생 커패시턴스의 영향을 제거하는 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 10(a)를 참조하면, SC-모드의 제1 단계 구조가 도시되어 있다. 디지털 컨버터는 SC-모드의 제1 단계에서 센싱 오실레이터의 제3 트리 스테이트 버퍼(113), 제4 트리 스테이트 버퍼(114) 및 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)를 활성화시킬 수 있다. 따라서, 기준 커패시터(CINT), 용량성 센서의 센싱 커패시터(CS)(12) 및 기생 커패시터(CP)(21)는 병렬 연결될 수 있다. 기준 커패시터(CINT), 센싱 커패시터(CS)(12) 및 기생 커패시터(CP)(21)의 용량 값이 더해진 커패시턴스는 시간 상수(time-constant)를 키워 센싱 오실레이터가 동작할 수 있게 한다. SC-모드의 제1 단계에서의 센싱 오실레이터의 센싱 클럭 주기 신호인 제1 센싱 클럭 주기 신호(TM1)는 아래 식과 같다.
[식 4]
Figure 112018046276345-pat00004
즉, 제1 센싱 클럭 주기 신호(TM1)는 CINT 및 CP에 의한 오프셋을 가지는 2ㆍRZTCㆍ(CS + CINT + CP)ㆍln(3)과 유사하게 될 수 있다. 카운터는 NㆍTM1 동안 센싱 값을 카운트 업할 수 있다.
도 10(b)를 참조하면, SC-모드의 제2 단계 구조가 도시되어 있다. 디지털 컨버터는 SC-모드의 제1 단계가 끝난 후 제2 단계에서 센싱 오실레이터의 제3 트리 스테이트 버퍼(113), 제4 트리 스테이트 버퍼(114)의 활성화는 유지하고, 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)를 비활성화시킬 수 있다. 따라서, 기준 커패시터(CINT) 및 기생 커패시터(CP)(21)는 병렬 연결될 수 있다. SC-모드의 제2 단계에서의 센싱 오실레이터의 센싱 클럭 주기 신호인 제2 센싱 클럭 주기 신호(TM2)는 아래 식과 같다.
[식 5]
Figure 112018046276345-pat00005
즉, 제2 센싱 클럭 주기 신호(TM2)는 2ㆍRZTCㆍ(CINT + CP)ㆍln(3)과 유사하게 될 수 있다. 카운터는 NㆍTM2 동안 센싱 값을 카운트 다운할 수 있다. 최종 출력 센싱 값은 아래 식과 같다.
[식 6]
Figure 112018046276345-pat00006
CINT 및 CP에 의한 오프셋은 제1 단계에서 산출된 카운트-업 값 및 제2 단계에서 산출된 카운트-다운 값의 차이에 의해 제거되고, 최종 디지털 출력 값은 Nㆍ(CS/CINT)가 될 수 있다.
도 11을 참조하면, SC-모드의 제1 단계 및 제2 단계의 출력 파형이 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 디지털 컨버터는 센싱 오실레이터의 제3 트리 스테이트 버퍼(113), 제4 트리 스테이트 버퍼(114) 및 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)를 활성화시킬 수 있다. 그리고, 디지털 컨버터는 기 설정된 제1 시간(NㆍTM1) 동안 기준 커패시터(CINT), 용량성 센서의 센싱 커패시터(CS)(12) 및 기생 커패시터(CP)(21)의 용량 값의 합에 비례하는 센싱 클럭 주기 신호를 카운트 업하여 카운트-업 값을 산출할 수 있다. 제1 시간 이후, 디지털 컨버터는 센싱 오실레이터의 제3 트리 스테이트 버퍼(113), 제4 트리 스테이트 버퍼(114)의 활성화는 유지하고, 용량성 센서가 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼(116)를 비활성화시킬 수 있다. 그리고, 디지털 컨버터는 기 설정된 제2 시간(NㆍTM2) 동안 기준 커패시터(CINT) 및 기생 커패시터(CP)(21)의 용량 값의 합에 비례하는 센싱 클럭 주기 신호를 카운트 다운하여 카운트-다운 값을 산출할 수 있다.
디지털 컨버터는 산출된 카운트-업 값 및 카운트-다운 값의 차이 값을 산출하고, 산출된 차이 값을 디지털 센싱 값으로 출력할 수 있다. 따라서, 디지털 컨버터는 SC-모드를 통해 센싱 커패시터(CS)에 대한 기생 커패시터(CP)의 영향을 제거할 수 있다.
도 12는 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서가 연결된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 12를 참조하면, 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서가 동시에 연결된 센싱 오실레이터가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 디지털 컨버터에는 저항성 센서 및 용량성 센서가 연결될 수 있으며, 추가적인 트리 스테이트 버퍼와 함께 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서가 연결되어 확장된 센싱 시스템이 구현될 수 있다. 따라서, 디지털 컨버터는 상술한 R-모드, C-모드, RC-모드 및 SC-모드의 동작을 복수의 저항성 센서 및 용량성 센서를 센싱하는 경우에도 동일한 방식으로 적용할 수 있다.
도 13 내지 도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디지털 컨버터의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
일 실시 예로서, 0.18μm 표준 CMOS 공정으로 구현된 본 개시의 디지털 컨버터는 0.175mm2의 면적을 차지하고 1V 전원에서 140μA를 소모할 수 있으며 70%가 RC 분기(branch)에서 소비될 수 있다. 도 13(a)에 도시된 바와 같이, 오실레이터의 위상 잡음 FOM(Figure Of Merit)은 1kHz와 1MHz 사이의 오프셋 주파수에서 161dBc/Hz 이상일 수 있다. 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 디지털 컨버터는 시간 기반 구조이기 때문에 46nF의 넓은 커패시턴스 입력 범위를 가질 수 있다. 도 13(c)에 도시된 바와 같이, 본질적으로 1/f 잡음 및 오프셋(400Hz에서의 위상 잡음 1/f2 코너)이 제거되기 때문에 커패시턴스 분해능은 5.4pF 내지 47.6pF 범위에서 단지 114aFrms에서 362aFrms까지만 나빠질 수 있다. 디지털 컨버터는 5.4pF에서 2.93ms의 측정 시간동안 3.92pJ/변환 단계(conversion step)의 FOM을 보여주었으며, 이는 이전에 보고된 시간 기반 감지 방식보다 좋은 결과를 나타낸다. 그리고, 도 13(d)에 도시된 바와 같이, 본 개시의 디지털 컨버터는 10MΩ의 넓은 저항 입력 범위를 가진다.
도 14(a)에는 SC-모드에서 센싱 커패시터(CS)가 0F에서 700fF 이하 범위의 매우 작은 팸토 패럿(femto-farad)인 경우의 센싱 결과가 도시되어 있다. 도 14(a)를 참조하면, 센싱 커패시터(CS)값이 0일 때 패드 간에 형성되는 기생 커패시터에 의한 출력값이 0이 아님을 보여준다. 도 14(b)를 참조하면 센싱 커패시터(CS)가 300fF 일 때, 상당히 큰 기생 커패시턴스(예, 센싱 커패시터의 30배 이상)가 존재하는 경우에도 출력 코드가 단지 16%만 증가했음을 보여준다. 도 14(c) 및 도 14(d)를 참조하면, 저항성 센서(예, 온도 센서)가 연결된 R-모드 및 용량성 센서(예, 습도 센서)가 연결된 C-모드가 번갈아 동작하며 시간 교차 방식을 통해 감지하는 인터리브 모드(RC-모드) 동작이 도시되어 있다.
본 개시의 디지털 컨버터는 외부 클럭 신호나 추가적인 데이터 처리가 필요하지 않아 완전히 독립적이다. 또한, 디지털 컨버터는 효율적인 전력 소모, 넓은 입력 범위 및 뛰어난 해상도, 온도 변화에 대한 강인함 및 가변성을 통해 복수의 저항성 및 용량성 센서를 감지할 수 있는 기능을 포함하기 때문에 단독형이면서도 저가인 IoT 어플리케이션으로 광범위하게 활용될 수 있다.
지금까지 디지털 컨버터의 다양한 실시 예를 설명하였다. 아래에서는 디지털 컨버터 제어 방법을 설명한다.
도 15는 본 개시의 일 실시 예에 따른 디지털 컨버터 제어 방법의 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 디지털 컨버터는 센싱 오실레이터에 포함된 복수의 트리 스테이트 버퍼(tri-state buffer)의 연결 상태를 변경한다(S1510). 일 실시 예로서, 디지털 컨버터는 용량성 센서가 연결되는 C-모드, 저항성 센서가 연결되는 R-모드, 용량성 센서 및 저항성 센서가 동시에 연결되는 RC-모드 및 기생 커패시터의 영향을 제거하기 위한 SC-모드를 포함할 수 있다. C-모드의 경우, 디지털 컨버터는 센싱 오실레이터의 제로 온도 계수 저항이 연결된 제3 트리 스테이트 버퍼 및 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 활성화시키고, 다른 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킨다. R-모드의 경우, 디지털 컨버터는 센싱 오실레이터의 기준 커패시터가 연결된 제4 트리 스테이트 버퍼 및 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 활성화시키고, 다른 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킨다.
RC-모드의 경우, 디지털 컨버터는 일정한 시간 동안 순차적으로 R-모드와 C-모드의 동작을 번갈아가며 시간 교차 방식을 통해 감지를 수행할 수 있다. SC-모드의 경우, 디지털 컨버터는 제1 시간 동안 센싱 오실레이터의 제로 온도 계수 저항이 연결된 제3 트리 스테이트 버퍼, 기준 커패시터와 연결된 제4 트리 스테이트 버퍼 및 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 활성화시킨다. 그리고, 제1 시간 이후, 디지털 컨버터는 제3 트리 스테이트 버퍼 및 기준 커패시터와 연결된 제4 트리 스테이트 버퍼를 활성화를 유지하고, 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 비활성화시킨다.
디지털 컨버터는 저항성 센서 및 용량성 센서 중 적어도 하나의 센서의 변화 값에 대응하는 센싱 클럭 주기 신호 및 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 발생시킨다(S1520). 저항성 센서가 연결된 경우 센싱 클럭 주기 신호는 저항성 센서에 포함된 센싱 저항의 저항 값에 비례하고, 용량성 센서가 연결된 경우 센싱 클럭 주기 신호는 용량성 센서에 포함된 센싱 커패시터의 용량 값에 비례한다.
디지털 컨버터는 발생된 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 값에 기초하여 확장한다(S1530). 디지털 컨버터는 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 확장된 센싱 클럭 주기 신호를 카운팅하여 디지털 값으로 출력한다(S1540). 용량성 센서가 연결된 경우 출력되는 디지털 값은 기준 커패시터의 용량 값 대비 센싱 커패시터의 용량 값에 비례하고, 저항성 센서가 연결된 경우 출력되는 디지털 값은 제로 온도 계수 저항의 저항 값 대비 센싱 저항의 저항 값에 비례한다.
상술한 다양한 실시 예에 따른 디지털 컨버터의 제어 방법은 컴퓨터 프로그램 제품으로 제공될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 S/W 프로그램 자체 또는 S/W 프로그램이 저장된 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)를 포함할 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 디지털 컨버터 110: 센싱 오실레이터
120: 기준 오실레이터 130: 제어부
140: 분주기 150: 카운터

Claims (10)

  1. 복수의 트리 스테이트 버퍼(tri-state buffer)를 포함하고, 저항성 센서 및 용량성 센서 중 적어도 하나의 센서의 변화 값에 대응하는 센싱 클럭 주기 신호를 발생시키는 센싱 오실레이터;
    기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 발생시키는 기준 오실레이터;
    상기 복수의 트리 스테이트 버퍼의 연결 상태를 변경하는 제어부;
    상기 발생된 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 값에 기초하여 확장하는 분주기; 및
    상기 발생된 고정 클럭 주기 신호를 기준으로 상기 확장된 센싱 클럭 주기 신호를 카운팅하여 디지털 값으로 출력하는 카운터;를 포함하고,
    상기 기준 오실레이터는,
    제1 역전압 제어기(inverse voltage controller), 제2 역전압 제어기, 제1 트리 스테이트 버퍼 및 제2 트리 스테이트 버퍼를 포함하고,
    상기 제1 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 온도 변화에 강인한 제1 제로 온도 계수 저항의 일단과 연결되고, 상기 제2 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 제1 기준 커패시터의 일단과 연결되며,
    상기 제1 역전압 제어기의 입력단은 상기 제1 제로 온도 계수 저항의 타단 및 상기 제1 기준 커패시터의 타단과 연결되고,
    상기 제1 역전압 제어기의 출력단은 상기 제2 트리 스테이트 버퍼의 입력단 및 상기 제2 역전압 제어기의 입력단과 연결되며,
    상기 제2 역전압 제어기의 출력단은 상기 제1 트리 스테이트 버퍼의 입력단과 연결되고, 상기 제1 제로 온도 계수 저항의 값 및 상기 제1 기준 커패시터의 용량 값에 비례하는 상기 기 설정된 고정 클럭 주기 신호를 출력하는 디지털 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 오실레이터는 제3 역전압 제어기 및 제4 역전압 제어기를 포함하고,
    상기 복수의 트리 스테이트 버퍼는 제3 트리 스테이트 버퍼, 제4 트리 스테이트 버퍼 및 적어도 하나의 제n 트리 스테이트 버퍼를 포함하며,
    상기 제3 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 온도 변화에 강인한 제2 제로 온도 계수 저항의 일단과 연결되고, 상기 제4 트리 스테이트 버퍼의 출력단은 제2 기준 커패시터의 일단과 연결되며,
    상기 제3 역전압 제어기의 입력단은 상기 제2 제로 온도 계수 저항의 타단 및 상기 제2 기준 커패시터의 타단과 연결되고,
    상기 제3 역전압 제어기의 출력단은 상기 제4 트리 스테이트 버퍼의 입력단, 상기 용량성 센서와 연결되는 적어도 하나의 제n 트리 스테이트 버퍼의 입력단 및 상기 제4 역전압 제어기의 입력단과 연결되며,
    상기 제4 역전압 제어기의 출력단은 상기 제3 트리 스테이트 버퍼의 입력단 및 상기 저항성 센서와 연결되는 적어도 하나의 제n 트리 스테이트 버퍼의 입력단과 연결되고, 상기 센싱 클럭 주기 신호를 출력하는 디지털 컨버터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 제로 온도 계수 저항과 상기 제2 제로 온도 계수 저항은 동일한 저항 값을 가지고, 상기 제1 기준 커패시터와 상기 제2 기준 커패시터는 동일한 용량 값을 가지는 디지털 컨버터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 저항성 센서가 상기 디지털 컨버터에 연결되는 경우,
    상기 센싱 오실레이터는,
    상기 저항성 센서에 포함된 센싱 저항의 일단과 타단을 각각 상기 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼의 출력단과 상기 제3 역전압 제어기의 입력단과 연결하고,
    상기 제어부는,
    상기 제4 트리 스테이트 버퍼 및 상기 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 온 시키고, 제3 트리 스테이트 버퍼 및 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 오프시키는 디지털 컨버터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센싱 클럭 주기 신호는 상기 센싱 저항의 값 및 상기 제2 기준 커패시터의 용량 값에 비례하고,
    상기 카운터는,
    상기 제1 제로 온도 계수 저항의 값을 기준으로 상기 센싱 저항의 값이 카운팅된 디지털 값을 출력하는 디지털 컨버터.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 용량성 센서가 상기 디지털 컨버터에 연결되는 경우,
    상기 센싱 오실레이터는,
    상기 용량성 센서에 포함된 센싱 커패시터의 일단과 타단을 각각 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼의 출력단과 상기 제3 역전압 제어기의 입력단과 연결하고,
    상기 제어부는,
    상기 제3 트리 스테이트 버퍼 및 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 온 시키고, 제4 트리 스테이트 버퍼 및 상기 저항성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 오프시키는 디지털 컨버터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센싱 클럭 주기 신호는 상기 제2 제로 온도 계수 저항의 값 및 상기 센싱 커패시터의 용량 값에 비례하고,
    상기 카운터는,
    상기 제1 기준 커패시터의 용량 값을 기준으로 상기 센싱 커패시터의 용량 값이 카운팅된 디지털 값을 출력하는 디지털 컨버터.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 용량성 센서가 상기 디지털 컨버터에 연결되고 기생 커패시턴스가 포함되는 경우,
    상기 센싱 오실레이터는,
    상기 용량성 센서에 포함된 센싱 커패시터의 일단과 타단을 각각 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼의 출력단과 상기 제3 역전압 제어기의 입력단과 연결하고,
    상기 카운터는,
    상기 제2 기준 커패시터의 용량 값, 상기 센싱 커패시터의 용량 값 및 상기 기생 커패시턴스의 용량 값의 누적 값에 비례하는 상기 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 제1 시간 동안 카운트 업하고, 상기 기 설정된 제1 시간 이후 상기 제2 기준 커패시터의 용량 값 및 상기 기생 커패시턴스의 용량 값의 누적 값에 비례하는 상기 센싱 클럭 주기 신호를 기 설정된 제2 시간 동안 카운트 다운하며,
    상기 제어부는,
    상기 기 설정된 제1 시간 동안 상기 제3 트리 스테이트 버퍼, 제4 트리 스테이트 버퍼 및 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 온 시키고, 상기 기 설정된 제1 시간 이후 상기 용량성 센서와 연결된 제n 트리 스테이트 버퍼를 오프시키며, 상기 카운트 업으로 산출된 카운트-업 값 및 상기 카운트 다운으로 산출된 카운트-다운 값에 기초하여 차이 값을 산출하고, 상기 산출된 차이 값을 디지털 값으로 출력하도록 상기 카운터를 제어하는 디지털 컨버터.
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