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KR102630899B1 - 저항성 및 용량성 센서용 판독 회로 - Google Patents

저항성 및 용량성 센서용 판독 회로 Download PDF

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KR102630899B1
KR102630899B1 KR1020180124278A KR20180124278A KR102630899B1 KR 102630899 B1 KR102630899 B1 KR 102630899B1 KR 1020180124278 A KR1020180124278 A KR 1020180124278A KR 20180124278 A KR20180124278 A KR 20180124278A KR 102630899 B1 KR102630899 B1 KR 102630899B1
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Abstract

저항성 및 용량성 센서용 판독 회로는 제 1 동작 모드에서 레퍼런스 저항기에 연결되고 제 2 동작 모드에서 저항성 센서에 연결되는 제 1 입력과, 제 1 동작 모드에서 용량성 센서에 연결되고 제 2 동작 모드에서 레퍼런스 커패시터에 연결되는 제 2 입력과, 제 1 동작 모드에서 용량성 센서 데이터 스트림을 제공하고 제 2 동작 모드에서 저항성 센서 데이터 스트림을 제공하는 출력을 포함한다.

Description

저항성 및 용량성 센서용 판독 회로{A READOUT CIRCUIT FOR RESISTIVE AND CAPACITIVE SENSORS}
본 발명은 일반적으로 저항성 및 용량성 센서용 판독 회로에 관한 것이다.
현재 소비자 전자 제품의 추세는 단일 디바이스에 수많은 상이한 센서(예컨대, 압력, 온도, 가스, 습도 및 마이크로폰)를 집적시키는 것이다. 각 센서는, 감지되는 다양한 전기량(주로 저항 및 커패시턴스(capacitance))을 변환하는 다양한 물리적 원리에 기반한다. 각 센서에 맞게 대응하는 판독 전자 장치를 조정해야 하며, 이에 따라 서로 다른 아날로그 판독 시스템을 설계하고 구현해야 하므로 생산 비용과 디바이스 전력 소비가 증가하게 된다.
용량성 센서는 일반적으로 고저항(high-ohmic) 판독 인터페이스, 스위치 커패시터 증폭기 또는 전하 감지 증폭기에 연결된다.
감지 저항의 변화가 작은 경우에는 저항성 센서는 일반적으로 간단한 전압 분배기 및 휘트스톤 브리지 구조(Wheatstone bridge structures)에 기초한 판독 회로에 연결된다. 저항의 변화가 보다 큰 경우에는 저항성 센서는 일반적으로 멀티-스케일 방법과 저항-주파수 변환 시스템에 기초한 판독 회로와 연결된다.
본 발명에 따르면, 실시예는 동일한 판독 채널 및 회로를 사용해서 저항성 및 용량성 센서 모두를 판독하는 것을 가능하게 한다. 이로써 인터페이스가 매우 다양해져 여러 개의 서로 다른 센서가 공존해야 하는 휴대용 디바이스(예컨대, 최신 스마트폰)에 특히 적합해진다.
저항성 및 용량성 센서 모두를 판독하기 위해서, 인터페이스는 저항-시간 및/또는 커패시턴스-시간 변환을 수행하여 디지털 출력의 감지 요소 값을 변환할 수 있다.
검출되는 환경 현상(가스 농도, 압력, 온도)이 느린 시간 변화를 갖기 때문에, 시간 영역에서의 작업은 변환 시간을 물리적 센서의 측정에서 훨씬 중요한 동적 범위 및 해상도(resolution)와 트레이드 오프하는 것을 허용한다.
실시예에 따른 인터페이스는 멀티플렉싱되는 아키텍처를 이용함으로써 멀티플렉서에 의해 도입되는 전형적인 단점(멀티플렉서 스위치의 Ron 및 Roff)을 피하면서 다양한 저항성 감지 요소를 연결하고, 변환될 수 있는 매우 넓은 범위의 저항기과 조합해서, 인터페이스를 매우 다양하고 다른 많은 센서들과 호환 가능하게 한다.
실시예에 따른 판독 회로는 스케일링된 기술의 이점을 가지며, 그 결과 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 크기가 줄어들어, (심지어 사용된 동일한 크기의 MEMS(Mlicro-Electro-Mechanical Systems) 또는 센서에서도) 더 작은 패키지에 적합해진다.
실시예에에 따르면, 판독 회로는 동일한 다이 상의 복수의 집적된 센서와 함께 사용될 수 있으며, 판독 회로 아키텍처는 여러 유형의 감지 요소(용량성 및 저항성)와 호환 가능하게 된다. 예를 들어, 마이크로폰, 압력, 가스, 습도 등의 센서가 있다.
실시예에 따른 판독 회로의 높은 유연성으로 인해 동일한 판독 채널 및 회로를 사용하여 저항성 및 용량성 센서를 모두 판독할 수 있다. 시간 변환에 의해 지원되는 광범위한 동적 범위 때문에 다른 전기적 변동을 가지는 다른 센서가 디지털 도메인에서 변환될 수 있다.
제 1 실시예에서, 판독 회로는 제 1 동작 모드에서 레퍼런스 저항기에 연결되고 제 2 동작 모드에서 저항성 센서에 연결되는 제 1 입력과, 제 1 동작 모드에서 용량성 센서에 연결되고 제 2 동작 모드에서 레퍼런스 커패시터에 연결되는 제 2 입력과, 제 1 동작 모드에서 용량성 센서 데이터 스트림을 제공하고 제 2 동작 모드에서 저항성 센서 데이터 스트림을 제공하는 출력을 포함한다. 판독 회로는 제 1 입력에 연결된 전압-전류 변환기를 포함하되, 전압-전류 변환기는 제 1 동작 모드에서 제 1 전류 미러 부분과 연결되고 제 2 동작 모드에서 제 2 전류 미러 부분과 연결되는 증폭기를 포함한다. 판독 회로는 전압-전류 변환기와 제 2 입력에 연결된 적분기를 포함하되, 적분기는 제 1 동작 모드에서는 제 1 위치에 구성되고 제 2 동작 모드에서는 제 2 위치에 구성되는 제 1 스위치와 제 2 스위치에 연결되는 증폭기를 포함한다. 판독 회로는 적분기와 출력에 연결되는 로직 회로를 포함하되, 로직 회로는 제 2 임계 전압을 갖는 제 2 비교기에 연결된 제 1 임계 전압을 갖는 제 1 비교기를 포함한다.
제 2 실시예에서, 집적 회로는 저항기에 연결된 제 1 입력 핀과, 커패시터에 연결된 제 2 입력 핀과, 제 1 동작 모드에서 커패시터의 값에 대응하는 데이터 스트림을 제공하고, 제 2 동작 모드에서 저항기의 값에 대응하는 데이터 스트림을 제공하도록 구성된 출력 핀을 포함한다. 집적 회로는 제 1 입력 핀에 연결된 전압-전류 변환기를 포함하되, 전압-전류 변환기는 제 1 동작 모드에서 제 1 전류 미러 부분과 연결되고 제 2 동작 모드에서 제 2 전류 미러 부분과 연결되는 증폭기를 포함한다. 집적 회로는 전압-전류 변환기와 제 2 입력에 연결된 적분기를 포함하되, 적분기는 제 1 동작 모드에서는 제 1 위치에 구성되고 제 2 동작 모드에서는 제 2 위치에 구성되는 제 1 스위치와 제 2 스위치에 연결되는 증폭기를 포함한다. 집적 회로는 적분기와 상기 출력에 연결되는 로직 회로를 포함하되, 로직 회로는 제 2 임계 전압을 갖는 제 2 비교기에 연결된 제 1 임계 전압을 갖는 제 1 비교기를 포함한다.
제 3 실시예에서, 판독 회로를 동작시키는 방법은 제 1 동작 모드에서 저항기와 용량성 센서를 회로의 제 1 입력과 제 2 입력에 연결하는 단계와, 제 2 동작 모드에서 커패시터와 저항성 센서를 회로의 제 1 입력과 제 2 입력에 연결하는 단계와, 제 1 동작 모드에서 용량성 센서 데이터 스트림을 출력에 제공하는 단계와, 제 2 동작 모드에서 저항성 센서 데이터 스트림을 출력에 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 디바이스 내에 존재하는 복수의 용량성 센서 중에서 용량성 센서를 선택하는 단계 및/또는 디바이스 내에 존재하는 복수의 저항성 센서 중에서 저항성 센서를 선택하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 집적 회로 내에 저항성 센서와 회로를 함께 집적시키는 단계 및/또는 집적 회로 내에 용량성 센서와 상기 회로를 함께 집적시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 용량성 센서 데이터 스트림과 저항성 데이터 스트림 중 적어도 하나를 직렬 데이터 스트림으로 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명 및 그 장점을 보다 완벽하게 이해하기 위해, 이제 첨부된 도면과 함께 하기의 설명을 참조한다.
도 1 내지 도 3은 실시예들에 따른 ASIC 집적 회로의 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 판독 회로의 실질적인 아날로그 부분의 개략도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 판독 회로의 실질적인 아날로그 부분의 개략도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 아날로그 및 디지털 부분을 도시하는 다른 실시예에 따른 ASIC 집적 회로의 블록도이다.
도 7은 도 6의 ASIC 집적 회로와 연관된 타이밍 도면이다.
도 8은 디바이스 내에 존재하는 집적 판독 회로의 실시예를 도시한다.
도 1은 ASIC(100A)을 도시하며, ASIC(100A)은 적분기(104)에 연결된 전압-전류 변환기(102)를 관련 부분에 포함하고, 적분기(104)는 하기에서 더욱 상세하게 설명될 바와 같은 로직 회로(106)에 차례로 연결된다. 제 1 동작 모드에서, 2 노드 입력(a two node input)(108)은 저항성 센서를 나타내는 가변 저항기(RSENS)에 연결되고, 2 노드 입력(110)은 용량성 레퍼런스(reference)를 나타내는 고정 커패시터(CREF)에 연결된다. 따라서, ASIC(100A)은 저항성 센서의 저항성 변화에 기초하여 데이터를 판독하도록 구성된다.
도 2는 ASIC(100B)을 도시하며, ASIC(100B)은 적분기(104)에 연결된 전압-전류 변환기(102)를 관련 부분에 포함하고, 적분기(104)는 하기에서 더욱 상세하게 설명될 바와 같은 로직 회로(106)에 차례로 연결된다. 제 2 동작 모드에서, 2 노드 입력(108)은 저항성 레퍼런스를 나타내는 고정 저항기(RREF)에 연결되고, 2 노드 입력(110)은 용량성 센서를 나타내는 가변 커패시터(CSENS)에 연결된다. 따라서, ASIC(100B)은 용량성 센서의 용량성 변화에 기초하여 데이터를 판독하도록 구성된다.
도 3은 ASIC(100C)을 도시하며, ASIC(100C)은 적분기(104)에 연결된 전압-전류 변환기(102)를 관련 부분에 포함하고, 적분기(104)는 하기에서 더욱 상세하게 설명될 바와 같은 로직 회로(106)에 차례로 연결된다. 제 3 동작 모드에서, 2 노드 입력(108)은 저항성 센서를 나타내는 가변 저항기(RSENS)에 연결되고, 2 노드 입력(110)은 용량성 센서를 나타내는 가변 커패시터(CSENS)에 연결된다. 일 실시예에서 양 센서는 동시에 ASIC 판독 회로에 연결된다. 따라서, ASIC(100C)은 저항성 센서의 저항성 변화 및 용량성 센서의 용량성 변화에 기초하여 합성 직렬 데이터를 판독하도록 구성된다. 제 3 동작 모드는, 예를 들어, 중첩되지 않는 응답 특성을 갖는 용량성 및 저항성 센서에 사용될 수 있다. 중첩되지 않는 응답 특성은, 예를 들어, 제 1 주파수 범위에서 제 2 센서에 대한 레퍼런스로서 작용하는 제 1 센서로서 보여질 수 있고, 예를 들어, 중첩되지 않는 제 2 주파수 범위에서 제 1 센서에 대한 레퍼런스로서 작용하는 제 2 센서로서 보여질 수 있다. 두 개의 센서 모두가 판독 회로에 동시에 연결될 수 있는 다른 예시는 제 1 용량성 센서 및 제 2 저항성 센서를 포함하는 차동 센서를 포함할 수 있다. 두 개의 센서 모두가 동시에 판독 회로에 연결될 수 있는 또 다른 예시는 입력에 응답하여 상태를 변화시키는 기능을 갖는 트리거된 센서를 포함할 수 있다. 선형 센서도 사용될 수 있지만, 판독 회로의 출력은 특정 구현에서 사용할 수 있는 두 개의 센서 출력의 곱이 될 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 판독 회로의 아키텍처의 가능한 구현예의 개략도를 도시한다. 회로(400)는 전압-전류(V2I) 변환기를 포함하고, 두 개의 OPAMP(A1, A2) 및 트랜지스터(M1A/M2A)가 두 개의 안정된 레퍼런스 및 바이어스 전압(VREF_P 및 VREF_N)을 사용하여 센서 저항기(RSENS)에 바이어스 전압을 제공한다. 두 개의 OPAMP(A1 및 A2)와 트랜지스터(M1B/M2B)는 두 개의 안정된 레퍼런스 및 바이어스 전압(VREF_P 및 VREF_N)을 사용하여 레퍼런스 저항(RREF)에 바이어스 전압을 제공한다. 스위치(S1, S2, S3 및 S4)는 제 1 위치에서 센서 저항기(RSENS)를 트랜지스터(M1A 및 M2A)의 소스에 연결하고, 제 2 위치에서 레퍼런스 저항(RREF)을 트랜지스터(M1B 및 M2B)의 소스에 연결한다. 도 4에 도시된 피드백 및 소스 팔로어 구조(feedback and source follower structure)는 버퍼링된 모든 노드(트랜지스터(M1A)의 소스, 트랜지스터(M2A)의 소스, 트랜지스터(M1B)의 소스 및 트랜지스터(M2B)의 소스)에서 낮은 출력 저항을 보장한다. 두 개의 센서 저항기(RSENS) 터미널 모두에서의 안정된 바이어싱은 센서의 안정성을 향상시키고, 센서를 접지 및 공급 전압으로부터 절연시킨다. 신호 전류(ISENS = (VREF_P -VREF_N)/RSENS)는 미러링되고, 제어 신호(CTRL_H 및 CTRL_L)에 따라 OPAMP(A5)를 포함하는 적분기의 가상 접지에서 번갈아가며 싱킹(sunk from)되거나 소싱(sourced in)된다. 이러한 제어 신호는 스위치(S5 및 S6)를 제어한다. 제 1 위치에서, 트랜지스터(M3)의 드레인은 OPAMP(A5)의 입력에 연결되고, 트랜지스터(M4)의 드레인은 VDD에 연결된다. 제 2 위치에서, 트랜지스터(M4)의 드레인은 OPAMP(A5)의 입력에 연결되고, 트랜지스터(M3)의 드레인은 접지에 연결된다.
스위치(S7 및 S8)는 용량성 레퍼런스 또는 용량성 센서(CSENSE)를 OPAMP(A5)에 연결하는데 사용된다. 리셋 트랜지스터(M9)는 리셋 제어 신호를 수신하고, 트랜지스터(M9)의 소스 및 드레인 노드는 OPAMP(A5)의 음의 입력 및 출력(VO) 사이에 연결된다. OPAMP(A5)의 양의 입력은 공통 모드 전압(VCM)에 연결된다.
스위치(S7)는 제 1 위치에서 트랜지스터(M5A 및 M7)와 제 1 전류 미러를 형성하는데 사용되고, 제 2 위치에서 트랜지스터(M5B 및 M7)와 제 2 전류 미러를 형성하는데 사용된다. 두 개의 전류 미러 모두는 도시된 바와 같이 δ의 비율을 갖는다. 유사하게, 스위치(S8)는 제 1 위치에서 트랜지스터(M6A 및 M8)와 제 1 전류 미러를 형성하는데 사용되고, 제 2 위치에서 트랜지스터(M6B 및 M8)와 제 2 전류 미러를 형성하는데 사용된다. 두 개의 전류 미러 모두는 도시된 바와 같이 δ의 비율을 갖는다. 트랜지스터(M7)로 형성된 전류 미러는 하기에서 더욱 상세히 설명될 바와 같이 OPAMP(A3) 및 트랜지스터(M3)를 사용하는 출력 저항 부스팅 회로(output resistance boosting circuit)를 포함한다. 트랜지스터(M8)로 형성된 전류 미러는 하기에서 더욱 상세히 설명될 바와 같이 OPAMP(A4) 및 트랜지스터(M4)를 사용하는 출력 저항 부스팅 회로를 포함한다.
OPAMP(A5)를 포함한 적분기의 출력에서, 전압(VO)은 스위치 제어 신호를 생성하고 전류를 조정하기 위해 두 개의 레퍼런스 전압(VTH 및 VTL)과 비교되는 삼각 파형(triangular waveform)이다. 제 1 비교기(402)는 VO 삼각 출력 전압 및 VTH 레퍼런스 전압을 수신하여 래치(406)의 SN 입력에 연결된 제 1 가변 주파수 출력 전압을 생성한다. 제 2 비교기(404)는 VO 삼각 출력 전압 및 VTL 레퍼런스 전압을 수신하여 래치(406)의 RN 입력에 연결된 제 2 가변 주파수 출력 전압을 생성한다. 래치(406)는 도시된 바와 같이 Q 출력에서 CTRL_H 제어 신호를 생성하고 QN 출력에서 CTRL_L 제어 신호를 생성한다. 추가적인 래치(406)의 존재는 항상 비교기의 동기화된 스위칭을 보장한다. 특정 시간 주기에서 주기(TOSC)를 갖는 가변 주파수 출력 신호가 도 4에 도시된다. 도 4에 도시된 회로(400)의 가변 주파수 출력은 래치(406)의 Q 또는 QN 출력에 있다.
출력 주기 파형은 다음의 등식에 따른 센서 저항 값에 비례한다:
[1]
ΔV = VTH-VTL은 비교기(402 및 404)의 입력 스위칭 윈도우이고, δ는 전술 한 바와 같이 트랜지스터(M7 및 M8)를 포함하는 전류 미러들의 전류 비율이다. 가변 주파수 출력 신호를 직렬 데이터 비트스트림으로 디지털 변환하는 것은 특히 도 6의 설명과 관련하여 하기에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 정확하게 정의된 시간 윈도우에서 얼마나 많은 발진(oscillation)이 발생 하는지를 카운팅함으로써 수행된다.
등식 [1]은 저항성 센서의 저항 값을 측정하기 위해 사용되었다. 상기 등식에서 R과 C의 역할을 바꾸면 용량성 센서에서 미지의 커패시터 값을 측정하기 위해 동일한 아키텍처를 사용할 수 있다. 등식 [1]의 저항-주파수 변환에서 미지의 파라미터는 RSENS이고 커패시턴스 값은 고정되어 있다. 등식 [2]의 커패시턴스-주파수 변환에서, 레퍼런스 저항(RREF)은 센서 커패시턴스(CSENS) 자체에 비례하는 발진 주파수를 유도하는 센서 커패시턴스(CSENS)에 통합되는 정전류(ISENS)를 생성하는 데 사용된다:
[2]
도 4에 도시된 바와 같이 고 임피던스 노드에서 동작하는 멀티플렉싱 스위치를 구비함으로써 인터페이스가 저항성 센서의 매트릭스를 변환하도록 구성될 수 있어서, 측정시 추가 오류를 유발할 수 있는 기생 저항을 회피할 수 있다. 대안적으로, 인터페이스는 멀티플렉싱 스위치 또는 저항성 및 용량성 센서의 조합을 구비함으로써 용량성 센서의 매트릭스를 변환하도록 구성될 수 있다. 스위치(S1 내지 S8)는 멀티플렉싱 기능을 제공하는데 사용될 수 있거나 또는 애플리케이션 내의 단일 센서를 수용하는데 필요할 수 있는 고정 위치로 설정될 수 있다. 복수의 센서가 멀티플렉싱 동작 모드에서 사용될 수 있지만 멀티플렉싱된 데이터 출력 스트림을 초래할 것이며, 데이터 출력 스트림의 주기적인 부분만이 개별 용량성 또는 저항성 센서와 연관될 것이라는 것이 당업자에게 자명할 것이다.
전류 미러는 RSENS의 저항 값의 큰 변동으로 인해 매우 넓은 범위의 전류에 대해 매우 높은 선형성을 유지해야 한다. 미러에 대해 조절된 캐스캐이드 토폴로지(regulated cascoded topologies)를 선택하는 것이 또한 강하게 권장되며, OPAMP(A3 및 A4)는 각 전류 미러의 출력 임피던스를 높이기에 충분히 높은 이득을 가져야 한다. 동작점 제약 조건(operative point constraints)을 더욱 잘 맞추기 위해 OPAMP(A3)는 p-입력 토폴로지를 사용하고 OPAMP(A4)는 상보적인 n-입력 토폴로지를 사용한다.
트랜지스터(M1A, M1B, M2A 및 M2B)는 이상적으로 오버드라이브를 낮게 유지하고 높은 ISENS 조건에서 증폭기(A1 및 A2)의 출력 포화를 방지하기 위해 매우 큰 W/L 비율을 갖는다. 트랜지스터(M3 및 M4)는 이상적으로 OPAMP(A3 및 A4)의 출력이 항상 VDD 및 GND로부터 충분히 분리되도록 보장하므로 훨씬 낮은 W/L 비율을 갖는다.
CSENS를 평가하는데 사용되는 RREF의 값은 모든 조건에서 최상의 선형성 응답을 보장하기 위해 최상의 공칭 동작점에서 정전류로 동작하는 전류 미러를 갖도록 선택되어야 한다.
적분기 OPAMP(A5) 및 비교기(402 및 404)는 이상적으로 최대 발진 주파수를 처리할 수 있을 만큼 충분히 빠른 것으로 나타난다. 비교기의 입력 스위칭 윈도우(ΔV)는 출력 해상도에 대한 비교기의 오프셋 영향을 줄이기 위해 가능한 커야한다.
도 4에 도시된 것과 유사한 구현예가 도 5에 도시된다. 도 5에 도시된 회로(500)에서, 저항성 감지 요소의 하나의 단자만이 이용가능하고, V2I 변환기가 이용가능한 단자와 접지 사이에 바이어싱을 제공한다.
따라서, 도 5는 다른 실시예에 따른 판독 회로의 아키텍처의 가능한 구현예의 개략도를 도시한다. 회로(500)는 전압-전류(V2I) 변환기를 포함하고, 안정된 레퍼런스 및 바이어스 전압(VREF)을 사용하여 단일 OPAMP(A1) 및 트랜지스터(M1A)가 센서 저항기(RSENS)에 바이어스 전압을 제공한다. 하나의 OPAMP(A1) 및 트랜지스터(M1B)는 하나의 안정된 레퍼런스 및 바이어스 전압(VREF)를 사용하여 레퍼런스 저항(RREF)에 바이어스 전압을 제공한다. 센서 저항기(RSENS) 및 저항성 레퍼런스 저항(RREF)은 모두 접지에 연결된다. 스위치(S1 및 S2)는 제 1 위치에서 센서 저항기(RSENS)를 트랜지스터(M1A)의 소스에 연결하고, 제 2 위치에서 레퍼런스 저항(RREF)을 트랜지스터(M1B)의 소스에 연결한다. 도 5에 도시된 피드백 및 소스 팔로어 구조는 트랜지스터(M1A)의 소스 및 트랜지스터(M2A)의 소스에서 낮은 출력 저항을 보장한다. 그런 다음, 신호 전류(ISENS = VREF/RSENS)는 미러링되고 제어 신호(CTRL_H 및 CTRL_L)에 따라 OPAMP(A5)를 포함하는 적분기의 가상 접지에서 번갈아가며 싱킹되거나 소싱된다. 이러한 제어 신호는 스위치(S5 및 S6)를 제어한다. 제 1 위치에서, 트랜지스터(M7B)의 드레인은 OPAMP(A5)의 입력에 연결되고, 트랜지스터(M8B)의 드레인은 VDD에 연결된다. 제 2 위치에서, 트랜지스터(M8B)의 드레인은 OPAMP(A5)의 입력에 연결되고, 트랜지스터(M7B)의 드레인은 접지에 연결된다.
스위치(S7)는 제 1 위치에서 트랜지스터(M5A 및 M7A 및 M7B)와 제 1 이중 출력 전류 미러를 형성하는데 사용되고, 제 2 위치에서 트랜지스터(M5B 및 M7A 및 M7B)와 제 2 이중 출력 전류 미러를 형성하는데 사용된다. 두 개의 전류 미러 모두는 도시된 바와 같이 δ의 비율을 갖는다.
도 5의 나머지 회로는 전술한 적분 회로 및 삼각파 대 가변 주파수 출력 신호 변환에 관한 것이다.
ASIC(100D)이 전술한 바와 같이 도 6에 더욱 상세히 도시되며, 실질적으로 아날로그 섹션(116) 및 주파수-직렬 데이터 변환기를 부분적으로 포함하는 디지털 섹션(118)을 도시한다. 아날로그 섹션(116)은 V2I 변환기(102), 적분기(104) 및 비교기 섹션(106)을 포함하여 실질적으로 전술된 바와 같다. 또한 아날로그 섹션(116)은 일 실시예에서 저항성 센서로부터 입력을 수신하는 2 노드 입력(108)과 레퍼런스 커패시터로부터 입력을 수신하는 2 노드 입력(110)을 포함한다. 레퍼런스 내부 클록(114)은 (센서 측정을 위한 기초(base)로서 사용되는) 시간 윈도우를 생성하는데 사용된다. 또한 사용된 전압 및 전류 레퍼런스를 생성하기 위한 밴드갭 회로(112)가 도시되어 있다.
디지털 섹션(118)은 적분기의 출력에서의 삼각파 신호의 주파수를 ASIC 출력에서 단일 비트 인터페이스로 통신될 수 있는 디지트로 변환한다. 관련된 부분에서, 레퍼런스 안정 시간 윈도우 내의 적분기의 출력에서 파형의 상승/하강 에지의 수가 카운팅된다. 디지털 섹션(118)은 레지스터(120), 비교기(122), 레퍼런스 카운터(124), 및 출력 버스(128)를 갖는 GAS 카운터(126)을 포함한다. 또한, 디지털 섹션(118)은 멀티플렉서(130), 스테이트 머신(132) 및 병렬-직렬 카운터(134)를 포함한다. 리셋 및 인에이블 버스는 적분기(104), GAS 카운터(126), 레퍼런스 카운터(124), 스테이트 머신(132) 및 병렬-직렬 변환기(134)에 연결되고 도시된 바와 같이 스트로브 핀에 연결된다.
ASIC(100D) 상의 핀은 아날로그 공급 전압(VDDANA), 디지털 공급 전압(VDDDIG), 2 비트 시간 윈도우 선택, 시작 측정 및 최종 측정 스트로브, 데이터 출력, 및 2 노드 입력(108 및 110)을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
도 7의 타이밍 도면을 참조하면, 파형도는 다음의 신호들을 도시한다: clk, sensor_signal, start_meas, count_en, clk_count, signal_count, serial_data, and data_flag.
"clk" 신호는 전술한 내부 500KHz 클럭 신호이다.
"sensor_signal"은 용량성 또는 저항성 신호의 출력이다.
"start_meas" 신호는 측정 사이클을 시작하는 펄스이다.
"count_en"은 클럭 사이클과 센서 신호 사이클이 카운팅될 때 하이가 되는 신호이다.
"clk_count" 신호는 카운팅되는 클록 신호의 수의 카운트 진행을 나타낸다.
"signal_count" 신호는 적분기의 출력에서 생성되고 비교기에서 제곱된 전압 신호의 상승/하강 (구현예에 따라 다르지만 관계는 없음) 에지를 카운트한다.
"serial_data" 신호는 설명 없이도 명백한 것으로, 출력 핀에서 사용자에게 제공되는 직렬 데이터를 참조하여 하나 이상의 저항성 및/또는 용량성 센서를 멀티플렉싱한다.
ASIC(100D)에 의해 제공되는 직렬 데이터의 해상도는 시간 윈도우 지속기간 및 클록 주파수에 따라 결정된다. 일반적으로 윈도우의 지속기간이 길고 클럭 주파수가 높을수록 해상도가 향상될 것이다.
도 8은 집적된 판독 회로(802)가 복수의 외부 레퍼런스 저항기(806), 저항성 센서(808), 레퍼런스 커패시터(810) 및 용량성 센서(812)와 상호 작용하는 휴대 전화와 같은 디바이스(800)의 블록도 형태를 도시한다. 디바이스 프로세서(804)는 또한 판독 회로(802)와 상호 작용하고 레퍼런스 및 센서의 이용 가능성을 제어하는 것으로 도시되어 있다. 도 8에서, 센서 및 레퍼런스는 동일한 집적 회로(802) 상에 집적되거나, 집적 회로(802)의 외부에 있지만 디바이스(800) 상에 존재하거나, 또는 이들의 조합으로 집적될 것이다. 판독 회로(802)에 도시된 6 개의 입력은 일 실시 예에서 도 4의 회로(400)와 다음과 같이 대응할 수 있다: IN1는 트랜지스터(M1A)의 소스, IN2는 트랜지스터(M2A)의 소스, IN3는 트랜지스터(M1B)의 소스, IN4는 트랜지스터(M2B)의 소스, IN5는 OPAMP(A5)의 음의 입력 및 IN6는 OPAMP(A6)의 출력.
제 1 동작 모드에서, 레퍼런스 저항기(806) 중 하나와 용량성 센서(812) 중 하나가 선택되어 회로(400)의 적절한 입력들에 연결될 수 있다. 제 2 동작 모드에서, 레퍼런스 커패시터(810) 중 하나와 저항성 센서(808) 중 하나가 선택되어 회로(400)의 적절한 입력들에 연결될 수 있다. 제 3 동작 모드에서, 저항성 센서(808) 중 하나 및 용량성 센서(812) 중 하나는 선택되어 회로(400)의 적절한 입력에 연결될 수 있다.
회로(400)는 일 실시예에서 2 개 또는 3 개의 모든 동작 모드를 멀티플렉싱하도록 구성될 수 있다. 상이한 센서 및 레퍼런스는 또한 복수의 센서 및 레퍼런스로부터 선택될 수 있고 원하는대로 멀티플렉싱될 수 있다. 원한다면, 제 1, 제 2 또는 제 3 모드 동작에서 동작을 고정하기 위해 고정 배선될 수 있는 다른 실시예가 존재할 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 설명은 제한적인 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 예시적인 실시예 및 본 발명의 다른 실시예의 다양한 수정 및 조합이 설명을 참조하여 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구 범위는 임의의 그러한 변형 또는 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 제 1 동작 모드에서는 레퍼런스 저항기에 연결되고 제 2 동작 모드에서는 저항성 센서에 연결되는 제 1 입력과,
    상기 제 1 동작 모드에서는 용량성 센서에 연결되고 상기 제 2 동작 모드에서는 레퍼런스 커패시터에 연결되는 제 2 입력과,
    상기 제 1 동작 모드에서는 용량성 센서 데이터 스트림을 제공하고 상기 제 2 동작 모드에서는 저항성 센서 데이터 스트림을 제공하는 출력과,
    상기 제 1 입력에 연결된 전압-전류 변환기를 포함하되,
    상기 전압-전류 변환기는 증폭기를 포함하며,
    상기 증폭기는 상기 증폭기의 출력에 직접 연결되는 스위치에 의해, 상기 제 1 동작 모드에서는 제 1 전류 미러 부분과 연결되고 상기 제 2 동작 모드에서는 제 2 전류 미러 부분과 연결되는,
    회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압-전류 변환기와 상기 제 2 입력에 연결된 적분기
    를 더 포함하는
    회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적분기는, 상기 제 1 동작 모드에서는 제 1 위치에 구성되고 상기 제 2 동작 모드에서는 제 2 위치에 구성되는 제 1 스위치와 제 2 스위치에 연결되는 증폭기를 포함하는
    회로.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 적분기와 상기 출력에 연결되는 로직 회로
    를 더 포함하는
    회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 로직 회로는 제 2 임계 전압을 갖는 제 2 비교기에 연결된 제 1 임계 전압을 갖는 제 1 비교기를 포함하는
    회로.
  8. 저항기에 연결된 제 1 입력 핀과,
    커패시터에 연결된 제 2 입력 핀과,
    제 1 동작 모드에서는 상기 커패시터의 값에 대응하는 데이터 스트림을 제공하고, 제 2 동작 모드에서는 상기 저항기의 값에 대응하는 데이터 스트림을 제공하도록 구성된 출력 핀과,
    상기 제 1 입력 핀에 연결된 전압-전류 변환기를 포함하되,
    상기 전압-전류 변환기는 증폭기를 포함하며,
    상기 증폭기는 상기 증폭기의 출력에 직접 연결되는 스위치에 의해, 상기 제 1 동작 모드에서는 제 1 전류 미러 부분과 연결되고 상기 제 2 동작 모드에서는 제 2 전류 미러 부분과 연결되는,
    집적 회로.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압-전류 변환기와 상기 제 2 입력 핀에 연결된 적분기
    를 더 포함하는
    집적 회로.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적분기는, 상기 제 1 동작 모드에서는 제 1 위치에 구성되고 상기 제 2 동작 모드에서는 제 2 위치에 구성되는 제 1 스위치와 제 2 스위치에 연결되는 증폭기를 포함하는
    집적 회로.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 적분기와 상기 출력 핀에 연결되는 로직 회로를 더 포함하는
    집적 회로.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 로직 회로는 제 2 임계 전압을 갖는 제 2 비교기에 연결된 제 1 임계 전압을 갖는 제 1 비교기를 포함하는
    집적 회로.
  15. 디바이스의 회로를 동작시키는 방법으로서,
    제 1 동작 모드에서 저항기와 용량성 센서를 상기 회로의 제 1 입력과 제 2 입력에 연결하는 단계와,
    제 2 동작 모드에서 커패시터와 저항성 센서를 상기 회로의 제 1 입력과 제 2 입력에 연결하는 단계와,
    상기 제 1 입력에 전압-전류 변환기 - 상기 전압-전류 변환기는 증폭기를 포함하고, 상기 증폭기는 상기 증폭기의 출력에 직접 연결되는 스위치에 의해 상기 제 1 동작 모드에서는 제 1 전류 미러 부분과 연결되고 상기 제 2 동작 모드에서는 제 2 전류 미러 부분과 연결됨 - 를 연결하는 단계와,
    상기 제 1 동작 모드에서 용량성 센서 데이터 스트림을 출력에 제공하는 단계와,
    상기 제 2 동작 모드에서 저항성 센서 데이터 스트림을 상기 출력에 제공하는 단계
    를 포함하는
    방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 디바이스 내에 존재하는 복수의 용량성 센서 중에서 상기 용량성 센서를 선택하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 디바이스 내에 존재하는 복수의 저항성 센서 중에서 상기 저항성 센서를 선택하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    집적 회로 내에 상기 저항성 센서와 상기 회로를 함께 집적시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    집적 회로 내에 상기 용량성 센서와 상기 회로를 함께 집적시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    제 3 동작 모드에서 저항성 센서와 용량성 센서를 상기 회로의 상기 제 1 입력과 상기 제 2 입력에 연결하는 단계와,
    상기 제 3 동작 모드에서 합성 센서 데이터 스트림을 상기 출력에 제공하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
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