KR102048393B1

KR102048393B1 - 정밀한 직각 위상 변이기

Info

Publication number: KR102048393B1
Application number: KR1020130036261A
Authority: KR
Inventors: 이온 오프리스; 셩능 리
Original assignee: 페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2019-11-25
Also published as: CN203301454U; CN103368562A; CN103368562B; KR20130112789A

Abstract

MEMS 센서용의 구동 신호 회로를 포함하는 장치를 제공한다. 구동 신호 회로는, MEMS 센서에 의해 생성된 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 입력, 입력에 전기적으로 연결되어 입력 신호를 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하는 위상 변이 회로, 및 히스테리시스를 갖는 비교기 회로를 포함한다. 비교기 회로의 입력은 위상 변이 회로의 출력에 전기적으로 연결되고 비교기 회로의 출력은 구동 신호 회로의 출력에 전기적으로 연결된다. 피드백 루프는 구동 신호 회로의 출력으로부터 위상 변이 회로의 입력까지 이어져 있으며, 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호를 생성한다. 구동 신호 회로에 의해 생성된 출력 신호는 MEMS 센서의 구동 입력에 인가된다.

Description

정밀한 직각 위상 변이기{ACCURATE NINETY DEGREE PHASE SHIFTER}

본 문서는 미세전자기계 시스템(MEMS: micro-electromechanical systems) 센서와 인터페이싱하기 위한 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

미세전자기계 시스템(MEMS)은 집적회로를 제조하는 데에 사용되는 기술과 유사한 포토리소그래피 기술을 사용해서 제조되는 전기적 및 기계적 기능을 수행하는 소형의 기계 장치를 포함한다. 일부 MEMS 장치는 가속기 등과 같이 움직임을 검출할 수 있는 센서 또는 자이로스코프 등과 같이 각속도를 검출할 수 있는 센서이다.

MEMS 자이로스코프가 널리 사용되고 있는데, 다축 자이로스코프 MEMS 구조체(multi-axis gyroscope MEMS structures)의 경우에는 일체형으로 형성될 수 있다. 개인용 또는 모바일 전자 장치 등과 같은 일부 애플리케이션에서는 MEMS 자이로스코프 센서가 아직도 크고 복잡하다고 여겨지고 있다. 또한, 고객/모바일, 자동차 및 항공우주/방어 애플리케이션에서의 3-축 가속도 검출의 요구가 꾸준히 증가하고 있다. 따라서, MEMS 자이로스코프의 구동 및 감지용 전자 장치의 크기와 복잡도를 감소시키는 것이 바람직하다.

본 문서의 장치는 MEMS 센서용 구동 신호 회로(drive signal circuit)를 포함한다. 이 구동 신호 회로는, MEMS 센서에 의해 생성된 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 입력, 입력에 전기적으로 연결되어 입력 신호를 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하는 위상 변이 회로(phase-shift circuit), 및 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 비교기 회로를 포함한다. 비교기 회로의 입력은 위상 변이 회로의 출력에 전기적으로 연결되고 비교기 회로의 출력은 구동 신호 회로의 출력에 전기적으로 연결된다. 피드백 루프는 구동 신호 회로의 출력으로부터 위상 변이 회로의 입력까지 이어져 있으며, 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호(self-oscillating signal)를 생성한다. 구동 신호 회로에 의해 생성된 출력 신호는 MEMS 센서의 구동 입력에 인가된다.

본 항목은 본 특허출원의 주제의 개략적으로 설명하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명을 한정적으로 설명하기 위한 것이 아니다. 상세한 설명은 본 특허출원에 관한 추가의 정보를 제공하기 위한 것이다.

본 도면은 반드시 실측으로 되어 있는 것은 아니며, 유사한 참조 부호는 다른 도면에서 유사한 요소를 나타낼 수 있다. 상이한 첨자를 가진 유사한 참조 부호는 유사한 요소의 다른 예를 나타낼 수 있다. 도면은 일반적으로 예시를 위해 본 명세서에서 논의되는 여러 실시형태를 보여주는 것이며 한정을 위한 것이 아니다.
도 1은 MEMS 센서 및 IC를 포함하는 전자 시스템의 예의 일부를 나타내는 블록도이다.
도 2는 MEMS 센서용 구동 신호를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 구동 신호 회로의 예의 일부를 나타내는 회로도이다.
도 4는 구동 신호 회로의 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다.
도 5는 구동 신호 회로의 또 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다.
도 6은 구동 신호 회로의 또 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다.
도 7은 구동 신호 회로의 또 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다.
도 8은 MEMS 센서용 구동 신호 회로를 형성하는 방법의 예를 나타내는 흐름도이다.

도 1은 미세전자기계 시스템(MEMS: micro-electromechanical systems) 센서(105) 및 집적 회로(IC)(110)를 포함하는 전자 시스템의 예의 일부를 나타내는 블록도이다. MEMS 센서는, 예를 들어 발진 자이로스코프(vibratory gyroscope) 등의 MEMS 자이로스코프를 포함할 수 있다. 발진 자이로스코프는 기판의 위에 매달린 프루프 매스(proof mass)를 포함할 수 있다. 프루프 매스는 구동 방향 및 이 구동 방향에 직각인 감지 방향으로 기계적으로 발진한다. 프루프 매스는 외부 구동원에 의해 구동 방향으로 공진된다. 자이로스코프가 각 회전하게 되면, 코리올리의 힘(Coriolis force)이 감지 커패시터를 사용해서 검출되는 감지 방향으로 유도된다. 도면에서, 커패시터(gdp, gdn)는 MEMS 센서(105)에 대한 구동 입력을 나타내며, 커패시터(gp, gn)는 MEMS 센서(105)의 감지 신호 출력을 나타낸다.

IC(110)는 MEMS 센서(105)의 기계적 발진을 목표로 하는 기계적 발진으로 유지하도록 구성 또는 설계된 회로를 포함한다. 이 회로는 전하-전압 컨버터 회로(115)(C2V) 및 센서 구동 증폭기 회로(sensor drive amplifier circuit)(120)를 포함한다. C2V는 MEMS 센서의 기계적 발진에 의해 생성된 전하를 전압으로 변환한다. 센서 구동 증폭기 회로(120)는 센서에 전자기력(electrostatic force)을 제공해서 기계적 발진을 생성한다. IC(110)는 또한 자동 이득 제어(AGC) 회로(125) 및 구동 신호 회로(130)를 포함한다. AGC 회로(125)는 전자기력을 조정해서 기계적 발진을 목표로 하는 값으로 유지한다.

구동 신호 회로(130)는 기준 구동 신호(reference drive signal)를 센서 구동 증폭기 회로(120)에 제공한다. 이 기준 구동 신호는 MEMS 센서(105)로부터 감지된 신호에 기초할 수 있다. EMS 센서에 의한 감지는 MEMS 센서의 구동과 직각(90도)으로 위상 변이(phase shift)되기 때문에, 감지된 신호는 실질적으로 직각만큼 위상 변이되어 기준 구동 신호를 생성한다. 그러나, 전자 시스템이 먼저 기동 또는 시동되는 경우, MEMS 센서(105)가 이용할 수 있는 구동 신호가 존재하지 않기 때문에, 기준 구동 신호를 생성하는 MEMS 센서(105)로부터 감지 신호가 생성되지 않는다.

초기 기준 구동 신호(initial reference drive signal)를 생성하기 위해, 구동 신호 회로(130)는 시동시 발진 신호를 생성한다. 따라서, MEMS 센서(105)로부터의 감지 신호가 존재하지 않는 경우에도 구동 신호가 센서 구동 증폭기 회로(120)에 제공될 수 있다. 이 발진 신호에 의해 MEMS 센서(105) 내에 기계적 발진이 생겨서, 전하를 생성하게 되고, C2V 회로의 출력에서 감지 신호를 생성한다. 이 초기 구동 신호는 다수의 고조파 주파수를 포함할 수 있다. 생성된 감지 신호가 임계 진폭(threshold amplitude)에 도달하면, 기준 구동 신호는 생성된 감지 신호의 주파수에 동기된다. MEMS 센서에 의해 생성된 감지 신호는 MEMS 센서(105)의 기계적 공진에 기인한, Q가 높은 신호(high-Q signal)이며, 이 신호를 사용함으로써 공진 구동 신호의 Q가 높게 된다.

도 2는 MEMS 자이로스코프 또는 자이로 등의 MEMS 센서용 구동 신호를 생성하는 방법(200)을 나타내는 흐름도이다. 블록 205에서, 발진 신호는 구동 신호 회로에 의해 구동 신호 회로의 출력에서 자기생성(self-generate)된다. 이 발진 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가된다.

블록 210에서, MEMS 센서의 구동 입력에 발진 신호를 인가하는 것에 응답하여, MEMS 센서에 의해 생성되는 전하를 나타내는 전압 신호가 구동 신호 회로의 입력에서 수신된다.

블록 215에서, 수신된 전압 신호의 위상은 실질적으로 직각(90도)만큼 위상 변이되며, 위상 변이된 신호는 자기생성된 신호를 사용하지 않고 구동 신호를 생성하는 데에 사용된다. 블록 220에서, 생성된 구동 신호는 MEMS 센서의 구동 입력에 인가된다.

도 3은 구동 신호 회로의 일례의 일부를 나타내는 회로도이다. 구동 신호 회로는 MEMS 센서용의 기준 구동 신호를 제공한다. 이 구동 신호 회로는 MEMS 센서에 의해 생성되는 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 입력(335)을 포함한다. 일례로, 전압 신호는 전하-전압 컨버터 회로로부터 수신된다.

구동 신호 회로는 위상 변이 회로(phase-shift circuit)(340) 및 비교기 회로(345)를 포함한다. 위상 변이 회로(340)는 입력(335)에 전기적으로 연결될 수 있다. 위상 변이 회로(340)는 입력 신호의 위상을 실질적으로 직각(90°) 만큼 위상 변이시킨다. 일례로, 위상 변이 회로(340)는 적분기 회로(integrator circuit)를 포함한다. 비교기 회로(345)는 히스테리시스(hysteresis)를 갖는다. 비교기 회로(345)의 출력은 입력이 제1 임계값보다 큰 경우에 로우 상태에서 하이 상태로 천이하며, 입력이 제1 임계값과 상이한 제2 임계값보다 작은 경우에는 하이 상태에서 로우 상태로 천이한다. 비교기 회로(345)의 입력은 위상 변이 회로(340)의 출력에 전기적으로 연결될 수 있으며, 비교기 회로(345)의 출력은 구동 신호 회로의 출력(350)에 전기적으로 연결될 수 있다.

구동 신호 회로는 구동 신호 회로의 출력으로부터 위상 변이 회로(340)의 입력까지 이어진 피드백 루프(feedback loop)를 포함한다. 위상 변이 회로(340)가 적분기 회로(integrator circuit)를 포함하면, 피드백 루프는 적분기 회로(345)의 출력으로부터 적분기 회로의 증폭기 회로(355)의 입력에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 3의 예에 나타낸 바와 같이, 피드백 루프는 비교기 회로(350)의 출력에 전기적으로 연결된 입력을 갖는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(transconductance amplifier circuit)(360)[연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)라고도 함]와, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(360)의 출력에 전기적으로 연결된 입력 및 위상 변이 회로(340)의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(365)를 포함할 수 있다. 피드백 루프는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(360)의 출력과 회로 접지에 연결된 커패시터(370)(C1)를 포함할 수 있다.

피드백 루프의 구성은 구동 신호 회로의 출력(350)에서 발진 신호 또는 자려발진 신호(self-oscillating signal)를 자체적으로 생성한다. 히스테리시스 비교기 회로는 루프 내에서(적분기 출력에서) 최소 발진 진폭을 유지하고 자려발진 주파수(self oscillation frequency)의 범위를 제어한다. 비교기의 이진 출력은 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(360)를 통해 커패시터(370)를 충전/방전한다. 50% 듀티 사이클로부터의 자려발진 신호의 오차는 커패시터(370)에 기억되며 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(365)를 통해 위상 변이 회로(340)에 피드백한다. 이 피드백 구성은 입력 신호 오프셋, 증폭기 오프셋, 및 비교기 오프셋을 보정해서 실질적으로 50% 듀티 사이클 출력 신호를 제공할 수 있다.

구동 신호 회로에 의해 생성된 출력 신호는 MEMS 센서의 구동 입력에 인가된다. 기준 구동 신호로서 제공되는 출력 신호는 구동 회로 출력(350)(OUT)에서의 신호 또는 위상 변이 회로(340)의 출력(OUT-SINEWAVE)이 될 수 있다. 도 1에 나타낸 예의 경우, 구동 신호 회로의 자려발진 신호는 기동시 구동 증폭기 회로(120)에 대한 기준 구동 신호로서 AGC 회로(125)에 의해 선택된다. 이 자려발진 신호는 구동 신호 회로 내에서 OUT으로 표시된 회로 노드에서 이용가능하다. 감지된 신호의 진폭이 충분하면(예를 들어, 미리 정해진 신호 임계 진폭을 만족하면), AGC 회로(125)는 기준 구동 신호를, OUT에서 이용가능한 신호로부터 기준 구동 신호로서의, OUT-SINEWAVE에서 이용가능한 신호로 전환할 수 있다. 이것은 진폭 임계값에 도달된 후, OUT-SINEWAVE가 MEMS 센서에 대해 고조파적으로 더 순수한(예를 들어, Q값이 높은) 기준 구동 신호를 제공하기 때문이다. Q값이 높은 신호에 의해, 고조파 주파수가 적어져서, MEMS 센서의 구동 및 기계적 공진이 향상된다. OUT-SINEWAVE에서의 Q값이 높은 신호는 정확한 직각 위상 변이 및 실질적으로 50% 듀티 사이클을 제공한다.

위상 변이 회로(340)가 적분기 회로를 포함하는 경우, 피드백 구성은 전방 경로에 있는 적분기에 안정적인 동작 포인트를 제공한다. 이 안정적인 경로 포인트는 작은 오프셋의 적분으로부터 생길 수 있는 폭주(run-away)의 문제를 피할 수 있다. 또한, 직류(DC) 신호에 대해 제어된 신호 이득을 갖는 증폭기 회로(355)를 사용함으로써, 온도의 변화에 따른 자려발진 신호의 주파수 편이를 최소화한다. 피드백 경로는 입력 신호 오프셋을 보상하기 위해 충분히 큰 DC 전류를 제공하도록 설계되어야 하지만, 반면에 전방 경로의 적분기에 의해 제공되는 직각 위상 변이를 방해하지 않도록 매우 낮은 직류(AC) 이득을 가져야 한다.

피드백 루프의 설계는 구현하기 어려운 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로에 대하여 트랜스컨덕턴스 값 gm을 얻을 수 있다. 작은 값 gm은 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 전류를 분할함으로써 피할 수 있는데, 이 출력 전류를 위상 변이 회로에 공급하기 전에 분할한다. 도 4는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(460) 및 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(465)를 포함하는 피드백 루프를 갖는 구동 신호 회로의 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다. 구동 신호 회로는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(465)의 출력 전류를 분할하기 위해, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(465)의 출력에 전기적으로 연결된 전류 분할기 회로(current divider circuit)(475)를 포함한다.

도 5는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(560) 및 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(565)를 포함하는 피드백 루프를 갖는 구동 신호 회로의 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다. 구동 신호 회로는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(565)의 출력 전류를 분할하기 위해, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로565)의 출력과 위상 변이 회로(540)의 입력에 전기적으로 연결된 저항 분할기 회로(resistive divider circuit)(575)를 포함한다.

피드포워드 적분기 회로(feed-forward integrator circuit)의 증폭기는 입력 신호 동작이 큰 동안에 양호한 위상 여유(phase margin)를 제공하기 위해 낮은 이득을 가져야 한다. 대체 방안으로서, 높은 이득 증폭기를 사용하지만 피드백 루프의 구성을 변경하는 것이 있다. 도 6은 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(660) 및 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(665)를 포함하는 피드백 루프를 갖는 구동 신호 회로의 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다. 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(665)는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력과 적분기 증폭 회로의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 갖는다. 피드백 루프는 또한 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(660)의 출력에 연결된 저항기(680)와, 저항기(680) 및 회로 접지에 연결된 커패시터(670)를 포함한다. 이 보상 저항기(R₁)는 피드백 전달 함수(feedback transfer function)에 제로(0)를 가산한다. 이러한 위상의 추가에 의해, 높은 진폭 입력 신호에 대해 위상 여유가 향상된다.

피드백에 유효한 제로(0)를 제공하기 위한 보상 저항기의 값은 IC를 구현하기에는 너무 클 수 있다. 도 7은 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(785)를 포함하는 피드백 루프를 갖는 구동 신호 회로의 또 다른 예의 일부를 나타내는 회로도이다. 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(785)의 입력은 비교기 회로(745)의 출력 및 적분기 증폭 회로의 입력에 전기적으로 연결되어, 또 다른 병렬의 피드백 루프를 형성한다. 이러한 추가된 트랜스컨덕턴스 단계에 의해, 보상 저항기를 크게 하지 않아도 되며, 유효한 제로를 제공할 수 있게 되어, 위상의 진행(phase lead)을 제공하고, 위상 여유가 있는 높은 진폭 입력 신호를 개선할 수 있다.

도 8은 MEMS 센서용의 구동 신호 회로를 형성하는 방법(800)의 예를 나타내는 흐름도이다. 블록 805에서, 구동 신호 회로의 입력은 적분기 회로의 입력에 전기적으로 연결된다. 적분기 회로는 본 명세서의 예에 나타낸 바와 같은 회로 토폴로지(circuit topology)를 가질 수 있다. 블록 810에서, 적분기 회로의 출력은 히스테리시스를 갖는 비교기 회로에 전기적으로 연결된다.

블록 815에서, 구동 신호 회로 내의 피드백 루프는 회로 전력이 구동 신호 회로에 인가될 때에 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호를 생성하도록 형성된다. 피드백 루프는 비교기 회로의 출력부터 적분기 회로의 증폭기[예를 들어, 연산 증폭기(op-amp)]의 입력까지 이어져 있다. 적분기 회로는 구동 신호 회로로의 입력에서 수신된 입력 신호의 위상 각을 실질적으로 직각으로 변이한다. 수신된 입력 신호는 자려발진 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 것에 따라 생성된다. 구동 신호 회로는 커패시턴스-전압 컨버터 회로에 전기적으로 연결될 수 있으며, 입력 신호는 자려발진 신호의 MEMS 센서에 대한 인가에 따라 MEMS 센서에 의해 생성되는 변화로부터 변환된 전압 신호가 될 수 있다.

구동 신호 회로는 구동 발진 신호를 제공하기 위한 신뢰성 있는 자기 기동(self-startup)을 제공하고, 또한 50% 듀티 사이클을 신뢰성 있게 제공한다. 구동 신호 회로는 또한 미분기 위상 변이기(differentiator phase-shifter)와 연관된 잡음을 제거하는 정확한 직각(90°) 위상 변이를 제공한다.

추가적인 사항 및 실시예

실시예 1은 미세전자기계 시스템(MEMS: micro-electromechanical systems) 센서용의 구동 신호 회로를 포함하는 주제(예를 들어, 장치)를 포함할 수 있다. 구동 신호 회로는, MEMS 센서에 의해 생성된 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 입력, 입력에 전기적으로 연결되어 입력 신호를 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하는 위상 변이 회로, 및 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 비교기 회로를 포함한다. 비교기 회로의 입력은 위상 변이 회로의 출력에 전기적으로 연결되고 비교기 회로의 출력은 구동 신호 회로의 출력에 전기적으로 연결된다. 피드백 루프는 구동 신호 회로의 출력으로부터 위상 변이 회로의 입력까지 이어져 있으며, 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호(self-oscillating signal)를 생성한다. 구동 신호 회로에 의해 생성된 출력 신호는 MEMS 센서의 구동 입력에 인가된다.

실시예 2는 실시예 1의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 비교기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력을 구비하는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(transconductance amplifier circuit), 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력과 상기 위상 변이 회로의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 구비하는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로, 및 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력과 회로 접지에 연결된 커패시터를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 3은 실시예 1 및 2 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 전류 분할기 회로(current divider circuit)를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 4는 실시예 1 내지 3 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 및 위상 변이 회로의 입력에 전기적으로 연결되고, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 전류를 분할하도록 구성된 저항 분할기 회로(resistive divider circuit)를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 5는 실시예 1 내지 4 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 위상 변이 회로는 증폭기 회로를 구비하는 적분기 회로(integrator circuit)를 선택적으로 포함할 수 있으며, 피드백 루프는 비교기 회로의 출력으로부터 적분기 증폭 회로의 입력에 전기적으로 연결된다.

실시예 6은 실시예 5의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 직류(DC) 신호에 대해 제어된 신호 이득을 제공하는 적분기 증폭 회로를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 7은 실시예 5 및 6 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 포함하며, 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 입력은 비교기 회로의 출력 및 적분기 증폭 회로의 입력에 전기적으로 연결되어, 제2 피드백 루프를 형성할 수 있다.

실시예 8은 실시예 5 내지 7 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 피드백 루프는, 비교기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력을 갖는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력 및 적분기 증폭 회로의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 연결된 저항기, 및 저항기와 회로 접지에 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.

실시예 9는 실시예 1 내지 8 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, MEMS 센서를 포함하며, MEMS 센서는 MEMS 자이로(gyro)를 포함할 수 있다.

실시예 10은 실시예 1 내지 9 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 구동 신호 회로의 출력에서 발진 신호를 자기생성하고, 발진 신호를 미세전자기계 시스템(MEMS) 센서의 구동 입력에 인가하는 단계, 구동 신호 회로의 입력에서, 발진 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 것에 따라 MEMS 센서에 의해 생성되는 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 단계; 수신된 전압 신호의 위상을 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하고, 위상 변이된 신호를 사용해서 구동 신호를 생성하는 단계, 및 생성된 구동 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 단계를 포함하는 주제(예를 들어, 방법, 기능을 수행하기 위한 수단, 머신에 의해 수행될 때에 머신으로 하여금 기능을 수행하도록 하는 명령어를 포함하는 기계로 판독가능한 매체)를 포함할 수 있다.

실시예 11은 실시예 10의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 수신된 전압 신호를, 적분기 회로를 사용하여 적분(integrate)하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 12는 실시예 11의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 적분된 수신된 전압 신호를, 히스테리시스를 가진 비교기 회로에 인가하는 단계, 및 비교기 회로의 출력을 적분기 회로의 증폭기의 입력에 피드백하여 피드백 루프(feedback loop)를 형성하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 13은 실시예 12의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 통해, 비교기 회로의 출력을 이용하여 커패시터를 충전하는 단계, 및 커패시터의 전하를, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 통해, 적분기 회로의 증폭기의 입력에 인가하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 14는 실시예 13의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 트랜스컨덕턴스를 감소시키기 위해 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 전류를 분할하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 15는 실시예 13 및 14 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 비교기 회로의 출력을 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 입력에 전기적으로 연결하는 단계와, 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력을 적분기 회로의 증폭기 회로의 입력에 전기적으로 연결해서 제2 피드백 루프를 형성하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 16은 실시예 13 내지 15 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 저항기를 통해 커패시터를 충전하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 17은 실시예 11 내지 16 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 생성된 구동 신호를 MEMS 자이로 센서의 구동 입력에 인가하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 18은 실시예 1 내지 17 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 구동 신호 회로의 입력을 적분기 회로에 전기적으로 연결하는 단계, 적분기 회로의 출력을 히스테리시스를 갖는 비교기 회로에 전기적으로 연결하는 단계, 및 회로 전력이 구동 신호 회로에 인가될 때에 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호를 생성하도록 구동 회로 내에 피드백 루프를 형성하는 단계를 선택적으로 포함(예를 들어, 방법, 기능을 수행하기 위한 수단, 머신에 의해 수행될 때에 머신으로 하여금 기능을 수행하도록 하는 명령어를 포함하는 기계로 판독가능한 매체)할 수 있으며, 피드백 루프는 비교기 회로의 출력으로부터 적분기 회로의 증폭기의 입력까지 이어져 있다. 적분기 회로는 구동 신호 회로로의 입력에서 수신된 입력 신호의 위상 각을 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하며, 입력 신호는 자려발진 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 것에 따라 생성된다.

실시예 19는 실시예 18의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 비교기 회로의 출력을 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 통해 커패시터에 전기적으로 연결하는 단계와, 커패시터를 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기를 이용하여 위상 변이 회로에 전기적으로 연결하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 20은 실시예 19의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 전류 분할기 회로를 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 21은 실시예 18 내지 20 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 저항 분할기 회로를 입력에서 적분기 회로에 전기적으로 연결하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 22는 실시예 18 내지 21 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, DC 신호용의 제어된 신호 이득을 갖는 증폭기 회로를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 23은 실시예 18 내지 22 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 비교기 회로의 출력을 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 입력에 전기적으로 연결하는 단계와, 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력을 적분기 회로의 증폭기 회로의 입력에 전기적으로 연결하여 제2 피드백 루프를 형성하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 24은 실시예 18 내지 23 중의 하나 또는 임의의 조합의 주제를 포함하거나 선택적으로 조합되어, 자려발진 신호를 MEMS 자이로의 구동 입력에 인가하는 것에 따라 입력 신호를 생성하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.

실시예 25는 실시예 1-24 중의 어느 하나 위상 변이를 포함하거나, 실시예 1-21의 기능들 중 임의의 하나 위상 변이를 수행하기 위한 수단, 또는 기계에 의해 수행될 때에, 기계로 하여금 실시예 1-24 중의 어느 하나 위상 변이의 기능을 수행하도록 하는 명령어를 포함하는 기계로 판독가능한 매체를 포함하도록, 실시예 1-24 중의 어느 하나 위상 변이의 임의의 부분 또는 임의의 부분의 조합을 포함할 수 있다.

상기 상세한 설명은 상세한 설명의 일부를 이루는 첨부 도면에 대한 설명을 포함한다. 도면은, 실례로서, 본 발명은 실시할 수 있는 구체적인 실시예를 나타낸다. 이들 실시예를 여기서는 "실시형태" 또는 "예"라고도 한다. 본 명세서에 언급된 모든 공보, 특허, 및 특허문헌은 인용에 의해 개별적으로 본 명세서에 포함되는 것에 의해, 그 내용 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 본 명세서와 인용에 의해 포함되는 상기 문헌들 사이에서 사용에 불일치가 있는 경우, 포함된 인용의 구성은 그 명세서의 부분에 대한 보충으로서 고려될 수 있다. 양립할 수 없는 모순에 대해서는 본 명세서의 사용(또는 구성)이 우선한다.

본 명세서에서, "하나"라는 용어는, 특허문헌에 공통인 것처럼, 다른 경우들이나 "적어도 하나" 또는 "하나 위상 변이"의 사례 또는 사용과 관계없이 하나 또는 둘 위상 변이를 포함하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, "또는"이라는 용어는 비한정적인 것, 즉 달리 명시되지 않는 한, "A 또는 B"는 "B가 아니라 A", "A가 아니라 B", 그리고 "A 및 B"를 가리키기 위해 사용된다. 첨부한 청구범위에서 사용되는 "포함하는(including)" 및 "여기서(wherein)"라는 용어는 각각의 용어의 평이한 영어의 등가 표현인 "포함하는"(comprising) 및 "여기서(wherein)"로서 사용된다. 또한, 아래의 특허청구범위에서, "포함하는"이라는 용어는 제한을 두지 않는 것이다, 즉, 특허청구범위에서 이 용어 앞에 열거된 것 이외의 요소들을 포함하는 시스템, 소자, 물품, 또는 프로세스가 여전히 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 간주한다. 게다가, 아래의 특허청구범위에서 "제1", "제2", 및 "제3" 등의 용어는 단지 라벨로서 사용된 것이고, 그 대상에 수치적 요건을 부가하기 위한 것은 아니다.

위상 변이의 기재는 설명하기 위한 것이고, 한정하려는 것은 아니다. 예를 들면, 전술한 예들(또는 하나 위상 변이의 그 측면들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들면 해당 기술분야의 당업자가 위상 변이의 기재를 검토함에 따라, 다른 실시예를 사용할 수 있다. 요약서는 37 C.F.R, §1.72(b)에 따라 독자로 하여금 개시된 기술 내용을 신속하게 알 수 있도록 하기 위해 제공된다. 요약서는 청구항들의 범위 또는 의미를 해석하거나 한정하는 데 사용되지 않을 것이라는 이해를 바탕으로 제출된다. 또한, 위상 변이의 상세한 설명에서, 여러 특징을 함께 그룹으로 묶어 개시내용을 간단하게 할 수 있다. 이것은 청구되지 않은 개시된 특징은 모든 청구항에 필수적임을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 발명의 내용은 특정 개시된 실시예의 모든 특징 이내 있을 수 있다. 따라서, 다음의 특허청구범위는, 개별 실시예인 그 자체에 의거하는 각 청구항과 함께, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함되며, 그러한 실시예들은 여러 조합 또는 순열로 서로 조합될 수 있다. 본 발명의 범위는 청구항들의 등가물의 전 범위와 함께, 첨부된 특허청구범위를 참조하여 정해져야 한다.

Claims

미세전자기계 시스템(MEMS: micro-electromechanical systems) 센서용의 구동 신호 회로(drive signal circuit)를 포함하는 장치에 있어서,
상기 구동 신호 회로는,
상기 MEMS 센서에 의해 생성된 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 입력;
상기 입력에 전기적으로 연결되어 입력 신호를 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하는 위상 변이 회로(phase-shift circuit);
히스테리시스(hysteresis)를 가지며, 상기 위상 변이 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력과 상기 구동 신호 회로의 출력에 전기적으로 연결된 출력을 구비하는 비교기 회로; 및
상기 구동 신호 회로의 출력으로부터 상기 위상 변이 회로의 입력까지 이어져 있으며, 상기 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호(self-oscillating signal)를 생성하는 피드백 루프(feedback loop)를 포함하며,
상기 구동 신호 회로에 의해 생성된 출력 신호가 상기 MEMS 센서의 구동 입력에 인가되는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 피드백 루프는,
상기 비교기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력을 구비하는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로(transconductance amplifier circuit);
상기 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력과 상기 위상 변이 회로의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 구비하는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로; 및
상기 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력과 회로 접지에 연결된 커패시터를 포함하는, 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 전류 분할기 회로(current divider circuit)를 포함하는 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 및 상기 위상 변이 회로의 입력에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 전류를 분할하도록 구성된 저항 분할기 회로(resistive divider circuit)를 포함하는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서.
상기 위상 변이 회로는 증폭기 회로를 구비하는 적분기 회로(integrator circuit)를 포함하며,
상기 피드백 루프는 상기 비교기 회로의 출력으로부터 상기 적분기 회로의 입력에 전기적으로 연결된, 장치.
제5항에 있어서,
상기 적분기 회로는 직류(DC) 신호에 대해 제어된 신호 이득을 제공하는, 장치.
제5항에 있어서,
상기 장치는 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 포함하며,
상기 제3 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 입력은 상기 비교기 회로의 출력 및 상기 적분기 회로의 입력에 전기적으로 연결되어, 제2 피드백 루프를 형성하는, 장치.
제5항에 있어서,
상기 피드백 루프는,
상기 비교기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력을 갖는 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로;
상기 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 전기적으로 연결된 입력 및 상기 적분기 회로의 입력에 전기적으로 연결된 출력을 갖는 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로;
상기 제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력에 연결된 저항기; 및
상기 저항기와 회로 접지에 연결된 커패시터를 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 장치는 MEMS 센서를 포함하며,
상기 MEMS 센서는 MEMS 자이로(gyro)를 포함하는, 장치.
구동 신호 회로(drive signal circuit)의 출력에서 발진 신호(oscillating signal)를 자기생성(self-generating)하는 단계와, 상기 발진 신호를 미세전자기계 시스템(MEMS: micro-electromechanical systems) 센서의 구동 입력에 인가하는 단계;
상기 구동 신호 회로의 입력에서, 상기 발진 신호를 상기 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 것에 따라 상기 MEMS 센서에 의해 생성되는 전하를 나타내는 전압 신호를 수신하는 단계;
상기 수신된 전압 신호의 위상을 실질적으로 직각(90도)으로 위상 변이하는 단계와, 위상 변이된 신호를 사용해서 구동 신호를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 구동 신호를 상기 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 단계
를 포함하고,
상기 수신된 전압 신호의 위상을 실질적으로 직각으로 위상 변이하는 단계는, 상기 수신된 전압 신호를, 적분기 회로를 사용하여 적분(integrate)하는 단계를 포함하고,
상기 발진 신호를 자기생성하는 단계는, 상기 적분된 수신된 전압 신호를, 히스테리시스를 가진 비교기 회로에 인가하는 단계와, 피드백 루프(feedback loop)를 형성하도록 상기 비교기 회로의 출력을 상기 적분기 회로의 증폭기의 입력에 피드백하는 단계를 포함하는, 방법.
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제10항에 있어서,
상기 비교기 회로의 출력을 피드백하는 단계는,
제1 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 통해, 상기 비교기 회로의 출력을 이용하여 커패시터를 충전하는 단계; 및
상기 커패시터의 전하를, 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로를 통해, 상기 적분기 회로의 증폭기의 입력에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
제13항에 있어서,
상기 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 트랜스컨덕턴스를 감소시키기 위해 상기 제2 트랜스컨덕턴스 증폭기 회로의 출력 전류를 분할하는 단계를 포함하는 방법.
제10항, 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성된 구동 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 단계는, 상기 생성된 구동 신호를 MEMS 자이로 센서의 구동 입력에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
MEMS 센서용 구동 신호 회로를 형성하는 방법으로서,
상기 구동 신호 회로의 입력을 적분기 회로(integrator circuit)에 전기적으로 연결하는 단계;
상기 적분기 회로의 출력을 히스테리시스를 갖는 비교기 회로에 전기적으로 연결하는 단계; 및
회로 전력이 상기 구동 신호 회로에 인가될 때 상기 구동 신호 회로의 출력에서 자려발진 신호를 생성하도록 상기 구동 신호 회로 내에 피드백 루프를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 피드백 루프는 상기 비교기 회로의 출력으로부터 상기 적분기 회로의 증폭기의 입력으로 이어져 있으며,
상기 적분기 회로는 상기 구동 신호 회로로의 입력에서 수신된 입력 신호의 위상 각을 실질적으로 90도만큼 위상 변이시키고, 상기 입력 신호는 상기 자려발진 신호를 MEMS 센서의 구동 입력에 인가하는 것에 응하여 생성되는, MEMS 센서용의 구동 신호 회로를 형성하는 방법.