[ZSSC3123] Analog Front End 설정 방법

ZSSC3123 데이터시트에 명시된 보정식은 Capacitance-to-Digital Converter 섹션에서 설명되며, 이는 단일 센서 커패시터(Single-Ended)와 외부 기준 커패시터를 사용하는 단일 센서(Single-Ended with External Reference) 설정에 대한 것입니다.

1. 단일 센서 커패시터 (Single-Ended)

단일 센서 커패시터 설정에서는 ZSSC3123의 CDC(Capacitance-to-Digital Converter)가 센서 커패시터(\(C_0\))와 내부 기준 커패시터(\(C_{\text{REF}}\))를 비교하여 디지털 값을 생성합니다. 이 과정은 센서 커패시터의 값을 내부 기준 커패시터에 대한 비율로 변환하며, 오프셋 조정(\(C_{\text{OFF}}\))을 통해 측정 해상도를 최적화합니다.

Equation 1: 센서 비율 계산

\[ Z_{\text{SENSOR}} = \frac{C_0 - C_{\text{OFF}}}{C_{\text{REF}}} \]

• 설명:
• \(Z_{\text{SENSOR}}\): 측정된 센서 비율로, 값은 0에서 1 사이여야 합니다.
• \(C_0\): 입력 센서 커패시턴스 (pF 단위).
• \(C_{\text{OFF}}\): CDC의 제로 오프셋 커패시턴스 (내부 오프셋 조정을 통해 설정).
• \(C_{\text{REF}}\): 내부 기준 커패시턴스 (EEPROM 설정을 통해 조정).

Equation 2: 디지털 변환 값

\[ Z_{\text{CDC}} = Z_{\text{SENSOR}} \cdot 2^{\text{RES}} \]

• 설명:
• \(Z_{\text{CDC}}\): CDC에서 출력된 디지털 값.
• \(Z_{\text{SENSOR}}\): Equation 1에서 계산된 비율.
• \(\text{RES}\): 프로그래밍 가능한 CDC 해상도 (8, 10, 12, 또는 14비트, Table 30에서 설정).

Equation 3: 오프셋 커패시턴스

\[ C_{\text{OFF}} = \text{CDC}_{\text{Offset}} \cdot C_{\text{MULT}} \cdot 1 \, \text{pF} \]

• 설명:
• \(C_{\text{OFF}}\): 오프셋 커패시턴스 값.
• \(\text{CDC}_{\text{Offset}}\): 3비트 트림 설정 (Table 30 참조, 0~7 값 사용).
• \(C_{\text{MULT}}\): 커패시턴스 범위 배율 (Table 5 참조).

Equation 4: 기준 커패시턴스

\[ C_{\text{REF}} = \text{CDC}_{\text{Reference}} \cdot C_{\text{MULT}} \cdot 1 \, \text{pF} \]

• 설명:
• \(C_{\text{REF}}\): 기준 커패시턴스 값.
• \(\text{CDC}_{\text{Reference}}\): 3비트 트림 설정 (Table 30 참조, 0~7 값 사용).
• \(C_{\text{MULT}}\): 커패시턴스 범위 배율 (Table 5 참조).

관련 설정

• CDC_Mult: 2비트 설정으로 커패시턴스 범위를 조정하며, Table 5에 따라 다음과 같은 배율을 제공합니다:
  • Mult 1: \(C_{\text{MULT}} = 1\)
  • Mult 2: \(C_{\text{MULT}} = 4\)
  • Mult 4: \(C_{\text{MULT}} = 16\)
  • Mult 8: \(C_{\text{MULT}} = 64\)

• CDC_Offset 및 CDC_Reference: Table 6~9에 따라 Mult 값에 맞는 설정을 선택합니다. 예를 들어, Mult 1의 경우 Table 6에서 센서 커패시터 범위(2pF~10pF)에 따라 적절한 값을 설정합니다.

• 해상도(RES): Table 30에서 설정하며, 8비트(0.7ms), 10비트(1.6ms), 12비트(5.0ms), 14비트(18.5ms)로 선택 가능 (Table 10 참조).

동작 원리

• 입력 커패시턴스 (\(C_0\))에서 오프셋 (\(C_{\text{OFF}}\))를 뺀 값이 기준 커패시턴스 (\(C_{\text{REF}}\))로 나눠져 비율 (\(Z_{\text{SENSOR}}\))를 생성합니다.
• 이 비율은 선택된 해상도에 따라 디지털 값 (\(Z_{\text{CDC}}\))로 변환됩니다.
• \(C_{\text{OFF}}\)와 \(C_{\text{REF}}\)는 EEPROM의 C_Config 워드에서 설정되며, 이는 Table 30에 명시되어 있습니다.

2. 외부 기준 커패시터를 사용하는 단일 센서 (Single-Ended with External Reference)

일부 센서는 외부 기준 커패시터(\(C_1\))를 포함합니다. 이 경우, 내부 기준 커패시터(\(C_{\text{REF}}\)) 대신 외부 커패시터(\(C_1\))를 사용하며, CDC_Reference는 0으로 설정됩니다.

Equation 5: 센서 비율 계산

\[ Z_{\text{SENSOR}} = \frac{C_0 - C_{\text{OFF}}}{C_1} \]

• 설명:
• \(Z_{\text{SENSOR}}\): 측정된 센서 비율 (0~1 범위).
• \(C_0\): 입력 센서 커패시턴스.
• \(C_{\text{OFF}}\): CDC의 제로 오프셋 커패시턴스.
• \(C_1\): 외부 기준 커패시턴스.

Equation 6: 디지털 변환 값

\[ Z_{\text{CDC}} = Z_{\text{SENSOR}} \cdot 2^{\text{RES}} \]

• 설명:
• \(Z_{\text{CDC}}\): CDC에서 출력된 디지털 값.
• \(Z_{\text{SENSOR}}\): Equation 5에서 계산된 비율.
• \(\text{RES}\): 프로그래밍 가능한 CDC 해상도 (8, 10, 12, 또는 14비트).

Equation 7: 오프셋 커패시턴스

\[ C_{\text{OFF}} = \text{CDC}_{\text{Offset}} \cdot C_{\text{MULT}} \cdot 1 \, \text{pF} \]

• 설명:
• \(C_{\text{OFF}}\): 오프셋 커패시턴스 값.
• \(\text{CDC}_{\text{Offset}}\): 3비트 트림 설정 (Table 30 참조).
• \(C_{\text{MULT}}\): 커패시턴스 범위 배율 (Table 5 참조).

관련 설정

• CDC_Reference = 0: 외부 기준 커패시터를 사용할 경우, 내부 기준 커패시터를 비활성화하기 위해 CDC_Reference를 0으로 설정합니다.
• C1 범위: 외부 기준 커패시터(\(C_1\))는 2pF에서 260pF까지 지원됩니다 (Table 3 참조).
• CDC_Mult 및 CDC_Offset: Mult 설정에 따라 Table 6~9에서 적절한 값을 선택합니다.
• CCC (외부 절연 커패시터): Mult 1 설정에서 최대 16pF로 제한되며, 센서와 CC 핀 사이의 비갈바닉 연결을 지원합니다 (Table 3 참조).

동작 원리

• 외부 기준 커패시터(\(C_1\))를 사용하여 \(C_0\)와 \(C_{\text{OFF}}\)의 차이를 \(C_1\)로 나눠 비율 (\(Z_{\text{SENSOR}}\))를 계산합니다.
• 이 비율은 선택된 해상도에 따라 디지털 값 (\(Z_{\text{CDC}}\))로 변환됩니다.
• 외부 기준 커패시터를 사용할 경우, 센서와 ZSSC3123 사이의 커패시턴스 매칭이 중요하며, 최대 커패시턴스는 선택된 Mult 설정에 따라 제한됩니다.

3. 추가 고려 사항

Table 5: CDC Multiplier

설정	\(C_{\text{MULT}}\)	센서 커패시터 범위
Mult 1	1	2pF~10pF
Mult 2	4	8pF~32pF
Mult 4	16	32pF~130pF
Mult 8	64	130pF~260pF

이 배율은 \(C_{\text{OFF}}\)와 \(C_{\text{REF}}\) 계산에 사용됩니다.

Table 6~9: CDC_Offset 및 CDC_Reference 설정

각 Mult 설정에 따라 적절한 오프셋과 기준 커패시턴스 값을 선택합니다. 예: Mult 1에서 CDC_Offset = 0~7은 0pF~7pF, CDC_Reference = 0~7은 2pF~9pF를 제공합니다 (Table 6 참조).

해상도 및 변환 시간

해상도	변환 시간
8비트	0.7ms
10비트	1.6ms
12비트	5.0ms
14비트	18.5ms

높은 해상도는 더 높은 정밀도를 제공하지만, 변환 시간이 길어지고 전력 소모가 증가할 수 있습니다.

온도 보상

데이터시트의 13.2 섹션에서 언급된 온도 보상은 내부 온도 센서를 사용하여 센서 커패시턴스의 온도 영향을 보정합니다. 온도 보상은 1차 또는 2차 보정을 지원하며, 최적의 보정 포인트는 1차의 경우 0°C와 100°C, 2차의 경우 -20°C, 40°C, 100°C입니다 (Figure 7 및 Figure 8 참조).

EEPROM 설정

C_Config (EEPROM Word 06HEX): CDC_Offset, CDC_Reference, CDC_Mult 등의 설정을 포함하며, Table 30에 명시되어 있습니다. 이 설정은 보정식의 파라미터를 결정하는 데 필수적입니다.

4. 요약

ZSSC3123의 보정식은 단일 센서와 외부 기준 커패시터 설정에 따라 두 가지 방식으로 나뉩니다:

• 단일 센서: 내부 기준 커패시터(\(C_{\text{REF}}\))를 사용하여 \(Z_{\text{SENSOR}} = \frac{C_0 - C_{\text{OFF}}}{C_{\text{REF}}}\)로 비율을 계산하고, 이를 디지털 값으로 변환.
• 외부 기준 커패시터: 외부 커패시터(\(C_1\))를 사용하여 \(Z_{\text{SENSOR}} = \frac{C_0 - C_{\text{OFF}}}{C_1}\)로 비율을 계산.
• 오프셋(\(C_{\text{OFF}}\))과 기준 커패시턴스(\(C_{\text{REF}}\))는 EEPROM 설정을 통해 조정되며, Mult 설정에 따라 커패시턴스 범위가 결정됩니다.
• 정확한 보정을 위해 Table 5~9의 설정 값을 참조하고, 적절한 해상도와 온도 보정 포인트를 선택해야 합니다.

이 식들은 ZSSC3123의 고정밀 커패시턴스-디지털 변환과 온도 보상을 가능하게 하며, 다양한 센서 애플리케이션에 맞게 유연하게 구성할 수 있습니다.