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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박준석
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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홀 센서는 자동차의 전자 제어를 위한 센싱, IoT 환경 구현을 위한 다양한 정보 센싱 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 광범위하게 사용되는 홀 센서를 저비용, 고집적화, 대량 생산하기 위해서 는 CMOS 공정으로 생산해야 한다.
하지만 CMOS 홀 센서는 몇 가지 단점을 갖는다. 일반적으로 자기장 간섭 제거를 위한 아무런 기구적 차폐, 또는 필름 도포가 되어있지 않은 홀 센서는 여러 자기장 간섭에 노출될 수밖에 없다. 또한 CMOS 공정으로 제작된 홀 센서는 타 공정에 비해 오프셋과 플리커(1/f) 잡음이 큰 편이다. 따라서 전류 회전 회로(Current Spinning Circuit)와 초퍼(Chopper)를 통해 오프셋과 플리커 잡음을 제거해주지만 타 공정에 비해 낮은 감도를 보완하기 위해 높은 이득을 갖는 증폭기를 사용하게 되면 홀 전압과 함께 잡음도 증폭하게 되므로 높은 SNR을 가질 수 없다.
본 논문에서는 저잡음 CMOS 홀 센서를 위해 PN(Pseudo Noise) 코드를 통한 자기장 변복조 기법이 제안되었다. 제안된 기법은 자기장과 홀 전압의 점유 대역폭이 PN 코드에 의해 확산 및 역확산을 거치는 동안 잡음은 넓은 대역폭에 걸쳐 확산되므로 SNR이 향상된다. 또한 자기장마다 서로 다른 PN 코드가 부여되므로 서로 다른 자기장을 구별할 수 있으며 간섭 자기장을 제거할 수 있다.
제안된 기법이 적용된 홀 센서를 수학적으로 모델링하여 홀 센서의 SNR이 기존 홀 센서보다 확산 이득(Processing Gain)만큼 향상됨을 보였다. 또한 원 자기장과 간섭 자기장간의 상호 상관도(Cross Correlation)에 의해 간섭 자기장이 저감됨을 보였다. 제안된 기법을 MATLAB/Simulink 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, CMOS 공정으로 제작된 홀 플레이트로 홀 센서 아날로그 프론트엔드를 제작하여 기존 홀 센서 대비 잡음 레벨이 낮아지고 자기장 간섭이 제거됨을 확인하였다.
본 논문은 높은 오프셋과 플리커 잡음을 갖는 CMOS 공정으로도 저잡음 홀 센서 구현이 가능함을 보였다. 제안된 기법이 적용되면, 기존의 화합물 공정으로 제작된 홀 센서를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 서로 다른 PN 코드가 부여된 자기장을 구별할 수 있으므로 동시에 여러 홀 신호가 발생되는 환경에서 다중 홀 신호 검지용 홀 센서로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 PN 코드 간 상관을 낮추고 시퀀스의 길이를 늘이면 잡음 제거 효과가 높아질 것으로 기대된다.
하지만 CMOS 홀 센서는 몇 가지 단점을 갖는다. 일반적으로 자기장 간섭 제거를 위한 아무런 기구적 차폐, 또는 필름 도포가 되어있지 않은 홀 센서는 여러 자기장 간섭에 노출될 수밖에 없다. 또한 CMOS 공정으로 제작된 홀 센서는 타 공정에 비해 오프셋과 플리커(1/f) 잡음이 큰 편이다. 따라서 전류 회전 회로(Current Spinning Circuit)와 초퍼(Chopper)를 통해 오프셋과 플리커 잡음을 제거해주지만 타 공정에 비해 낮은 감도를 보완하기 위해 높은 이득을 갖는 증폭기를 사용하게 되면 홀 전압과 함께 잡음도 증폭하게 되므로 높은 SNR을 가질 수 없다.
본 논문에서는 저잡음 CMOS 홀 센서를 위해 PN(Pseudo Noise) 코드를 통한 자기장 변복조 기법이 제안되었다. 제안된 기법은 자기장과 홀 전압의 점유 대역폭이 PN 코드에 의해 확산 및 역확산을 거치는 동안 잡음은 넓은 대역폭에 걸쳐 확산되므로 SNR이 향상된다. 또한 자기장마다 서로 다른 PN 코드가 부여되므로 서로 다른 자기장을 구별할 수 있으며 간섭 자기장을 제거할 수 있다.
제안된 기법이 적용된 홀 센서를 수학적으로 모델링하여 홀 센서의 SNR이 기존 홀 센서보다 확산 이득(Processing Gain)만큼 향상됨을 보였다. 또한 원 자기장과 간섭 자기장간의 상호 상관도(Cross Correlation)에 의해 간섭 자기장이 저감됨을 보였다. 제안된 기법을 MATLAB/Simulink 시뮬레이션을 통해 검증하였으며, CMOS 공정으로 제작된 홀 플레이트로 홀 센서 아날로그 프론트엔드를 제작하여 기존 홀 센서 대비 잡음 레벨이 낮아지고 자기장 간섭이 제거됨을 확인하였다.
본 논문은 높은 오프셋과 플리커 잡음을 갖는 CMOS 공정으로도 저잡음 홀 센서 구현이 가능함을 보였다. 제안된 기법이 적용되면, 기존의 화합물 공정으로 제작된 홀 센서를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 서로 다른 PN 코드가 부여된 자기장을 구별할 수 있으므로 동시에 여러 홀 신호가 발생되는 환경에서 다중 홀 신호 검지용 홀 센서로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 PN 코드 간 상관을 낮추고 시퀀스의 길이를 늘이면 잡음 제거 효과가 높아질 것으로 기대된다.
목차
I. 서론 1Ⅱ. 홀 센서 42.1 홀 효과(Hall Effect) 42.2 홀 플레이트 52.2.1 구동 모드 52.2.2 홀 전압 72.2.3 오프셋과 잡음 102.2.4 신호 대 잡음비 142.2.5 감도 152.2.6 재료 182.2.7 기하 구조 192.3 홀 센서 구동회로 222.3.1 구동 회로 22Ⅲ. 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신 263.1 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신의 개요 263.2 PN 코드 313.2.1 PN 코드의 특성 313.2.2 GOLD 시퀀스 343.3 수학적 모델링 383.3.1 PN 코드의 수학적 모델링 383.3.2 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 통신의 수학적 모델링 43Ⅳ. 홀 센서 SNR 개선 및 간섭 신호 저감 기법 474.1 기존의 잡음 제거 기법 474.2 제안된 홀 센서 SNR 개선 및 간섭 신호 저감 기법 504.2.1 PN 코드 기반의 자기장 대역 확산 변조 504.2.2 제안된 기법의 수학적 모델링 544.2.3 제안된 기법의 유효성 검증 시뮬레이션 64Ⅴ. 홀 센서 시스템 검증 및 실험 결과 695.1 홀 센서 시스템 구현 695.1.1 홀 플레이트 설계 705.1.2 자기장 발생기 설계 745.1.3 구동 회로 설계 805.1.4 테스트 보드 구성 및 실험 환경 905.2 실험 및 결과 955.2.1 제안된 홀 센서 시스템 사양 955.2.2 홀 센서 SNR 개선 975.2.3 자기장 간섭 저감 99Ⅵ. 결론 102참고문헌 108Abstract 114
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