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문제 정의
- 이러한 방식은 잡음에 이미 오염된 신호에서 잡음을 제거하는 방식인데 반해 본 논문에서 제시하는 방식은 모듈 내에서 발생하는 전원 잡음을 사전에 방지하여 센서가 보다 신속하고 정확한 탐지 기능을 갖추도록 한다. 또한 시스템 성능을 극대화시킬 수 있는 상용화된 칩을 이용한 최적화된 신호처리 회로모듈의 구성을 목적으로 한다. 또한 배열의 크기 및 무게가 커질수록 함정의 기동력은 저하된다.
- 이에 본 논문에서는 저잡음, 소형화를 고려한 산업용 Fieldbus 기반의 수중 음향 신호 수신 모듈을 설계하고, 설계에 적용된 저잡음, 소형화를 위한 설계 방법을 제시하였다. 또한 저잡음 특성을 만족시키기 위해서는 다중전원(±5 V, ±2.
- 본 논문에서는 저잡음, 소형화를 위한 다층 구조 접지면 구성, Via stitching, 접지 분할 기법, 필터를 이용한 공통접지 구성을 적용하는 다중 전원 모듈의 설계 방법에 대하여 제시하였고, 이에 따른 시뮬레이션과 측정 결과로 성능을 검증하였다.
제안 방법
- . 이러한 방식은 잡음에 이미 오염된 신호에서 잡음을 제거하는 방식인데 반해 본 논문에서 제시하는 방식은 모듈 내에서 발생하는 전원 잡음을 사전에 방지하여 센서가 보다 신속하고 정확한 탐지 기능을 갖추도록 한다. 또한 시스템 성능을 극대화시킬 수 있는 상용화된 칩을 이용한 최적화된 신호처리 회로모듈의 구성을 목적으로 한다.
- 또한 저잡음 특성을 만족시키기 위해서는 다중전원(±5 V, ±2.5 V, +3.3 V)을 사용하는 것이 불가피하기 때문에 이를 다층 구조에서 효율적으로 적용하기 위한 PDN구조를 설계하였다.
- 이에 제작된 모듈에서는 1.1nV/√Hz(at 1 kHz)의 저잡음 특성을 갖는 칩을 선택하였으며, ADC는 입력 신호를 디지털로 변환하는데 있어서 AMP에서 발생한 잡음보다 낮은 해상도는 데이터의 신뢰성이 없기 때문에 AMP의 잡음 특성을 고려한 24 bit ADC를 선택하였다 [5].
- 3 V)을 사용하는 것이 불가피하기 때문에 이를 다층 구조에서 효율적으로 적용하기 위한 PDN구조를 설계하였다. 이를 바탕으로 PDN 설계에 따른 잡음 저감 효과를 분석하였다. 이를 위해 Lumped Modeling기법을 적용하였고, 그 방법론을 제시하였다.
- 이를 위해 Lumped Modeling기법을 적용하였고, 그 방법론을 제시하였다. 또한 그 결과를 실제 제작된 모듈에 적용하여 그 효과를 비교, 분석하였다.
- 제작된 모듈은 구성되는 IC를 신호의 특성에 따라 아날로그, 디지털, 전원 모듈별로 구분하였다. 또한 저잡음 AMP, 고해상도 ADC, MCU 및 RX/TX IC 등 저잡음, 소형화에 적합한 상용 부품을 사용하여 모듈을 구성하였다.
- 제작된 모듈은 구성되는 IC를 신호의 특성에 따라 아날로그, 디지털, 전원 모듈별로 구분하였다. 또한 저잡음 AMP, 고해상도 ADC, MCU 및 RX/TX IC 등 저잡음, 소형화에 적합한 상용 부품을 사용하여 모듈을 구성하였다. 그림 1은 아날로그, 디지털, 전원 모듈로 구성된 수중 음향 신호 수신 모듈의 블록 다이어그램이다.
- PI 분석을 통해 PDN을 설계 한 후 칩을 배치하고 SI를 분석하게 된다. 그리고 이를 바탕으로 부품을 배치하고 신호선 등을 연결한다. PI을 향상시키기 위해서는 PDN 설계가 가장 중요하다.
- 이므로 결과적으로 전원 잡음 또한 -6 dB 감소함을 알 수 있다. 이를 바탕으로 최대한 많은 영역을 접지면으로 할당하여 설계하였다. 또한 다층 구조의 전원 / 접지면 구성시 임피던스 저감효과와 EMI 발생을 방지하기 위하여 via stitching을 적용하였다[7].
- 이를 바탕으로 최대한 많은 영역을 접지면으로 할당하여 설계하였다. 또한 다층 구조의 전원 / 접지면 구성시 임피던스 저감효과와 EMI 발생을 방지하기 위하여 via stitching을 적용하였다[7].
- 이때, 전체 평면을 PEEC 모델로 구성을 하면 셀의 개수가 많아서 매우 긴 시뮬레이션 시간을 필요로 하기 때문에 이를 lumped 모델로 변환해야 한다. 잡음에 있어서 가장 중요한 부분은 전원계 노이즈로 전원 / 접지면 경로를 기준으로 lumped 모델링하였다. 이는 그림 7과 같은 방법으로 Lumped 모델을 구현할 수 있으며, 전원 전압 경로를 지나가는 라인의 면적에 따라 각기 다른 파라미터 값을 가진다.
- 각 파라미터 값은 경로를 기준으로 저항과 인덕터는 병렬이기 때문에 Unit PEEC 개수만큼 나눠주며 병렬 캐패시터는 곱하여 결정할 수 있다. 이렇게 구성된 Lumped 모델을 이용하여 다음 절에서 잡음 특성을 분석하였다.
- 저 잡음 시스템을 구성하기 위하여 첫째, 임피던스에 의한 잡음 전달 특성을 개선하기 위해 다층 구조의 접지면을 구성하여 임피던스를 낮추었다. 둘째, 잡음에 가장 취약한 아날로그 모듈에 Via stitching기법을 적용하여 임피던스를 낮추고 EMI를 저감시켰다.
- 저 잡음 시스템을 구성하기 위하여 첫째, 임피던스에 의한 잡음 전달 특성을 개선하기 위해 다층 구조의 접지면을 구성하여 임피던스를 낮추었다. 둘째, 잡음에 가장 취약한 아날로그 모듈에 Via stitching기법을 적용하여 임피던스를 낮추고 EMI를 저감시켰다. 셋째, 고전압용 DC-DC Converter의 잡음 전달에 의한 신호의 왜곡을 방지하기 위해 아날로그, 디지털, 전원 전압 모듈의 접지면을 분할하여 사용하였으며, 접지면 분할에 따른 Floating현상을 방지하기 위해 각 접지면 사이를 직렬 필터로 연결하였다.
- 둘째, 잡음에 가장 취약한 아날로그 모듈에 Via stitching기법을 적용하여 임피던스를 낮추고 EMI를 저감시켰다. 셋째, 고전압용 DC-DC Converter의 잡음 전달에 의한 신호의 왜곡을 방지하기 위해 아날로그, 디지털, 전원 전압 모듈의 접지면을 분할하여 사용하였으며, 접지면 분할에 따른 Floating현상을 방지하기 위해 각 접지면 사이를 직렬 필터로 연결하였다. 필터를 사용한 공통 접지면 구성 결과 공통 접지면을 사용하였을 때보다 약 12 % 정도의 잡음 감소 효과가 나타나는 것을 측정을 통하여 확인할 수 있었다.
- 시뮬레이션 결과 DC-DC Converter의 동작주파수인 400 kHz 이상 영역에서 잡음 전달 특성이 약 -12 dB정도 감소하였음을 확인할 수 있었다. 또한 필터의 영향을 확인하기 위해 DC-DC Converter의 스위칭 잡음으로 1 V, 400 kHz 전원을 인가하여 시간에 대한 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 그림 10에서 보이는 바와 같이 본 논문에서 제안하는 직렬 필터 연결 방식이 일반적으로 사용하는 병렬 필터 연결 방식보다 -7 dB 만큼 잡음이 감소한 것을 볼 수 있다.
대상 데이터
- 제작된 모듈은 산업용 Fieldbus 기반의 3600 mm2,8층으로 구성된 수중 음향 신호 수신 모듈이며, 아날로그 IC, 디지털 IC, RX/TX IC로 이루어져 있다. 이 모듈은 60 V의 공급전원을 3개의 DC-DC converter(±9 V, ±3.
- 1nV/√Hz(at 1 kHz)의 저잡음 특성을 갖는 칩을 선택하였으며, ADC는 입력 신호를 디지털로 변환하는데 있어서 AMP에서 발생한 잡음보다 낮은 해상도는 데이터의 신뢰성이 없기 때문에 AMP의 잡음 특성을 고려한 24 bit ADC를 선택하였다 [5]. 전력 소모가 적은 MCU 및 전용 통신 프로토콜에 적합한 RX/TX 칩을 선택하였다.
- 제작된 모듈은 30 mm × 120 mm의 크기이며, 넓은 면적을 확보하기 위해 총 8층으로 구성되었다.
이론/모형
- 이를 바탕으로 PDN 설계에 따른 잡음 저감 효과를 분석하였다. 이를 위해 Lumped Modeling기법을 적용하였고, 그 방법론을 제시하였다. 또한 그 결과를 실제 제작된 모듈에 적용하여 그 효과를 비교, 분석하였다.
- 수학적 모델링 방법을 적용함에 있어 R, L, G, C로 구성된 PEEC(Partial Element Equivalent Circuit) 모델링 방법을 사용하였다[9]. PEEC 모델이란 전체 평면을 단위 셀로 나누어 각 셀에 대한 소자 값을 할당하여 이를 격자구조로 면적에 맞게 연결하여 만드는 방법이다.
성능/효과
- 즉, 모듈의 소형화가 필수적이다. 제작된 모듈은 소형화에 적합한 칩을 선별하여 그 중 저잡음 특성이 우수한 칩을 선정하였다.
- 그림 3은 단층의 접지면과 2층의 접지면이 Via stitching으로 연결된 구조에서의 자기 임피던스와 상호 임피던스를 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 접지면을 2층 구조로 구성할 경우 단층 구조일 경우보다 자기 임피던스와 상호 임피던스가 -6 dB 감소함을 확인할 수 있었다. 전원 노이즈는
- 일반적인 필터링 기법은 IC간의 커플링 잡음을 막기 위한 구조로 그림 4(a)처럼 병렬 접지 기법을 사용한다[8]. 하지만 본 연구에서 목표로 하는 전송기 모듈은 디지털 칩의 잡음보다 전원 DC-DC Converter 잡음이 더 높으며 AMP의 전력 소모는 상대적으로 작다. 따라서 전원 DC-DC Converter 잡음을 막아야 할 필요가 있으며 그림 4(b)와 같은 필터링 방법을 제안하였다.
- 그림 9는 접지면 연결 방식에 따른 잡음 전달 특성(S-parameter)을 보여준다. 시뮬레이션 결과 DC-DC Converter의 동작주파수인 400 kHz 이상 영역에서 잡음 전달 특성이 약 -12 dB정도 감소하였음을 확인할 수 있었다. 또한 필터의 영향을 확인하기 위해 DC-DC Converter의 스위칭 잡음으로 1 V, 400 kHz 전원을 인가하여 시간에 대한 시뮬레이션을 실시하였다.
- 또한 필터의 영향을 확인하기 위해 DC-DC Converter의 스위칭 잡음으로 1 V, 400 kHz 전원을 인가하여 시간에 대한 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 그림 10에서 보이는 바와 같이 본 논문에서 제안하는 직렬 필터 연결 방식이 일반적으로 사용하는 병렬 필터 연결 방식보다 -7 dB 만큼 잡음이 감소한 것을 볼 수 있다.
- 본 모듈에서 잡음 특성에 가장 치명적인 영향을 주는 DC-DC Converter의 스위칭 주파수는 400 kHz이다. 그림 12에서 보는 바와 같이 Inductor 필터를 연결하였을 때 두가지 방식 모두 잡음 성분이 감소하였으나 본 논문에서 제안하는 방식을 적용하였을 때 일반적인 방식에 비해 스위칭 주파수에서의 잡음이 10 dB 가량 더 감소했을 뿐 아니라 전체 잡음 레벨 또한 약 3 dB 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
- 셋째, 고전압용 DC-DC Converter의 잡음 전달에 의한 신호의 왜곡을 방지하기 위해 아날로그, 디지털, 전원 전압 모듈의 접지면을 분할하여 사용하였으며, 접지면 분할에 따른 Floating현상을 방지하기 위해 각 접지면 사이를 직렬 필터로 연결하였다. 필터를 사용한 공통 접지면 구성 결과 공통 접지면을 사용하였을 때보다 약 12 % 정도의 잡음 감소 효과가 나타나는 것을 측정을 통하여 확인할 수 있었다. 위와 같은 측정 및 분석을 토대로 저잡음, 소형화 모듈을 구성하기 위해서는 다층 구조 접지면 구성, Via stitching, 접지면 분할 및 필터 연결 등을 적용한 설계가 필요함을 제안한다.
후속연구
- 필터를 사용한 공통 접지면 구성 결과 공통 접지면을 사용하였을 때보다 약 12 % 정도의 잡음 감소 효과가 나타나는 것을 측정을 통하여 확인할 수 있었다. 위와 같은 측정 및 분석을 토대로 저잡음, 소형화 모듈을 구성하기 위해서는 다층 구조 접지면 구성, Via stitching, 접지면 분할 및 필터 연결 등을 적용한 설계가 필요함을 제안한다.
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