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십자형 CMOS 홀 플레이트 및 오프셋, 1/f 잡음 제거 기술 기반 자기센서 신호처리시스템 설계
A Design Of Cross-Shpaed CMOS Hall Plate And Offset, 1/f Noise Cancelation Technique Based Hall Sensor Signal Process System 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.5, 2016년, pp.152 - 159  

허용기 (국민대학교) ,  정원재 (국민대학교) ,  이지훈 (국민대학교) ,  남규현 (국민대학교) ,  유동균 (국민대학교) ,  윤상구 (국민대학교) ,  민창기 (국민대학교) ,  박준석 (국민대학교)

초록
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본 논문은 CMOS 자기센서(hall Sensor)의 오프셋 및 1/f 잡음 제거기술 기반 고선형 자기센서 신호처리장치를 제안한다. 제안하는 자기센서는 자계(magnetic Field)를 감지하여 자계의 변화량에 따른 홀 전압(hall Voltage)을 출력하는 홀 플레이트(hall Plate)와 홀 플레이트 출력 신호의 오프셋과 1/f 잡음 제거 및 디지털화를 위한 자기센서 신호처리시스템으로 구성된다. 자기센서 신호처리 시스템은 스피닝 전류 바이어싱(spinning current biasing)을 통해 자기신호로부터 오프셋과 1/f잡음 성분을 분리하고, 초퍼 및 증폭기를 통해 자기신호를 100 kHz 주파수 대역으로 변조한다. 60 kHz 차단주파수를 갖는 고역통과필터(highpass filter)를 사용하여 오프셋 및 1/f 잡음을 제거한뒤 ADC(analog to digital converter)를 통해 자기신호만을 디지털 변조한다. 증폭기 및 고역통과필터 출력은 자기신호 -53.9 dBm @ 100 kHz, 잡음성부은 -101.3 dBm @ 10 kHz이다. 최종적으로 ADC를 통과한 자기센서 출력은 -5.0 dBm @ 100 kHz이고, 오프셋 및 1/f 잡음은 -55.0 dBm @ 10 kHz이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes an offset and 1/f noise cancellation technique based hall sensor signal processor. The hall sensor outputs a hall voltage from the input magnetic field, which direction is orthogonal to hall plate. The two major elements to complete the hall sensor operation are: the one is a ha...

주제어

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 CMOS기반 자기센서 홀 플레이트의 비대칭으로 필연적으로 발생하는 오프셋 및 1/f 잡음을 제거할 수 있는 기술과 그를 활용한 자기센서 신호처리 시스템을 제안하고 검증하였다.
  • 본 논문은 기존의 전류 스피닝 기반 오프셋 및 1/f 잡음 제거 기술을 사용하여 간단한 구조를 갖으며 잡음 성분 제거 능력이 우수한 새로운 자기센서 신호처리시 스템 구조를 제안한다(그림 3). 홀 플레이트 출력의 자 기신호를 100 kHz의 초핑 주파수(fch) 대역으로 이동시 키고, DC 주파수 대역의 잡음성분을 고역통과필터 (highpass Filter)로 제거한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기센서란? 자기센서(Hall Sensor)는 자기장(Magnetic Field)를 감지하여 전압 및 전류와 같은 전기적 신호로 변환하는 소자이다. 자기센서는 비접촉 방식으로 물리적 변화량을 감지할 수 있어 자동차 전장품, 가전기기 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
자기센서의 장점과 적용분야는? 자기센서(Hall Sensor)는 자기장(Magnetic Field)를 감지하여 전압 및 전류와 같은 전기적 신호로 변환하는 소자이다. 자기센서는 비접촉 방식으로 물리적 변화량을 감지할 수 있어 자동차 전장품, 가전기기 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 특히, 안전하고 편리한 친환경 자동차에 대한 요구 증가로 스마트 전기자동차의 전자 부품의 집적화 및 성능 고도화를 위한 연구개발이 진행되고 있으며[1], 이와 함께 자기센서의 선형성 향상을 위한 연구가 진행되고 있다[2].
홀 플레이트의 오프셋 및 1/f 잡음을 감소시키기 위하여 어떤 연구들이 진행되었는가? 홀 플레이트의 오프셋 및 1/f 잡음은 수십 mV로 낮은 홀 전압 출력 환경에서 센서의 정확도를 감소시키는 핵심요소이다. 이러한 오프셋 및 1/f 잡음을 감소시키기 위해 다양한 구조의 홀 플레이트 연구[5], 두개 이상의 홀 플레이트 어레이(orthogonal array) 기반 불균등 저항성분 제거기술[6] 및 전류 스피닝(current spinning)기 반잡음성분 제거기술[7] 등 다양한 연구가 진행되었다. 하지만, 홀 플레이트 어레이 기반 불균등 저항성분 제거 기술은 예측 불가능한 불균등 저항성분의 크기 및 홀 플레이트의 비대칭성으로 잡음성분의 제거에 한계가 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Namkyu Cho, "Electronic Trends Required & Sensors Prospect of Automotive System," journal of KSAE, vol. 30, no. 3, pp. 36-41, June 2008. 

  2. Manyala, J.O., Fritz, T., Atashbar, M.Z., "Integration of Triaxial Hall-Effect Sensor Technology for Gear Position Sensing in Commercial Vehicle Transmissions," IEEE Tran. on Instrumentation and Measurement, vol. 61, no. 3, pp. 664-672, March 2012. 

  3. Si-Dong Kim, Byung-Woo Kim, "Trend of Environmental Sensor Technologies for Automobile," journal of KSAE, vol. 30, no. 3, pp. 22-28, June 2008. 

  4. Yue Xu, Hong-Bin Pan, Shu-Zhuan He, Li Li, "A Highly Sensitivity CMOS Digital Hall Sensor for Low Magnetic Field Applications," Journal of Sensors, vol. 12, no. 2, pp. 2162-2174, Feb. 2012. 

  5. M. Cornils, M. Doelle, O. Paul, "Sheet Resistance Determination Using Symmetric Structure With Contacts of Finite Size," Tran. on Electronic Devices, vol. 54, no. 10, pp. 2756-2761, Oct. 2007. 

  6. H. Heidari, E. Bonizzoni, U. Gatti, F. Maloberti, "A CMOS Current-Mode Magnetic Hall Sensor With Integrated Front-End," Tran. on Circuits and System, vol. 62, no. 5, pp. 1270-1278, May 2015. 

  7. A. Bilotti, G. Monreal, "Monolithic Magnetic Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation," J. of Soild-State, vol. 32, no. 6, pp. 829-836, June 1997. 

  8. J. O. Manyala, T. Fritz, M. Z. Atashbar, "Integration of Triaxial Hall-Effect Sensor Technology for Gear Position Sensing in Commercial Vehicle Transmissions," Tran. on Instrumentation and Measurement, vol. 61, no. 3, pp. 664-672, Mar. 2012. 

  9. M. A. Paun, J. M. Sallese, M. Kayal, "Comparative Study on the Performance of Five Different Hall Effect Devices," Journal of Sensors, Vvol. 13, no. 12, pp. 2093-2112, Feb. 2013. 

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