KR102460914B1 - Mi 센서용 듀얼 모드 리드아웃 집적 회로 (roic) - Google Patents

Mi 센서용 듀얼 모드 리드아웃 집적 회로 (roic) Download PDF

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Abstract

MI 센서용 듀얼 모드 ROIC가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 ROIC는, 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기, 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기 및 제1 검출기 및 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 선택기를 포함한다. 이에 의해, MI 센서의 감도/분해능 향상과 전력 절감이라는 트레이드 오프 관계에 있는 두 가지 목표 모두를 최선의 방향으로 추구할 수 있게 된다.

Description

MI 센서용 듀얼 모드 ReadOut Integrated Circuit (ROIC) {Dual mode ReadOut Integrated Circuit (ROIC) for MI sensor}
본 발명은 MI(Magneto-Impedance) 센서를 위한 ROIC(ReadOut Integrated Circuit)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 MI 센서의 전력 소모를 저감시키면서 감도(sensitivity)와 분해능(resolution)은 떨어지지 않도록 하기 위한 ROIC에 관한 것이다.
도 1은 MI 센서용 ROIC의 구조도이다. MI 센서용 ROIC는, 도시된 바와 같이, MI 드라이버(MI driver), 코일 모니터(Coil Monitor), LPF(Low Pass Filter) 및 ADC(Analog to Digital Converter)/DSP(Digital Signal Processor)로 구성된다.
코일 모니터는 MI 센서의 픽업 코일(Peakup Coil)에서 출력 전압의 피크 값을 검출한다. 코일 모니터는 Peak detection 방식과 Lock-in detection 방식으로 구분할 수 있다.
도 2는 Peak detection 방식과 Lock-in detection 방식의 SNR과 전력 소모를 비교한 표이다. 도시된 표에 따르면, Peak detection 방식은 전력 소모량이 낮다(Good)는 장점이 있는 반면, SNR은 낮다(Bad)는 단점이 있다. 반대로, Lock-in detection 방식이 SNR이 높다(Good)는 장점이 있는 반면, 전력 소모량은 높다(Bad)는 단점이 있다.
기존의 MI 센서용 ROIC는 위 두 가지 방식 중 하나를 코일 모니터에 적용하여 사용하고 있다.
하지만, MI 센서의 application은 pT 급의 bio-magnetic field 부터 uT 급의 natural magnetic field, mT 급의 산업용 magnetic field 에 이를 정도로 다양하다. 따라서, 기존의 MI 센서용 ROIC는 다양한 입력 자기장 레벨에 따른 대응성이 부족하다는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다양한 MI 센서의 입력 자기장 레벨 변화에 따라 최적의 MI 센서 성능 (감도, 분해능, 전력 소모)을 얻기 위한 방안으로, 다양한 검출기를 적응적으로 활성화시켜 사용하는 MI 센서용 ROIC를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, ROIC는, 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기; 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기; 제1 검출기 및 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 선택기;를 포함한다.
선택기는, 자기장의 세기를 기초로, 제1 검출기 및 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
선택기는, 자기장의 세기가 기준 이상인 경우에는 제1 검출기를 활성화시키고, 자기장의 세기가 기준 미만인 경우에는 제2 검출기를 활성화시킬 수 있다.
제2 검출기는, 제1 검출기 보다 감도와 분해능이 높고, 제1 검출기 보다 전력 소모량이 많을 수 있다.
선택기는, 자기 센서의 출력, 제1 검출기의 출력 및 제2 검출기의 출력 중 어느 하나로부터 자기장의 세기가 기준 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 ROIC는, 제1 검출기의 출력 또는 제2 검출기의 출력을 저역 통과 필터링하는 LPF; 및 LPF의 출력을 디지털 신호로 변환하고 신호 처리하는 처리기;를 더 포함하고, 선택기는, 처리기의 출력으로부터 자기장의 세기가 기준 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
제1 검출기는, 자기 센서의 출력을 정류하는 정류기; 및 정류기의 출력을 증폭하는 증폭기;를 포함할 수 있다.
선택기는, 정류기의 출력으로부터 자기장의 세기가 기준 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 ROIC는, 자기 센서의 구동 신호를 생성하여 자기 센서에 인가하는 드라이버;를 더 포함하고, 제2 검출기는, 자기 센서의 출력을 증폭하는 증폭기; 증폭기의 출력과 드라이버의 출력을 곱하는 곱셈기;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자기장 측정 방법은, 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기와 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 단계; 활성화된 검출기로 자기장의 세기를 검출하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자기 센서 모듈은, 자기장을 측정하는 자기 센서; 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기; 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기; 제1 검출기 및 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 선택기;를 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 자기장 측정 방법은, 자기장을 측정하는 단계; 측정된 자기장의 세기를 기초로, 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기와 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 단계; 활성화된 검출기로 자기장의 세기를 검출하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, MI 센서의 감도/분해능 향상과 전력 절감이라는 트레이드 오프 관계에 있는 두 가지 목표 모두를 최선의 방향으로 추구할 수 있게 된다.
구체적으로, 본 발명의 실시예들에 따르면, 측정되는 자기장의 세기가 큰 경우에는 Peak Detection 방식을 적용하여 전력 소모량을 줄일 수 있고, 측정되는 자기장의 세기가 작은 경우에만 Lock-in Detection 방식을 적용하여 감도와 분해능이 떨어지지 않도록 할 수 있다.
도 1은 MI 센서용 ROIC의 구조도,
도 2는 Peak detection 방식과 Lock-in detection 방식의 SNR과 전력 소모를 비교한 표,
도 3은 Peak Detection 방식으로 구현한 코일 모니터의 구조도,
도 4는 Lock-in Detection 방식으로 구현한 코일 모니터의 구조도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 ROIC의 블럭도,
도 6 내지 도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 모드 ROIC의 블럭도들,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기장 측정 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 Peak Detection 방식으로 구현한 코일 모니터의 구조도이다. 이 같은 방식의 코일 모니터는 MI 센서 픽업 코일의 출력 전압을 정류기(Rectifier)를 통해 정류한 후 증폭기(Amp)에서 증폭시켜, 자기장 세기 정보를 추출한다.
정류된 신호가 입력되므로, 증폭기의 입력 신호는 주파수가 낮아 증폭기의 대역폭은 낮아도 되므로, 저전력으로 설계할 수 있다. 또한, 정류기도 전력 소모가 낮다.
하지만, MI 센서에서 측정된 자기장 신호의 주파수 분포가 정류기와 증폭기 의 노이즈 밴드에 함께 포함되어 있어, 자기장 신호와 노이즈를 분리하는 것이 어려워 SNR(Signal to Noise Ratio)이 낮다.
도 4는 Lock-in Detection 방식으로 구현한 코일 모니터의 구조도이다. 이 같은 방식의 코일 모니터는 MI 센서 픽업 코일의 출력 전압을 증폭기에서 증폭시킨 후에 기준 신호와 곱하여 복조함으로써, 자기장 세기 정보를 추출한다.
복조기를 통해 자기장 신호와 증폭기의 노이즈를 쉽게 분리하고, 후단의 LPF(미도시)를 이용하여 증폭기의 노이즈를 제거할 수 있어 SNR이 높다. 하지만, 고주파수의 MI 센서의 출력 전압이 그대로 증폭기에 인가되기 때문에 증폭기의 대역폭이 높아야 하므로 전력 소모가 많다.
본 발명의 실시예에서는, 위 두 가지 방식의 코일 모니터를 적응적으로 활용하여, 전력 소모를 저감시키면서도 감도(sensitivity)와 분해능(resolution)을 떨어뜨리지 않는 듀얼 모드 ROIC(ReadOut Integrated Circuit)를 제시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 ROIC의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 ROIC는, 도시된 바와 같이, MI 드라이버(MI driver)(110), PD(Peak Detector)(120), LD(Lock-in Detector)(130), 모드 선택기(Mode Selector)(140), LPF(Low Pass Filter)(150) 및 ADC(Analog to Digital Converter)/DSP(Digital Signal Processor)(160)를 포함하여 구성된다.
MI 드라이버(110)는 MI 센서(10)를 동작시키기 위한 구동 신호, 이를 테면, 수십 kHz ~ 수십 MHz의 sine 파 혹은 pulse 파를 생성하여, MI 센서(10)로 인가한다.
이에 따라, MI 센서(10)의 픽업 코일(미도시)에서는 피크 값이 입력 자기장에 비례하는 sine 파 혹은 pulse 파가 발생된다.
PD(120)는 MI 센서(10)의 출력 전압의 피크를 검지하여, MI 센서(10)에 의해 측정된 자기장의 세기를 검출한다. PD(120)는 도시된 바와 같이, 정류기(Rectifier)(121) 및 증폭기(Amp)(122)를 포함하여 구성된다.
정류기(121)는 MI 센서(10)의 출력 전압을 정류하고, 증폭기(122)는 정류기(121)의 출력을 증폭시켜 자기장의 세기 정보로 출력한다.
LD(130)는 MI 센서(10)의 출력을 복조하여, MI 센서(10)에 의해 측정된 자기장의 세기를 검출한다. LD(130)는 도시된 바와 같이, 증폭기(Amp)(131) 및 복조기(Demodulator)(132)를 포함하여 구성된다.
증폭기(131)는 MI 센서(10)의 출력 전압을 증폭시키고, 복조기(132)는 증폭기(131)의 출력 신호와 MI 드라이버(110)에서 생성되는 MI 센서(10)의 구동 신호를 곱하여 복조함으로써, 자기장의 세기 정보를 출력한다.
모드 선택기(140)는 MI 센서(10)에서 측정되는 자기장의 세기를 기초로, PD(120)와 LD(130) 중 하나를 선택적으로 활성화시킨다.
구체적으로, MI 센서(10)에서 측정되는 자기장의 세기가 크면, 즉, 기준 이상이면, 모드 선택기(140)는 EN 신호를 논리 레벨 High로 설정하여, PD(120)를 활성화 시키고 LD(130)는 비활성화 시킨다.
MI 센서(10)에서 측정되는 자기장의 세기가 크다면, PD(120)를 활용하여 자기장의 세기를 검출한다 하더라도 감도와 분해능이 크게 떨어지지 않는다. 따라서, 이 경우에는 PD(120)를 활용하여 전력 소모를 줄이도록 하였다.
반면, MI 센서(10)에서 측정되는 자기장의 세기가 작으면, 즉, 기준 미만이면, 모드 선택기(140)는 EN 신호를 논리 레벨 Low로 설정하여, LD(130)를 활성화 시키고 PD(120)는 비활성화 시킨다.
MI 센서(10)에서 측정되는 자기장의 세기가 작은 경우, PD(120)를 활용하여 자기장의 세기를 검출한다면 감도와 분해능이 크게 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 전력 소모가 많더라도 감도와 분해능이 높은 LD(130)를 활용하도록 하였다.
LPF(150)는 PD(120)의 출력 또는 LD(130)의 출력을 저역 통과 필터링하여, PD(120)의 출력에 존재하는 고주파 노이즈를 제거하고, 복조 과정에서 발생한 LD(130)의 출력의 고조파 성분들을 제거하여, 순수한 자기장 세기 정보 만을 추출한다.
ADC/DSP(160)는 LPF(150)의 출력을 아날로그에서 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호에 대해 캘리브레이션 등의 필요한 디지털 신호 처리를 수행한다.
지금까지, MI 센서용 듀얼 모드 ROIC에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서, 모드 선택기(140)는 MI 센서(10)에서 측정되는 자기장의 세기를 기초로 활성화할 검출기를 선택하는 것을 상정하였는데, 예시적인 것으로 변형이 가능하다.
이를 테면, 도 6에 도시된 바와 같이 PD(120)의 정류기(121)에서 출력되는 자기장의 세기를 기초로 모드 선택기(140)가 활성화할 검출기를 선택하거나, 도 7에 도시된 바와 같이 증폭기(122)에서 출력되는 자기장의 세기, 즉, PD(120)에서 출력되는 자기장의 세기를 기초로 모드 선택기(140)가 활성화할 검출기를 선택하는 것으로 구현할 수 있다.
나아가, 도 8에 도시된 바와 같이 LD(130)에서 출력되는 자기장의 세기를 기초로 모드 선택기(140)가 활성화할 검출기를 선택하거나, 도 9에 도시된 바와 같이 ADC/DSP(160)에서 출력되는 자기장의 세기를 기초로 모드 선택기(140)가 활성화할 검출기를 선택하는 것으로 구현할 수 있다.
더 나아가, 모드 선택기(140)가 자기장 세기를 검출하여 자동으로 활성화할 검출기를 선택하는 것이 아닌, 사용자의 선택에 의해 수동으로 활성화할 검출기를 선택하는 모드를 추가하는 것도 가능하다.
한편, 위 실시예에서 제시한 듀얼 모드 ROIC와 MI 센서(10)를 결합한 자기 센서 모듈을 구현함에 있어서도, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 위 실시예에서 제시한 PD와 LD는 자기장의 세기를 피크로 검출하기 위한 검출기들로 예시한 것들에 불과하다. 이들을 다른 종류의 검출기로 대체하는 경우도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기장 측정 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 먼저, MI 드라이버(110)는 MI 센서(10)에 구동 신호를 인가하고, 이에 따라, MI 센서(10)에서 자기장 측정이 이루어진다(S210).
모드 선택기(140)는 S210단계에서 측정되는 자기장의 세기를 기초로, PD(120)와 LD(130) 중 하나를 선택적으로 활성화시킨다(S220).
구체적으로, S210단계에서 측정되는 자기장의 세기가 기준 이상이면(S220-Y), 모드 선택기(140)는 PD(120)를 활성화 시키고 LD(130)는 비활성화 시킨다(S230). 이에 따라, PD 방식으로 자기장 세기가 검출된다.
반면, S210단계에서 측정되는 자기장의 세기가 기준 미만이면(S220-N), 모드 선택기(140)는 S230단계와 반대로 LD(130)를 활성화 시키고 PD(120)는 비활성화 시킨다(S240). 이에 따라, LD 방식으로 자기장 세기가 검출된다.
다음, LPF(150)가 S230단계 또는 S240단계에서의 검출 결과를 저역 통과 필터링하고(S250), ADC/DSP(160)는 S250단계에서의 필터링된 신호를 A/D 변환하고(S260), 디지털 신호 처리 한다(S270).
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : MI 드라이버(MI driver)
120 : PD(Peak Detector)
130 : LD(Lock-in Detector)
140 : 모드 선택기(Mode Selector)
150 : LPF(Low Pass Filter)
160 : ADC(Analog to Digital Converter)/DSP(Digital Signal Processor)

Claims (12)

  1. 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기;
    상기 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기;
    제1 검출기 및 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 선택기;를 포함하고,
    선택기는,
    자기장의 세기가 기준 이상인 경우에는 제1 검출기를 활성화시키고,
    자기장의 세기가 기준 미만인 경우에는 제2 검출기를 활성화시키며,
    제2 검출기는,
    제1 검출기 보다 감도와 분해능이 높고,
    제1 검출기 보다 전력 소모량이 많은 것을 특징으로 하는 ROIC(ReadOut Integrated Circuit).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    선택기는,
    자기 센서의 출력, 제1 검출기의 출력 및 제2 검출기의 출력 중 어느 하나로부터 자기장의 세기가 기준 이상인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 ROIC.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 검출기의 출력 또는 제2 검출기의 출력을 저역 통과 필터링하는 LPF; 및
    LPF의 출력을 디지털 신호로 변환하고 신호 처리하는 처리기;를 더 포함하고,
    선택기는,
    처리기의 출력으로부터 자기장의 세기가 기준 이상인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 ROIC.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제1 검출기는,
    자기 센서의 출력을 정류하는 정류기;
    정류기의 출력을 증폭하는 증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ROIC.
  8. 청구항 7에 있어서,
    선택기는,
    정류기의 출력으로부터 자기장의 세기가 기준 이상인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 ROIC.
  9. 청구항 1에 있어서,
    자기 센서의 구동 신호를 생성하여 자기 센서에 인가하는 드라이버;를 더 포함하고,
    제2 검출기는,
    자기 센서의 출력을 증폭하는 증폭기;
    증폭기의 출력과 드라이버의 출력을 곱하는 곱셈기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ROIC.
  10. 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기와 상기 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 단계;
    활성화된 검출기로 자기장의 세기를 검출하는 단계;를 포함하고,
    활성화 단계는,
    자기장의 세기가 기준 이상인 경우에는 제1 검출기를 활성화시키고,
    자기장의 세기가 기준 미만인 경우에는 제2 검출기를 활성화시키며,
    제2 검출기는,
    제1 검출기 보다 감도와 분해능이 높고,
    제1 검출기 보다 전력 소모량이 많은 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
  11. 자기장을 측정하는 자기 센서;
    상기 자기 센서의 출력으로부터 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기;
    상기 자기 센서의 출력으로부터 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기;
    제1 검출기 및 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 선택기;를 포함하고,
    선택기는,
    자기장의 세기가 기준 이상인 경우에는 제1 검출기를 활성화시키고,
    자기장의 세기가 기준 미만인 경우에는 제2 검출기를 활성화시키며,
    제2 검출기는,
    제1 검출기 보다 감도와 분해능이 높고,
    제1 검출기 보다 전력 소모량이 많은 것을 특징으로 하는 자기 센서 모듈.
  12. 자기장을 측정하는 단계;
    측정된 자기장의 세기를 기초로, 제1 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제1 검출기와 제2 방식으로 자기장의 세기를 검출하는 제2 검출기 중 하나를 선택적으로 활성화시키는 단계;
    활성화된 검출기로 자기장의 세기를 검출하는 단계;를 포함하고,
    활성화 단계는,
    자기장의 세기가 기준 이상인 경우에는 제1 검출기를 활성화시키고,
    자기장의 세기가 기준 미만인 경우에는 제2 검출기를 활성화시키며,
    제2 검출기는,
    제1 검출기 보다 감도와 분해능이 높고,
    제1 검출기 보다 전력 소모량이 많은 것을 특징으로 하는 자기장 측정 방법.
KR1020200185651A 2020-12-29 2020-12-29 Mi 센서용 듀얼 모드 리드아웃 집적 회로 (roic) KR102460914B1 (ko)

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