차량용 초음파 센서를 위한 Analog Front-End IC 설계

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Analog Front-End IC Design for Vehicle Ultrasonic Sensor

*** and ***

*** University

Abstract

In this paper, the analog front-end (AFE) IC for vehicle ultrasonic sensor is designed. In the AFE, low-noise amplifier (LNA) with the input-referred noise of 5.8nV/Hz0.5 within the signal band, programmable-gain amplifier (PGA) which can  control the gain from 30.5dB to 87.5dB, offset-cancellation circuit for relieving large offset voltage problem due to high gain characteristics, capacitor-sharing scheme for decreasing the area needed for high-pass filtering are included. The chip is fabricated in a 180nm CMOS process. IC measurement and distance measurement results are included. The core area occupies 1.5mm2 and total power consumption is 8.1mW for a single supply voltage of 1.8V.

I. 서론

자율주행 차량에 대한 연구가 활발해지고 상용화되면서 여러 가지 반도체 부품들이 차량에 필요해지고 있다. 그중 핵심이 되는 기술 중 하나가 ADAS (advanced driver-assistant systems)이다. ADAS는 주변의

물체 간의 거리를 감지하여 차량의 주행을 돕도록 하는 기술로서 자율주행 차량이 정지 또는 주행을

하는데 필수적인 기술이다. 이러한 ADAS에 사용되는 근거리 센서로는 낮은 제조 단가와 높은 신뢰성 때문

에 일반적으로 초음파 센서가 사용된다[1∼3]

그림 1. 초음파 센서 IC 블록도.

초음파 센서의 구조는 그림1을 통해 나타내었다. 송신단은 송신구동부와 트랜스듀서 인터페이스 블록으로

구성되며 수신단은 반사된 신호를 낮은 잡음 특성으로

증폭하는 LNA (low noise amplifier), 물체의 거리에 따라 증폭도를 변경하는 PGA (programmable gain amplifier), 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어주는

ADC (analog to digital converter)가 필요하다. 또한 초음파는 매질에 해당하는 공기의 온도에 따라서 속도가 변하므로 정확한 거리 측정을 위하여 온도 센서도 필요하다.

본 논문에서는 차량용 초음파 센서를 위한 아날로그

프런트 엔드 회로에 해당하는 LNA, PGA, 오프셋-전압 제거 회로를 180nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에서는 아날로그 프런트 엔드 회로에 대하여 설명하고 Ⅲ장에서는 설계한 아날로그 프런트 엔드 회로의 측정결과를 보여준다.

II. 회로 설계 및 시뮬레이션

2.1  Low Noise Amplifier

그림 2는 LNA에 사용되는 증폭기의 회로도이다. 출력단에서 저항을 구동해 주어야 하기 때문에 class AB 형태의 증폭기가 사용되었다[4~6]. 트랜지스터 M1~M6이 첫 번째 단 증폭기로 동작하고, 트랜지스터 M7~M14가 class AB 구조의 두 번째 단 증폭기로 동작한다.

입력 노드로 반영되는 등가의 잡음 특성을 고려할 때 증폭기에서 두 번째 단의 트랜지스터에 의한 잡음은 첫 번째 단의 이득으로 나누어져 입력에 보이기 때문에 M11~M14의 잡음보다 M1~M6 잡음이 입력에 큰 영향을 미친다. 따라서 M1~M6로 이루어진 첫 번째 단에서 많은 양의 전류 및 트랜지스터의 큰 W, L 값이 필요하다.

그림 3은 LNA 증폭기의 open-loop 시뮬레이션 결과를 나타낸다. DC gain 76dB, 위상 마진 75o, 단위-이득 주파수 9.4MHz를 가진다. 그림 5는 LNA에 사용된 증폭기와 전체 closed-loop LNA의 입력-노드에 반영된 등가 잡음 특성을 보여준다. 각각 2.1nV/Hz0.5, 4.9nV/Hz0.5의 잡음이 초음파 신호로 사용되는 주파수대역에 나타남을 확인할 수 있다.

그림 2. LNA에 사용되는 증폭기의 회로도.

그림 3.  LNA 증폭기의 open-loop 시뮬레이션 결과.

2.2  Offset-Cancellation Circuit

Ⅲ. 칩 제작 및 검증

본 논문에서 설계한 차량용 초음파 센서 아날로그 프런트-엔드 IC는 0.18um CMOS 공정으로 제작되었다. 그림 10은 제작된 아날로그 프런트-엔드의 레이아웃을 보여주고 있으며 코어면적은1500x1000 um2 이다.

3.1 LNA 잡음 측정 결과

그림 11은 제작한 IC의 LNA 출력에서 잡음을 측정한 결과이다. AP525 Signal Source를 이용하여 측정하였으며, signal source to analyzer의 loop back noise는 약 8nV/Hz1/2이다. 장비 자체의 잡음 및 LNA 단의 이득을 고려하여 LNA의 입력-노드에 반영된 등가 잡음을 계산하면 5.8nVrms/Hz1/2의 값을 갖는다. 그림 12는 제작한 IC의 수신단 증폭도 조정 측정 결과로, 증폭도 30.5dB ~ 87.5dB의 값을 갖는다

그림 10. 차량용 초음파 센서 아날로그-프런트 엔드의 레이아웃.

3.2 차량용 초음파센서 측정 환경 및 평가 결과

Ⅳ. 결론 및 향후 연구 방향

본 논문에서는 차량용 초음파 센서 아날로그 프런트-엔드 IC를 설계하였다. LNA가 반사된 신호를 낮은 잡음 특성으로 증폭해주고, PGA가 거리에 따라 신호의 증폭 정도를 조정하여 추가적으로 증폭한다. RC 필터링을 통하여 오프셋을 제거하는 시스템에서 각 증폭기에 대하여 피드백을 적용하는 방식과 커패시터를 공유하는 방식을 이용하여 오프셋 전압을 효울적으로 제거할 수 있었으며 필터링에 필요한 커패시터 면적이 97.5% 감소되었다.

Acknowledgement

이 논문은 과학기술정보통신부 반도체설계검증인프라활성화사업(RS-2023-00258732)의 지원을 받아 수행된 연구임.

참고문헌

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