초전형 적외선 센서 회로 설계 및 신호 증폭 실습

본 내용은 " 아날로그및디지털회로설계실습 결과보고서1 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.07.01

문서 내 토픽

• 1. 초전형(Pyroelectric) 적외선 센서

  초전형 적외선 센서는 강유전체가 온도변화에 의하여 분극의 크기가 변화하여 표면에 전하가 발생하는 초전효과를 이용한다. 대상물에서 복사하는 적외선이 강유전체 소자에 조사되면 적외선을 열로 흡수하여 온도 변화가 생기고, 이에 대응해서 소자 표면에 전하가 발생하여 신호가 발생한다. 온도 변화가 있을 경우만 응답하는 것이 큰 특징이며, 침입자 경보기, 도어 센서 등 여러 분야에서 활용된다.

• 2. 다단계 증폭기 설계 및 노이즈 제거

  초전형 센서의 매우 작은 입력전압을 증폭하기 위해 HPF를 통과시킨 후 Amplifier로 증폭시키는 다단계 구조를 설계했다. 각 stage의 Gain을 100V/V로 설정하여 총 Gain이 10000V/V가 되도록 구성했다. 1-stage에서는 노이즈 성분이 많이 섞여 불안정한 파형을 보였으나, 2-stage에서는 HPF를 두 번 거쳐 노이즈가 줄어들고 더 안정적이면서 증폭된 파형을 관찰했다.

• 3. 저역통과필터(LPF) 설계 및 특성

  두 번째 반전증폭기 회로에 10nF 커패시터를 R5에 병렬로 연결하여 LPF 기능을 추가했다. LPF 추가 후 출력 파형이 기존보다 더 선명하고 안정적으로 나왔으며, 노이즈 영향을 덜 받았다. Transfer function을 이용하여 계산한 결과 LPF의 3dB-frequency는 50Hz로 결정되었다.

• 4. 회로 설계 및 측정 기술

  Op-Amp에 +15V, -15V를 인가하고 적외선 센서에 +5V를 인가하여 회로를 설계했다. Digital Multimeter와 Digital Storage Oscilloscope를 사용하여 각 stage의 출력 신호를 측정했다. 손을 적외선 센서에 대면 LED가 켜지고 떼면 꺼지는 것으로 회로의 정상 동작을 확인했으며, 실제 소자 측정값과 표기값을 비교 분석했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 초전형(Pyroelectric) 적외선 센서

  초전형 적외선 센서는 온도 변화에 따른 전기 분극 변화를 감지하는 우수한 센서로, 비용 효율적이고 광범위한 응용이 가능합니다. 특히 동작 감지, 열화상 카메라, 보안 시스템 등에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 다만 온도 드리프트와 노이즈 특성 개선이 필요하며, 적절한 신호 처리 회로와 함께 사용할 때 그 가치가 극대화됩니다. 향후 고감도 소자 개발과 집적화 기술 발전으로 더욱 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상됩니다.

• 2. 다단계 증폭기 설계 및 노이즈 제거

  다단계 증폭기는 미약한 신호를 효과적으로 증폭하는 핵심 회로이며, 각 단계의 노이즈 특성 관리가 매우 중요합니다. 첫 번째 단계의 노이즈 지수가 전체 성능을 좌우하므로 저노이즈 소자 선택이 필수적입니다. 피드백 회로, 임피던스 매칭, 전원 공급 안정화 등을 통해 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 또한 주파수 특성과 선형성을 고려한 설계가 필요하며, 실제 응용에서는 측정과 검증을 통한 최적화 과정이 필수입니다.

• 3. 저역통과필터(LPF) 설계 및 특성

  저역통과필터는 고주파 노이즈 제거와 신호 대역 제한에 필수적인 회로 요소입니다. 수동 필터와 능동 필터 각각의 장단점을 고려하여 설계해야 하며, 차단 주파수, 롤오프 특성, 위상 응답 등을 신중히 결정해야 합니다. 특히 센서 신호 처리에서는 앨리어싱 방지와 노이즈 감소를 동시에 달성해야 하므로 정확한 설계가 중요합니다. 실제 구현 시 소자의 공차와 온도 특성을 고려한 보정이 필요하며, 시뮬레이션과 측정을 통한 검증이 필수적입니다.

• 4. 회로 설계 및 측정 기술

  효과적인 회로 설계는 이론적 이해와 실무 경험의 조화가 필요합니다. 설계 단계에서 시뮬레이션을 통한 사전 검증이 개발 시간과 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 측정 기술은 설계 의도를 검증하고 문제점을 파악하는 핵심 도구로, 적절한 계측기 선택과 측정 방법론이 중요합니다. 특히 고주파 신호, 저노이즈 신호 측정 시 접지, 차폐, 임피던스 매칭 등 세심한 주의가 필요합니다. 설계와 측정의 반복적 개선 과정을 통해 최적의 성능을 달성할 수 있습니다.