어쿠스틱 및 환경 센서 IC 용 저 전력 analog front-end 설계

Abstract

유비쿼터스 산업의 발전으로 미래형 단말기에는 입체 음향을 감지하는 고성능의 어쿠스틱(acoustic) 센서 기능과 대기의 유해물질을 인식하는 환경(environmental) 센서 기능을 지닌 여러 센서들이 복합적으로 구비될 것으로 예상되며, 이러한 기능이 단말기에 추가됨에 따라 배터리의 수명을 늘리기 위한 저 전력 회로 설계 연구가 더욱더 중요시 될 것으로 생각된다. 따라서 본 논문에서는 여러 센서 신호를 동시에 효과적으로 처리할 수 있도록 높은 다이내믹 레인지를 가지며 적은 전력을 소모하는 어쿠스틱 및 환경센서 IC 용 analog front-end 를 설계하였다. 설계한 analog front-end 회로는 센서 리드아웃 단과 A/D 변환기 단 그리고 기준 전압 발생회로 단으로 구성되어 있다. A/D 변환기 단은 연속 시간 시그마-델타 모듈레이터를 이용하여 analog front-end 회로의 저 전력 설계를 가능하게 하였다. 또한 모듈레이터의 전력 소모를 최소화하기 위해 summing 단을 제거한 피드-포워드(feed-forward)구조로 설계 하였으며, 해상도를 높이기 위해 선형성이 우수한 active-RC 필터를 사용하였다. 어쿠스틱 및 환경 센서 IC 용 analog front-end 회로는 1-poly 8-metal 0.13-㎛ CMOS 표준 공정을 통해 설계 되었으며 칩 면적은 2.25 ㎟ 이다. 시뮬레이션 결과 3.3-V 전원 동작에서 peak SNR(signal-to-noise ratio)은 90 ㏈, 전체 전력 소모는 2.69 ㎽ 임을 확인하였다.; This paper presents the design of analog front-end for acoustic and environmental sensor ICs. The proposed analog front-end circuit consists of sensor readout, bandgap reference, and continuous-time sigma-delta modulator blocks. The continuous-time sigma-delta modulator has intrinsic anti-aliasing filter and can reduce the power consumption of the analog front-end circuit. The feed-forward structure without summing block is used to reduce power consumption of sigma-delta modulator. A high-linearity active-RC filter is used to improve the resolution of sigma-delta modulator. A analog front-end for acoustic and environmental sensor ICs was realized in a 1-poly 8-metal 0.13-㎛ CMOS technology, with the chip area of 2.25 ㎟. Simulation results show that the analog front-end circuit achieves 90-㏈ peak SNR, while dissipating 2.69 ㎽ from a 3.3-V supply.