저전력 고해상도 계측증폭기 및 델타-시그마 모듈레이터 설계

Abstract

헬스케어 센서의 수요와 시장 규모가 증가하면서 생체 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 프론트 엔드 (AFE)회로의 연구가 활발하게 진행되고 있다. AFE의 구현을 위해서 사용되는 계측 증폭기 (IA)와 아날로그-디지털 변환기 (ADC)는 저전력 고해상도 성능이 요구된다. 본 논문에서는 저전력 고해상도의 AFE 구현에 사용되는 정전 결합 계측증폭기 (CCIA)와 연속-시간 델타-시그마 모듈레이터 (CTDSM)을 연구하였다. 높은 입력 임피던스를 가지며 고해상도 증폭을 수행하는 CCIA와 높은 입력 스윙 범위와 고해상도 성능을 가지는 CTDSM의 설계 기법에 대해서 소개한다. IA와 CTDSM 설계에 사용된 공정은 28nm CMOS 공정으로, 공금전압은 1V이다. 설계한 CCIA는 500Hz의 신호 대역에서 약 832MΩ의 입력 임피던 스를 가지며 소모전류는 19.9μW이고 약 0.06𝑚𝑚2의 면적을 갖는다. 설계한 CTDSM의 오버샘플링 비 (OSR)는 50으로 500kHz의 샘플링 주 파수를 갖는다. 신호 대역 5kHz에서 30.4μW를 소모하며 신호 대 잡음비 (SNR) 102.4dB를 달성하였다. 칩의 면적은 약 0.27𝑚𝑚2을 차지한다. |The demand for healthcare sensors has increased with its market size, therefore, research on analog front-end (AFE) circuits that convert biomedical signals into digital signals is being actively conducted. For the implementation of AFEs requiring low-power, high-resolution performance, instrumentation amplifiers (IA) and analog-to-digital converters (ADCs)are used. In this thesis, a capacitively-coupled chopper instrumentation amplifier (CCIA) and a continuous-time delta-sigma modulator (CTDSM) have been studied for implementing low-power high-resolution AFE. This thesis introduces the design method for CCIA having high input impedance for performing high-resolution amplification, and a CTDSM for a high input swing range and high resolution. The designed CCIA is implemented in a 28nm CMOS process having an input impedance of about 832MΩ in a signal band of 500Hz while consuming 19.9μW from a 1V supply. In addition, the CCIA core size is about 0.06 𝑚𝑚2. The designed CTDSM has an oversampling ratio (OSR) of 50 and a sampling frequency of 500kHz. A peak signal-to-noise ratio (SNR) of 102.4dB is achieved in a signal band of 5kHz, consuming a total power of 30.4μW. The DSM core occupies a total area of 0.27𝑚𝑚2.