스마트 기기용 고해상도 Incremental 아날로그 프론트-엔드 설계

Abstract

2014년 IT(Information Technology) 산업의 화두는 사물인터넷(Internet of Things, IoT)과 웨어러블 장치이다. 이는 앞으로의 성장이 더 기대되는 분야이며 이에 따라 사물인터넷과 웨어러블 장치에 필요한 센서의 수요는 더욱 급증할 것으로 예상된다[1]-[2]. 이는 곧 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC)의 수요가 증가하게 됨을 의미하고 사물인터넷 및 웨어러블 장치가 저전력을 요구하기 때문에 전력 소모 대비 높은 해상도를 가지는 오버샘플링 델타-시그마 ADC의 연구가 더욱 활발해 질 것이다. 따라서 본 논문에서는 스마트기기용 고해상도 Incremental 아날로그 프론트-엔드를 설계하였다. 본 논문의 설계에는 센서를 통해 들어오는 작은 신호를 증폭하기 위하여 1~200배 전압이득을 갖는 프로그래머블 이득 증폭기(Programmable Gain Amplifier, PGA)와 2차 1-bit 이산시간 델타-시그마 모듈레이터가 설계되었으며 PGA는 전압이득이 증가함에 따라 잡음도 같이 증가하기 때문에 증가되는 잡음을 고려하여 증폭기를 설계하였고 델타-시그마 모듈레이터는 입력 공통(common) 전압의 변화에도 일정한 출력 공통 전압을 가지도록 더블 샘플링 구조로 설계하였다. 본 논문의 회로는 Magna 0.18㎛ CMOS 공정으로 제작되었으며 델타-시그마 모듈레이터에 대한 칩 테스트 결과 100㎐의 신호 대역 내에서 SNR 100.71dB, SNDR 100.37dB를 가졌으며 모듈레이터의 전체 전력 소모는 0.556㎽이다.