고성능 CMOS 이미지 센서 모듈을 위한 저전력 및 소면적 가변 이득 증폭기

Abstract

고해상도를 지원하는 CMOS Image Sensor (CIS)에 대한 수요가 급증함에 따라, 고성능의 Analog Front End (AFE)에 대한 필요성도 커지고 있다. Programmable Gain Amplifier (PGA)는 AFE를 구성하는 블록 중 하나이며 리시버 혹은 센서 등의 출력을 받아 신호를 증폭시킨 후 ADC로 신호를 전달함으로써, 센서가 감지하는 외부 신호의 크기와 무관하게 ADC의 해상도를 최대로 유지하는 역할을 한다. 본 논문에서는, 모바일용 고성능 CIS 모듈을 위한 저전력 및 소면적 PGA를 제안하고자 한다. 일반적으로 CIS 모듈에 사용되는 Switched-Capacitor 기반의 PGA는 capacitance의 비율에 따른 피드백을 이용하여 이득 값을 결정한다. 그러나 이러한 방법은 면적과 전력 면에서 고성능의 AFE에 적합하지 않다. 따라서, 본 논문에서는 트랜지스터로 구현된 저항의 비율에 기반한 PGA를 설계하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 방식은 capacitor를 사용하는 경우에 비하여 소면적일 뿐 아니라 충전, 방전으로 소비되는 전력도 절감할 수 있다. 9비트의 이득 제어 신호로 이득을 변화하며 최소 이득 단위는 0.025이고, 이득 값의 변화 범위는 0.425~16이다. 10Mbps의 입력 신호에 대응하여 동작하며 최대 전류 소비는 633㎂이다. 전원 전압 1.2V의 0.13㎛ CMOS공정을 기반으로 설계하였으며, 면적은 150㎛ × 160㎛이다.