바이오메디컬 어플리케이션을 위한 고성능 델타-시그마 모듈레이터 설계

Abstract

본 연구에서는 배터리를 기반으로 장시간 구동과 정확한 진단을 필요로 하는 바이오메디컬 어플리케이션을 위한 델타-시그마 모듈레이터 (Delta-Sigma Modulator, DSM) 설계를 진행하였다. 이를 위해 저전력 고해상도 설계에 적합한 구조들을 채택하고, μW급의 초저전력 소모와 약 100dB의 고해상도의 높은 성능을 달성하기 위한 추가적인 회로들을 적용하여 2개의 DSM 연구를 진행했다. 설계한 DSM은 CMOS 28-nm 공정을 사용하였다. 4장에서 소개하는 DSM는 1-5kHz의 신호 대역에서 동작하며, 샘플링 주파수는 2.56MHz이다. 트랜스컨덕턴스 컨트롤 음저항 회로를 적용하여 신호 대 잡음 비 (Signal-to-Noise Ratio, SNR)과 신호 대 잡음 및 왜곡 비 (Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio, SNDR)는 시뮬레이션 상에서 각각 98.5dB, 97dB을, 실제로는 각각 87.9dB, 86.1dB를 달성하였다. 1V 공급 전압에서 39.6μW의 전력을 소모하며 칩의 면적은 0.16mm^2이다. 5장에서 소개하는 DSM는 프로그래머블 이득 증폭기와 함께 아날로그 프론트 엔드를 구성한다. 이러한 시스템에서 고성능을 구현하기 위해 용량성 피드백 반전 증폭기 회로를 추가로 적용하였다. 해당 DSM은 1-500Hz의 신호 대역에서 동작하며, 샘플링 주파수는 64kHz이다. 시뮬레이션 상에서 SNR과 SNDR은 각각 100.4dB, 100.1dB을 달성하였다. 1V 공급 전압에서 13.59μW의 전력을 소모하며 칩의 면적은 0.189mm^2이다. | In this research, DSMs were designed for biomedical applications that require long-term operation and accurate diagnosis based on batteries. For this purpose, structures suitable for low-power high-resolution design were adopted. In addition, research on two DSMs was conducted by applying additional circuits to achieve ultra-low-power consumption at the μW level and high-resolution performance of about 100dB. The designed DSM used the CMOS 28-nm process. The DSM introduced in Chapter 4 operates in the signal band of 1-5kHz, and the sampling frequency is 2.56MHz. By applying a transconductance-controlling negative-resistor circuit, SNR and SNDR achieved 98.5dB and 97dB on the simulation, respectively, and 87.9dB and 86.1dB, in the measurement result, respectively. It consumes 39.6μW of power at a 1V supply voltage and has an area of 0.16mm^2. Introduced in Chapter 5, the DSM configures an AFE with a PGA. A capacitive-feedback inverting amplifier was applied to realize high performance in such a system. The corresponding DSM operates in a signal band of 1-500Hz, and the sampling frequency is 64kHz. In the simulation, SNR and SNDR achieved 100.4dB and 100.1dB, respectively. It consumes 13.59μW of power at a 1 V supply voltage and has an area of 0.189mm^2.