본 논문에서는 능동 부하를 이용한 선형 증폭기와 고감도 바이오 신호 검출에 적용 가능한 신호 검출 증폭기에 대하여 연구하였다. 첫 번째로 송⦁수신 회로에 적용할 수 있는 전압 제어 능동 부하를 적용한 구동 증폭기에 대하여 연구하였다. 전압 제어 능동 부하는 선형화 기법 중에 predistortion 선형화 방식과 동일한 방식으로 증폭기에서 발생되는 비선형성 성분과 반대되는 비선형 성분을 생성하여 선형적으로 만들어줄 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 고주파 구동 증폭기에 능동 부하를 적용할 경우에는 on-chip 인덕터를 대체할 수 있으며, 능동 부하의 ...
본 논문에서는 능동 부하를 이용한 선형 증폭기와 고감도 바이오 신호 검출에 적용 가능한 신호 검출 증폭기에 대하여 연구하였다. 첫 번째로 송⦁수신 회로에 적용할 수 있는 전압 제어 능동 부하를 적용한 구동 증폭기에 대하여 연구하였다. 전압 제어 능동 부하는 선형화 기법 중에 predistortion 선형화 방식과 동일한 방식으로 증폭기에서 발생되는 비선형성 성분과 반대되는 비선형 성분을 생성하여 선형적으로 만들어줄 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 고주파 구동 증폭기에 능동 부하를 적용할 경우에는 on-chip 인덕터를 대체할 수 있으며, 능동 부하의 게이트 전압을 제어함으로써 구동 증폭기의 선형성 및 이득의 변화를 가질 수 있다. 또한 능동 부하의 등가 회로 모델링을 통해서 인덕턴스 성분이 존재함을 알 수 있었으며, 게이트 전압의 변화에 따라서 인덕턴스 성분이 변화는 것을 확인하였으며, PMOS의 width의 변화에 따라서도 인덕턴스 성분이 0.01 nH 부터 0.64 nH 까지 변화함을 확인 하였다. 이러한 특성을 갖는 능동 부하를 이용하여 측정된 구동 증폭기는 능동 부하의 게이트 전압에 변화에 따라서 이득은 8.4 dB에서 10.2 dB로, OP1dB는 1.06 dBm에서 3.97 dBm로, OIP3는 9.8 dBm에서 12.2 dBm로, PAE(@P1dB)는 8.2 %에서 14.2 %로 측정되었다. 또한 S22는 2000 MHz에서 전반적으로 –11 dB 아래에서 측정되었다. 위와 같은 측정 결과로 보면 게이트 전압을 조절함에 따라서 이득이나 선형성을 선택적으로 결정할 수 있으며, 필요한 회로에 따라서 선택적으로 사용할 수 있다. 두 번째로 나노/바이오 센서 시스템을 위한 CMOS 기반의 저잡음 아날로그 미세 신호 증폭기 (Lock-in amplifier, LIA)에 대하여 연구하였다. 기존에 미세 신호 검출을 위하여 증폭기와 band pass filter (BPF)를 이용하여 검출을 하였는데 이는 noise level이 증가되면 신호를 검출할 수 없게 되는 제한이 있다. 이러한 문제점을 해결 하고자 집적광학 기반의 나노/바이오 센서의 미세 신호 검출을 위한 신호 잠금 기법을 이용하였다. 신호 검출 기법은 reference 신호와 광 출력 신호를 곱하여 발생되는 DC와 2ω0 성분 중에서 DC 전압 값을 이용하여 광 신호의 위상 변화 및 크기를 검출할 수 있었다. 그러나 LIA를 CMOS technology를 이용하여 집적 회로로 설계하면 CMOS 고유한 특성 중 하나인 flicker noise가 발생하여 저주파 noise가 증가하게 된다. 이러한 특성에 의해서 LIA를 이용한 DC 신호의 검출를 저하시키는 원인을 제공하게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 LIA 생성되는 DC와 2ω0 성분 중에서 2ω0을 검출하는 방법으로 CMOS 공정에서 발생하는 flicker noise의 conner frequency 영역보다 높은 신호를 검출할 수 있는 2ω0 검출 LIA를 제안하였다. 이를 검증하기 위하여 hybrid 기반의 LIA 검출 모듈을 설계 및 측정을 하였으며, 실험 결과 DC는 –60 dBm, 2ω0는 –80 dBm까지 검출되었으며, 2ω0의 SNR (signal to noise ratio)이 DC보다 20 dB 향상됨을 확인 하였다. 이는 광바이오 센서 신호를 검출 하는데 있어 2ω0가 DC를 이용할 때 보다 더 미세한 신호를 검출 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 실험을 바탕을 기반으로 CMOS을 이용한 집적화된 2ω0 기법을 적용한 LIA를 설계하였다. 이를 위해서 TIA (Transimpedance amplifier), Filter (Low-pass filter, High-pass filter, Band-pass filter), PSD (Phase sensitive detector), amplifier를 설계하였다. LIA는 노이즈에 묻혀 있는 신호를 검출 할 수 있는 회로로 바이오 센서 신호를 검출하는데 사용할 수 있으며, 100 ㎶ 일 때 출력이 112 mV로 나타나며 2ωc 주파수 출력 신호는 –26.3 dBm으로 나타난다. 또한, 입력 신호를 100 μV에서 400 μV까지 증가 시킬 때 출력 신호는 110 mV에서 370 mV까지 증가 하였다. 노이즈를 포함한 입력 신호를 측정하였을 때, 노이즈가 없을 때 입력 신호가 동일한 LIA 출력 신호가 나오는 것을 확인 하였다. 노이즈가 100 mV일 때 LIA의 노이즈를 약 10 dB suppression 되며, 노이즈가 400 mV 일 때 LIA의 노이즈가 약 30 dB suppression 되는 것을 측정 되었다. 이를 통해서 CMOS 기반의 2ω0을 적용한 LIA의 가능성을 검증 하였다. 또한 이를 통해서 미세한 신호를 발생하는 다양한 센서 시스템에 적용할 수 있는 장점을 갖는다.
본 논문에서는 능동 부하를 이용한 선형 증폭기와 고감도 바이오 신호 검출에 적용 가능한 신호 검출 증폭기에 대하여 연구하였다. 첫 번째로 송⦁수신 회로에 적용할 수 있는 전압 제어 능동 부하를 적용한 구동 증폭기에 대하여 연구하였다. 전압 제어 능동 부하는 선형화 기법 중에 predistortion 선형화 방식과 동일한 방식으로 증폭기에서 발생되는 비선형성 성분과 반대되는 비선형 성분을 생성하여 선형적으로 만들어줄 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 고주파 구동 증폭기에 능동 부하를 적용할 경우에는 on-chip 인덕터를 대체할 수 있으며, 능동 부하의 게이트 전압을 제어함으로써 구동 증폭기의 선형성 및 이득의 변화를 가질 수 있다. 또한 능동 부하의 등가 회로 모델링을 통해서 인덕턴스 성분이 존재함을 알 수 있었으며, 게이트 전압의 변화에 따라서 인덕턴스 성분이 변화는 것을 확인하였으며, PMOS의 width의 변화에 따라서도 인덕턴스 성분이 0.01 nH 부터 0.64 nH 까지 변화함을 확인 하였다. 이러한 특성을 갖는 능동 부하를 이용하여 측정된 구동 증폭기는 능동 부하의 게이트 전압에 변화에 따라서 이득은 8.4 dB에서 10.2 dB로, OP1dB는 1.06 dBm에서 3.97 dBm로, OIP3는 9.8 dBm에서 12.2 dBm로, PAE(@P1dB)는 8.2 %에서 14.2 %로 측정되었다. 또한 S22는 2000 MHz에서 전반적으로 –11 dB 아래에서 측정되었다. 위와 같은 측정 결과로 보면 게이트 전압을 조절함에 따라서 이득이나 선형성을 선택적으로 결정할 수 있으며, 필요한 회로에 따라서 선택적으로 사용할 수 있다. 두 번째로 나노/바이오 센서 시스템을 위한 CMOS 기반의 저잡음 아날로그 미세 신호 증폭기 (Lock-in amplifier, LIA)에 대하여 연구하였다. 기존에 미세 신호 검출을 위하여 증폭기와 band pass filter (BPF)를 이용하여 검출을 하였는데 이는 noise level이 증가되면 신호를 검출할 수 없게 되는 제한이 있다. 이러한 문제점을 해결 하고자 집적광학 기반의 나노/바이오 센서의 미세 신호 검출을 위한 신호 잠금 기법을 이용하였다. 신호 검출 기법은 reference 신호와 광 출력 신호를 곱하여 발생되는 DC와 2ω0 성분 중에서 DC 전압 값을 이용하여 광 신호의 위상 변화 및 크기를 검출할 수 있었다. 그러나 LIA를 CMOS technology를 이용하여 집적 회로로 설계하면 CMOS 고유한 특성 중 하나인 flicker noise가 발생하여 저주파 noise가 증가하게 된다. 이러한 특성에 의해서 LIA를 이용한 DC 신호의 검출를 저하시키는 원인을 제공하게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 LIA 생성되는 DC와 2ω0 성분 중에서 2ω0을 검출하는 방법으로 CMOS 공정에서 발생하는 flicker noise의 conner frequency 영역보다 높은 신호를 검출할 수 있는 2ω0 검출 LIA를 제안하였다. 이를 검증하기 위하여 hybrid 기반의 LIA 검출 모듈을 설계 및 측정을 하였으며, 실험 결과 DC는 –60 dBm, 2ω0는 –80 dBm까지 검출되었으며, 2ω0의 SNR (signal to noise ratio)이 DC보다 20 dB 향상됨을 확인 하였다. 이는 광바이오 센서 신호를 검출 하는데 있어 2ω0가 DC를 이용할 때 보다 더 미세한 신호를 검출 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 실험을 바탕을 기반으로 CMOS을 이용한 집적화된 2ω0 기법을 적용한 LIA를 설계하였다. 이를 위해서 TIA (Transimpedance amplifier), Filter (Low-pass filter, High-pass filter, Band-pass filter), PSD (Phase sensitive detector), amplifier를 설계하였다. LIA는 노이즈에 묻혀 있는 신호를 검출 할 수 있는 회로로 바이오 센서 신호를 검출하는데 사용할 수 있으며, 100 ㎶ 일 때 출력이 112 mV로 나타나며 2ωc 주파수 출력 신호는 –26.3 dBm으로 나타난다. 또한, 입력 신호를 100 μV에서 400 μV까지 증가 시킬 때 출력 신호는 110 mV에서 370 mV까지 증가 하였다. 노이즈를 포함한 입력 신호를 측정하였을 때, 노이즈가 없을 때 입력 신호가 동일한 LIA 출력 신호가 나오는 것을 확인 하였다. 노이즈가 100 mV일 때 LIA의 노이즈를 약 10 dB suppression 되며, 노이즈가 400 mV 일 때 LIA의 노이즈가 약 30 dB suppression 되는 것을 측정 되었다. 이를 통해서 CMOS 기반의 2ω0을 적용한 LIA의 가능성을 검증 하였다. 또한 이를 통해서 미세한 신호를 발생하는 다양한 센서 시스템에 적용할 수 있는 장점을 갖는다.
In this theses, high linear amplifier using active load for radio frequency and ultra high sensitivity amplifier for possibly detecting bio signals have been researched. For active load linear amplifier, predistortion method is applied to improve linearity such way of creating opposite nonlinear com...
In this theses, high linear amplifier using active load for radio frequency and ultra high sensitivity amplifier for possibly detecting bio signals have been researched. For active load linear amplifier, predistortion method is applied to improve linearity such way of creating opposite nonlinear component and cancelling origin nonlinear component. In addition, bulky on-chip inductor can be replaced by active load for high frequency application, and the linearity or the gain is able to be programmed by adjusting the active load control voltage. Also, the equivalent circuitry of the active load clearly shows inductor value variation as varying the gate control voltage. The equivalent inductor value is changed from 0.01 nH to 0.64 nH as PMOS width is changed. As a result, experimental measurements of the proposed high linear amplifier show gain from 8.4 dB to 10.2 dB, OP1dB from 1.06 dBm to 3.97 dBm, OIP3 from 9.8 dBm to 12.2 dBm, and PAE(@P1dB) from 8.2 % to 14.2 % by adjusting the control voltage. Furthermore, S22 around 2000MHz is less than –11 dB. For ultra high sensitivity amplifier for bio signal detection, LIA (Lock-in amplifier) have been researched. Ultra low signal detection method using band pass filter (BPF) has relatively low sensitivity as noise level is increased. In order to improve sensitivity, Lock-In method for ultra low signal detection is proposed. Fiber optic signal is locked with reference signal by multiplying two signals. And, resultant DC and 2ω0 are filtered by low pass filter (LPF), which remains only DC value. The measured DC level represents fiber optic signal phase change and magnitude. However, CMOS based LIA cause a flicker noise, which degrades sensitivity dramatically. In order to avoid flicker noise degradation, 2ω0 signal is detected. As a result, much better sensitivity can be achieved. Experimental measurements apparently show that –80 dBm signal is detected at 2ω0, while only –60 dBm signal is detected at DC. In other words, SNR (signal to noise ratio) at 2ω0 is 20 dB better than SNR at DC. The propose LIA is integrated on CMOS. Its components are TIA (Transimpedance amplifier), Filter (Low-pass filter, High-pass filter, Band-pass filter), and PSD (Phase sensitive detector), amplifier. Measurement results show promising solution for bio signal detection.
In this theses, high linear amplifier using active load for radio frequency and ultra high sensitivity amplifier for possibly detecting bio signals have been researched. For active load linear amplifier, predistortion method is applied to improve linearity such way of creating opposite nonlinear component and cancelling origin nonlinear component. In addition, bulky on-chip inductor can be replaced by active load for high frequency application, and the linearity or the gain is able to be programmed by adjusting the active load control voltage. Also, the equivalent circuitry of the active load clearly shows inductor value variation as varying the gate control voltage. The equivalent inductor value is changed from 0.01 nH to 0.64 nH as PMOS width is changed. As a result, experimental measurements of the proposed high linear amplifier show gain from 8.4 dB to 10.2 dB, OP1dB from 1.06 dBm to 3.97 dBm, OIP3 from 9.8 dBm to 12.2 dBm, and PAE(@P1dB) from 8.2 % to 14.2 % by adjusting the control voltage. Furthermore, S22 around 2000MHz is less than –11 dB. For ultra high sensitivity amplifier for bio signal detection, LIA (Lock-in amplifier) have been researched. Ultra low signal detection method using band pass filter (BPF) has relatively low sensitivity as noise level is increased. In order to improve sensitivity, Lock-In method for ultra low signal detection is proposed. Fiber optic signal is locked with reference signal by multiplying two signals. And, resultant DC and 2ω0 are filtered by low pass filter (LPF), which remains only DC value. The measured DC level represents fiber optic signal phase change and magnitude. However, CMOS based LIA cause a flicker noise, which degrades sensitivity dramatically. In order to avoid flicker noise degradation, 2ω0 signal is detected. As a result, much better sensitivity can be achieved. Experimental measurements apparently show that –80 dBm signal is detected at 2ω0, while only –60 dBm signal is detected at DC. In other words, SNR (signal to noise ratio) at 2ω0 is 20 dB better than SNR at DC. The propose LIA is integrated on CMOS. Its components are TIA (Transimpedance amplifier), Filter (Low-pass filter, High-pass filter, Band-pass filter), and PSD (Phase sensitive detector), amplifier. Measurement results show promising solution for bio signal detection.
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