1895 년 Dr. W. Roentgen에 의해 발견된 X-선은 현재 다양한 산업 분야에서 의료 진단 및 비파괴 검사를 위해 지속적으로 활용되고 있다. X-선 검출을 위한 이미지 센서 및 FPD (Flat Panel Display, 평판 패널 디스플레이) 기술의 발전으로 FPDR(Flat Panel Digital Radiography, 평판 디지털 X-선 검출기)가 기존의 아날로그 필름 X-선 검출기를 빠르게 대치하고 있다. 평판 디지털 X-선 검출기는 X-선 이미지 센서에서 검출된 ...
1895 년 Dr. W. Roentgen에 의해 발견된 X-선은 현재 다양한 산업 분야에서 의료 진단 및 비파괴 검사를 위해 지속적으로 활용되고 있다. X-선 검출을 위한 이미지 센서 및 FPD (Flat Panel Display, 평판 패널 디스플레이) 기술의 발전으로 FPDR(Flat Panel Digital Radiography, 평판 디지털 X-선 검출기)가 기존의 아날로그 필름 X-선 검출기를 빠르게 대치하고 있다. 평판 디지털 X-선 검출기는 X-선 이미지 센서에서 검출된 아날로그 신호를 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환하고 변환된 디지털 신호는 이어지는 디지털 이미지 처리를 위한 분석 데이터로 활용할 수 있다. 따라서 넓은 동적 범위를 통해 보다 정밀한 검사 및 분석을 위해서는 고해상도 ADC가 필수적이다. 또한, 정밀한 X-선 영상 검출을 위해 이미지 센서의 화소 수가 증가되고, 동화상 검출을 위해 디스플레이 프레임 속도가 증가함에 따라, 고속의 아날로그-디지털 변환이 요구되고 있다. 그리고 배터리를 사용하는 휴대용 X-선 검출기의 출현으로 ADC의 전력 소비는 최소화되어야 한다. 종래의 ADC 기법과 회로 기술은 플랫 패널 디지털 X-레이 검출기에 의해 부과된 ADC의 요구 사항을 충족시키는 고해상도, 고속, 저전력 ADC 구현에 한계가 있다. 본 논문에서는 기존 ADC 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고해상도, 고속, 저전력 ADC를 제시한다. 본 논문에서 제안하는 ADC는 멀티 비트/사이클 Successive Approximation Register ADC (SAR ADC) 기반의 파이프 라인 구조를 갖는다. 또한 내부 수동 소자의 불일치로 인한 비선형성을 보정하여 전체 ADC의 선형성 및 분해능을 향상시키는 보정 회로가 내장되어 있으며 이는 부정합에 대한 보정을 위해 외부 수동 시험 시스템을 필요로 하지 않는 자체 보정 회로로 구현된다. 제안된 ADC는 5MHz의 변환 속도로 17비트 분해능을 갖도록 설계되었고, 1.8V 및 5V의 전원 공급 전압을 갖는 0.18-um 1-poly 4-metal 공정으로 제작되었다. 레이아웃 기생 추출(LPE) 진행 후 제안된 ADC의 시뮬레이션 결과는 88dB의 Signal-to-Noise + Distortion Ratio(SNDR), 14.3비트의 Effective Number of Bits(ENOB), ±2LSB의 Integral non-linearity(INL)의 성능을 보여준다. 제안된 ADC의 측정 결과를 통해 보정 프로세스로 인한 성능 향상을 검증했고, 제안된 ADC는 71.5dB의 SNDR 과 14.1비트의 유효 해상도 성능을 보여준다.
1895 년 Dr. W. Roentgen에 의해 발견된 X-선은 현재 다양한 산업 분야에서 의료 진단 및 비파괴 검사를 위해 지속적으로 활용되고 있다. X-선 검출을 위한 이미지 센서 및 FPD (Flat Panel Display, 평판 패널 디스플레이) 기술의 발전으로 FPDR(Flat Panel Digital Radiography, 평판 디지털 X-선 검출기)가 기존의 아날로그 필름 X-선 검출기를 빠르게 대치하고 있다. 평판 디지털 X-선 검출기는 X-선 이미지 센서에서 검출된 아날로그 신호를 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환하고 변환된 디지털 신호는 이어지는 디지털 이미지 처리를 위한 분석 데이터로 활용할 수 있다. 따라서 넓은 동적 범위를 통해 보다 정밀한 검사 및 분석을 위해서는 고해상도 ADC가 필수적이다. 또한, 정밀한 X-선 영상 검출을 위해 이미지 센서의 화소 수가 증가되고, 동화상 검출을 위해 디스플레이 프레임 속도가 증가함에 따라, 고속의 아날로그-디지털 변환이 요구되고 있다. 그리고 배터리를 사용하는 휴대용 X-선 검출기의 출현으로 ADC의 전력 소비는 최소화되어야 한다. 종래의 ADC 기법과 회로 기술은 플랫 패널 디지털 X-레이 검출기에 의해 부과된 ADC의 요구 사항을 충족시키는 고해상도, 고속, 저전력 ADC 구현에 한계가 있다. 본 논문에서는 기존 ADC 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 고해상도, 고속, 저전력 ADC를 제시한다. 본 논문에서 제안하는 ADC는 멀티 비트/사이클 Successive Approximation Register ADC (SAR ADC) 기반의 파이프 라인 구조를 갖는다. 또한 내부 수동 소자의 불일치로 인한 비선형성을 보정하여 전체 ADC의 선형성 및 분해능을 향상시키는 보정 회로가 내장되어 있으며 이는 부정합에 대한 보정을 위해 외부 수동 시험 시스템을 필요로 하지 않는 자체 보정 회로로 구현된다. 제안된 ADC는 5MHz의 변환 속도로 17비트 분해능을 갖도록 설계되었고, 1.8V 및 5V의 전원 공급 전압을 갖는 0.18-um 1-poly 4-metal 공정으로 제작되었다. 레이아웃 기생 추출(LPE) 진행 후 제안된 ADC의 시뮬레이션 결과는 88dB의 Signal-to-Noise + Distortion Ratio(SNDR), 14.3비트의 Effective Number of Bits(ENOB), ±2LSB의 Integral non-linearity(INL)의 성능을 보여준다. 제안된 ADC의 측정 결과를 통해 보정 프로세스로 인한 성능 향상을 검증했고, 제안된 ADC는 71.5dB의 SNDR 과 14.1비트의 유효 해상도 성능을 보여준다.
X-ray was discovered by Dr. W. Roentgen in 1895 and have been continuously utilized for medical diagnosis and non-destruction inspection in various industry fields. With advances in image sensor and flat panel display (FPD) technologies, X-ray detection system is rapidly retrofitted with flat panel ...
X-ray was discovered by Dr. W. Roentgen in 1895 and have been continuously utilized for medical diagnosis and non-destruction inspection in various industry fields. With advances in image sensor and flat panel display (FPD) technologies, X-ray detection system is rapidly retrofitted with flat panel digital radiography (FPDR) rather than conventional analog film. The flat panel digital X-ray detector converts the detected analog signal from the X-ray image sensor into a digital one through an analog to digital converter (ADC), and the digital signal can be utilized as analysis data for further digital image processing. Therefore, a high-resolution ADC should be essential for more precise inspection and analysis with wide dynamic range. In addition, as the number of pixels of image sensor has been increased for precise X-ray image detection and display frame rate has been increased for motion image detection, high-speed analog to digital conversion is required. In addition, with the advent of portable X-ray detectors using batteries, power consumption of ADC should be minimized. Conventional topologies and circuit techniques have limitations in realizing a high-resolution, high-speed, low-power ADC that must meet the requirements of ADC imposed by flat panel digital X-ray detector systems. In this thesis, a novel high-resolution, high-speed, low-power ADC that can overcome limitations of conventional ADC technologies is presented. The proposed ADC has a pipeline structure based on a multi-bit/cycle successive approximation register ADC (SAR ADC). In addition, a calibration circuit is incorporated to improve linearity and resolution performance of the entire ADC by correcting non-linearity caused by mismatches of internal passive elements. It utilizes self-calibration method that can correct the mismatch without needing an external test system. The proposed ADC is designed to have 17-bit resolution with a conversion rate of 5MHz. It is fabricated in 0.18-um 1-poly 4-metal process with dual power supply voltages of 1.8V and 5V. Simulation results of the ADC after layout parasitic extraction (LPE) show the signal to noise + distortion ratio (SNDR) of 88dB, effective number of bit (ENOB) of 14.3 bits, integral non-linearity (INL) of ±2LSBs. From the measured results of the proposed ADC, it is verified that performance improvement with calibration process can be achieved. Finally, the proposed ADC has measured performance of SNDR over 71.5dB and effective resolution of 14.1 bits.
X-ray was discovered by Dr. W. Roentgen in 1895 and have been continuously utilized for medical diagnosis and non-destruction inspection in various industry fields. With advances in image sensor and flat panel display (FPD) technologies, X-ray detection system is rapidly retrofitted with flat panel digital radiography (FPDR) rather than conventional analog film. The flat panel digital X-ray detector converts the detected analog signal from the X-ray image sensor into a digital one through an analog to digital converter (ADC), and the digital signal can be utilized as analysis data for further digital image processing. Therefore, a high-resolution ADC should be essential for more precise inspection and analysis with wide dynamic range. In addition, as the number of pixels of image sensor has been increased for precise X-ray image detection and display frame rate has been increased for motion image detection, high-speed analog to digital conversion is required. In addition, with the advent of portable X-ray detectors using batteries, power consumption of ADC should be minimized. Conventional topologies and circuit techniques have limitations in realizing a high-resolution, high-speed, low-power ADC that must meet the requirements of ADC imposed by flat panel digital X-ray detector systems. In this thesis, a novel high-resolution, high-speed, low-power ADC that can overcome limitations of conventional ADC technologies is presented. The proposed ADC has a pipeline structure based on a multi-bit/cycle successive approximation register ADC (SAR ADC). In addition, a calibration circuit is incorporated to improve linearity and resolution performance of the entire ADC by correcting non-linearity caused by mismatches of internal passive elements. It utilizes self-calibration method that can correct the mismatch without needing an external test system. The proposed ADC is designed to have 17-bit resolution with a conversion rate of 5MHz. It is fabricated in 0.18-um 1-poly 4-metal process with dual power supply voltages of 1.8V and 5V. Simulation results of the ADC after layout parasitic extraction (LPE) show the signal to noise + distortion ratio (SNDR) of 88dB, effective number of bit (ENOB) of 14.3 bits, integral non-linearity (INL) of ±2LSBs. From the measured results of the proposed ADC, it is verified that performance improvement with calibration process can be achieved. Finally, the proposed ADC has measured performance of SNDR over 71.5dB and effective resolution of 14.1 bits.
주제어
#multi-bit/cycle SAR ADC pipeline structure mismatch self-calibration X-ray flat panel digital radiography high-speed low-power high-resolution
학위논문 정보
저자
Jungryoul Choi
학위수여기관
서울시립대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
전자전기컴퓨터공학과
지도교수
최중호
발행연도
2018
총페이지
vii, 136 p.
키워드
multi-bit/cycle SAR ADC pipeline structure mismatch self-calibration X-ray flat panel digital radiography high-speed low-power high-resolution
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