[논문]고속 적외선 광 송수신 IC 설계

임신일; 조희랑; 채용웅; 유종선

문제 정의

현재의 IrDA는 최고 4 Mb/s의 데이터를 사용하고 있으나 추후 약 100 Mb/s의 데이터를 취급할 수 있도록 확대될 전망이다. 본 논문에서는 4 Mb/s의 데이터뿐 만 아니라 100 Mb/s 이상의 적외선 광 송수신 응용에 사용할 수 있는 CMOS IC 회로를 제안하였다. 이 제안된 적외선 광 송수신 모듈의 전체 블록 도를 그림 1에 보였다.
본 논문은 현재의 4 Mb/s와 추후 100 Mb/s IrDA 응용에서 모두 동작시킬 수 있는 고속 적외선 무선 송수신용 IC 구현 방법에 대해 기술하였다. 적외선 무선 송수신 IC 블록은 트랜스임피던스 증폭기, AOC, AGC 등의 아날로그 회로 부분과 그 증폭된 신호를 비교한 후 출력된 4 PPM 신호를 복조 하여 시스템과 연결하게 하는 디기털 회로 부분이 있다.

가설 설정

실제 IC의 입력 단에서 적외선 신호를 받아들이는 포토 다이오드는 그것의 내부 커패시턴스를 1 pF로 가정하였으나 이러한 포토 다이오드를 구하질 못하였고 실제 측정에서 사용된 포토 다이오드는 1 MHz에서 10 pF의 내부 커패시턴스를 갖는 것을 사용하였다. 따라서 측정에 사용된 입력 주파수는 실제 사용하는 것보다 훨씬 낮은 주파수를 입력하였다.
얻은 AC 해석 결과이다. 여기서 트랜스 임피던스 증폭기의 입력 단에 보이는 포토 다이오드의 내부커패시터 값은 1 pF으로 가정하였으며 주위의 빛에 의해 발생되는 I_dc는 최대 30 uA로 가정하였다. 이 트랜스 임피던스 증폭기는 60 dB에서 100 dB까지의 이득을 가진다.

제안 방법

CMOS 프리앰프는 넓은 대역폭과 넓은 동적 동작 범위를 얻기 위하여 차동으로 구성된 트랜스 임피던스 증폭기를 사용하였다. 고정된 이득의 트랜스 임피던스 증폭기보다 더 넓은 동적 동작 범위를 얻기 위하여 VGA(variable gain amplifier)를사용한 AGC(automatic gain control) 회로를 포함하였다.
이루어져 있다. 각 주파수에 대한 위상 오차가 4 MHz 일 때는 5 ns, 100 MHz일 때는 0.25 ns가 되도록 단위 지연 소자를 설계하였다. 또한 설계된 ADDLL은 설정에 따라 4 MHz와 100 MHz의 두 가지 클록 주파수를 입력으로 받아들일 수 있다" 이 ADDLL은 위상 검출기와 카운터 부분을 공유하며 입력 주파수가 4 MHz인 경우와 100 MHz인 경우에 따라 각 주파수에 최적 화 된 지연 소자를 따로 두 사용할 수 있게 하였다.
CMOS 프리앰프는 넓은 대역폭과 넓은 동적 동작 범위를 얻기 위하여 차동으로 구성된 트랜스 임피던스 증폭기를 사용하였다. 고정된 이득의 트랜스 임피던스 증폭기보다 더 넓은 동적 동작 범위를 얻기 위하여 VGA(variable gain amplifier)를사용한 AGC(automatic gain control) 회로를 포함하였다. 또 주위의 태양 빛 또는 형광등 등에 의해발생되는 주변 DC 노이즈 성분을 제거하기 위해 트랜스 임피던스 증폭기에 궤환 루프를 이용한 AOC (automatic offset control) 회로를 추가하였다.
한편 송신 시는 NRZ 신호를 4 PPM 신호로 변환하여 송신하는 블록도 있다. 디지털 블록에는 회로의 동작이 100 MHz의 클록에 대해서도 스큐(skew)에 관계없이 안정적인 동작을 할 수 있도록 DLL(delay locked loop)을 구성하여 설계하였다.
고정된 이득의 트랜스 임피던스 증폭기보다 더 넓은 동적 동작 범위를 얻기 위하여 VGA(variable gain amplifier)를사용한 AGC(automatic gain control) 회로를 포함하였다. 또 주위의 태양 빛 또는 형광등 등에 의해발생되는 주변 DC 노이즈 성분을 제거하기 위해 트랜스 임피던스 증폭기에 궤환 루프를 이용한 AOC (automatic offset control) 회로를 추가하였다. 이 경우 시스템 전달 함수는 낮은 주파수 대역을 필터링해 주는 HPF(High Pass Filter) 역할도 동시에 수행하게 되어 적외선 신호 외에 주위의 태양 빛이나 형광등에 의한 잡음을 제거해 주도록 설계하였다.
이러한 문제를 극복하기 위해서 여기서는 DLL(Delay Locked Loop) 회로를 이용하여 지테jitter)에 대한 영향을 최소화한 내부 클록을 만들어 사용하였다. 또한 모든 회로를 디지털 회로로 구성하여 클록이 동기된 후에도 아날로그 회로에 지터가 나타나는 현상을 줄였다 설계된 ADDLL(A11 Digital Delay Locked Loop)은 그림 7 에서 보듯이 기본적인 DLL 구조를 사용하였e다.
본 AGC 회로의 설계에서는 신호에 따라 저항치를 조절하여 트랜스임피던스 증폭기의 이득을 조절하고자 그림 3에서 보는 바와 같이 두 개의 차동입력 비교기로 트랜스임피던스 증폭기의 출력 전압의 범위를 검출하고 그 출력 신호로 카운터와 디코더를 조절하여 트랜스임피던스 증폭기의 어레이 저항 Rf를 조정할 수 있는 디지털 AGC 회로 부분을 제안하였다. 두 개의 이 비교기들은 트랜스 임피던스 증폭기의 출력 전압이 우리가 원하는 일정한 전압 범위 안에 있는지를 검출하는데 사용된다.
본 설계에서는 다음절의 추가적인 AGC 회로를 이용하여 R_i과 R_f를 동시에 같이 변화하도록 설계하였다.
본 적외선 광 송수신 IC는 비교기를 거친 데이터 신호가 시스템의 높은 클록에 대해서도 지터 없이 안정적으로 동작하게 하기 위한 DLL 회로를 함께 구현하였다. 또한 이 DLL 회로를 거친 4 PPM 신호는 다시 시스템에서 사용되는 NRZ 형태의 신호로 변환되기 위해 4 PPM modulation 회로를 거치며 이 블록도 적외선 송수신 IC에 포함하였다.
설계한 회로는 0.25 um 1 poly 5 metal CMOS 공정을 이용하셔 구현하였으며, 2.5 V의 낮은 전원 전압에서 동작하도록 회로를 제안하였다. 적외선 송수신 모듈에서 앞단의 증폭기 회로를 높은 전원 전압에서 동작시키면 DC offset이 존재하더라도 출력전압이 충분한 동작 범위를 얻을 수 있지만 2.
그림 5는 NRZ 신호에 대응되는 4 PPM 데이터 형태를 보여준다. 이 4 PPM modulation과 demodulation 회로는 IrDA standard에서 4 Mb/s 상에서의 전송 방식인 4 PPM 형태의 데이터 처리 방식에 대한 specification에 맞추어 제안하였다.
하지만 이러한 외부 클록은 각각의 디지털 회로에 대한 스큐(skew) 가 달라 시스템을 고속으로 동작시키는데 제한 요소가 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 여기서는 DLL(Delay Locked Loop) 회로를 이용하여 지테jitter)에 대한 영향을 최소화한 내부 클록을 만들어 사용하였다. 또한 모든 회로를 디지털 회로로 구성하여 클록이 동기된 후에도 아날로그 회로에 지터가 나타나는 현상을 줄였다 설계된 ADDLL(A11 Digital Delay Locked Loop)은 그림 7 에서 보듯이 기본적인 DLL 구조를 사용하였e다.
5 V의 낮은 전원 전압에서 동작하도록 회로를 제안하였다. 적외선 송수신 모듈에서 앞단의 증폭기 회로를 높은 전원 전압에서 동작시키면 DC offset이 존재하더라도 출력전압이 충분한 동작 범위를 얻을 수 있지만 2.5 V 의 낮은 전원 전압에서는 출력 전압이 충분한 동작범위를 얻을 수 없으므로 DC offset을 제거해 주는 A0C 회로를 설계하였다. 사용된 A0C 궤환 루프는 HPF의 특성을 가져 주위 환경 잡음 등 저주파 신호를 제거하는 역할을 하게된다.
현 4 Mb/s 입력 신호와 앞으로의 100 Mb/s 입력 신호를 모두 처리하기 위해 트랜스임피던스 증폭기의 대역폭을 100 MHz가 되도록 설계하였으며, ADDLL에서는 4 MHz와 100 MHz 동작을 선택할 수 있는 신호 선을 이용하여 응용에 따라 회로 기능이 적응 동작할 수 있도록 설계하였다.

성능/효과

정상적으로 동작한다. 설계된 트랜스임피던스 증폭기는 60 dB에서 100 dB의 이득을 갖도록 하였으나, 실제 측정 결과 60 dB에서 86 dB 정도의 이득을 가졌다.

후속연구

또 이러한 IrDA 통신 시스템이 LAN이나 공중 회선과의 접속에 대한 요구가 늘어감에 따라 시스템을 고속화시키려는 노력이 시도되고 있다. 현재의 IrDA는 최고 4 Mb/s의 데이터를 사용하고 있으나 추후 약 100 Mb/s의 데이터를 취급할 수 있도록 확대될 전망이다. 본 논문에서는 4 Mb/s의 데이터뿐 만 아니라 100 Mb/s 이상의 적외선 광 송수신 응용에 사용할 수 있는 CMOS IC 회로를 제안하였다.

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