본 논문에서는 Carbon Nanotube(CNT) 센서 어레이를 위한 저 전력, 소 면적의 신호 검출 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 신호 검출회로, 디지털 제어기, UART I/O로 구성된다. 신호 검출회로는 VGA를 공유하는 64개의 transimpedance amplifier(TIA)와 11비트 해상도의 successive approximation register-ADC(SAR-ADC)를 사용하였다. TIA는 센서의 전압 바이어스 및 전류를 증폭하기 위한 active input current mirror(AICM)와 증폭된 전류를 전압으로 변환하는 저항 피드백 방식의 VGA(Variable Gain Amplifier)로 구성되어있다. 이러한 구조는 큰 면적과 많은 전력을 필요로 하는 VGA를 공유하기 때문에 다수의 센서 어레이에 대해 검출 속도의 저하 없이 저 전력, 소 면적으로 신호 검출이 가능하게 한다. SAR-ADC는 저 전력을 위하여 입력 전압 level에 따라 하위 bit의 동작을 생략하는 수정된 알고리즘을 사용하였다. ADC 및 센서의 선택은 UART Protocol 기반의 디지털 제어기에 의해 선택되며, ADC의 data는 UART I/O를 통해 컴퓨터와 같은 단말기를 통해 모니터링 할 수 있다. 신호 검출회로는 0.13${\mu}m$CMOS 공정으로 설계되었으며 면적은 0.173 $mm^2$이며 640 sample/s의 속도에서 77.06${\mu}W$의 전력을 소모한다. 측정 결과 10nA - 10${\mu}A$의 전류 범위에서 5.3%의 선형성 오차를 가진다. 또한 UART I/O, 디지털 제어기는 0.18${\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 제작하였으며 총면적은 0.251 $mm^2$ 이다.
본 논문에서는 Carbon Nanotube(CNT) 센서 어레이를 위한 저 전력, 소 면적의 신호 검출 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 신호 검출회로, 디지털 제어기, UART I/O로 구성된다. 신호 검출회로는 VGA를 공유하는 64개의 transimpedance amplifier(TIA)와 11비트 해상도의 successive approximation register-ADC(SAR-ADC)를 사용하였다. TIA는 센서의 전압 바이어스 및 전류를 증폭하기 위한 active input current mirror(AICM)와 증폭된 전류를 전압으로 변환하는 저항 피드백 방식의 VGA(Variable Gain Amplifier)로 구성되어있다. 이러한 구조는 큰 면적과 많은 전력을 필요로 하는 VGA를 공유하기 때문에 다수의 센서 어레이에 대해 검출 속도의 저하 없이 저 전력, 소 면적으로 신호 검출이 가능하게 한다. SAR-ADC는 저 전력을 위하여 입력 전압 level에 따라 하위 bit의 동작을 생략하는 수정된 알고리즘을 사용하였다. ADC 및 센서의 선택은 UART Protocol 기반의 디지털 제어기에 의해 선택되며, ADC의 data는 UART I/O를 통해 컴퓨터와 같은 단말기를 통해 모니터링 할 수 있다. 신호 검출회로는 0.13${\mu}m$ CMOS 공정으로 설계되었으며 면적은 0.173 $mm^2$이며 640 sample/s의 속도에서 77.06${\mu}W$의 전력을 소모한다. 측정 결과 10nA - 10${\mu}A$의 전류 범위에서 5.3%의 선형성 오차를 가진다. 또한 UART I/O, 디지털 제어기는 0.18${\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 제작하였으며 총면적은 0.251 $mm^2$ 이다.
In this paper, we propose a signal readout system with small area and low power consumption for CNT sensor arrays. The proposed system consists of signal readout circuitry, a digital controller, and UART I/O. The key components of the signal readout circuitry are 64 transimpedance amplifiers (TIA) a...
In this paper, we propose a signal readout system with small area and low power consumption for CNT sensor arrays. The proposed system consists of signal readout circuitry, a digital controller, and UART I/O. The key components of the signal readout circuitry are 64 transimpedance amplifiers (TIA) and SAR-ADC with 11-bit resolution. The TIA adopts an active input current mirror (AICM) for voltage biasing and current amplification of a sensor. The proposed architecture can reduce area and power without sampling rate degradation because the 64 TIAs share a variable gain amplifier (VGA) which needs large area and high power due to resistive feedback. In addition, the SAR-ADC is designed for low power with modified algorithm where the operation of the lower bits can be skipped according to an input voltage level. The operation of ADC is controlled by a digital controller based on UART protocol. The data of ADC can be monitored on a computer terminal. The signal readout circuitry was designed with 0.13${\mu}m$ CMOS technology. It occupies the area of 0.173 $mm^2$ and consumes 77.06${\mu}W$ at the conversion rate of 640 samples/s. According to measurement, the linearity error is under 5.3% in the input sensing current range of 10nA - 10${\mu}A$. The UART I/O and the digital controller were designed with 0.18${\mu}m$ CMOS technology and their area is 0.251 $mm^2$.
In this paper, we propose a signal readout system with small area and low power consumption for CNT sensor arrays. The proposed system consists of signal readout circuitry, a digital controller, and UART I/O. The key components of the signal readout circuitry are 64 transimpedance amplifiers (TIA) and SAR-ADC with 11-bit resolution. The TIA adopts an active input current mirror (AICM) for voltage biasing and current amplification of a sensor. The proposed architecture can reduce area and power without sampling rate degradation because the 64 TIAs share a variable gain amplifier (VGA) which needs large area and high power due to resistive feedback. In addition, the SAR-ADC is designed for low power with modified algorithm where the operation of the lower bits can be skipped according to an input voltage level. The operation of ADC is controlled by a digital controller based on UART protocol. The data of ADC can be monitored on a computer terminal. The signal readout circuitry was designed with 0.13${\mu}m$ CMOS technology. It occupies the area of 0.173 $mm^2$ and consumes 77.06${\mu}W$ at the conversion rate of 640 samples/s. According to measurement, the linearity error is under 5.3% in the input sensing current range of 10nA - 10${\mu}A$. The UART I/O and the digital controller were designed with 0.18${\mu}m$ CMOS technology and their area is 0.251 $mm^2$.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 AICM, VGA, SAR-ADC로 구성된 새로운 검출 회로 구조를 제안한다. 본 논문의 Ⅱ 장에서는 제안하는 신호 검출 시스템의 구조 및 UART(Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) 프로토콜 기반의 디지털 제어 방식에 대해 설명하고 Ⅲ 장에서는 제안된 신호 검출 시스템에서 아날로그 회로부분인 신호 검출회로의 구현에 대하여 설명한다.
본 논문은 CNT 센서 어레이를 위한 신호검출 회로, UART I/O와 이를 기반으로 하는 제어 방법을 제안하였다. 제안된 신호검출 회로는 64개의 CNT 센서 어레이의 신호 검출을 위해 0.
제안 방법
VGA는 단일 저항으로 넓은 입력 동작 범위를 구현하는 경우 매우 높은 해상도의 ADC를 필요로 하기 때문에 전류가 10배 증가할 때 마다 다른 값의 저항으로 스위치를 통해 변경된다. ADC는 선택된 저항에서 10배의 입력 범위에 대해 0.5%의 정확도로 검출을 하는 것을 목표로 하기 위해 11비트의 해상도로 구현하였다. ADC의 초기화나 MUX의 주소는 디지털 제어기를 통해 제어된다.
M7은 디코더와 함께 MUX로 작동한다. M7의 저항 성분에 의해 큰 전류가 흐를 경우 선형성이 감소하기 때문에 채널 폭을 크게 설계하였다. 또한 AICM은 센서의 전류가 낮을 경우 발진 할 수 있으며 발진하지 않을 조건은 식(4)와 같다[10].
는 amp의 -3dB pole을 의미한다. 사용된 AICM은 안정성을 위해 Cc를 삽입하였고 AICM의 바이어스 전류는 10nA를 사용함으로써 매우 작은 gma를 갖도록 설계함으로써 안정성 문제를 회피하였다.
증폭도 오차의 경우 저항을 선택하는 스위치 기생 저항과 각 저항 간에 레이아웃 불일치에 의해 발생한다. 스위치의 기생 저항 값은 스위치를 구성하는 MOSFET의 채널 폭을 크게 함과 동시에 그 비를 저항비와 반비례하게 설계하여 비선형성을 감소시켰으며 더미 셀, 대칭적 배치 등의 레이아웃 기법 등을 통해 감소시켰다. 이에 대한 값은 표 1에 정리하였다.
VGA에서의 비선형 성분은 R1 - R3간에 레이아웃 불일치, 공정 변화, 스위치의 기생 저항성분 등에 의해 나타난다[8]. 우선 오프셋 오차로 인한 비연속성 문제는 두 저항 간에 입출력 구간을 겹치도록 설계함으로써 문제를 막았다. 증폭도 오차의 경우 저항을 선택하는 스위치 기생 저항과 각 저항 간에 레이아웃 불일치에 의해 발생한다.
우선 reset 신호가 ‘low’일 때 신호 검출 회로가 초기화 되고 ‘high’일 때 센서 신호의 검출이 시작된다. 이와 동시에 첫 번째 CNT 센서의 데이터를 얻기 위해 주소와 증폭 도를 설정한다. ADC에서 SAR과정이 끝나면 SAR_Finish 신호가 ‘low’로 된다.
그림 13은 제안한 검출회로에서 100nA-1000nA의 입력 범위에서 사인파 형태의 입력에 대한 ADC의 출력에 대한 측정 결과이다. 입력 전류는 CNT 센서 대신에 저항을 연결하고 외부에서 전압을 사인파 형태로 인가하여 저항 양단에 걸리는 전압을 변화시키는 방법으로 전류를 변화시켰다. 사인파의 잡음을 고려하여 10회 반복하여 측정하였으며 이러한 ADC의 출력 디지털 데이터를 입출력 식(2)에 의해 전류 값으로 변환할 수 있다.
따라서 제안된 검출회로에서는 공정 변화와 공급 전압 변화에 둔감해야 한다. 전압 변화는 공급전압에 독립적인 바이어스 회로(M0-M3)를 통해 둔감하게 설계 하였으며 공정 변화를 각기 다른 문턱전압 Vth를 가지는 M6-M9, M11-M13을 이용하여 둔감하게 설계하였다[11].
그림 3은 제안된 신호 검출 시스템의 전체 구조이다. 제안된 회로는 크게 아날로그 회로인 신호 검출회로와 디지털 회로인 제어기, UART I/O로 구성되어있다. 우선 신호 검출회로는 64개의 CNT 센서 어레이의 신호 검출을 목표로 설계 되었으며 AICM, DC 바이어스 회로, VGA, SAR-ADC로 구성되어있다.
증폭기는 일반적인 밀러 보정 2단 연산증폭기를 사용하였다. 출력 단은 worst case, 즉 센서의 입력이 가장 클 때의 전류를 구동하기 위해 M5, M6은 넓은 채널 폭으로 설계하였다.
대상 데이터
제안된 회로는 크게 아날로그 회로인 신호 검출회로와 디지털 회로인 제어기, UART I/O로 구성되어있다. 우선 신호 검출회로는 64개의 CNT 센서 어레이의 신호 검출을 목표로 설계 되었으며 AICM, DC 바이어스 회로, VGA, SAR-ADC로 구성되어있다. AICM은 DC 바이어스 회로와 함께 CNT 센서의 소스, 드레인 전압을 바이어싱 하며 동시에 전류를 증폭한다.
ADC에서 디지털로 변환하기 위한 충분한 크기의 전압으로 만들어 주기 위해서는 VGA의 피드백 저항은 큰 값을 필요로 하며 이것은 많은 면적을 차지한다. 제안된 구조는 면적을 최소화하기 위하여 MUX를 이용하여 1개의 VGA를 공유하는 형태로 사용하였다. VGA는 단일 저항으로 넓은 입력 동작 범위를 구현하는 경우 매우 높은 해상도의 ADC를 필요로 하기 때문에 전류가 10배 증가할 때 마다 다른 값의 저항으로 스위치를 통해 변경된다.
제안된 신호검출 회로는 64개의 CNT 센서 어레이의 신호 검출을 위해 0.13μm 공정으로 구현되었다.
그림 9는 VGA에서 사용된 연산증폭기이다. 증폭기는 일반적인 밀러 보정 2단 연산증폭기를 사용하였다. 출력 단은 worst case, 즉 센서의 입력이 가장 클 때의 전류를 구동하기 위해 M5, M6은 넓은 채널 폭으로 설계하였다.
신호 검출회로 부분은 내부 디지털 더미 블록을 이용하여 생성하였다. 총 64개의 가상적 센서 데이터에 대해 테스트를 하였으며 그 결과 총 128개의 문자를 읽어왔다. 2 개의 문자는 1개의 센서에 한 주소 및 데이터를 나타낸다.
그림 16은 디지털 제어기 및 UART I/O에 대한 테스트 결과이다. 컴퓨터와 UART 케이블로 연결하여 시리얼 통신 프로그램을 이용하여 테스트 하였으며 보드레이트는 19200에 데이터 형식은 8비트이다. 신호 검출회로 부분은 내부 디지털 더미 블록을 이용하여 생성하였다.
251 mm2이다. 테스트를 위해 Full custom 방식의 아날로그 회로와 cell based 방식의 디지털 회로를 각각 다른 공정으로 제작하였다.
데이터처리
표 2는 제안된 신호검출 회로의 아날로그부분에 대한 성능을 기존의 다른 논문과 비교한 표이다. 전력 소모의 경우 측정 장비를 이용하여 640 sample/s의 동작 속도에서 평균 전력 소모를 측정하였다. 전력 소모 및 면적에 있어서 다른 공정으로 제작된 UART I/O 및 디지털 제어 회로 부분은 제외 하였다.
성능/효과
5MΩ이고 입력이 10nA일 때의 입력 기준 전류 잡음 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과 입력 기준 전류 잡음은 10Hz-6kHz의 범위에서 0.2pA의 RMS (root mean square)값을 가진다. 이는 입력 기준으로 0.
여기서 선형성이란 그림 14의 측정 결과의 기울기를 의미한다. 이상적인 경우 1의 기울기 값을 가지며 측정 결과 전체 범위에서 최대 5.3% 이내의 선형성 오차를 갖으며 저항이 스위칭 되는 구간에서 가장 큰 오차를 발생시킨다. 이는 제안된 검출 회로의 worst case에서 예를 들면 10%의 전류 변화에 대해 9.
후속연구
3% 이하의 선형성 오차를 가지고 검출한다. 제안된 신호검출 회로는 다수의 센서 어레이에 대해서 저 전력, 소 면적을 가지는 구조로서 다양한 물질을 검출하기 위한 다중 어레이의 휴대용 센서시스템의 응용에 활용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNT 센서의 원리는?
CNT 센서는 특정 물질과의 반응에 의한 전도도 변화를 통해 특정 물질을 검출 한다. 아주 작은 농도의 물질에 대해서도 검출이 가능하지만 CNT 센서 제작 공정이 아직까지 안정적이지 않으며 FET 또는 저항성의 특성을 무작위하게 갖는다[2].
C-V 변환 방식의 원리는?
C-V 변환 방식은 그림 2와 같이 저항을 이용한 피드백 방식을 사용하여 센서의 전류를 전압으로 변환한다. 증폭기의 대역폭에 따라 상당히 빠른 시간 내에 CNT 센서의 신호를 검출할 수 있다는 장점을 가진다.
C-V 변환 방식의 장점은?
C-V 변환 방식은 그림 2와 같이 저항을 이용한 피드백 방식을 사용하여 센서의 전류를 전압으로 변환한다. 증폭기의 대역폭에 따라 상당히 빠른 시간 내에 CNT 센서의 신호를 검출할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 CNT 센서의 작은 전류 값을 ADC를 통해 디지털 값으로 변환하기 위해서는 수 MΩ 이상의 큰 저항 값을 필요로 하며 이 역시 센서의 수가 많을 경우 칩 구현에 있어 상당히 큰 면적을 필요로 한다[8,9].
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