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대역폭 조정 가능한 다중 생체 신호 처리용 대역 통과 필터 설계
A Tunable Band-Pass Filter for Multi Bio-Signal Detection 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.15 no.1, 2011년, pp.57 - 63  

정병호 (서경대학교 전자공학과) ,  임신일 (서경대학교 전자공학과) ,  우덕하 (한국과학기술연구원)

초록
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본 논문에서는 대역폭 조정이 가능한 다중 생체 신호 처리용 대역 통과 필터 회로에 관한 것이다. 일반적인 대역 통과 필터는 출력 단에 연결되는 커패시터 배열의 값을 조절하여 고역 -3dB 차단 주파수를 결정한다. 하지만 본 논문에서 제안하는 대역 통과 필터 회로는 커패시터 대신에, 증폭기에 사용되는 바이어스 전압을 통해 증폭기의 트랜스 컨덕턴스 값을 조절하여 차단 주파수를 조절한다. 이러한 방법은 기존의 방식보다 칩 면적을 최소한 1/10로 줄일 수 있어 저면적 설계가 가능하다. 조정 가능한 고역 -3dB 차단 주파수의 대역은 100Hz에서 1KHz이며 사용된 공정은 0.18um CMOS 표준 공정이다. 저 전력 설계를 위해 회로는 서브 스레쉬 홀드 영역에서 동작하며 공급전압은 1V이고, 회로의 총 전류 소모는 1uA이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a tunable band pass filter (BPF) for multi bio-signal detection. The bandwidth can be controlled by the bias current of transconductance (gm), while conventional BPF exploited switchable capacitor array for band selection. With this design technique, the die area of proposed BPF ...

주제어

#band-pass filter   #high cut-off frequency   #sub-threshold design   #gm   #bio-signal detection  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러므로 하드웨어 면적이 커지는 위 문제점을 해결하기 위하여, 본 논문에서는 고정된 최소 부하 캐패시터(CL)에 증폭기의 트랜스컨덕턴스(gm)를 조절함으로써 회로의 면적을 최소화하고, 저전압, 저 전력으로 동작 시킬 수 있는 대역폭 조절이 가능한 대역 통과 필터 회로를 제안한다.
  • 본 논문에서는 부하 커패시터 열을 사용하지 않고 주파수 대역 조절이 가능한 저 전력 대역 필터를 설계하였다. 제안된 대역 통과 필터 회로는 스위치 동작으로 인한 바이어스 전압의 변화를 통해 증폭기의 트랜스콘덕턴스를 조절하여 대역폭을 조절함으로써 회로의 면적을 최소화할 수 있다는 장점을 갖는다.
  • 가상 저항(pseudo resistor)과 커패시터, 증폭기로 이루어진 기존의 대역 통과 필터 개념에 대역폭 조절을 위한 가변 정전압 정류기(Regulator) 및 gm 값 변환 가능한 증폭기(OTA)로 구성된다. 본 논문에서는 저면적 저 전력 대역폭 조정이 가능한 대역 통과 필터를 설계하기 위해 부하 커패시터 열을 사용하지 않고, 기존의 방식과는 달리 VC 출력 전압 값을 이용 OTA의 전류 조절에 의한 gm 값을 조정함으로써 대역폭을 조절하는 방법을 개발하였다. 먼저, 본 논문에서는 저 전력 설계를 위해 모든 회로가 서브스레쉬홀드 (subthreshold) 영역에서 동작하게 설계하였다.
  • 그러므로 공통의 신호 처리 모듈을 이용하여 각 신호 특성에 맞는 이득과 대역폭을 선정하기 위해서는 대역 통과 필터 단에 대역폭 조절 기능이 필요하다. 본 논문은 위 3가지 기본적인 다중 생체 신호 처리를 하나의 칩으로 가능하게 하기 위한 것으로 analog front-end 회로 설계 중 대역 통과 필터의 설계 기술에 관련된 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가장 보편화되고 많이 알려진 기본 적인 생체 신호로는 어떤 것이 있는가? 특히 의료 기기의 소형화, 휴대 가능화, 정밀화 추세에 따라 체온, 심전도, 근전도, 뇌파 측정 등 다양한 기본 신체 신호 측정용 기기를 하나의 반도체나 극소수의 칩을 이용하여 하나의 시스템 내에 구현하는 추세에 있다. 가장 보편화되고 많이 알려진 기본 적인 생체 신호에는 뇌 반응에 의한 뇌의 전기적 신호를 감지하는 뇌파(EEG: electroencephalogram), 심장 신호를 측정하는 심전도(ECG: electrocardiogram) 그리고 운동이 있을 때 근육의 전기적 상태를 알게하는 근전도(EMG: electromyogram) 등이 있다. 생체 신호 중 뇌파(electroencephalogram), 심전도 (electrocardiogram), 근전도(electromyogram)를 모두 측정할 수 있는 생체 신호 측정 시스템의 analog front-end 회로는 그림 1과 같이 구성된다.
매그나/하이닉스 0.18um CMOS 일반 공정을 이용하여 설계 구현된 제안된 회로의 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있는 점은? 18um CMOS 일반 공정을 이용하여 설계 구현 되었다. 전체 시뮬레이션 결과 그림 12과 같이 100 Hz부터 1 KHz 까지 심전도, 뇌파, 근전도 측정 응용에 따라 가변적으로 사용할 수 있는 고대역 -3dB 차단 주파수(fH) 대역폭을 실현할 수 있었다. 구현한 회로의 레이아웃 면적은 150um×95um로서 기존의 출력 부하 커패시터를 사용한 것 보다 1/15 가량 작은 면적을 차지한다.
기존의 생체 신호 측정 시스템에 사용되는 대역 통과 필터는 무엇을 이용하여 대역폭을 조정하는가? 기존의 생체 신호 측정 시스템에 사용되는 대역 통과 필터[1]는 그림 3에서와 같이 PMOS 두 쌍을 이용한 가상 저항(pseudo resistor)과 MOS 로 구현된 부하 캐패시터 (MOSCAP) array를 이용하는 방법을 사용하였다. PMOS 다이오드를 이용한 가상 저항 (pseudo fesistor)은 앞서 언급한 0.
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참고문헌 (5)

  1. R. F. Yazicioglu, P. Merken, R. Puers, and C. Van Hoof, "A $60\mu$ W 60 nV/ $\surd$ Hz readout front-end for portable biopotential acquisition systems," IEEE International Solid-State Circuits Conference, vol. XLIX, pp. 56 - 57, February 2006. 

  2. T. Denison, et al., "A 2 uW, 100nV/rtHz, Chopper Stabilized Instrumentation Amplifier for Chronic Measurement of Neural Field Potentials", IEEE J . Solid State Circuits, Vol. 42, No. 12, December 2007. 

  3. K. A. Ng and P. K. Chan, ''A CMOS Analog Front-End IC for Portable EEG/ECG Monitoring Applications,'' IEEE Tr. on CAS I , pp. 2335-2347, Nov., 2005 

  4. H. Wu and Y. P. Xu, "A 1V $2.3{\mu}W$ biomedical signal acquisition IC," IEEE International Solid-State Circuits Conference, vol. 49, pp. 58 -59, Feb. 2006. 

  5. Refet Firat Yazicioglu, Sunyoung Kim, Tom Torfs, Patrick Merken, Chris Van Hoof, "A $30{\mu}W$ Analog Signal Processor ASIC for Biomedical Signal Monitoring," IEEE International Solid-State Circuits Conference, vol. 53, pp. 124-125, Feb. 2010 

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