초음파(Ultrasound) 시스템은 진단의학분야, 수중통신, 센서네트워크 등 현대산업분야에 광범위하게 사용되는 복잡한 무선 신호처리 시스템 중 하나이다. 최근에는 초음파 시스템의 소형화가 본격화 되고 있다. 본 논문에서는 소형화되고, 모바일화 되는 진단 초음파시스템에 적합한 혼성 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)를 개발 하였다. 제안된 LNA는 5dB이하의 낮은 잡음특성을 가지고, 다양한 초음파 변환기(Transducer)의 임피던스매칭을 위해 피드백 저항값들을 전기적으로 조정할 수 있도록 설계하였다. 주파수는 10kHz에서 150MHz까지 초음파주파수 전 대역을 지원할 수 있고, 슬립모드를 지원한다. 시스템의 특성에 맞춰 각각의 변환기를 통해 -17.8dB-29.5dB의 이득을 갖는다. 기존의 LNA와 비교해서 비슷한 성능에 소모전력은 최대 90%를 줄일 수 있었다.
초음파(Ultrasound) 시스템은 진단의학분야, 수중통신, 센서네트워크 등 현대산업분야에 광범위하게 사용되는 복잡한 무선 신호처리 시스템 중 하나이다. 최근에는 초음파 시스템의 소형화가 본격화 되고 있다. 본 논문에서는 소형화되고, 모바일화 되는 진단 초음파시스템에 적합한 혼성 저잡음증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)를 개발 하였다. 제안된 LNA는 5dB이하의 낮은 잡음특성을 가지고, 다양한 초음파 변환기(Transducer)의 임피던스매칭을 위해 피드백 저항값들을 전기적으로 조정할 수 있도록 설계하였다. 주파수는 10kHz에서 150MHz까지 초음파주파수 전 대역을 지원할 수 있고, 슬립모드를 지원한다. 시스템의 특성에 맞춰 각각의 변환기를 통해 -17.8dB-29.5dB의 이득을 갖는다. 기존의 LNA와 비교해서 비슷한 성능에 소모전력은 최대 90%를 줄일 수 있었다.
Ultrasound system is one of the complex wireless signal processing systems that are widely used in the fields of modern industry such as medical diagnostics, underwater communications, and sensor-networks. Miniaturization of ultrasound system has been raging recently. In this paper, a hybrid LNA tha...
Ultrasound system is one of the complex wireless signal processing systems that are widely used in the fields of modern industry such as medical diagnostics, underwater communications, and sensor-networks. Miniaturization of ultrasound system has been raging recently. In this paper, a hybrid LNA that is suitable for miniaturization and mobile diagnostic ultrasound system has been developed. The proposed LNA has low noise figure of less than 5dB, and the feedback resistor is designed to be electrically adjusted in order to attain the impedance-matching for various ultrasound transducers. It supports the whole ultrasound frequencies from 10KHz to 150MHz frequency band and also provides sleep modes. A gain from -18.8 to -29.5 dB is achieved by adjusting each transducer to fit the system character. Power consumption can be reduced up to 90% in similar performance as compared to the existing LNA.
Ultrasound system is one of the complex wireless signal processing systems that are widely used in the fields of modern industry such as medical diagnostics, underwater communications, and sensor-networks. Miniaturization of ultrasound system has been raging recently. In this paper, a hybrid LNA that is suitable for miniaturization and mobile diagnostic ultrasound system has been developed. The proposed LNA has low noise figure of less than 5dB, and the feedback resistor is designed to be electrically adjusted in order to attain the impedance-matching for various ultrasound transducers. It supports the whole ultrasound frequencies from 10KHz to 150MHz frequency band and also provides sleep modes. A gain from -18.8 to -29.5 dB is achieved by adjusting each transducer to fit the system character. Power consumption can be reduced up to 90% in similar performance as compared to the existing LNA.
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문제 정의
본 논문에서는 10kHz∼150MHz대역의 초음파 주파수 대역에 맞는 저전력 LNA를 설계하였다.
본 논문에서는 소형화되고 있는 초음파시스템의 특성에 적합하고, 다양한 변환기들의 상황에 맞도록 50Ω, 100Ω, 200Ω, 1kΩ, 1MΩ의 다중 입력을 지원할 수 있는 LNA를 설계하였다.
로 설정하고, 그림 2에서 회로의 저항 위치가 두 MOS와 같이 서로 병렬연결이므로 결국 저항값이 약 1/2로 줄어드는 현상이 발생하며, 이는 회로의 안정적 이득에 큰 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제점의 최소화를 위해 M1과 M2의 전체 폭과 Rc와 Rd값을 결정했다.
본 장에서는 설계된 LNA 회로의 시뮬레이션 결과를 알아보고, 이를 바탕으로 설계된 레이아웃의 결과를 설명하고자 한다.
제안 방법
각각의 저항 값 R1∼R5에 입력되는 신호선에 적합한 NMOS의 크기를 결정하였고, 다섯 가지의 다른 입력값에 대한 전압증폭결과를 보여주고 있다.
그림 5의 각 블록을 비교해서 보였다. 레이아웃에 사용된 저항은 모두 폴리 저항을 사용하였고, 실험실에서 제공되는 아나로그 PDK를 사용하였다. 금속선(Metal Line)은 총 6개 중 4개까지만 사용되었다.
본 논문에서 구현된 LNA는 0.11μm CMOS RF공정으로 설계하였으며, Cadence Spectre를 통해 시뮬레이션으로 검증하였다.
본 논문에서 설계한 다중 입력방식 LNA는 고전압 송신기를 통해 출력된 신호파가 반사되어 변환기에 들어온 신호를 신호크기에 따라 일정하게 증폭하기 위해 다양한 저항값을 가지도록 설계하였다. 신호의 증폭을 위해 전류 재사용방식의 캐스코드(Cascode) 형태의 증폭단으로 구성하고[4], 총 5개의 스위치 작동을 위한 NMOS와 이득조절을 위한 저항이 존재한다.
설계된 LNA는 저전력 동작을 위해 1.2V의 입력 전압에서 NMOS 스위치를 통한 슬립모드로 동작이 가능하고, 변환기에서 반사되어 입력되는 신호를 고려해 다중임피던스 방식의 입력을 기반으로 설계하였고, 50Ω∼1MΩ의 5가지 임피던스 변화에 따른 8dB∼30dB의 전압이득과 –15dBm∼8dBm의 IIP3 성능을 보였다.
대상 데이터
레이아웃에 사용된 저항은 모두 폴리 저항을 사용하였고, 실험실에서 제공되는 아나로그 PDK를 사용하였다. 금속선(Metal Line)은 총 6개 중 4개까지만 사용되었다.
실제 설계된 회로는 PDK(Process Design Kit)의 칩패드 (2.5mm×2.5mm)에서 약 300μm×300μm 이하의 공간을 차지하는 크기적 특성을 가지고 있다.
성능/효과
5dB∼11dB의 특성을 가졌다. 또한 기존에 제안된 초음파시스템 LNA와 비교하여 성능은 거의 비슷하지만, 전력소모 측면에서는 최대 90% 전력감소의 큰 개선이 있음을 시뮬레이션에 의하여 증명되었다.
수중통신분야에서는 전송 오차율을 줄이기 위해 다양한 변조방식을 이용한 초음파통신이 가능함을 증명하였고[1], 이는 공중파 무선통신과 같은 방식의 변조가 초음파시스템에서도 일부 가능함을 확인한 것이다. 이와 관련해서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 등의 변조분야와 다중 안테나시스템 등의 전송방식 분야 등 다양한 연구가 진행 중에 있다[2].
이러한 회로구조는 인덕터를 제외하고 회로내부의 저항 R(R1∼R5)과 스위치로 사용되는 NMOS(M3∼M7)의 사이즈를 조절하여 LNA의 안정도와 전압이득을 충분히 확보할 수 있다는 것을 보여준다.
입력신호에 따라 –17.5dB∼0dB까지 입력 저항에 따라 변화된 결과값을 보여주고 있으며, 전체적으로 S11값 또한 –10dB이하에서 만족하고 있음을 알 수 있다.
그림 8에 나타난 바와 같이 잡음지수는 전체적으로 5dB이하에서 만족하였지만, 15kHz이하의 낮은 주파수에서는 조금 올라간 결과를 보여주고 있다. 전체적으로 1MHz이상 초음파주파수대역에서는 안정적인 잡음지수를 보여주고 있다.
주파수범위는 초음파 대역의 10kHz∼150MHz의 대역을 측정하였으며, 시뮬레이션 결과 초음파 주파수 전 대역에 걸쳐 안정적인 이득을 가지고 있음을 알 수 있다.
표 1에서와 같이 설계된 LNA의 성능을 비교한 결과, 전력소모면에서 크게는 1/20에서 작게는 약 1/10정도로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 그림 11은 전력소모를 측정하기위한 전류 시뮬레이션 한 측정치이다.
후속연구
차후 연구를 통해 전류재사용기술을 다른 Front end 부분에도 적용할 수 있는 기술을 개발하고자 하며, LNA분야로는 주파수 범위를 넓혀 CDMA, LTE의 무선이동단말기 주파수 대역에 맞춰 개발하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초음파 시스템의 원리는 무엇인가?
그림 1은 2008년 TI사에서 제안한 진단의학용 초음파시스템의 전체 블록도이다[3]. 초음파 시스템은 일반적으로 Front end의 빔 포머(beamformer)에서 발생된 신호가 증폭기를 거쳐 고전압 송신기를 통해 신호파로 출력되고, 이 신호파가 반사되어 일부가 다시 입력 변환기를 통해 들어오게 된다. 이 신호는 아나로그 front end를 거쳐 receive beamformer로 입력이 되고, mid와 back end를 통해 소리와 영상출력을 보내도록 되어있다.
최근 초음파시스템의 활용경향은 어떤 모습을 보이는가?
최근 산업분야에서 초음파시스템은 다양한 분야에 사용되고 있다. 특히 진단의학 분야를 주축으로 수중통신, 센서네트워크, 자동차 분야 등으로 활용도를 넓혀가고 있으며, 반도체 산업분야의 미세공정 발달로 칩의 크기도 작아지고 있다. 칩 크기의 소형화공정으로 소모전력 또한 1볼트(volt)대로 감소하여 전체 시스템의 소모전력도 크게 낮아지고 있는 추세이다.
진단의학 분야의 초음파시스템이 가지고 있는 장점은 무엇인가?
진단의학 분야의 초음파시스템은 환자 및 시술자의 촬영부위에 직접 사용해도 무해하게 인체 내부를 영상화할 수 있다는 장점 때문에 영상 의학 진단분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 특성으로 사용자가 신속하고, 정확한 진단을 내리기 위해 시스템의 정확도와 정밀도가 더욱 요구되는 분야라 할 수 있을 것이다.
참고문헌 (10)
변무광, 박성준, "수중 센서네트워크를 위한 초음파 통신 모뎀 설계 및 구현". 한국통신학회, 한국통신학회 논문지, Vol. 34, No. 6, pp. 437-444, Jun 2009.
조내현, 김덕영, 김용득, 정연모, "수중통신을 위한 QPSK 초음파 송수신기의 설계." 대한전자공학회, 전자공학회논문지-SC, Vol. 43, No. 3 (통권 제 309호), pp. 51-59, Jun 2006.
Signal Processing Overview of Ultrasound System for Medical Imaging, www.ti.com, SPRAB12-November 2008.
Yi-Jing Lin, Shawn S. H. Hsu, "A 3.1-10.6 GHz Ultra-Wideband CMOS Low Noise Amplifier With Current-Reused Technique," IEEE microwave and wireless components lett., vol. 17, 2007.
T. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits, Cambridge University Press, 2004.
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Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, ISBN 0-07-118839-8, 2001.
J. Yoon, S. Lee, J. Kim, N. Song, J. Koh and J. Choi, "Low-Noise Amplifier Path for Ultrasound System Applications," in Proc. IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems, pp. 244-247, December 2010.
H. Choi, X. Li, S. J. Lau, C. H. Hu, Q. Zhou, and K. Kirk Shung, "Development of Intergrated Preamplifier for High-Frequency Ultrasonic Transducers and Low-Power Handheld Receiver," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectric, and Frequency Control, Vol. 58, No. 12, December 2011.
B. Rahmatian and S. Mirabbasi, "A low-power 75-dB digitally programmable variable-gain amplifier in 0.18 $\mu{m}$ CMOS," Can, J, Electr. Comput. Eng., Vol. 32, No. 4, pp. 181-186, Fall 2007.
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