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Sub-threshold 영역의 MOSFET 동작을 이용한 OP-AMP 설계
Design of OP-AMP using MOSFET of Sub-threshold Region 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.7, 2016년, pp.665 - 670  

조태일 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) ,  여성대 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) ,  조승일 (일본 Yamagata Univ. Innovation Center for Organic Electronics) ,  김성권 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원)

초록
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본 논문에서는 IoT(Internet of Things) 시스템의 기본 구성이 되는 센서 네트워크에 사용될 수 있는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 Sub-threshold 동작을 이용하는 OP-AMP(Operational amplifier) 설계를 제안한다. MOSFET의 Sub-threshold 동작은 전원전압을 낮추는 효과로 회로 시스템을 초저전력으로 유도할 수 있는 특징이 있기 때문에 배터리를 사용하는 IoT의 센서 네트워크 시스템의 초저전력화에 매우 유용한 회로설계 기술이라고 할 수 있다. $0.35{\mu}m$ 공정을 이용한 시뮬레이션 결과, VDD를 0.6 V로 설계할 수 있었으며, OP-AMP 의 Open-loop Gain은 43 dB, 또한 설계한 OP-AMP의 소비전력은 $1.3{\mu}W$가 계산되었다. 또한, Active Layout 면적은 $64{\mu}m{\times}105{\mu}m$이다. 제안한 OP-AMP는 IoT의 저전력 센서 네트워크에 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we suggest the design of OP-AMP using MOSFET in the operation of sub-threshold condition as a basic unit of an IoT. The sub-threshold operation of MOSFET is useful for an ultra low power consumption of sensor network system in the IoT, because it cause the supply voltage to be reduced...

주제어

#준임계   #저전력   #연산 증폭기   #사물 인터넷   #센서 네트워크  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 따라서, 본 논문에서는 IoT의 센서 네트워크에 적용되어 초저전력 동작을 유도할 수 있는 Sub-threshold MOSFET 동작을 이용한 OP-AMP회로 설계를 제안한다.
  • 특히, 배터리로부터 전력을 공급받으며, 장기간 사용되어야 하는 경우가 많기 때문에, 비교적 낮은 동작 주파수로 동작하더라도 저전력으로 동작되어야 하는 것으로 알려져 있다[2],[4]. 따라서, 전원전압을 낮출 수 있는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 Sub-threshold 영역의 설계 기술에 주목하였다.
  • 본 논문에서는 IoT의 센서 네트워크에 적용될 수 있는 Sub-threshold 영역에서 동작하는 OP-AMP를 설계하였다. 설계한 회로는 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Sub-threshold 영역에서 동작하는 MOSFET은 어떻게 저전력 회로 시스템을 유도하는가? Sub-threshold 영역에서 동작하는 MOSFET은 회로 시스템에서 가장 많이 응용되는 OP-AMP(Operational Amplifier)의 전원전압을 낮추어, 저전력 회로 시스템을 유도한다. 특히, IoT의 센서 네트워크 시스템에 광범위하게 적용가능하다.
누설 전류는 어떤 요소들에 의해 발생되는가? 식 1에서, 전력을 감소시킬 수 있는 가장 효과적인 방법은 Square항인 VDD를 Scaling 하는 것이다. 전력을 감소시키기 위하여, VDD의 Down Scaling이 과하면 회로의 누설전력을 증가시키는데[6], 누설 전류는 sub-threshold 전류, PN junction reverse BIAS 전류, DIBL(Drain Induced Barrier Lowering), Oxide Tunneling과 같은 종류가 다양한 요소들에 의해 발생된다. 이 중 sub-threshold에 의한 누설전류가 상당량을 차지한다.
IoT 기술이 저전력으로 동작되어야 하는 이유는 무엇인가? 특히, IoT 기술은 무선 센서 네트워크를 기반으로 운영되는 것으로, 무선 센서 네트워크는 주변 환경과의 상호작용을 통하여 재난구호, 스마트 환경, 위치파악 시스템 등 다양한 어플리케이션으로 응용된다. 특히, 배터리로부터 전력을 공급받으며, 장기간 사용되어야 하는 경우가 많기 때문에, 비교적 낮은 동작 주파수로 동작하더라도 저전력으로 동작되어야 하는 것으로 알려져 있다[2],[4]. 따라서, 전원전압을 낮출 수 있는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 Sub-threshold 영역의 설계 기술에 주목하였다.
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참고문헌 (10)

  1. S. Park, C. Hwang, and D. Park, "Internet of Things(IoT) ON system implementation with minimal Arduino based appliances standby power using a smartphone alarm in the environment," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 10, Oct. 2015, pp. 1175-1181. 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. K. Lee, H. Lee, and Y. Kim, "Design and Implementation of a Systolic Architecture for Low Power Wireless Sensor Network," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 06, June 2015, pp. 749-755. 

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  3. D. Ryu, "Development of BLE Sensor Module based on Open Source for IoT Applications," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 10, no. 3, Mar. 2015, pp. 419-424. 

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  4. H. Ju, and Y. Yoo, "Efficient Packet Transmission Utilizing Vertical Handover in IoT Environment," J. of the Korea Institute of Information Scientist and Engineers, vol. 42, no. 6, June 2015, pp. 807-816. 

  5. G. Balachandran and P. Allen, "Switched-Current Circuits in Digital CMOS Technology With Low Charge-Injection Errors," IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 37, 2002, pp. 1271-1281. 

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  6. S. Yeo, "A study on low-power current mode signal process using sub-threshold MOSFET operation," Master's Thesis, Seoul National University of Science and Technology, 2013. 

  7. S. Cho, S. Yeo, K. Lee, and S. Kim, "Current-Mode Circuit Design using Sub-threshold MOSFET," The J. of Korea Society of Communication and Space Technology, vol. 8, no. 3, Sept. 2013, pp. 10-14. 

  8. L. Magnelli, F. A. Amoroso, F. Crupi, G. Cappuccino, and G. Iannaccone, "Design of a 76-nW, 0.5-V subthreshold complementary metal-oxide-semiconductor operation amplifier," Int. J. OF Circuit Theory and Applications, vol. 42, no. 9, Seprt. 2014, pp. 967-977. 

    상세보기 crossref

  9. J. D. Irwin, and R. M. Nelms, "Engineering Circuit Analysis Ten edition," Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc., 2011. 

  10. J. Kim, S. Yeo, D. Kim, G. Lee, and S. Kim, "Current-mode signal processing based OTA design for multimedia data transmission," 2014 Int. Conf. on Network Security and Communication Engineering, Hong Kong, Dec. 2014. 

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