[논문]샘플 홀드 회로를 이용한 초퍼 안정화 기법이 적용된 저잡음 증폭기

박영민; 남민호; 조경록

doi:10.5573/ieie.2016.53.10.027

샘플 홀드 회로를 이용한 초퍼 안정화 기법이 적용된 저잡음 증폭기
LNA with Chopper Stabilization Technique Using Sample and Hold Circuit 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.10 = no.467, 2016년, pp.27 - 33

박영민 (충북대학교대학교 전자정보대학) , 남민호 (충북대학교대학교 전자정보대학) , 조경록 (충북대학교대학교 전자정보대학)

초록
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본 논문은 초퍼 안정화기법을 적용한 저잡음 증폭기를 제안한다. 초퍼 안정화기법은 CMOS 증폭기의 저주파수 대역 오프셋과 플리커 잡음을 감소시키는 효과적인 기법이다. 기존의 초퍼 증폭기는 초퍼로 인해 발생되는 초핑 스파이크를 제거하기 위해 Low Pass Filter(LPF)를 사용하기 때문에 저항과 커패시터가 큰 면적을 차지한다는 단점을 가지고 있다. 제안된 초퍼 증폭기는 LPF 대신 샘플 앤 홀드 방식의 초핑 스파이크 제거 회로를 사용하여 적은 전압감쇄에서 36%, 면적에서 11%의 이득을 얻을 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a Low Noise Amplifier (LNA) with chopper stabilization technique with a sample-hold circuit. Chopper stabilization technique is effective in terms of reducing low frequency offset and flicker noise. Conventional chopper amplifier has a disadvantage in area because of using Low Pass Filter (LPF) for remove chopping spike. The proposed chopper amplifier employed sample and hold technique to decrease chopping spike instead of LPF that improves 36% in voltage damping and 11% in area.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 센서신호용 초퍼안정화기법을 적용한 저잡음 계측증폭기를 제안하였다. 센서신호는 신호의 크기가 작아 잡음에 취약하고 저주파수대역에서 동작하는 신호가 많다.

가설 설정

따라서 초핑 스파이크를 제거하기 위하여 LPF(Low Pass Filter)를 사용한다.^[7] LPF를 거친 신호는 초핑 스파이크는 제거 되었지만 신호의 감쇄가 생긴다. 또한 LPF를 구성하는 저항과 커패시터의 면적이 회로에서 많은 부분을 차지함으로써 손실되는 면적이 크다는 단점이 있다

제안 방법

35㎛ 공정으로 진행하였다. LPF 초퍼 증폭기는 3kHz와 1.6kHz 의 -3dB 포인트를 가진 2가지와 비교하였다.
제안하는 sample and hold 방식의 초핑 스파이크 제거 회로를 사용한 초퍼 증폭기의 동작을 Cadence 사의 Spectre를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서는 CMOS 0.35㎛ library를 사용하여 동작을 검증하였다.
본 논문에서는 초퍼를 이용하여 센서신호를 저주파수 성분이 적은 고주파대역으로 변조시킨 다음 증폭하고, 다시 복조하는 과정을 거쳐 센서신호에 저주파수 잡음의 영향을 최소화 하는 초퍼 안정화 기법을 적용한 LNA(Low Noise Amplifier)를 설계한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
기존 초퍼 증폭기는 초핑 스파이크 제거를 위해 LPF를 사용하기 때문에 저항과 커패시터로 사용되는 면적이 크고 LPF에서의 신호가 감쇄되는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 sample and hold 방식의 초핑 스파이크 제거 회로를 LPF 대신 사용하는 초퍼 증폭기를 제안한다. 그림 6은 제안하는 초퍼 증폭기의 구조를 보여준다.
제안하는 sample and hold 방식의 초핑 스파이크 제거 회로를 사용한 초퍼 증폭기의 동작을 Cadence 사의 Spectre를 사용하여 시뮬레이션 하였다. 본 논문에서는 CMOS 0.
제안하는 sample and hold 방식의 초핑 스파이크 제거회로는 그림 8과 같이 각 단에 스위치 3개와 한 개의 커패시터로 구성되어 있다.
홀드 동작을 하는 # 페이즈는 초핑 주파수에 의해 결정된다. 제안하는 방식은 초핑 스파이크 발생 시 홀드 된 신호를 출력하여 초핑 스파이크만을 제거할 수 있어 LPF에 비해 신호의 감쇄가 없다. 또한 LPF에 사용되는 저항과 커패시터의 면적에 비해 적은 면적으로 구현할 수 있다.
그림 6은 제안하는 초퍼 증폭기의 구조를 보여준다. 제안하는 초퍼 증폭기는 계측 증폭기의 입력단의 앞과 출력단의 뒤에 초퍼를 두어 초핑 안정화 기법을 적용 하였다.
표 1은 기존의 LPF를 사용하는 초퍼 증폭기와 제안하는 초퍼 증폭기를 SNR, 신호 진폭, 면적을 비교하였다. 증폭기는 동일한 계측 증폭기를 사용하였으며 시뮬레이션은 CMOS 0.35㎛ 공정으로 진행하였다. LPF 초퍼 증폭기는 3kHz와 1.
표 1은 기존의 LPF를 사용하는 초퍼 증폭기와 제안하는 초퍼 증폭기를 SNR, 신호 진폭, 면적을 비교하였다. 증폭기는 동일한 계측 증폭기를 사용하였으며 시뮬레이션은 CMOS 0.

이론/모형

복조된 신호에는 초퍼를 사용함으로 인한 초핑 스파이크가 포함되어 있다. 따라서 초핑 스파이크를 제거하기 위하여 LPF(Low Pass Filter)를 사용한다.^[7] LPF를 거친 신호는 초핑 스파이크는 제거 되었지만 신호의 감쇄가 생긴다.

성능/효과

같은 SNR를 갖는 1.6kHz 3dB 대역폭 LPF와 비교하여 신호진폭은 36% 증가하였고, 면적은 11% 감소하였다.
제안한 회로는 3kHz LPF 회로 보다 SNR은 14%, 신호 진폭은 20% 증가하였고 면적은 18% 감소하였다. 동일한 SNR을 가진 1.6kHz LPF 회로와 비교하여 신호 진폭은 36% 증가하고, 면적은 11% 감소한 것을 볼 수 있다.
26μV_rms 잡음이 나타났다. 제안된 초퍼 증폭기는 기존의 초퍼 증폭기에서 초핑 스파이크를 제거하기위해 사용하는 LPF대신 sample and hold 방식으로 초핑 스파이크를 제거함으로써 LPF에서 발생하는 신호의 전압감쇄를 줄이고 면적을 줄일 수 있었다. 같은 SNR를 갖는 1.
제안한 회로는 3kHz LPF 회로 보다 SNR은 14%, 신호 진폭은 20% 증가하였고 면적은 18% 감소하였다. 동일한 SNR을 가진 1.
초퍼를 적용하였을 때 1m∼1k 구간에서 잡음은 4.13μV2이고 초퍼가 없는 경우는 같은 구간에서 54.19μV2의 잡음이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

6kHz 3dB 대역폭 LPF와 비교하여 신호진폭은 36% 증가하였고, 면적은 11% 감소하였다. 본 논문은 비교적 크기가 큰 증폭기를 사용하여 면적 감소율이 적었으나 면적이 작은 증폭기를 사용할수록 면적에 대한 장점이 부각될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산탄잡음은 무엇인가?	산탄잡음은 전자의 특수한 현상 때문에 전류에 불규칙한 요동이 생겨 발생하는 잡음으로 전류에 따라 증가하는 특징을 가지고 있고, 열잡음과 마찬가지로 주파수에 무관하게 전 주파수 대역에서 발생하는 잡음이다.
	기존 초퍼 증폭기의 단점은 무엇인가?	기존 초퍼 증폭기는 초핑 스파이크 제거를 위해 LPF를 사용하기 때문에 저항과 커패시터로 사용되는 면적이 크고 LPF에서의 신호가 감쇄되는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 sample and hold 방식의 초핑 스파이크 제거 회로를 LPF 대신 사용하는 초퍼 증폭기를 제안한다.
	계측 증폭기의 특징은 무엇인가?	그림 2에 계측 증폭기를 나타내었다. 이 증폭기의 가장 큰 특징은 입력이 증폭기의 gate로 연결되어 있기 때문에 증폭기의 입력으로 전류가 흘러 들어가지 않고, 센서 출력임피던스가 크더라도 그 신호들을 거의 훼손시키지 않고, 잘 받아들일 수 있다. 증폭기의 사용 개수가 늘어나긴 하지만 높은 입력 임피던스를 얻어 부하효과를 방지할 수 있고, 충분한 이득을 얻을 수 있다.

참고문헌 (9)

Hosung Lee, Sungyoung Lee, "Real-time Activity and Posture Recognition with Combined Acceleration Sensor Data from Smartphone and Wearable Device", Journal of KISS : Software and Applications 41(8), pp. 586-597, Aug. 2014.
Chang Hyun Kim, Jong-Moon Chung, "Design of a 6-Axis Inertial Sensor IC for Accurate Location and Position Recognition of M2M/IoT Devices", The Journal of The Korean Institute of Communication Sciences 39(1), pp. 82-89, Jan, 2014.
H. Sun, K. Jia, X. Liu, G. Yan, Y. Hsu, R. M. Fox, and H. Xie, "A CMOS-MEMS gyroscope interface circuit design with high gain and low temperature dependence," IEEE Sensors J., vol. 11, no. 11, pp. 2740-2748, Nov. 2011.
Jun-Gyu Lee, JinWook Burm, Shin-Il Lim, "A Design of Instrumentation Amplifier using Offset Cancellation Techniques", THE INSTITUTE OF ELECTRONICS ENGINEERS OF KOREA, pp. 534-535, Nov. 2007.
Haiyang Cheng, Ming Qin, Donghui Gao, Qing-An Huang, "A low noise CMOS instrumentation amplifier for integrated thermal gas flow sensor", Solid-State and Integrated Circuits Technology, 2004. Proceedings. 7th International Conference on (Volume:3), 1831-1834 vol.3, Oct. 2004.
K.A.A Makinwa and J.H. Huijsing, "A wind sensor with an integrated low-offset instrumentation amplifier", Electronics, Circuits and Systems, 200I.ICECS 2001. The 8th IEEE International Conference, vol.3, pp.1505-1508, 200I.
Xiao Yang, Qi Cheng, Li-fei Lin, Wei-wei Huang, "Design of low power low noise amplifier for portable electrocardiogram recording system applications", Anti-Counterfeiting, Security and Identification (ASID), 2011 IEEE International Conference on, pp.89-92, June 2011.
CHRISTIAN C.ENZ, GABORC. TEMES, "Circuit Techniques for Reducing the Effects of Op-Amp Imperfections: Autozeroing, Correlated Double sampling, and Chopper Stabilization" Proceedings of the IEEE, pp. 1584-1614 Nov 1996.
J. H. Nielsen, and E. Bruun, "A CMOS lownoise instrumentation amplifier using chopper modulation," Analog Integrated Circuit and Signal Processing, vol. 42, pp. 65-76, 2005.

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