[논문]CMOS X-Ray 검출기를 위한 위상 고정 루프의 전하 펌프 회로

황준섭; 이용만; 천지민

doi:10.17661/jkiiect.2020.13.5.359

CMOS X-Ray 검출기를 위한 위상 고정 루프의 전하 펌프 회로
A Charge Pump Circuit in a Phase Locked Loop for a CMOS X-Ray Detector 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.13 no.5, 2020년, pp.359 - 369

황준섭 (Department of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 이용만 (HW Part, RY Lab, Rayence) , 천지민 (School of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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본 논문에서는 CMOS X-Ray 검출기의 메인 클럭을 발생시키는 위상 고정 루프(phase locked loop, PLL)을 위한 전류 불일치를 줄이면서도 넓은 동작 범위를 가지는 전하 펌프(charge pump, CP) 회로를 제안하였다. CP 회로의 동작 범위와 전류 불일치는 CP 회로를 구성하는 전류원 회로의 동작 범위와 출력 저항에 의해서 결정된다. 제안된 CP 회로는 넓은 동작 범위를 확보하기 위한 wide operating 전류 복사 바이어스 회로와 전류 불일치를 줄이기 위한 출력 저항이 큰 캐스코드 구조의 전류원으로 구현하였다. 제안된 wide operating range 캐스코드 CP 회로는 350nm CMOS 공정을 이용하여 칩으로 제작되었으며 소스 측정 장치(source measurement unit)을 활용하여 전류 일치 특성을 측정하였다. 이때 전원 전압은 3.3V이고 CP 회로의 전류 ICP=100㎂이었다. 제안된 CP 회로의 동작 범위 △VO_Swing=2.7V이고 이때 최대 전류 불일치는 5.15%이고 최대 전류 편차는 2.64%로 측정되었다. 제안된 CP 회로는 낮은 전류 불일치 특성을 가지면서 광대역 주파수 범위에 대응할 수 있으므로 다양한 클럭 속도가 필요한 시스템에 적용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a charge pump (CP) circuit that has a wide operating range while reducing the current mismatch for the PLL that generates the main clock of the CMOS X-Ray detector. The operating range and current mismatch of the CP circuit are determined by the characteristics of the current source circuit for the CP circuit. The proposed CP circuit is implemented with a wide operating current mirror bias circuit to secure a wide operating range and a cascode structure with a large output resistance to reduce current mismatch. The proposed wide operating range cascode CP circuit was fabricated as a chip using a 350nm CMOS process, and current matching characteristics were measured using a source measurement unit. At this time, the power supply voltage was 3.3 V and the CP circuit current ICP = 100 ㎂. The operating range of the proposed CP circuit is △VO_Swing=2.7V, and the maximum current mismatch is 5.15 % and the maximum current deviation is 2.64 %. The proposed CP circuit has low current mismatch characteristics and can cope with a wide frequency range, so it can be applied to systems requiring various clock speed.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 싱글-엔디드 CP 회로 구조 Fig. 1. Architecture of a single-ended CP circuit
그림 그림 2. 이상적인 IUP과 IDN의 VCP의 변화에 따른 전류의 변화 Fig. 2. VCP Vs. current variations when IUP and IDN are ideal current source
그림 그림 3. 실제 전류원 회로의 전압-전류 관계 (a) 전류 싱크 (b) 전류 소스 Fig. 3. V-I relationship of MOSFET-realized current sources (a) current sink (b) current source
그림 그림 4. 하나의 MOSFET으로 이루어진 전류원으로 구현된 CP 회로와 전압-전류 관계 Fig. 4. CP circuit implemented by simple current sources with a MOSFET and V-I relationship
그림 그림 5. 캐스코드 전류원으로 구현된 CP 회로와 전압-전류 관계 Fig. 5. CP circuit implemented by cascode current sources and V-I relationship
그림 그림 6. 넓은 동작 범위를 가지는 캐스코드 전류원으로 구현된 CP 회로와 전압-전류 관계 Fig. 6. CP circuit implemented by wide operating range cascode current sources and V-I relationship
표 표 1. 기존 CP 회로들과 제안된 CP 회로 간 비교 Table 1. Comparison between conventional CP circuits and proposed CP circuit
그림 그림 7. CP 회로의 전압과 전류 관계 (X축 : VCP, Y축 : IUP 과 IDN) (a) single (b) cascode (c) wide operating range cascode Fig. 7. V-I relationship of CP circuits (X-axis : VCP, Y-axis : IUP & IDN) (a) single (b) cascode (c) wide operating range cascode
그림 그림 8. CP 회로의 전류 일치 특성 (X축 : VCP, Y축 : IMIS=IUP-IDN) (a) single (b) cascode (c) wide operating range cascode Fig. 8. Current matching characteristics of CP circuits (X-axis : VCP, Y-axis : IMIS=IUP-IDN) (a) single (b) cascode (c) wide operating range cascode
그림 그림 10. 제안된 CP 회로의 측정된 전류 일치 특성 Fig. 10. Measured current matching characteristics of proposed CP circuit
그림 그림 9. 제작된 칩의 사진 Fig. 9. Microphotograph of fabricated chip
표 표 2. CP 회로의 시뮬레이션 결과 요약 Table 2. Summary of simulation results for CP circuits

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 CMOS X-Ray 검출기의 메인 클럭을 발생시키는 PLL을 위한 전류 불일치를 줄이면서도 넓은 동작 범위를 가지는 CP 회로를 제안한다.
본 논문에서는 CMOS X-Ray 검출기의 메인 클럭을 발생시키는 PLL을 위한 전류 불일치를 줄이면서도 넓은 동작 범위를 가지는 CP 회로를 제안하였다. CP 회로의 동작 범위와 전류 불일치는 CP 회로를 구성하는 전류원 회로의 특성에 의해서 결정된다.

가설 설정

이를 위해 그림 5와 그림 6의 경우 p-타입 MOSFET의 채널 길이를 L_P, 채널 두께를 W_P로 통일하고 n-타입 MOSFET의 채널 길이를 L_N, 채널 두께를 W_N으로 통일하였고, 그림 4의 경우는 p-타입 MOSFET의 채널 길이를 2L_P로 n-타입 MOSFET의 채널 길이를 2L_N으로 하였다. 또한 모든 p-타입 MOSFET은 같은 문턱 전압 V_TH,P, 모든 n-타입 MOSFET은 같은 문턱 전압 V_TH,N을 가진다고 가정한다. CP 회로의 I_CP는 모두 같은 전류 크기로 하였다.
출력 저항은 식 (5)와 같은 식으로 표현되고 CP 회로의 △V_{CP_Swing}은 다음과 같은 값을 가져 그림 4의 CP 회로보다는 V_OV만큼 크지만 그림 5의 CP 회로보다는 문턱 전압의 영향이 없어 넓은 동작 범위를 확보할 수 있다. 이때 그림 5 회로와 마찬가지로 전류 복사 바이어스 회로와 전류원 회로를 구성하는 모든 n-타입 MOSFET과 p-타입 MOSFET은 각 타입끼리 동일한 크기를 가진다고 가정한다.
이 다음과 같이 제한되어 넓은 클럭 주파수 범위를 확보하기 어렵게 된다. 이때 전류 복사 바이어스 회로와 전류원 회로를 구성하는 모든 n-타입 MOSFET과 p-타입 MOSFET은 각 타입끼리 동일한 크기를 가진다고 가정한다.

제안 방법

표 1은 기존 CP 회로와 제안된 CP 회로 간 출력 저항과 동작 범위를 비교한 결과이다. 공정한 비교를 위해서 전류 복사 바이어스 회로를 제외한 CP 회로 면적을 같게 하였다. 이를 위해 그림 5와 그림 6의 경우 p-타입 MOSFET의 채널 길이를 L_P, 채널 두께를 W_P로 통일하고 n-타입 MOSFET의 채널 길이를 L_N, 채널 두께를 W_N으로 통일하였고, 그림 4의 경우는 p-타입 MOSFET의 채널 길이를 2L_P로 n-타입 MOSFET의 채널 길이를 2L_N으로 하였다.
출력 저항을 키우기 위해서 캐스코드 구조가 제안되었으나, 전류 복사 바이어스 회로를 일반적인 다이어드 연결 MOSFET을 이용한 전류 복사 회로로 구현하게 되면 동작 범위가 제한된다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해서 제안된 CP 회로는 넓은 동작 범위를 확보하기 위한 wide operating 전류 복사 바이어스 회로와 전류 불일치를 줄이기 위한 출력 저항이 큰 캐스코드 구조의 전류원으로 구현하였다. 제안된 wide operating range 캐스코드 CP 회로는 350nm CMOS 공정을 이용하여 칩으로 제작되었으며 소스 측정 장치(source measurement unit)을 활용하여 전류 일치 특성을 측정하였다.
공정한 비교를 위해서 전류 복사 바이어스 회로를 제외한 CP 회로 면적을 같게 하였다. 이를 위해 그림 5와 그림 6의 경우 p-타입 MOSFET의 채널 길이를 L_P, 채널 두께를 W_P로 통일하고 n-타입 MOSFET의 채널 길이를 L_N, 채널 두께를 W_N으로 통일하였고, 그림 4의 경우는 p-타입 MOSFET의 채널 길이를 2L_P로 n-타입 MOSFET의 채널 길이를 2L_N으로 하였다. 또한 모든 p-타입 MOSFET은 같은 문턱 전압 V_TH,P, 모든 n-타입 MOSFET은 같은 문턱 전압 V_TH,N을 가진다고 가정한다.
수요가 증가되고 있는 실시간 CMOS X-Ray 검출기는 대상 물체의 관심 영역에 대해서 실시간으로 정밀한 이미지 정보를 획득하기 위해서 저잡음, 고해상도, 고속 및 넓은 동적 범위(dynamic range, DR)가 필요하다. 이를 위해서 기존의 CMOS X-Ray 검출기는 14비트 이상의 해상도를 가지는 외장 고속 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC) IC를 채용하여 X-Ray 이미지를 디지털 데이터로 변환하였다 [9]. [11], [17]-[21].
이러한 문제점들을 극복하기 위해서 제안된 CP 회로는 넓은 동작 범위를 확보하기 위한 wide operating 전류 복사 바이어스 회로와 전류 불일치를 줄이기 위한 출력 저항이 큰 캐스코드 구조의 전류원으로 구현하였다. 제안된 wide operating range 캐스코드 CP 회로는 350nm CMOS 공정을 이용하여 칩으로 제작되었으며 소스 측정 장치(source measurement unit)을 활용하여 전류 일치 특성을 측정하였다. 이때 전원 전압은 3.

대상 데이터

표 1의 비교 결과를 확인하기 위해 350nm CMOS 공정을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 그림 5와 그림 6의 전류 복사 바이어스 회로와 전류원 회로의 MOSFET 크기를 L_P=0.

이론/모형

결과적으로 이미지 품질이 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 웨이퍼 스케일(wafer-scale) CMOS X-Ray 검출기가 웨이퍼 스티칭(wafer stitching) 또는 타일링 기법(tiling technique)을 사용하여 구현되었다 [9]-[16]. CMOS X-Ray 검출기 위에 직접 신틸레이터(scintillator) 필름을 배치하여 전자와 빛 산란 등의 광학적 손실로 인한 이미지 품질 저하를 줄일 수 있다.

성능/효과

따라서, 전류 복사 바이어스 회로를 제외한 CP 회로의 면적이 동일할 때 제안한 CP 회로는 그림 4의 CP 회로와 비교했을 때 약간의 △V_{CP_Swing}의 희생으로 큰 출력 저항을 가질 수 있고, 그림 5의 CP 회로와 비교했을 때 큰 출력 저항을 가지는 동시에 |V_TH,N|+|V_TH,P|만큼 △V_{CP_Swing}을 더 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.
3V이고 CP 회로의 전류 I_CP=100μA이었다. 제안된 CP 회로는 △V_{O_Swing}=2.7V이고 이때 최대 전류 불일치는 5.15%이고 최대 전류 편차는 2.64%로 측정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	0.1~10nm 파장의 X-Ray를 사용하는 soft X-Ray 복사는 일반적으로 어떤 테스트에 사용되는가?	0.1~10nm 파장의 X-Ray를 사용하는 soft X-Ray 복사는 일반적으로 X-Ray 현미경 및 전자 분광기와 같은 입자 분석을 위한 실험 테스트에 사용된다 [2]-[4]. 반면에 0.
	최근 몇 년 동안 X-Ray 검출기 시장 규모가 증가한 이유는?	1nm 미만의 짧은 파장의 X-Ray를 사용하여 더 높은 에너지 준위를 가지는 hard X-Ray 복사는 투과성이 우수하므로 대상 물체의 내부를 이미지화하거나 실시간 모니터링하는데 주로 사용된다. 예를 들어 컴퓨터 단층 촬영(computed tomography), 방사선 촬영(radiography) 및 치과용 X-Ray와 같은 진단 의료용 검출기는 일상 생활에서 볼 수 있는 가장 일반적인 응용 분야이다. 또한 X-Ray 검출기는 보안을 위한 비파괴 검사 및 수하물 검사와 같이 산업계에서 널리 사용된다. 이러한 이유로 최근 몇 년 동안 hard X-Ray 복사를 사용하는 X-Ray 검출기 시장 규모가 증가했으며 그 전망도 매우 유망하다.
	X-Ray 검출기는 어느 분야에서 널리 사용되는가?	X-Ray 검출기는 분광기(spectroscopy), 현미경(microscopy), 의료 검사(medical inspection) 등과 같은 다양한 분야에서 널리 사용된다 [1]. 0.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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