[논문]커패시터 커플링 노이즈를 줄인 단일 전원 CMOS 베타선 센서 회로 설계

김홍주; 차진솔; 황창윤; 이동현; 박경환; 김종범; 하판봉; 김영희

doi:10.17661/jkiiect.2021.14.4.338

커패시터 커플링 노이즈를 줄인 단일 전원 CMOS 베타선 센서 회로 설계
Design of Single Power CMOS Beta Ray Sensor Reducing Capacitive Coupling Noise 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.14 no.4, 2021년, pp.338 - 347

김홍주 (Department of Electronic Engineering, Changwon National University) , 차진솔 (Department of Electronic Engineering, Changwon National University) , 황창윤 (Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University) , 이동현 (Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University) , (Department of Electronic Engineering, Changwon National University) , 박경환 (Electronics and Telecommunications Research Institute) , 김종범 (Korea Atomic Energy Research Institute) , 하판봉 (Department of Electronic Engineering, Changwon National University) , 김영희 (Department of Electronic Engineering, Changwon National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 DB하이텍 0.18㎛ CMOS 공정을 이용하여 진성난수 생성기에 사용되는 베타선 센서 회로를 설계하였다. CSA 회로는 PMOS 피드백 저항과 NMOS 피드백 저항을 선택하는 기능, 50fF과 100fF의 피드백 커패시터를 선택하는 기능을 갖는 회로를 제안하였다. 그리고 펄스 셰이퍼(pulse shaper) 회로는 비반전 증폭기를 이용한 CR-RC2 펄스 셰이퍼 회로를 사용하였다. 본 논문에서 사용한 OPAMP 회로는 이중 전원(dual power) 대신 단일 전원(single power) 사용하고 있으므로 CR 회로의 저항과 RC 회로의 커패시터의 한쪽 노드는 GND 대신 VCOM에 연결한 회로를 제안하였다. 그리고 펄스 셰이퍼의 출력신호가 단조 증가가 아닌 경우 비교기 회로의 출력 신호가 다수의 연속된 펄스가 발생하더라도 단조 다중발진기(monostable multivibrator) 회로를 사용하여 신호 왜곡이 안되도록 하였다. 또한 CSA 입력단인 VIN과 베타선 센서 출력단을 실리콘 칩의 상단과 하단에 배치하므로 PCB trace 간의 커패시터 커플링 노이즈(capacitive coupling noise)를 줄이도록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the beta-ray sensor circuit used in the true random number generator was designed using DB HiTek's 0.18㎛ CMOS process. The CSA circuit proposed a circuit having a function of selecting a PMOS feedback resistor and an NMOS feedback resistor, and a function of selecting a feedback capacitor of 50fF and 100fF. And for the pulse shaper circuit, a CR-RC2 pulse shaper circuit using a non-inverting amplifier was used. Since the OPAMP circuit used in this paper uses single power instead of dual power, we proposed a circuit in which the resistor of the CR circuit and one node of the capacitor of the RC circuit are connected to VCOM instead of GND. And since the output signal of the pulse shaper does not increase monotonically, even if the output signal of the comparator circuit generates multiple consecutive pulses, the monostable multivibrator circuit is used to prevent signal distortion. In addition, the CSA input terminal, VIN, and the beta-ray sensor output terminal are placed on the top and bottom of the silicon chip to reduce capacitive coupling noise between PCB traces.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 기존의 PMOS 피드백 저항을 사용한 CSA 회로. Fig. 1. CSA circuit using a conventional PMOS feedback resistor.
그림 그림 3. 제안된 CSA 회로. Fig. 3. Proposed CSA circuit.
그림 그림 2. 제안된 베타선 센서 회로. Fig. 2. Proposed beta-ray sensor circuit.
그림 그림 4. CR-RC² 펄스 셰이퍼 회로 (a) 기존 방식 (b) 제안된 방식. Fig. 4. CR-RC² pulse shapers: (a) conventional one and (b) proposed one.
그림 그림 5. 펄스 셰이퍼 출력 전압 파형이 단조 증가하지 않았을 때 COMP_OUT 출력신호에 나타난 왜곡된 파형. Fig. 5. Distorted waveform in COMP_OUT output signal when pulse shaper output voltage waveform does not increase monotonically.
그림 그림 6. 단조 다중발진기를 사용한 DISC_OUT 파형. Fig. 6. DISC_OUT waveform using a monostable multivibrator.
그림 그림 7. 기존의 단조 다중발진기 회로도. Fig. 7. Conventional monostable multivibrator circuit.
그림 그림 8. 제안된 단조 다중발진기 회로도. Fig. 8. Proposed monostable multivibrator circuit.
그림 그림 9. CSA 회로 측정용 COB 테스트 보드에서 다이 오드에 연결된 CSA 입력단과 CSA 출력단 사이에서의 trace로 인한 커플링 커패시턴스 모델링. Fig. 9. Coupling capacitance modelling due to trace between CSA input terminal and CSA output terminal connected to diode in COB test board for CSA circuit measurement.
그림 그림 10. COB 테스트 보드에서 CSA의 출력전압 측정 파형 (a) PIN 다이오드 검출선을 제거하기 전 (b) 검출선을 제거한 후. Fig. 10. Output voltage measurement waveform of CSA on COB test board: (a) before removing PIN diode detector and (b) after removing PIN diode detector.
그림 그림 11. DB하이텍 0.18㎛ CMOS 공정을 이용하여 설계된 베타선 센서 회로의 레이아웃 이미지. Fig. 11. Layout image of beta-ray sensor designed using DB HiTek 0.18㎛ CMOS process.
그림 그림 12. CSA 회로에 PMOS 피드백 저항을 사용한 베타선 센서 회로의 post-layout 모의실험 결과. Fig. 12. Post-layout simulation result of beta-ray sensor using a PMOS feedback resistor in the CSA circuit.
그림 그림 13. CSA 회로에 NMOS 피드백 저항을 사용한 베타선 센서 회로의 post-layout 모의실험 결과. Fig. 13. Post-layout simulation result of beta-ray sensor using an NMOS feedback resistor in the CSA circuit.
그림 Fig. 13. Post-layout simulation result of beta-raysensor using an NMOS feedback resistor in theCSA circuit.
표 표 1. 단조 다중발진기 회로에 대한 모의실험 조건별 펄스 폭 비교 (a) 기존의 회로 (b) 제안된 회로. Table 1. Comparison of pulse widths by corner simulation conditions for monostable multivibrator circuit: (a) conventional one and (b) proposed one.
표 표 2. 단조 다중발진기 회로에 대한 모의실험 조건별 소모전류 비교 (a) 기존의 회로 (b) 제안된 회로. Table 2. Comparison of dissipation currents by corner simulation conditions for monostable multivibrator circuit: (a) conventional one and (b) proposed one.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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