초록 ▼

가. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로
본 연구에서는 Digital X-ray 시스템에 사용할 TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로를 연
구 개발한다.
Digital X-ray 시스템은 일반 병원에서 사용하고 있는 X-ray 시스템을 대체할 수 있는
장비로, 더 낮은 X-ray 조사량으로도 더 정밀한 X-ray 영상 이미지를 얻을 수 있는 고성
능 장비다. 이 시스템에서는 TFT-LCD 공정 라인에서 제작된 14인치 이상의 대형 TFT
센서 Panel을 사용하는데, 수백 uV 정도의 매우 미세한

가. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로
본 연구에서는 Digital X-ray 시스템에 사용할 TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로를 연
구 개발한다.
Digital X-ray 시스템은 일반 병원에서 사용하고 있는 X-ray 시스템을 대체할 수 있는
장비로, 더 낮은 X-ray 조사량으로도 더 정밀한 X-ray 영상 이미지를 얻을 수 있는 고성
능 장비다. 이 시스템에서는 TFT-LCD 공정 라인에서 제작된 14인치 이상의 대형 TFT
센서 Panel을 사용하는데, 수백 uV 정도의 매우 미세한 신호를 다루기 때문에 TFT 센서
아날로그 신호 감지 회로의 성능이 매우 높아야 하며 특히 저잡음 설계 및 노이즈 제거
기술이 적용되어야 하는 고난이도의 회로이다.
이미 개발되어 제품에 적용되고 있는 미국 회사의 제품과는 달리 TCP Package를 사용
하여 시스템 제작 수율을 대폭 향상시킬 수 있도록 하려고 하며, 전력 소모, 가격면에서
기존 제품보다 우수한 특성을 갖도록 할 것이다.
나. 14bit 40Msps Pipeline ADC
TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로에서 읽어낸 센서의 출력 신호는 ADC를 사용하여
디지털 신호로 변환하는데, Digital X-ray 시스템에서는 14bit ADC를 사용한다.
14bit ADC는 아직까지 국내에서 개발된 적이 없는 높은 난이도의 제품으로, 최근에는
통신 시스템에도 상당히 널리 사용되고 있는 회로다. 세계적으로 Digital X-ray 시스템에
사용할 수 있을 정도의 ADC를 만들어 판매하고 있는 회사는 Analog Devices Inc. 단 한
회사에 불과하며, 가격도 매우 높은 고부가가치 제품으로 최근에 와서는 상당수의 회사
들이 개발을 위해 노력하고 있다.
본 연구에서는 14bit 40Msps 사양의 ADC를 개발하고자 하는데, Digital X-ray 시스템
에서는 10Msps 정도의 처리 속도면 충분하지만 장차 다른 응용 분야에서의 사용 가능성
을 높이기 위해 40Msps의 고사양으로 개발을 진행한다.
이 ADC의 개발을 위해 두 가지의 신기술이 적용되었는데, 첫째는 입력단 스위치
Bootstrap 기술이고, 두 번째는 1bit MDAC을 이용한 ADC Architecture를 사용한 것이
다.
다. 24bit 50MIPS Floating-Point DSP
영상 신호 처리를 위한 DSP를 개발한다.
일반적으로 디지털 영상 신호 처리는 16bit Fixed-Point DSP를 많이 사용하는데, 본 연
구에서는 난이도가 더 높은 Floating-Point DSP를 개발하기로 하였다. 목표하는 사양은
0.35um 공정에서 50MIPS의 높은 처리 속도를 갖는 것으로, 추후 Embedded DRAM을
메모리로 내장할 수 있도록 메모리 컨트롤러가 내장될 것이다.
또한 DSP의 사용에 있어 필수적인 개발 Tool도 함께 개발이 진행될 것이다. 개발 Tool
의 Debugging은 본 연구를 통해 개발된 DSP 샘플을 사용하여 실시간으로 검증이 가능
한 테스트 보드를 이용하여 진행하려 한다.
라. Embedded DRAM
본 연구에서는 DSP 등에 집적이 가능한 Embedded DRAM을 개발하려 한다.
Embedded DRAM은 용량이 매우 제한적인 Embedded SRAM을 대체할 수 있는 매우
유력한 기술로, 일반적인 SRAM에 비해 약 5~10배 정도의 용량까지 메모리를 내장할 수
있게 해 주기 때문에, 칩에 내장하려는 메모리의 양이 급증하고 있는 최근의 추세를 고
려할 때 상당히 유용한 기술이 될 것으로 예상된다.
특히 본 연구에서는 DRAM에서 가장 중요한 특성 중 하나인 Refresh 특성이 대폭 향
상된 Embedded DRAM Cell을 적용하려고 한다. 이 셀을 사용하게 되면 DRAM의 주된
불량인 Refresh 특성이 크게 개선되어 Redundancy를 이용한 Repair와 같은 복잡한 설계
기법을 사용하지 않고도 큰 메모리 용량의 집적이 가능해 질 것으로 예상된다.
또한 이 셀은 매우 낮은 전압에서의 동작에 유리하기 때문에 0.25um나 0.18um 이하의
매우 발전된 공정에서 DRAM을 구현하는데 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼

TFT sensor technology is an emerging one that is very suitable for such applications
that needs very large sensing area. Since TFT sensors are fabricated by the same process
that fabricates TFT-LCD which is in a huge mass production these days, it is very easy
to produce TFT sensor products

TFT sensor technology is an emerging one that is very suitable for such applications
that needs very large sensing area. Since TFT sensors are fabricated by the same process
that fabricates TFT-LCD which is in a huge mass production these days, it is very easy
to produce TFT sensor products if the market becomes mature.
To operate TFT sensor, several semiconductor IC's are essential. First of all, TFT
sensor readout IC is necessary to process the signal that is generated by TFT sensor.
Secondly, Analog/Digital IC's are needed, that can convert the analog signal to the
digital signal, process the digital signal with a given algorithm, etc.
In this research and development, four semiconductor IC's are designed and
fabricated. The major target applications of these IC's is Digital X-ray system that
requires very high performance and accuracy together with a high immunity to noise.
The four IC's are, TFT sensor readout IC, 14bit 40Msps Pipeline ADC, 24bit 50MIPS
floting-point DSP, and Embedded DRAM.
The most of the target specification of TFT sensor readout IC is almost the same as
that of one specific product which is already in use for Digital X-ray system. In this
research, however, we develop TFT sensor readout IC that is with TCP for packaging,
5V single supply, 5MHz high operating speed.
After 5 times of design, fabrication and failure analysis, TFT sensor readout IC is
successfully developed that meets all the target specification. Since the specification for
Digital X-ray system is higher than any other TFT sensor system, the technical
achievement and know-hows obtained by this research will be very valuable and
applicable in the development of TFT sensor products in the near future.
14bit 40Msps Pipeline ADC is designed and fabricated using two new technologies,
input switch bootstrapping and the advanced architecture with 1bit MDAC. This ADC is
fabricated by Hynix 0.6um CMOS process and tested on the in-house board. The test
result shows the performance of this ADC is close to 10bit ADC which is much lower
than the target. The origin of the failures is due to the malfunction of the internal
digital circuits. At present, the failure analysis is pursued.
24bit 50MIPS Floating-Point DSP is designed and fabricated by Hynix 0.35um standard
CMOS process. Fabircated DSP is tested by several methods and all the function are
working properly. This DSP meets all the target specification and all the internal circuits
are fully proven by using DCT algorithm and comparing the result with that obtained
by software on PC.
Embedded DRAM technology is becoming more and more important recently since the
needs of embedded memory capacity is increasing rapidly. If the embedded DRAM is
used, 4~8 times the larger memory embedding is possible compared to embedded SRAM
available in standard CMOS process.
In this research, Twin Cell structure is chosen to enhance the refresh characteristic and
low voltage operation. Enhanced refresh characteristic is very important since the major
yield loss is by refresh failure of the cell in DRAM based memories. If refresh
characteristic is good, the repair circuits with redundancies can be eliminated and this
will lower both the chip size and test cost.
Embedded DRAM is designed as 4Kbit x8 configuration and uses SRAM-like interface
with command set of READ, WRITE and REFRESH. At present, test chip is under
fabrication.
If the test result of the Embedded DRAM is satisfactory, it will be embedded in DSP
to fully verify as a product.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...3
• 요약문 ...4
• SUMMARY ...9
• CONTENTS ...11
• 목차 ...16
• 제1장 서론 ...21
• 제1절 TFT 센서 기술의 개요 ...21
• 1. TFT 센서 ...21
• 2. TFT 센서의 응용 분야 ...23
• 3. TFT 센서 시장 ...26
• 제2절 TFT 센서용 반도체 IC ...29
• 1. TFT 센서 시스템의 구성 ...29
• 2. TFT 센서용 IC의 개발 필요성 ...30
• 가. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로 ...31
• 나. ADC ...32
• 다. DSP ...34
• 라. Embedded DRAM ...35
• 3. TFT 센서의 시장성 ...38
• 제2장 TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로 ...51
• 제1절 TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로의 설계 ...51
• 1. TFT 센서의 출력 신호 ...51
• 2. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로의 구조 ...53
• 3. 기준 전압 발생 회로 ...56
• 4. 채널 제어 회로 ...57
• 5. 테스트용 회로 ...59
• 6. 중요 특성에 대한 회로 시뮬레이션 결과 ...61
• 7. TCP Package의 적용 ...62
• 8. 레이아웃 ...64
• 제2절 TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로의 제작 ...65
• 1. 1차 제작 및 결과 : Rev.0.0 ...65
• 2. 2차 제작 및 결과 : Rev.0.1 ...68
• 3. 3차 제작 및 결과 : Rev.0.2 ...70
• 4. 4차 제작 및 결과 : Rev.1.0 ...72
• 5. 5차 제작 및 결과 : Rev.1.1 ...76
• 제3장 영상 신호 처리용 ADC (Analog-to-Digital Converter) ...111
• 제1절 개발 목표 ...111
• 제2절 전체 ADC 의 구조 결정 및 중요 구성 블록의 설계 ...114
• 1. Sample-and-Hold Amplifier (SHA) 블록 ...115
• 2. Mutiplying D/A Converter (MDAC) 블록 ...116
• 3. FLASH ADC 블록 ...117
• 4. 전체 회로 시뮬레이션 ...117
• 제3절 전체 회로의 레이아웃 ...127
• 제4절 성능 평가 회로 설계 ...131
• 제5절 시제품 ADC 측정 및 성능 평가 ...136
• 1. 동적 성능 측정 ...136
• 2. 원인 분석 ...136
• 제4장 24-bit Floating-point DSP 개발 ...140
• 제1절 개발 목표 ...140
• 제2절 24-bit Floating-point DSP 소개 ...140
• 1. DSP칩의 구조적 특징 ...140
• 2. Architecture ...141
• 가. 파이프라인 구조 ...143
• 나. Floating-point format ...143
• 다. 메모리 ...143
• 라. Core part ...145
• 마. Peripheral part ...146
• 바. 내부 레지스터 ...147
• 3. Instruction Set ...149
• 4. Addressing ...150
• 가. Addressing 종류 ...150
• 나. General Addressing 모드 ...151
• 다. Three-operand Addressing 모드 ...151
• 라. Parallel Addressing 모드 ...151
• 마. Conditional-Branch Addressing 모드 ...151
• 바. Circular Addressing 모드 ...152
• 사. Bit-Reversed Addressing 모드 ...152
• 제3절 24-bit Floating-point DSP 설계 ...152
• 1. 설계방법 ...152
• 2. Verilog-XL 시뮬레이션 ...153
• 3. 합성 ...157
• 제4절 테스트 내용 및 결과 ...158
• 1. 보드 제작 ...158
• 가.Power ...159
• 나. Reset ...159
• 다. OSC ...159
• 라. ROM ...159
• 마. AUDIO CODEC ...159
• 바. FPGA ...159
• 사. RS232 Driver ...160
• 2. 내부 블록 테스트 ...161
• 3. 24-bit DSP를 이용한 영상 처리 ...163
• 가. DCT ...163
• 나. 영상처리 방법 ...164
• 다. Fast DCT ...165
• 라. Quantization ...167
• 마. 테스트 결과 ...167
• 바. 결 론 ...172
• 제5장 Embedded DRAM의 개발 ...173
• 제1절 Embedded DRAM 사양 ...173
• 1. Embedded DRAM 셀의 선택 ...173
• 2. 외부 Interface 방식 ...175
• 제2절 Embedded DRAM의 설계 ...177
• 1. Embedded DRAM 셀의 설계 ...177
• 2. 셀 어레이(Array)의 구성 ...178
• 3. 명령어 구조 ...180
• 4. 성능 ...180
• 제6장 결 론 ...193
• 제1절 기술 개발 결과 및 활용 방안 ...193
• 1. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로 ...193
• 2. 14bit 40Msps Pipeline ADC ...194
• 3. 24bit 50MIPS Floating-Point DSP ...195
• 4. 4Kbit ×8 Embedded DRAM ...196
• 제2절 활용 방안 및 기대 효과 ...197
• 1. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로 ...197
• 2. 14bit 40Msps Pipeline ADC ...197
• 3. 24bit 50MIPS Floating-Point DSP ...198
• 4. Embedded DRAM ...199
• 제3절 상용화 계획 ...201
• 1. TFT 센서 아날로그 신호 감지 회로 ...201
• 2. 14bit 40Msps Pipeline ADC ...202
• 3. 24bit 50MIPS Floating-Point DSP ...203
• 4. Embedded DRAM ...204