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연구개요
본 연구는 휴대용 초음파 의료영상기기의 고성능화 및 휴대성을 높이기 위한 연구로써, 다채널 아날로그 수신단 및 송수신 빔포머 회로를 단일 칩에 구현하고자 한다.
아날로그 수신단(저잡음 증폭기, 가변전압이득 증폭기, 아날로그-디지털 변환기)은 초음파 영상기기에 특화된 회로 IP로 설계하며, 송수신 빔포머는 지연시간 인코딩기법과 지연동작에 사용되는 아날로그 지연소자의 면적을 줄이는 방안을 제안함으로써, 단일 칩에 대한 집적도를 높이는 방향으로 연구를 진행하는 것이 주요 목표이다.
총 3년의 기간 동안 상기 연구

연구개요
본 연구는 휴대용 초음파 의료영상기기의 고성능화 및 휴대성을 높이기 위한 연구로써, 다채널 아날로그 수신단 및 송수신 빔포머 회로를 단일 칩에 구현하고자 한다.
아날로그 수신단(저잡음 증폭기, 가변전압이득 증폭기, 아날로그-디지털 변환기)은 초음파 영상기기에 특화된 회로 IP로 설계하며, 송수신 빔포머는 지연시간 인코딩기법과 지연동작에 사용되는 아날로그 지연소자의 면적을 줄이는 방안을 제안함으로써, 단일 칩에 대한 집적도를 높이는 방향으로 연구를 진행하는 것이 주요 목표이다.
총 3년의 기간 동안 상기 연구를 수행하며, 1차년도에는 송수신 빔포머의 지연시간 인코딩 기법을 개발하고 이를 RTL로 구현한다. 2차년도에는 주요 회로 IP와 빔포머를 단일 칩에 설계하여 외주 제작하며, 3차년도에는 2차년도의 칩을 검증하고 채널수를 확장하여 칩 제작을 한번 더 수행한 후 이에 대한 평가를 진행한다.

연구 목표대비 연구결과
본 연구를 통해 휴대용 초음파 의료영상기기에 적용할 수 있는 단일 칩 아날로그 수신단 및 송수신 빔포머 회로에 대한 IP 및 시스템 IC를 획득하였다. 아날로그 수신단 회로 중 가변전압이득 증폭기의 경우, 작은 칩 면적 내에서 시간이득보상기능을 효과적으로 구현해야 한다. 이를 위해 수동소자 및 피드백을 이용한 일반적인 가변전압이득 증폭기를 사용하기 보다는, open-loop 구조의 증폭기를 사용하여 부하단의 회로 구성 및 가변전류제어를 통해 전압이득을 최대 40 dB까지 seamless하게 제어할 수 있도록 설계하였다. 또한, 초음파 반향신호를 이용한 background calibration 기능을 지원하는 10-bit pipelined SAR ADC를 설계하였으며, 추가적인 고해상도 입력신호 혹은 스위칭 시퀀스를 사용하지 않고도 background 방식으로 보정기능을 수행하는 장점을 지닌다. 또한, 송수신 빔포머의 지연시간 인코딩 기법을 제안하였으며, 총 1.5-kbits의 SRAM 메모리를 사용하여 빔포머의 지연시간을 제어하도록 설계하였다. 또한, 수신단 빔포머는 다채널의 신호를 병렬로 합성하기 용이하도록 전류모드로 동작하며, 이를 통해 모든 채널이 아날로그 메모리(커패시터)를 공유하도록 회로 구조를 제안하였다. 클럭신호의 주파수를 높이지 않고도 지연시간의 해상도를 높이기 위해 인접한 샘플 간에 보간법을 수행하는 기법을 사용하였다. 이를 통해 초음파 중심주파수의 16배에 해당하는 등가 지연시간 성능을 지닌다. 상기연구를 통해, 2건의 SCI 논문, 1편의 SCI 논문은 리뷰 평가 중이며, 2건의 국내학술대회 및 4건의 국제학술대회 발표의 연구성과를 달성하였다.

연구개발결과의 중요성
최근 초음파 영상을 위한 시스템 IC 설계에 대한 수요가 높아지고 있으며, 정통적인 의료영상 뿐 아니라 다양한 센서 응용의 목적으로도 관련 시스템 IC 설계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구는 초음파 영상기기의 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해, 다양한 기능의 회로를 단일 칩에 구현하는 것이 주된 목표이다. 기존의 일반적인 초음파 영상기기에서 하드웨어의 50%이상을 차지하는 것은 아날로그 수신단 및 빔포밍을 위한 신호처리 하드웨어이며, 이를 단일 칩으로 구현함으로써, 영상시스템의 하드웨어 복잡도가 크게 줄어들 것으로 기대된다. 해당 연구결과는 휴대용 초음파 영상기기 뿐 아니라, 3차원 초음파 영상기기, 3차원 초음파 영상 기반의 센서모듈 등, 다양한 형태의 관련 응용분야에 활용이 가능할 것으로 평가된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 본 연구의 필요성 ... 4
• 2) 본 연구의 최종 목표 및 연구범위 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• 1) 1차년도 연구결과 ... 6
• 2) 2차년도 연구결과 ... 11
• 3) 3차년도 연구결과 ... 22
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 30
• 4. 참고문헌 ... 31
• 5. 연구성과 ... 32
• 끝페이지 ... 33