극한 환경을 위한 직교 쵸퍼 구조를 갖춘 다중 채널 트랜스임피던스 증폭기 = Multi-Channel TIA with Quadrature Chopper for Extreme Environment Sensor

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 극한 환경 화재용 센서에 접목되는 Quadrature Chopper 구조가 사용된 Multi-channel Transimpedance Amplifier（TIA) 를 설계하였다. 화재용 센서인 UV sensor는 16개의 array 형태이기 때문에 이를 입력으로 받기 위한 Current buffer를 array 구조로 설계해 multi-channel로 구성하였다. 설계한 current buffer는 PVT variation에 따른 gain variation이 작은 특성이 있다. 따라서 높은 온도에서 동작 하는 화재 환경에서 유리하다. 화재용 센서의 nA 단위의 전류를 증 폭하기 위해서 최대 170dBΩ의 high gain을 가지도록 설계하였다. high gain에서는 DC offset에 따라 출력이 saturation이 될 가능성이 있기 때문에 DC offset을 줄이는 장치가 필수적이다. 이를 위해 Current DAC 을 DC offset 저감을 목적으로 설계하였다. 80~170dBΩ 의 gain range를 커버하기 위해 current DAC의 전류값을 wide tunning range로 설계하였다. 또한 TIA chain에서 servo loop type의 DC offset Cancellation (DCOC) loop을 구성했다. 이는 TIA 전달함수의 High Pass Filter (HPF)를 형성해 DC gain을 낮추는 방식으로 DC offset을 줄인다. 1/f noise를 줄이기 위해 Quadrature chopper를 설계하였다. 기존 chopper 구조에선 up-modulated 1/f noise를 low pass filter로 낮 추게 된다. 하지만 이는 면적 소모가 크기 때문에 DCOC loop으로 형성된 HPF를 이용해 1/f noise를 up-modulated 하기 전에 낮추게 된 다. 또한 기존 chopper 구조 대비 Clock feedthrough가 상쇄되기 때문 에 glitch가 감소해 선형성 측면에서도 장점이 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 Transimpedance Amplifier 설계 4
• 2.1 TOP block diagram 4
• 2.2 Current Buffer array 6
• 2.3 DC Offset 10
• 2.4 Current DAC 13
• 2.5 DC Offset Cancellation (DCOC)　loop 15
• 2.6 Quadrature Chopper 19
• 2.7 LDO design 23
• 제3장 Result 28
• 3.1 Die photo 및 PCB board 28
• 3.2 Transfer Function & Gain Variation 30
• 3.3 Input Referred Noise & ADC Output 31
• 3.4 Photo Diode input 32
• 제4장 결 론 36
• 참 고 문 헌 36
• ABSTRACT 37