생체 복소 임피던스 측정을 위한 PWM-TDC 기반 고정확도 임피던스 모니터링 IC = High-Accuracy PWM-TDC Based Impedance Monitoring IC for Bio-Complex Impedance Measurement

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 시간 영역 디지털화를 기반으로 한 PWM–TDC 구조의 생체 임피던스(Bio-Z) 모니터링 집적회로(IC)를 제안한다. 기존 임피던스 모니터링 구조에서는 전압 영역 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 대역폭 한계로 인해, 임피던스 신호의 I/Q 성분을 추출하기 위해 물리적으로 분리된 I/Q 경로가 필수적으로 요구되었다. 이러한 구조에서는 각 I/Q 경로에 초퍼, 증폭기 및 ADC가 개별적으로 배치되면서 경로 간 이득 및 위상 불일치가 발생하고, 이는 측정 정확도를 제한하는 주요 요인으로 작용한다. 제안된 구조에서는 임피던스 신호를 펄스폭 변조(PWM)한 후 시간-디지털 변환기(TDC)를 통해 직접 디지털화함으로써 전압 영역 ADC에서의 대역폭 제약을 근본적으로 제거한다. 이에 따라 디지털화 이후 디지털 영역에서 I/Q 복조를 수행할 수 있으며, 기존 구조에서 불가피했던 물리적으로 분리된 I/Q 경로가 더 이상 필요하지 않게 된다. 그 결과, 아날로그 I/Q 경로 분리로부터 기인하던 이득 및 위상 불일치의 영향을 구조적으로 줄일 수 있다. 또한 고해상도 TDC에서 성능을 제한하는 주요 요인인 메타안정성으로 인한 시간 분해능 저하를 완화하기 위해, 시간 증폭기(Time Amplifier, TA)를 이용한 TDC 구조를 도입하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 PWM–TDC 기반 Bio-Z 모니터링 IC는 2kΩ 부하 조건에서 10 Hz 기준 524.1 mΩRMS의 임피던스 분해능과 0.71°의 위상 오차를 달성하였으며, 0.5 kHz에서 31.25 kHz의 변조 주파수 범위 전반에 걸쳐 추가적인 정착시간이나 I/Q 불일치 보정 없이 안정적인 임피던스 측정을 수행함을 확인하였다. 이를 통해 제안된 PWM–TDC 기반 구조가 고정확도 생체 임피던스 모니터링에 효과적임을 입증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper presents a bio-impedance (Bio-Z) monitoring integrated circuit (IC based on a PWM–TDC time-domain digitization architecture. By directly digitizing the pulse-width modulated (PWM) impedance signal using a time-to-digital converter (TDC), digital domain I/Q demodulation is achieved without analog demodulation. The I/Q components are extracted from a single digital sample sequence, eliminating path mismatch and avoiding the wide analog bandwidth required in conventional voltage-domain ADC-based architectures. To mitigate time-resolution degradation caused by metastability, a TDC incorporating a time amplifier (TA) is introduced, improving effective time resolution. Simulation results demonstrate an impedance resolution of 524.1 mΩRMS at 10 Hz and a phase error of 0.71°under a 2 kΩ load, with stable operation across a modulation frequency range of 0.5–31.25 kHz without additional settling time or I/Q mismatch compensation.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문의 구성 3
• II. 기존의 임피던스 모니터링 IC 4
• III. 제안하는 임피던스 모니터링 IC 7
• 3.1 PWM 프론트엔드의 정량적 분석 9
• 3.2 ADC 및 TDC의 비교 분석 14
• IV. 제안하는 임피던스 모니터링 IC의 회로구조 17
• 4.1 의사 사인파 전류 생성기 19
• 4.2 메타안정성 향상 TDC 20
• 4.3 Dual DLL 21
• 4.4 TDC의 High Level 23
• 4.5 TDC의 Middle Level 24
• 4.6 TDC의 Low Level 29
• V. 시뮬레이션 결과 30
• VI. 결론 35
• VII. 참고문헌 36
• □ Abstract 38
• 표 및 그림 목차
• 표 1. 성능 요약 및 비교 표 34
• 그림 1. Bio-Z 모니터링을 이용한 웨어러블 기기의 예시 및 주파수에 따른
• 전기 임피던스 촬영(EIT) 결과 및 호흡에 따른 가슴 Bio-Z 모니터링 1
• 그림 2. 일반적인 임피던스 모니터링 IC 4
• 그림 3. 사전 복조를 활용한 임피던스 모니터링 IC [4] 5
• 그림 4. PWM 프론트엔드를 활용한 임피던스 모니터링 IC [5] 6
• 그림 5. 제안하는 임피던스 모니터링 IC 7
• 그림 6. PWM 의 동작 개념도 9
• 그림 7. 일반적인 지연선 기반 TDC 및 [5]의 DCO based ADC 의 구조 14
• 그림 8. TDC 와 DCO 기반 ADC 의 입력 주파수에 따른 FFT (dB) 15
• 그림 9. TDC 와 DCO 기반 ADC 의 입력 주파수에 따른 FFT (Magnitude) 15
• 그림 10. 입력 주파수에 따른 TDC 및 ADC 출력 신호의 크기 16
• 그림 11. 제안하는 임피던스 모니터링 IC 의 블록 다이어그램 및
• 타이밍 다이어그램 17
• 그림 12. 의사 사인파 전류 생성기 19
• 그림 13. TDC 의 변환 과정을 나타낸 개념도 20
• 그림 14. Dual DLL(Delay-Locked Loop)의 회로도 21
• 그림 15. TDC 의 High Level 회로 구조와 타이밍 다이어 그램 23
• 그림 16. 일반적인 딜레이 라인 기반 TDC 회로도와 타이밍 다이어그램 24
• 그림 17. 메타안정성이 발생한 경우의 타이밍 다이어그램 25
• 그림 18. 시간 증폭기의 회로도와 메타안정성 완화 개념도 26
• 그림 19. 제안하는 TA 를 이용한 딜레이 라인 기반 TDC 회로도와
• 타이밍 다이어그램 28
• 그림 20. TDC 의 Low Level 회로 구조와 타이밍 다이어 그램 29
• 그림 21. 임피던스 모니터링 IC 의 Layout 과 Power breakdown 30
• 그림 22. TDC 의 동적범위 및 INL/DNL 31
• 그림 23. 임피던스 모니터링 IC 의 PSD (2KΩ, fc = 31.25kHz) 32
• 그림 24. 측정 임피던스의 복소 성분과 크기 및 위상 시뮬레이션 33