Analysis and design of energy-efficient sensor interfaces / negative-R compensation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis discusses consideration issues in the design of energy-efficient sensor interface and the conventional solutions, and then, presents an energy-efficient analog signal sensor interfaces.

1st work presents the 1st CMOS-configured capacitive biosensor IC to verify VEGF in human blood for diagnosing cancer at an early stage. Particularly, peptide aptamer-based electro-chemical functionalized microneedles allow electrochemical responses with VEGF, and it results in capacitance changes between the
functionalized microneedles. The biosensor denotes VEGF resolution with 15 fMrms in the 0.1-1000 pM range, acquires 2× enhancement over prior state-of-theart work [19]. It also exhibits clear VEGF selectivity. In particular, when compared to the previous work [19]-[22], which uses advanced commercial products for
VEGF measurement, this operation significantly reduces the size of the measurement system because it measures VEGF using a sensor-specific CMOS IC. As a result, a peptide aptamer-based electro-chemical VEGF detection sensor system with functionalized microneedles is a useful technique as the first step in a
CMOS IC integrated biosensor for ECD.

2nd This paper presents a low power, high linearity audio preamplifier fabricated in 65nm CMOS process. This proposed audio preamplifier is configured as a negative-R stabilized amplifier; which applied a negative-R assisted auxiliary amplifier in the low frequency signal path to remove the offset and the non-ideality of the main amplifier. As a result, it alleviates the opamp’s input noise and greatly enhances the preamplifier’s linearity. This proposed preamplifier denotes high THD of -105.1dB and only consumes 185 μW power consumption. As a result, it results in the highest energy-efficiency FoMDR&SNDR (=169.6/168.9 dB).

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 에너지-효율적인 센서 설계 시 고려해야 할 사항과 기존의 해결방법에 대해서 논의하고, 새로운 에너지-효율적인 센서 인터페이스를 제안한다.
첫 번 째 연구는 혈액 내 암 지표자로서 VEGF 를 검출하기 위한 CMOS 기반 최초의 커패시턴스 센서를 제안한다. Aptamer-기반의 기능화 된 마이크로-니들은 VEGF 와의 전기화학적 반응의 검출을 허용하여, 마이크로-니들 사이의 커패시턴스 변화를 초래한다. 본 바이오 센서는 0.1-1000 pM 범위 내에서 15 fMrms 분해능으로 VEGF 를 검출하며, 이는 이전 결과물과 비교하여 2×의 분해능 개선이며, PBS 상 40× 및 혈액 내 5× 의 명확한 선택성을 보여준다. 구체적으로, 2 단계 CDC 와 Negative-R 판독기 덕분에, 센서 간 큰 커패시턴스 변동으로 인해 요구되는 큰 동적 범위 (DR) 를 달성 하였다. 그 결과, 13.7b 의 최대 해상도와, 1-100 nF 의 커패시턴스 범위 내에서 0.02% (>12b)의 해상도를 유지한다. 본 IC 는 65nm CMOS 기반으로 제작되었고, 270 μW 를 소비하며 18.3b-DR 을 달성하여 경쟁력 있는 에너지-효율 FoM
(0.1nJ/step) 및 0.87mm2 의 작은 면적을 차지한다. 이는 부피가 큰 측정장비를 사용하는 이전의 VEGF 센서와 비교하였을 때, 면적 효율 측면에서의 상당한 성과로 볼 수 있다.
두 번 째 연구는, 고음질 오디오 코덱 용 저전력 프리 앰프를 제안한다. 본 결과는 Negative-R Stabilized 앰프 구조를 적용하여, 저주파 경로에서의 노이즈와 선형성을 효율적으로 개선함으로써 저전력 고 선형성을 달성하였다. 65nm CMOS 공정으로 제작 된 이 프리 앰프는 1.2V 전격 전압에서 185 μW만 소비하며, 20 kHz 대역폭내 20 dB 이득으로 -105.1 dB THD, 88.6 dB SNDR 및 89.3 dB DR을 달성합니다. 이 결과는, 오디오 프리 앰프 중, 가장 높은 에너지-효율 FoMSNDR인 168.9 dB를 달성합니다.