복소 임피던스 분광기를 위한 CMOS 광대역 송수신기의 설계 = The Design of the CMOS Broadband Transceiver for Complex Impedance Spectroscopy

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 임피던스 분광기를 위한 CMOS 광대역 송수신기의 설계를 다룬다. 제안하는 광대역 송수신기는 IoT 센서에 중점을 두었다. IoT 센서의 특성에 맞게 작은 면적과 저전력 동작을 하도록 구조를 채택하였다. 송수신기는 송신기(TX : Transmitter), 감지 네트워크(Sensing Network), 수신기(RX : Receiver)로 구성된다. 송신기는 45도 위상 편이 된 LO 신호가 있는 고조파 제거 주파수 혼합기(Harmonic Rejection Mixer)와 출력 구동 증폭기로 구성된다. 수신기는 저잡음 공통 소스 트랜스컨덕턴스 증폭기(LNTA : Low-Noise Transconductance Amplifier)를 사용하고, LO 신호가 25% 듀티 사이클인 전류 모드의 수동형 주파수 혼합기, 3차 Chebyshev I 저역 통과 필터로 구성된다. 65nm CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 설계한 임피던스 분광기 시스템은 저항 부분에서 3.5% 미만, 커패시턴스 부분에서 4.3% 미만의 감지 오류로 넓은 감지 동적 범위를 갖는다. 사용 면적은 1.69 mm2 전력 소비는 1.2V의 공급 전압에서 10.48 mW의 전력 소모를 가졌다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, design of the CMOS broadband transceiver for complex impedance spectroscopy. The proposed broadband transceiver focuses on IoT sensor devices. The structure is adopted for small area and low power circuits according to the characteristics of the IoT sensor devices. The transceiver consists of a transmitter(Tx), a sensing network and a receiver(Rx). The transmitter consists of a harmonics rejection mixer(HRM) with a 45 degree phase shifted LO signal and an output drvie amplifier. The receiver consists of low-noise common-source transconductance amplifier(LNTA) and a current-mode passive mixer with a 25% duty-cycle of the LO signal, and a third-order Chebyshev I low-pass filter. It was designed using a 65nm CMOS process. The designed impedance spectroscopy system has a wide sensing dynamic range and has a low sensing error. The resistor sensing error less than 3.5% and the capacitance sensing error less than 4.3%. The chip area used in 1.69mm2 and the power consumption is 10.48 mW at a supply voltage of 1.2 V

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1. 연구 동기 1
• 1.2. 설계 목표 2
• 1.3. 논문 구성 3
• 2. 기존 임피던스 감지 방식 4
• 2.1. VCO 기반의 임피던스 감지 방식 4
• 2.2. RF/수신기 기반의 임피던스 감지 방식 5
• 3. 제안하는 복소 임피던스 분광기 구조 8
• 4. 복소 임피던스 분광기를 위한 광대역 송수신기의 설계 11
• 4.1. 송신기 11
• 4.2. 감지 네트워크 17
• 4.3. 수신기 18
• 4.4. 주파수 생성기 21
• 5. 측정 결과 23
• 6. 결론 30