CNT 센서 어레이를 위한 신호 검출 시스템 = A Signal Readout System for CNT Sensor Arrays

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 Carbon Nanotube(CNT) 센서 어레이를 위한 저 전력, 소 면적의 신호 검출 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 신호 검출회로, 디지털 제어기, UART I/O로 구성된다. 신호 검출회로는 VGA를 공유하는 64개의 transimpedance amplifier(TIA)와 11비트 해상도의 successive approximation register-ADC(SAR-ADC)를 사용하였다. TIA는 센서의 전압 바이어스 및 전류를 증폭하기 위한 active input current mirror(AICM)와 증폭된 전류를 전압으로 변환하는 저항 피드백 방식의 VGA(Variable Gain Amplifier)로 구성되어있다. 이러한 구조는 큰 면적과 많은 전력을 필요로 하는 VGA를 공유하기 때문에 다수의 센서 어레이에 대해 검출 속도의 저하 없이 저 전력, 소 면적으로 신호 검출이 가능하게 한다. SAR-ADC는 저 전력을 위하여 입력 전압 level에 따라 하위 bit의 동작을 생략하는 수정된 알고리즘을 사용하였다. ADC 및 센서의 선택은 UART Protocol 기반의 디지털 제어기에 의해 선택되며, ADC의 data는 UART I/O를 통해 컴퓨터와 같은 단말기를 통해 모니터링 할 수 있다. 신호 검출회로는 0.13㎛ CMOS 공정으로 설계되었으며 면적은 0.173 ㎟이며 640 sample/s의 속도에서 77.06㎼의 전력을 소모한다. 측정 결과 10㎁ - 10㎂의 전류 범위에서 5.3%의 선형성 오차를 가진다. 또한 UART I/O, 디지털 제어기는 0.18㎛ CMOS 공정을 이용하여 제작하였으며 총면적은 0.251 ㎟ 이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we propose a signal readout system with small area and low power consumption for CNT sensor arrays. The proposed system consists of signal readout circuitry, a digital controller, and UART I/O. The key components of the signal readout circuitry are 64 transimpedance amplifiers (TIA) and SAR-ADC with 11-bit resolution. The TIA adopts an active input current mirror (AICM) for voltage biasing and current amplification of a sensor. The proposed architecture can reduce area and power without sampling rate degradation because the 64 TIAs share a variable gain amplifier (VGA) which needs large area and high power due to resistive feedback. In addition, the SAR-ADC is designed for low power with modified algorithm where the operation of the lower bits can be skipped according to an input voltage level. The operation of ADC is controlled by a digital controller based on UART protocol. The data of ADC can be monitored on a computer terminal. The signal readout circuitry was designed with 0.13㎛ CMOS technology. It occupies the area of 0.173 ㎟ and consumes 77.06㎼ at the conversion rate of 640 samples/s. According to measurement, the linearity error is under 5.3% in the input sensing current range of 10㎁ - 10㎂. The UART I/O and the digital controller were designed with 0.18㎛ CMOS technology and their area is 0.251 ㎟.

목차 (Table of Contents)

• 요약
• Abstract
• Ⅰ. 서론
• Ⅱ. 제안하는 신호 검출 시스템
• Ⅲ. 회로 구현
• Ⅳ. 측정 및 시뮬레이션 결과
• Ⅴ. 결론
• 참고문헌
• 저자소개

참고문헌 (Reference)

1 T. Serrano-Gotarredona, "Very wide range tunable CMOS/bipolar current mirrors with voltage clamped input" 46 (46): 1398-1407, 1999

2 S.R. Tiyyagura, "Low power voltage reference architectures" International Symposium on Signals 1-4, 2009

3 정인영, "CNT 배열을 이용한 bio-sensor SoC 설계" 대한전자공학회 45 (45): 8-14, 2008

4 P.M. Levine, "Active CMOS Sensor Array for Electrochemical Biomolecular Detection" 43 (43): 1859-1871, 2008

5 A. Flammini, "A low-cost interface to high-value resistive sensors varying over a wide range" 53 (53): 1052-1056, 2004

6 H.-T. Chueh, "A Real-Time Data Acquisition System for a Hand-Held Electronic Nose (H2EN)" 83 (83): 262-269, 2002

7 Alessandro Depari, "A New and Fast-Readout Interface for Resistive Chemical Sensors" 29 : 1-8, 2009

8 Vinay Agarwal, "A CMOS integrated thermal sensor based on Single-Walled Carbon Nanotubes" 748-751, 2008

9 Taeg Sang Cho, "A 32-μW1.83-kS/s Carbon Nanotub Chemical Sensor System" 44 : 659-669, 2009

10 M. Grassi, "A 160 dB Equivalent Dynamic Range Auto-Scaling Interface for Resistive Gas Sensors Arrays" 42 (42): 518-528, 2007

11 M. Grassi, "A 141-dB Dynamic Range CMOS Gas-Sensor Interface Circuit Without Calibration With 16-Bit Digital Output Word" 42 (42): 1543-1554, 2007