KR101236977B1 - 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치가 개시된다. 전류입력부는 다중 센서로부터 입력된 복수의 전류 신호를 사전에 설정된 전류 거울 비에 따라 증폭시키고, 복수의 전류 신호가 입력되는 각각의 노드 전압을 차동 증폭기에 의해 고정한다. 전류변환부는 증폭된 각각의 전류 신호를 병렬로 연결된 복수의 피드백 저항 및 연산증폭기를 이용하여 증폭된 전압 신호로 변환한다. 디지털변환부는 전류변환부에 의해 변환된 각각의 증폭된 전압 신호를 디지털 값으로 변환한다. 전압인가부는 다중 센서, 전류입력부, 전류변환부 및 디지털변환부를 각각 구동시키기 위한 전압을 생성하여 인가한다. 본 발명에 따른 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치에 의하면, 다수의 센서 배열에 대해서 저 전력, 소 면적을 가지는 구조로 다양한 물질을 검출하기 위한 다중 배열의 휴대용 센서시스템의 응용에 활용될 수 있다.

Description

다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치{Apparatus for detecting current for multi sensor arrays}
본 발명은 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복수의 센서 배열의 신호를 최소한의 전력 소모로 검출할 수 있는 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치에 관한 것이다.
건강과 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 실시간으로 생체 신호나 유해한 환경 물질 등을 검출할 수 있는 휴대용 센서 시스템에 대한 수요가 늘어나고 있다. 이러한 시스템을 구현하기 위해서는 고 집적이 가능한 센서 어레이는 물론 센서 신호를 검출하는 저전력, 고성능의 회로가 요구된다.
이와 같은 센서 신호 검출 회로 분야에서는 전도도 혹은 전류의 변화를 기준으로 검출하는 것을 사용한다. 종래의 검출회로 방식은 크게 C-T(Current to Time Conversion)변환 방식 및 C-V(Current to Voltage Conversion)변환 방식으로 나뉜다.
도 1은 기존의 C-T 변환 방식을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, C-T 변환 방식은 적분기를 이용하여 센서의 전류를 캐패시터에 충전하고 이에 따라 생성되는 펄스파의 주파수를 카운터 등의 회로를 통해서 디지털 방식으로 변환한다. C-T 변환 방식은 별도의 디지털 변환회로 없이 센서의 전류를 바로 디지털 값으로 변환할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 일반적으로 센서의 전류는 매우 작은 값이기 때문에 C-T 변환 방식은 디지털 값으로 변환하는데 있어서 많은 시간을 필요로 하고, 각기 다른 전류 값으로 인해 검출 속도도 제각각이다.
이러한 점은 센서의 수를 확장할 경우 채널 변환 등에 있어서 제한 요소로 작용한다. 이를 해결하기 위해서 고속의 클록과 전류 증폭기를 필요로 하며 이는 면적 및 전력 소모의 증가를 가져온다.
도 2는 기존의 C-V 변환 방식을 나타낸 회로도이다.
도 2를 참조하면, C-V 변환 방식은 저항을 이용한 피드백 방식을 사용하여 센서의 전류를 전압으로 변환한다. 증폭기의 대역폭에 따라 상당히 빠르게 CNT(Carbon Nanotube) 센서의 신호를 검출할 수 있다는 장점이 있다.
C-V 변환 방식 역시 C-T 변환 방식과 마찬가지로 매우 작은 센서의 전류 값을 전압으로 변환하기 위해서는 큰 저항값을 필요로 하며, 이 역시 센서의 수가 많을 경우 온칩 구현에 있어 상당히 큰 면적을 필요로 한다.
결론적으로, C-T 변환 방식 및 C-V 변환 방식은 센서의 작은 전류 신호를 증폭하기 위해서 상당한 면적과 전력 소모를 필요로 한다. 특히 센서의 개수마다 온칩 구현에서 큰 면적을 차지하는 수동 소자의 사용은 가격 측면에서 상당한 단점으로 작용할 수 있다.
본 발명과 관련된 선행논문 A 160 dB Equivalent Dynamic Range Auto-Scaling Interface for Resistive Gas Sensors Arrays(M. Grassi and P. Malcovati, 2007)에서는 피드백 저항 및 전류-전압 변환을 이용한 검출 방법이 제안되었다. 그러나 센서의 낮은 전류 때문에 매우 큰 저항이 요구되는 문제가 있다.
또 다른 선행논문 A New and Fast-Readout Interface for Resistive Chemical Sensors(Lessandro Depari and Alessandra Flammini, 2009)에서는 전류 적산 값을 이용한 검출 장치가 제안되었다. 그러나 검출 속도를 빠르게 하기 위해 추가적인 증폭기가 요구되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 복수의 센서 배열의 신호를 전력 소모 및 면적을 최소화하여 검출할 수 있는 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치를 제공함에 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치는, 다중 센서로부터 입력된 복수의 전류 신호를 사전에 설정된 전류 거울 비에 따라 증폭시키고, 상기 복수의 전류 신호가 입력되는 각각의 노드 전압을 차동 증폭기에 의해 고정하는 전류입력부; 상기 증폭된 각각의 전류 신호를 병렬로 연결된 복수의 피드백 저항 및 연산증폭기를 이용하여 증폭된 전압 신호로 변환하는 전류변환부; 상기 전류변환부에 의해 변환된 각각의 증폭된 전압 신호를 디지털 값으로 변환하는 디지털변환부; 및 상기 다중 센서, 전류입력부, 전류변환부 및 디지털변환부를 각각 구동시키기 위한 전압을 생성하여 인가하는 전압인가부;를 구비한다.
본 발명에 따른 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치에 의하면, 다수의 센서 배열에 대해서 저 전력, 소 면적을 가지는 구조로 다양한 물질을 검출하기 위한 다중 배열의 휴대용 센서시스템의 응용에 활용될 수 있다.
도 1은 기존의 C-T 변환 방식을 나타낸 회로도,
도 2는 기존의 C-V 변환 방식을 나타낸 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치가 포함된 전체 신호 검출 시스템을 도시한 블록도,
도 4는 검출부의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 5는 도 4에 도시된 검출부의 구성을 나타낸 회로도,
도 6은 전류입력부를 구성하는 능동입력 전류거울을 나타낸 회로도,
도 7은 전류변환부에 의해 증폭된 전압 신호의 비선형 특성을 나타낸 그래프,
도 8은 전류변환부에 포함된 연산증폭기를 나타낸 회로도,
도 9는 디지털변환부의 회로도 및 동작 방법을 나타낸 도면,
도 10은 전압인가부의 구체적인 구성을 도시한 회로도, 그리고,
도 11은 CMR 값에 따른 전체 면적의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치가 포함된 전체 신호 검출 시스템을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 신호 검출 시스템은 검출부(300), 제어부(400), 전송부(500) 및 사용자 단말(600)로 구성된다. 본 발명에 따른 전류 검출 장치는 검출부(300)로서 구현될 수 있다.
검출부(300)는 다중 센서 배열로부터 입력된 아날로그 전류 신호를 디지털 신호로 변환하여 검출한다. 이 때 제어부(400)는 검출부(300)의 검출 과정을 제어하고, 전송부(500)는 검출된 디지털 신호를 사용자 단말(600)로 전송한다.
도 4는 검출부(300)의 구체적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 검출부(300)는 전류입력부(310), 전류변환부(320), 디지털변환부(330) 및 전압인가부(340)로 구성된다.
또한 도 5는 도 4에 도시된 검출부(300)의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 5를 참조하면, 전류입력부(310)는 복수의 능동입력 전류거울(Active Input Current Mirror : AICM)로 구성되며, 전류변환부(320)는 멀티플렉서(MUX) 및 가변 증폭도 증폭기(Variable Gain Amplifer : VGA)로 구성된다.
또한 디지털변환부(330)는 11 bit SAR-ADC(successive approximation register-ADC)의 형태로, 전압인가부(340)는 DC 바이어스 회로 및 버퍼의 구성으로 구현된다.
이하, 도 4 및 도 5에 도시된 본 발명의 각 구성요소의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
전류입력부(310)는 다중 센서로부터 입력된 복수의 전류 신호를 사전에 설정된 전류 거울 비에 따라 증폭시키고, 복수의 전류 신호가 입력되는 각각의 노드 전압을 차동 증폭기에 의해 고정한다.
구체적으로 전류입력부(310)는 각각의 전류 신호를 전류 거울 비에 의해 각각 증폭시키며, 다중 센서를 구성하는 센서의 개수에 대응하는 복수의 능동입력 전류거울로 이루어진다.
도 6은 전류입력부(310)를 구성하는 능동입력 전류거울을 나타낸 회로도이다.
도 6의 M1 내지 M4는 일반적인 차동 증폭기이며, 센서의 특성에 따라 충분한 증폭도와 대역폭(bandwith)을 갖도록 설계될 수 있다.
M5 및 M6를 통해 센서의 입력 전류 신호 Iin이 유입되면 전류 거울 비(CMR)에 따라 전류가 증폭된다. 전류 거울 비는 M6/M5로 정의되며, 넓은 입력 범위를 가질수 있도록 M5 및 M6는 위크 인버젼(weak inversion) 영역에서 동작하도록 설계될 수 있다. 이와 같이 전류가 증폭됨과 동시에 Iin 노드의 전압은 차동 증폭기에 의해 Vbias1으로 고정된다.
한편, M7은 디코더와 함께 멀티플렉서로 작동하며 M7의 저항 성분에 의해 큰 전류가 흐를 경우 선형성이 감소하기 때문에 채널 폭이 크게 설계되는 것이 바람직하다.
또한 능동입력 전류거울은 센서의 전류가 작을 경우 발진할 수 있으며, 발진하지 않을 조건은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112011097506867-pat00001
여기서, Cgd5는 M5의 게이트와 드레인간의 캐패시턴스, gm5는 M5의 트랜스컨덕턴스(transconductance), gma는 증폭기의 트랜스컨덕턴스, wa는 증폭기의 -3dB 극(pole)을 나타낸다.
또한 능동입력 전류거울에는 안정성을 위하여 Cc가 삽입될 수 있다. 또한 안정성을 높이기 위하여 능동입력 전류거울의 바이어스 전류 값(Ibias)은 매우 작은 gma를 가질 수 있는 값, 예를 들면 10nA로 설정될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 전류변환부(320)는 전류입력부(310)에 의해 증폭된 각각의 전류 신호를 병렬로 연결된 복수의 피드백 저항(R1-R3) 및 연산증폭기(증폭기2)를 이용하여 증폭된 전압 신호로 변환한다.
복수의 피드백 저항(R1-R3)은 각각 별개의 스위치와 직렬로 연결되어 스위치가 닫히는 경우, 연산증폭기(증폭기2)와 병렬로 연결될 수 있다.
구체적으로, 전류변환부(320)는 복수의 피드백 저항과 각각 직렬로 연결된 복수의 스위치를 선택적으로 제어하여, 증폭된 전압 신호의 비선형성을 감소시키기 위한 피드백 저항을 선택한다.
한편, 전류변환부(320)에 의해 증폭된 각각의 전압 신호는 비선형 성분들을 나타낸다.
도 7은 전류변환부(320)에 의해 증폭된 전압 신호의 비선형 특성을 나타낸 그래프이다.
비선형 성분은 피드백 저항 간의 레이아웃 불일치, 공정 변화 및 스위치의 기생 저항 성분 등에 의해 나타난다. 우선 오프셋 오차(offset error)로 인한 불연속성 문제는 피드백 저항 간의 입출력 구간이 겹치도록(overlap) 설계하여 극복할 수 있다.
증폭도 오차(gain error)의 경우 피드백 저항을 선택하는 스위치의 기생 저항과 각 피드백 저항 간의 레이아웃 불일치에 의해 발생한다.
이를 방지하기 위해 스위치의 기생 저항값은 스위치를 구성하는 모스펫(MOSFET)의 채널 폭을 크게 함과 동시에 그 비를 저항비와 반비례하게 설계하고, 더미 셀, 대칭적 배치 등의 레이아웃 기법 등을 통해 비선형성을 감소시킬 수 있다.
다음의 표 1은 입력 전류의 범위에 따라 비선형성을 감소시키는데 최적화된 저항값 및 스위치의 크기를 나타낸다.
Rf 입력 전류 범위(A) 저항값(kΩ) 스위치의 크기(W/L)
R1 10n-110n 1500 1μ/0.13μ
R2 100n-1100n 150 10μ/0.13μ
R3 1000n-10000n 15 100μ/0.13μ
도 8은 전류변환부(320)에 포함된 연산증폭기(증폭기2)를 나타낸 회로도이다.
연산증폭기로는 일반적인 밀러 보정 2단 연산증폭기가 사용될 수 있다. 출력단으로는 센서의 입력이 가장 클 때의 전류를 구동하기 위해서 넓은 채널 폭의 M5 및 M6를 사용할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 디지털변환부(330)는 전류변환부(320)에 의해 변환된 각각의 증폭된 전압 신호를 디지털 값으로 변환한다. 구체적으로, 디지털변환부(330)는 연속근사(SAR) 방식의 아날로그-디지털 변환기에 의해 각각의 증폭된 전압 신호를 디지털 값으로 변환하되, 사전에 설정된 해상도에 의해 상위 비트의 값에 비례하여 변환되지 않는 하위 비트의 수를 증가시킨다.
도 9는 디지털변환부(330)의 회로도 및 동작 방법을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 9의 (a)는 디지털변환부(330)의 회로도를 나타낸다. 디지털변환부(330)로는 Nbit 아날로그-디지털 컨버터 중 11비트의 SAR-ADC가 사용될 수 있다. 도 9의 (b)는 디지털변환부(330)의 동작 방법을 나타낸다.
입력과 비교시 기준 전압은 Vbias1을 사용함으로써 전류변환부(320)의 DC 전압을 상쇄시킬 수 있다. 디지털변환부(330)는 초기 값을 기준으로 8비트의 해상도를 필요로 한다.
그러나 높은 입력 전압 범위에서는 높은 해상도가 필요 없어 하위 비트를 필요로 하지 않는다. 따라서 디지털변환부(330)에서는 SAR-ADC의 동작을 도 9의 (b)와 같이 변형할 수 있다. 변형된 동작은 상위 3비트의 값에 비례하여 동작을 하지 않는 하위 비트 수를 증가시킴으로써 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 전압인가부(340)는 다중 센서, 전류입력부(310), 전류변환부(320) 및 디지털변환부(330)를 각각 구동시키기 위한 전압을 생성하여 인가한다.
도 10은 전압인가부(340)의 구체적인 구성을 도시한 회로도이다.
도 10을 참조하면, 전압인가부(340)는 DC 바이어스 전압 생성 회로를 나타낸다. 일반적으로 DC 바이어스 회로는 PVT(Process, Voltage, Temperature) 변화에 둔감해야 한다. 변화가 클 경우 전류변환부(320)에서 출력 전압이 포화 될 가능성이 있다.
본 발명에 따른 전류 검출 장치(300)는 바이오 물질이 온도에 민감하기 때문에 온도 변화가 매우 작은 환경에서 동작해야 한다. 또한 낮은 전력 소모로 회로가 동작함에 따른 발열도 낮다.
따라서 본 발명에 따른 전류 검출 장치(300)는 공정 변화 및 공급 전압 변화에 둔감해야 한다. 이를 위해 공급전압에 독립적인 바이어스 회로(M0-M3)를 통해 전압 변화에 둔감하게 설계할 수 있으며, 각기 다른 문턱 전압 Vth를 갖는 M6-M9,M11-M13을 이용하여 공정 변화에 둔감하게 설계할 수 있다.
또한 전압인가부(340)는 다중 센서, 전류입력부(310), 전류변환부(320) 및 디지털변환부(330)에 전압 인가 시 반작용을 막기 위한 버퍼를 구비할 수 있다.
앞에서 종래 기술의 문제점으로 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 검출 장치(300)는 다수의 센서 배열들의 신호를 검출하는데 있어서 생산 단가를 낮추기 위해 면적의 최소화를 필요로 한다.
본 발명의 이단 증폭 구조는 동일한 출력 전압일 때, 능동입력 전류거울의 전류 거울 면적과 Rf의 면적은 전류 거울 비(Current Mirror Ratio : CMR)에 의해 트레이드오프 관계가 있으며 이는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112011097506867-pat00002
여기서, 64는 다중 센서의 수, Atotal은 전체 면적, Amirror는 능동입력 전류거울에서 전류 거울을 구성하는 모스펫(MOSFET)의 활성(active) 면적, Aresistor는 CMR이 1일 때 필요한 피드백 저항의 면적이다. 증폭기의 면적은 비에 상관없으므로 수학식 2에서 제외되었다.
도 11은 CMR 값에 따른 전체 면적의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 최소한의 면적을 구현하기 위하여 CMR 값을 4로 설정할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제어부(400)는 증폭된 복수의 전류 신호를 순차적으로 전류변환부(320)에 인가하고 연산증폭기(증폭기2)의 증폭도를 설정한다. 즉, 제어부(400)는 검출부(300)가 전류를 검출하는 전체적인 과정을 제어한다.
그리고 전송부(500)는 변환된 디지털 값을 다중 센서 배열의 전류를 검출하고자 하는 사용자의 단말(600)로 전송한다.
본 발명의 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 전력 소모의 경우 측정 장비를 이용하여 640 sample/s의 동작 속도에서 평균 전력 소모를 측정하였다. 또한 전력 소모 및 면적에 있어서 다른 공정으로 제작된 제어부(400) 및 전송부(500)는 제외하였다. 본 발명에 따른 전류 검출 장치는 64개의 CNT 센서 배열의 신호 검출을 위해 0.13㎛ 공정으로 구현되었다.
다음의 표 2는 본 발명에 따른 전류 검출 장치(300)와 기존의 논문에 소개된 검출 장치의 성능을 비교하여 나타낸 것이다.
항목 (1) (2) (3) (4) 본 발명
공정(㎛) 0.18 오프-칩 0.35 0.35 0.13
채널 24 2 1 4 64
면적(㎟) 0.721 X 0.42 3.1 0.173
면적/채널 0.0300 X 0.42 0.7750 0.0027
저항범위 10K-9M 10K-10G 1K-1G 100-20M 10K-10M
전류범위 10nA-10㎂
공급전압(V) 1.2(아날로그)
0.5(디지털)		 +-5 3.3 3.3 1
소비전력(W) 32μ 600m 15m 6m 77.06μ
전력/채널
(W/C)		 1.33μ 300m 15m 1.5m 1.20μ
샘플링비율
(S/s)		 1.83K 저항의존 저항의존 100 640
표 2에서 (1)은 선행논문 A 32-㎼ 1.83-kS/s CNT Chemical Sensor System(Taeg Sang Cho and Kyeong-Jae Lee, 2009)에 기재된 장치, (2)는 선행논문 A low-cost interface to high-value resistive sensors varying over a wide range(A Flammini and D. Marioli, 2004)에 기재된 장치, (3)은 선행논문 A 141-dB Dynamic Range CMOS Gas-Sensor Interface Circuit Without Calibration With 16-Bit Digital Output Word(M. Grassi and P. Malcovati, 2007)에 기재된 장치, 그리고 (4)는 선행논문 A 160 dB Equivalent Dynamic Range Auto-Scaling Interface for Resistive Gas Sensors Arrays(M. Grassi and P. Malcovati, 2007)에 기재된 장치이다.
본 발명에 따른 전류 검출 장치(300)는 1V의 공급 전압과 640 sample/s의 동작 속도에서 77.06㎼의 전력을 소모한다. 또한 10nA-10㎂의 전류 범위에 대해 5.3% 이하의 선형성 오차를 가지며 검출한다.
결론적으로, 본 발명에 따른 전류 검출 장치(300)는 기존의 전류 검출 장치에 비해 채널당 소모하는 전력 및 면적 측면에서 크게 향상된 성능을 갖는다.
따라서 다수의 센서 배열에 대해 저 전력 및 소 면적을 가지는 구조로 다양한 물질을 검출하기 위한 다중 어레이의 휴대용 센서시스템의 응용에 활용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

  1. 다중 센서로부터 입력된 복수의 전류 신호를 사전에 설정된 전류 거울 비에 따라 증폭시키고, 상기 복수의 전류 신호가 입력되는 각각의 노드 전압을 차동 증폭기에 의해 고정하는 전류입력부;
    상기 증폭된 각각의 전류 신호를 병렬로 연결된 복수의 피드백 저항 및 연산증폭기를 이용하여 증폭된 전압 신호로 변환하는 전류변환부;
    상기 전류변환부에 의해 변환된 각각의 증폭된 전압 신호를 디지털 값으로 변환하는 디지털변환부; 및
    상기 다중 센서, 전류입력부, 전류변환부 및 디지털변환부를 각각 구동시키기 위한 전압을 생성하여 인가하는 전압인가부;를 포함하며,
    상기 전류 입력부는 상기 각각의 전류 신호를 상기 전류 거울 비에 의해 각각 증폭시키며 상기 다중 센서를 구성하는 센서의 개수에 대응하는 복수의 능동입력 전류거울로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전류변환부는 상기 복수의 피드백 저항과 각각 직렬로 연결된 복수의 스위치를 선택적으로 제어하여, 상기 증폭된 전압 신호의 비선형성을 감소시키기 위한 피드백 저항을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 디지털변환부는 연속근사(SAR) 방식의 아날로그-디지털 변환기에 의해 상기 각각의 증폭된 전압 신호를 디지털 값으로 변환하되, 사전에 설정된 해상도에 의해 상위 비트의 값에 비례하여 변환되지 않는 하위 비트의 수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 증폭된 복수의 전류 신호를 순차적으로 상기 전류변환부에 인가하고, 상기 연산증폭기의 증폭도를 설정하는 제어부; 및
    상기 변환된 디지털 값을 상기 다중 센서 배열의 전류를 검출하고자 하는 사용자의 단말로 전송하는 전송부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 센서 배열을 위한 전류 검출 장치.
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