KR101515000B1 - 고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법 - Google Patents

고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 플라즈몬 전력 검출 소자의 DC 오프셋을 상쇄하는 구조와 함께 저잡음 증폭기를 부가함으로써 그 성능을 개선한 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전력 검출 트랜지스터 및 이와 쌍을 이루는 더미(dummy) 트랜지스터, 그리고, 상기 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 삽입되어 각 트랜지스터를 플라즈몬 검출 모드로 동작시키는 커패시터를 포함하는 전력 검출 모듈; 및 상기 전력 검출 모듈의 후단에 연결되는 저잡음 증폭기(LNA)를 포함하여 구성되며, 상기 전력 검출 모듈은 상호 분할배치(inter-digitized)되거나, 대칭(mirrored)된 구조의 레이아웃(layout)을 가지며, 또한, 상기 전력 검출 모듈과 상기 저잡음 증폭기는 CMOS 공정으로 하나의 집적회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 소자를 개시하며, 본 발명에 따르면, 낮은 공정 비용과 양산에 적합한 구조를 유지하면서도 우수한 감지 특성을 가지는 고성능 플라즈몬 전력 검출 소자를 구현하는 효과를 갖는다.

Description

고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법 {High performance wideband plasmon power detector and analysis method thereof}
본 발명은 고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 플라즈몬 전력 검출 소자의 DC 오프셋을 상쇄하는 구조와 함께 저잡음 증폭기를 부가함으로써 그 성능을 개선한 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법에 관한 것이다.
근래에 들어 고주파 등을 이용한 이미지 센싱 기술이 다양한 응용 영역에서 활발하게 연구되어 적용되고 있으며, 구체적인 예로서 40 ~ 60 GHz의 초고주파를 이용한 신체의 형상 정보 획득 시스템 또는 300 ~ 330 GHz의 밀리미터파를 이용하는 보안용 원격 감지 시스템 등을 들 수 있다. 이외에도, 고주파 등을 이용한 이미지 센싱 기술은 의료용 영상 시스템, 자동차용 레이더 등 센서 시스템, 교통 정보 획득 및 통제 시스템, 보안 시스템, 로봇의 영상 획득 시스템 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
그런데, 상기와 같은 고주파 등을 이용한 영상 정보의 획득에 있어서, 그 형상을 정확하게 분별하기 위해서는 고해상도 및 고감도 특성을 구현하여야 하는데, 이를 위해서는 그 대역폭이 수 GHz 내지 sub-THz 정도에 이르는 광대역 신호를 사용하는 것이 필요하게 된다.
그러나, 이러한 광대역 신호를 처리할 수 있는 시스템을 구현함에 있어서는 여러가지 어려움이 따르게 된다. 예를 들어, 상기 광대역 신호를 수신(signal receiving)하여 신호를 복조하거나 주파수 변이 등으로부터 정보를 획득하는 방식으로 시스템을 구성하려고 한다면, 통상 동작 가능 주파수가 제한되거나, 그 대역폭이 수 GHz 정도로 한정되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 방식은 높은 입력 잡음(input noise) 특성을 가지게 되어 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio) 특성이 떨어지게 되므로, 결국 상기와 같은 광대역 신호를 처리하는 시스템을 설계하고 구현하는 것은 상당히 어려운 작업이 된다.
이에 대하여, 전력 감지(Energy detection) 방식으로 광대역 시스템을 구현할 수도 있다. 이러한 시스템은 동작 주파수를 광파 영역까지 높일 수 있고, 또한 그 대역폭도 GHz 이상의 초광대역을 구현할 수 있다는 장점이 있으며, 시스템을 설계하는 것도 상대적으로 쉽다고 할 수 있다. 그러나, 전력 감지 방식의 경우 광대역 신호 유입에 따른 입력 잡음 증가와 회로 자체에서 유발되는 잡음 레벨이 높아 시스템의 감지 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 문제점을 가진다.
상기와 같은 전력 감지 방식의 예로서, 열화상 카메라(micro bolometer), CMOS 쇼트키 다이오드 검출기(CMOS schottky diode detector), 양자 구조 검출기(quantum structure detector), 플라즈몬 검출기(plasmon detector) 등을 들 수 있다. 상기 열화상 카메라, CMOS 쇼트키 다이오드 검출기, 양자 구조 검출기는 대체로 그 감지 성능이 우수함에도 불구하고, CMOS 공정과의 호환성이 떨어지므로 양산에 어려움이 있고 단가가 상승하게 된다. 이에 반하여 플라즈몬 검출기는 표준 CMOS 공정으로 제작이 가능하여 양산 및 단가의 측면에서 큰 장점을 가지는 반면, 상대적으로 감지 성능이 떨어진다는 단점을 가진다.
도 1은 상기 플라즈몬 검출기의 감지 성능을 제한하는 주요 원인들을 도시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 플라즈몬 검출기의 성능을 떨어뜨리는 원인으로, (a) 검출기 자체의 DC 오프셋, (b) 전력 검출 IC와 PCB 기판 간의 연결(interconnection) 부위에서 유입되는 잡음, 및 (c) 전력 검출을 위한 트랜지스터 소자 자체의 잡음 등을 들 수 있다.
이에 대하여, 도 2에서는 상기와 같은 플라즈몬 검출기의 성능을 제한하는 원인들에 대한 종래 개선 방법들을 도시하고 있다. 먼저 도 2a에서는 DC 오프셋을 상쇄(cancellation)하기 위하여 더미(dummy) 트랜지스터를 추가하는 방법을 보여주고 있다. 그러나 이와 같이 더미 트랜지스터를 추가하더라도 레이아웃(layout)의 한계로 인하여 DC 오프셋을 완전하게 상쇄하는 것은 쉽지 않다. 도 2b에서는 검출기 출력 신호선에서 유입되는 잡음을 줄이기 위해 연산 증폭기(OP-amp) 등을 이용한 신호 조정 블록(signal conditioning block)을 검출기와 함께 집적회로 형태로 추가하는 경우를 나타내고 있다. 검출기 신호가 매우 작으므로 이를 증폭시키고 고주파 잡음을 제거하기 위한 신호 조정 블록은 반드시 검출기 이후에 구성되어야 한다. 그러나 신호 조정 블록을 집적화하는 경우, 신호 조정 블록에 의하여 발생하는 잡음 특성이 전체 검출기의 성능을 제한할 수 있다는 문제점이 발생한다. 도 2c에서는 플라즈몬 검출기에 포함되는 전력 검출 트랜지스터의 채널(channel) 길이를 미세 공정을 사용하여 수십 나노 수준(nano scale)으로 줄여서 잡음을 낮추는 경우를 도시하고 있으나, 이러한 경우 공정 비용이 크게 증가하게 된다는 문제점을 가지게 된다.
결국, 앞서 살핀 바와 같이 플라즈몬 검출기는 비용 및 양산의 측면에서 큰 장점을 가지나 상대적으로 성능이 떨어지게 되는 바, 상기와 같은 제약으로 인한 성능의 제한을 개선할 필요가 있다.
또한, 상기 전력 검출 소자를 포함하는 플라즈몬 검출기를 효과적으로 해석하고 설계할 수 있는 방법이 제시되지 못하고 있는 바, 이를 정확하고 해석하고, 더 나아가 상기 플라즈몬 검출기를 효율적으로 설계하여 구현할 수 있도록 하는 해석 방법도 필요하다고 할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 낮은 공정 비용과 양산에 적합한 구조를 유지하면서도 전력 감지 성능을 개선할 수 있는 구조를 가지는 고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출기 및 그 해석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 플라즈몬 전력 검출 소자는 전력 검출 트랜지스터 및 이와 쌍을 이루는 더미(dummy) 트랜지스터, 그리고, 상기 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 삽입되어 각 트랜지스터를 플라즈몬 검출 모드로 동작시키는 커패시터를 포함하는 전력 검출 모듈; 및 상기 전력 검출 모듈의 후단에 연결되는 저잡음 증폭기(LNA)를 포함하여 구성되며, 상기 전력 검출 모듈은 상호 분할배치(inter-digitized)되거나, 대칭(mirrored)된 구조의 레이아웃(layout)을 가지며, 또한, 상기 전력 검출 모듈과 상기 저잡음 증폭기는 CMOS 공정으로 하나의 집적회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전력 검출 모듈과 상기 저잡음 증폭기는 인접하여 배치되어 신호선이 직접 연결(direct connection)될 수 있다.
또한, 상기 저잡음 증폭기는 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 플라즈몬 전력 검출 시스템은 상기한 플라즈몬 전력 검출 소자; 및 상기 전력 검출 소자의 후단에 연결되며 연산 증폭기(Op-amp)를 포함하는 신호 조정 블록(signal conditioning block)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 플라즈몬 전력 검출 소자가 복수개 배열된 형태를 이룰 수 있다.
또한, 상기 신호 조정 블록의 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC); 및 상기 디지털 신호에 대한 신호 처리를 담당하는 디지털 신호 처리기(DSP)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 플라즈몬 전력 검출 회로 해석 방법은 (a) 주어진 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터에 대하여, 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하는 전력 검출 등가 트랜지스터 및 채널 저항(channel resistance)을 반영하는 비검출 등가 트랜지스터를 포함하는 등가 모델을 산정하는 단계; 및 (b) 상기 등가 모델을 사용하여 플라즈몬 전력 검출 회로를 해석하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 검출 모듈의 DC 오프셋을 상쇄할 수 있도록 상기 전력 검출 모듈을 구성하는 트랜지스터 및 그 부속 커패시터를 상호 분할배치(inter-digitized)하거나, 대칭(mirrored)된 구조의 레이아웃(layout)을 사용하고, 여기에 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하는 저잡음 증폭기(LNA)를 부가하여 CMOS 공정으로 하나의 집적회로로 구성하고, 더 나아가, 이를 직접 연결(direct connection)함으로써, 낮은 공정 비용과 양산에 적합한 구조를 유지하면서도 우수한 감지 특성을 가지는 고성능 플라즈몬 전력 검출 소자를 구현하고, 또한 상기 플라즈몬 전력 검출 소자를 포함하는 회로를 해석함에 있어, 상기 전력 검출 모듈에 포함되는 각 트랜지스터를 전력 검출 등가 트랜지스터와 비검출 등가 트랜지스터로 나누어 해석함으로써 정확한 해석치를 얻을 수 있는 플라즈몬 전력 검출 회로의 해석 방법을 개시하는 효과를 갖는다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 플라즈몬 전력 검출기의 구조에 따른 성능 제한을 보여주는 예시도.
도 2는 종래 기술에 의한 플라즈몬 전력 검출기의 성능을 개선하기 위한 구조들.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 및 영상 처리 시스템의 구조도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상호 분할배치(inter-digitized)되거나, 대칭(mirrored)된 구조의 플라즈몬 전력 검출 모듈의 레이아웃(layout) 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 소자와 저잡음 증폭기의 직접 연결(direct connection) 구조.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 검출 트랜지스터의 해석 및 설계 모델링.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 종래기술에서 고주파 등을 이용한 영상 정보 획득 시스템에 있어, 고해상도 및 고감도 특성을 구현하기 위해서는 광대역 시스템을 구현해야 하는데, 전력 감지(Energy detection) 방식으로 광대역 시스템을 구현하는 경우에는, 동작 주파수를 광파 영역까지 높일 수 있고, 또한 그 대역폭도 GHz 이상의 초광대역을 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 반면 회로 자체에서 유발되는 잡음(noise) 레벨이 높아 감지 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 문제점을 가진다. 상기와 같은 전력 감지 방식의 예로서 플라즈몬 전력 검출기(Plasmon detector)를 들 수 있는데, 플라즈몬 전력 검출기는 양산 및 단가의 측면에서 큰 장점을 가지는 반면, 상대적으로 감지 성능이 떨어진다는 단점을 가진다. 이러한 플라즈몬 전력 검출기의 감지 성능을 떨어뜨리는 원인으로 전력 검출 소자 자체의 DC 오프셋, 전력 검출 소자 IC와 PCB 기판 간의 연결(interconnection) 부위에서 유입되는 잡음 및 전력 검출 트랜지스터 소자 자체의 잡음 등을 들 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기한 문제점에 착안하여, 전력 검출 모듈(312)의 DC 오프셋을 상쇄할 수 있도록 상기 전력 검출 모듈(312)을 구성하는 트랜지스터 및 그 부속 커패시터를 상호 분할배치(inter-digitized)하거나, 대칭(mirrored)된 구조의 레이아웃(layout)을 사용하고, 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하는 저잡음 증폭기(LNA)(314)를 포함하여 CMOS 공정으로 하나의 집적회로로 구성하고, 더 나아가, 이를 직접 연결(direct connection)함으로써, 낮은 공정 비용과 양산에 적합한 구조를 유지하면서도 우수한 감지 특성을 가지는 고성능 플라즈몬 전력 검출 소자(310)를 구현하고, 또한 상기 플라즈몬 전력 검출 소자(310)를 해석함에 있어, 상기 전력 검출 모듈(312)에 포함되는 각 트랜지스터를 전력 검출 등가 트랜지스터와 비검출 등가 트랜지스터로 나누어 해석함으로써 정확한 해석치를 얻을 수 있는 플라즈몬 전력 검출 회로의 해석 방법을 개시한다.
여기서, 상기 저잡음 증폭기(314)가 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작한다는 의미는, 저잡음 증폭기(314)를 구성하는 MOSFET의 동작에 있어서 채널이 형성될 수 있는 임계 전압에 미치지 못하는 전압이 인가된 상태에서 미세 전류로 동작이 되는 경우를 말하며, 또한, 상기 직접 연결(direct connection)이라 함은 신호선에 주변 잡음이 인가되는 것을 억제하기 위하여 가능한 최단거리로 신호선을 연결하는 것을 말한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 및 영상 처리 시스템(300)을 도시하고 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 및 영상 처리 시스템(300)은 RF파, 마이크로파, 밀리미터파 등 고주파의 전력(Power)을 감지(detect)하는 전력 검출 모듈(312), 상기 검출된 신호를 증폭하면서 낮은 잡음 특성을 가지는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)(314), 전달받은 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있도록 증폭해주는 신호 조정 블록(signal conditioning block)(320), 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부(330), 디지털 신호를 처리하여 영상 정보를 획득하는 디지털 신호 처리부(340)를 포함하여 구성될 수 있다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 및 영상 처리 시스템(300)을 각 부분별로 나누어서 자세하게 살핀다. 먼저 전력 검출 모듈(312)에 대하여 살핀다. 전력 검출 모듈(312)은 안테나 등을 거쳐 전달받은 고주파 등 신호의 전력(Power)을 감지하여 DC전기 신호로 변환하여 준다.
전력 검출 모듈(312)은 전력 검출 트랜지스터 및 이와 쌍을 이루는 더미(dummy) 트랜지스터, 그리고, 상기 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 삽입되어 각 트랜지스터를 플라즈몬 검출 모드로 동작시키는 커패시터를 포함하여 구성하게 된다.
전력 검출 모듈(312)을 하나의 전력 검출 트랜지스터 만을 단독으로 사용하여 구성하는 경우, DC 오프셋에 의하여 감지 성능이 제한될 수 있기 때문에, 도 2a와 같이 더미(dummy) 트랜지스터를 이용하여 DC 오프셋 상쇄(cancellation) 회로를 구성하게 된다. 이 경우, 더미 트랜지스터에 의하여 발생되는 같은 전압에 의하여 DC 오프셋이 상쇄될 수 있다. 그런데, 더미 트랜지스터를 사용하더라도 DC 오프셋을 완전하게 상쇄하는 것은 쉽지 않다. 왜냐하면, 전력 검출 모듈(312)을 구성하는 상기 전력 검출 트랜지스터, 더미 트랜지스터 및 각 트랜지스터들을 플라즈몬 검출 모드로 동작시키기 위한 캐패시터(capacitor) 등 부속 소자들을 실제 웨이퍼 상에 구현함에 있어 회로 배치(layout)에 따른 물리적 차이가 존재할 수 밖에 없기 때문이다.
이에 따라, 본 발명에서는 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 각 트랜지스터와 커패시터를 상호 분할배치(inter-digitized)하거나, 대칭(mirrored)된 구조의 레이아웃(layout)을 사용함으로써 상기와 같은 DC 오프셋을 최대한 억제할 수 있게 된다.
여기서 상호 분할배치(inter-digitized)된 구조라 함은 서로 대응되는 소자의 레이아웃에 따른 편차를 최소화하기 위하여 하나의 소자를 복수개로 분할한 후 상호 교차하면서 배치하는 구조를 말하며, 대칭(mirrored)된 구조도 이와 유사한 이유로 대응되는 소자를 서로 대칭되는 형상으로 배치하는 구조를 말한다. 예를 들어, 도 4(a)에서는 전력 검출 트랜지스터에 부속하는 캐패시터와 더미 트랜지스터에 부속하는 캐패시터가 상호 분할배치(inter-digitized)된 형상을 보여주고 있다. 각 캐패시터를 독립적인 패턴으로 제작할 경우 레이아웃(layout) 배치에 따른 물리적 차이가 생기고 이에 따른 DC 오프셋이 발생하게 되므로, 각 대응되는 캐패시터를 분할하고 상호 교차하여 배치함으로써, DC 오프셋을 최소화할 수 있게 된다. 이와 유사하게 도 4(b)에서는 대칭(mirrored)되거나 상호 분할배치(inter-digitized) 구조를 가지는 트랜지스터의 레이아웃(layout)을 예시하고 있다. 전력 검출 트랜지스터와 더미 트랜지스터도 웨이퍼 상에 배치됨에 따라 물리적 차이가 발생할 수 있고, 이에 따른 DC 오프셋이 발생하게 되므로, 이를 최소화하기 위하여 대칭(mirrored)되거나 상호 분할배치(inter-digitized)된 구조로 레이아웃(layout)을 구성함으로써 DC 오프셋을 최소화할 수 있게 된다.
다음으로, 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier)(314)에 대하여 살핀다. 종래 기술에 따라 저잡음 증폭기(314)의 추가없이 전력 검출 모듈(312)과 신호 조정 블록(320) 만을 함께 집적하는 경우 신호선으로 유입되는 잡음을 줄여 검출기의 특성을 일정 부분 개선할 수 있으나, 이와 함께 신호 조정 블록(320) 자체의 잡음은 여전히 성능에 영향을 미치게 되므로, 결국 전체 전력 검출 시스템의 감지 성능을 개선하는 데에는 한계를 가지게 된다. 따라서, 전력 검출 시스템의 감지 성능을 보다 효율적으로 개선하기 위해서는 상기 신호 조정 블록(320)의 앞단에 잡음 특성이 우수한 저잡음 증폭기(314)을 추가함으로써 잡음 특성의 열화를 억제하면서 신호를 증폭함으로써 전체 전력 검출 시스템의 검출 성능을 개선하는 것이 가능하게 된다. 이때, 신호 조정 블록(320)의 앞단에 위치하는 저잡음 증폭기(314)는 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작함으로써 증폭기의 이득(gain) 특성을 최대화할 수 있고, 이와 함께 잡음 특성의 열화를 상당 부분 억제할 수 있으므로, 신호대잡음비(SNR) 특성을 개선할 수 있게 된다.
또한, 도 5에서는 상기 전력 검출 모듈(312)과 상기 저잡음 증폭기(314)가 직접 연결(direct connection)되는 경우를 예시하고 있다. 전력 검출 모듈(312)에서 출력되는 신호는 미약하므로 신호선에 잡음이 유입되는 경우 잡음 특성이 급격하게 악화될 수 있어, 전체 시스템의 성능에 악영향을 끼치게 된다. 따라서, 상기 전력 검출 모듈(312)과 상기 저잡음 증폭기(314)를 직접 연결함으로써 잡음의 유입을 최소화하는 것이 중요하다. 덧붙여, 상기 플라즈몬 전력 검출 소자(310)를 배열(array) 형태로 구현하는 경우에는 잡음의 유입을 억제하기 위한 최단 거리 배치와 함께 각 플라즈몬 전력 검출 소자(310)의 신호선의 길이와 형상을 맞출 수 있도록 함께 고려하는 것이 바람직하다.
더 나아가, 상기 전력 검출 모듈(312)과 저잡음 증폭기(314)에 표준 CMOS 공정을 적용하여 하나의 집적회로로 구성함으로써, 낮은 공정 비용과 양산에 적합한 구조를 유지하면서도 외부로부터의 잡음의 유입을 효과적으로 방지하여 우수한 전력 감지 특성을 가지는 고성능 광대역 플라즈몬 전력 검출 소자(310)를 구현하는 것이 가능해진다.
이어서, 신호 조정 블록(320)에 대하여 살핀다. 상기 신호 조정 블록(320)은 상기 저잡음 증폭기(314)의 후단에 위치하여, 수신된 전력 검출 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있는 적절한 크기의 신호로 증폭시켜 주는 역할을 한다. 상기 신호 조정 블록(320)은 종래 기술에 따라 구현하는 것이 가능하고, 보다 구체적으로는 넓은 대역폭과 안정적인 이득을 가지는 연산 증폭기(OP-amp)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따라서 저잡음 증폭기(314)가 추가됨으로 인하여, 상기 신호 조정 블록(320)에 요구되는 증폭기 이득을 완화시킬 수 있게 되어 신호 조정 블록(320)의 특성을 안정화할 수 있다는 장점도 가지게 된다.
다음으로, 아날로그-디지털 변환부(330)와 디지털 신호 처리부(340)에 대하여 살핀다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 및 영상 처리 시스템(300)에서, 신호 조정 블록(320)에서 출력된 신호는 아날로그-디지털 변환부(330)를 거침으로써 디지털 신호로 전환되게 된다. 전환된 디지털 신호는 다시 디지털 신호 처리부(340)로 전달되어 신호 처리(signal processing)을 거치게 된다. 이때, 신호 처리를 위한 다양한 종래의 알고리즘이 사용될 수 있고, 이러한 신호 처리를 거쳐 영상 정보 등 필요한 정보를 생성한 후 이를 사용자에게 제공할 수 있게 된다. 상기 아날로그-디지털 변환부(330)와 디지털 신호 처리부(340)의 경우 종래 기술에 따라 구성될 수 있으므로, 자세하게 서술하지는 아니한다.
한편, 앞서 살핀 플라즈몬 전력 검출 소자(310)를 포함하는 회로를 해석하고 설계하는 경우, 종래의 기술로는 이를 적절하게 시뮬레이션(simulation)하여 정확한 해석치를 도출하기가 쉽지 않았다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈몬 전력 검출 회로의 해석 방법은 먼저 주어진 플라즈몬 전력 검출 소자(310)에 포함되는 전력 검출 모듈(312)의 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터에 대하여 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하는 전력 검출 등가 트랜지스터 및 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하며 채널 저항(channel resistance)을 반영하는 비검출 등가 트랜지스터를 포함하는 등가 모델을 산정하는 단계; 및 상기 등가 모델을 사용하여 회로를 시뮬레이션(simulation)하고 상기 플라즈몬 전력 검출 회로를 해석하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 등가 모델은 소자에 대한 특성을 측정하는 등의 방법으로 물리적인 동작 특성 해석에 의거하여 기존 트랜지스터 소자값을 보정하는 등의 등가 모델로 산정될 수 있고, 이렇게 산정된 등가 모델은 종래의 상용 시뮬레이션 툴(simulation tool) 에서 기존 시뮬레이션과 동일하게 사용되어 상기 플라즈몬 전력 검출 회로를 해석할 수 있고, 더 나아가 효율적으로 플라즈몬 전력 검출 시스템을 설계하는데 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300 : 플라즈몬 전력 검출 및 영상 처리 시스템
310 : 플라즈몬 전력 검출 소자
312 : 전력 검출 모듈
314 : 저잡음 증폭기
320 : 신호 조정 블록
330 : 아날로그-디지털 변환부
340 : 디지털 신호 처리부

Claims (7)

  1. 전력 검출 트랜지스터 및 이와 쌍을 이루는 더미(dummy) 트랜지스터,
    상기 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 삽입되어 각 트랜지스터를 플라즈몬 검출 모드로 동작시키는 커패시터를 포함하는 전력 검출 모듈; 및
    상기 전력 검출 모듈의 후단에 연결되는 저잡음 증폭기(LNA)를 포함하여 구성되며,
    상기 전력 검출 모듈은 상호 분할배치(inter-digitized)되거나, 대칭(mirrored)된 구조의 레이아웃(layout)을 가지며,
    상기 전력 검출 모듈과 상기 저잡음 증폭기는 CMOS 공정으로 하나의 집적회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 검출 모듈과 상기 저잡음 증폭기는 인접하여 배치되어 신호선이 직접 연결(direct connection)되는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저잡음 증폭기는 임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 소자.
  4. 제1항에 기재된 플라즈몬 전력 검출 소자; 및
    상기 전력 검출 소자의 후단에 연결되며 연산 증폭기(Op-amp)를 포함하는 신호 조정 블록(signal conditioning block)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 시스템.
  5. 제4항에 있어,
    상기 플라즈몬 전력 검출 소자가 복수개 배열된 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 시스템.
  6. 제4항에 있어,
    상기 신호 조정 블록의 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC); 및
    상기 디지털 신호에 대한 신호 처리를 담당하는 디지털 신호 처리기(DSP)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 시스템.
  7. (a) 주어진 전력 검출 트랜지스터 및 더미 트랜지스터에 대하여,
    임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하며 전력 검출 특성치를 가지는 제1 등가 트랜지스터와,
    임계치 미만 영역(sub-threshold region)에서 동작하며 채널 저항(channel resistance)과 증폭 특성치를 가지는 제2 등가 트랜지스터를 포함하는 등가 모델을 산정하는 단계; 및
    (b) 상기 등가 모델을 사용하여 플라즈몬 전력 검출 회로를 해석하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 전력 검출 회로 해석 방법.
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