KR102113259B1 - 넓은 동적 영역을 갖는 전력 검출기 - Google Patents

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Abstract

넓은 동적 영역을 갖는 전력 검출기를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 다수의 커패시터와 병렬로 연결된 다수의 트랜지스터로 구성되어, 상기 다수의 트랜지스터의 게이트로 입력되는 신호를 검출하는 검출기 코어와, 상기 검출기 코어의 출력 전압을 전류로 변환하여 결합하는 출력 결합기를 포함하고, 상기 검출기 코어는 상기 다수의 트랜지스터의 소스가 접지와 연결되며 상기 다수의 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 상기 다수의 커패시터가 각각 연결되고, 상기 다수의 트랜지스터의 각각의 드레인 전압이 출력 전압으로 구성되며, 상기 다수의 트랜지스터의 각각의 바디 전압을 이용해 상기 검출기 코어의 동적 영역을 조절함을 특징으로 하는 전력 검출기를 제공한다.

Description

넓은 동적 영역을 갖는 전력 검출기{POWER DETECTOR WITH WIDE DYNAMIC RANGE}
본 발명은 동적 영역이 넓은 전력 검출기에 관한 것으로, 구체적으로 트랜지스터의 바디 전압을 이용하여 동적 영역을 조절하는 FET(Field Effect Transistor)기반의 전력 검출기에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
밀리미터파 및 테라헤르츠파는 영상 기술을 포함하여 초고속 통신, 보안 검색 등 다양한 분야에서 응용 및 연구되고 있다. 100GHz 이상 1 THz 이하 주파수 대역인 밀리미터파 혹은 테라헤르츠파는 종이, 섬유 등의 비이온화 물질에 대한 투과성과 금속에 대한 반사도가 높다는 특성을 갖는다. 이러한 특성을 영상 기술에 이용하면, 인구의 집중도가 높은 공공 장소에서 은닉된 흉기나 폭발물 등의 위험물 영상을 비접촉식 및 비침습적으로 획득할 수 있으며, 식품의 가공 또는 유통 과정 중에 발생할 수 있는 식품 이물질을 제품의 손상없이 구별해 낼 수 있다.
밀리미터파 및 테라헤르츠파를 이용하는 경우 높은 동작 주파수로 인하여 고해상도의 영상을 획득할 수 있으나, 그 형상을 정확하게 분별하기 위해서는 고감도 특성을 구현해야 한다. 고감도 영상은 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 높여 획득할 수 있으며, 잡음의 영향을 줄이거나 넓은 동적 영역을 갖는 신호를 사용하는 경우 신호대잡음비를 높일 수 있다. 소자의 동작 특성에 의해 발생하는 잡음 이외에도 주변 환경에서 잡음이 유입될 수 있어 잡음을 예측하고 이에 의한 영향을 줄이기는 쉽지 않다. 또한, 고감도 특성을 나타내기 위해서는 넓은 동적 범위를 이용해 검출하는 것이 유리하다. 따라서, 잡음의 영향을 줄이기 보다는 넓은 동적 영역을 갖는 시스템을 구현하는 것이 성능 향상 측면에서 효율적이며 매우 중요하다.
그런데, 넓은 동적 영역을 갖는 신호를 수집하여 처리할 수 있는 시스템을 구현함에 있어서는 여러가지 어려움이 따르게 된다. 동적 영역은 신호 검출 방식과 사용하는 검출기 전원 및 잡음 대역 특성에 영향을 받는데, 신호를 복조하거나 주파수 변이 등으로부터 정보를 획득하는 일반적인 무선 통신 시스템의 신호 검출 방식으로는 밀리미터파 혹은 테라헤르츠파와 같이 높은 동작 주파수를 갖는 검출기를 구현하는 것이 매우 어렵다. 즉, 높은 주파수 신호를 수집하기 위한 기존 기술은 검출 신호보다 높은 동작 주파수를 갖는 소자를 이용해야 하는데, 이는 검출 시스템 가격을 향상시킬 뿐만이 아니라 대면적화를 통한 영상 품질 향상을 어렵게 만드는 요인이 된다.
기존 무선 통신 방식과는 달리, 밀리미터파 혹은 테라헤르츠파를 효과적으로 검출하기 위한 방법으로 플라즈몬 검출기(plasmon detector) 등과 같은 전력 감지(Energy Detection) 방식이 이용되고 있다. 플라즈몬 검출기는 최대 동작 주파수보다 높은 신호가 인가될 때, 입력된 신호 크기에 따라 FET 소자의 소스와 드레인 사이에 발생하는 전압차를 검출하는 기법으로, 저가 CMOS 공정을 사용해서 밀리미터파 혹은 테라헤르츠파와 같은 높은 동작 주파수를 검출할 수 있는 기술이다. 이러한 전력 감지 방식은 수집된 에너지에 의한 변위에 근거하고 있어 높은 동작 주파수 신호가 가진 에너지를 수집하여 검출할 수 있으나, 에너지 수집에 의한 변위 발생 특성이 구성하는 소자 특성에 의해 정해진다는 단점이 있다. 예를 들면, 잡음 및 주변 고조파 영향에 의한 낮은 신호 레벨부터 전원 레벨까지 이르는 기존 무선 통신 방식의 동적 영역과 비교하여, 전력 감지 방식은 소자 특성으로 인해 좁은 동적 영역을 갖는다는 한계점이 있다. 다른 전력 검출 방식인 기존 CMOS 이미지 센서나 카메라 기술 기반 방식은 잡음 최소화 및 민감도 향상을 통해 기술적 한계점을 해결하고 있으나, 가시광 혹은 적외선보다 파장이 긴 마이크로파 및 테라헤르츠파 영역에서는 사용 가능한 소자 및 구현 원리 자체의 한계, 주변 시스템에서 유입되는 잡음 등으로 인해 기존 방식으로 이를 극복하기가 매우 어렵다.
따라서, 높은 동작 주파수를 이용하는 전력 검출기에서 좁은 동적 영역을 늘리는 기술이 필요하다.
본 실시예는, FET 소자를 이용하여 감지 성능이 우수하고 넓은 동적 영역을 갖는 전력 검출기를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 다수의 커패시터와 병렬로 연결된 다수의 트랜지스터로 구성되어, 상기 다수의 트랜지스터의 게이트로 입력되는 신호를 검출하는 검출기 코어와, 상기 검출기 코어의 출력 전압을 전류로 변환하여 결합하는 출력 결합기를 포함하고, 상기 검출기 코어는 상기 다수의 트랜지스터의 소스가 접지와 연결되며 상기 다수의 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 상기 다수의 커패시터가 각각 연결되고, 상기 다수의 트랜지스터의 각각의 드레인 전압이 출력 전압으로 구성되며, 상기 다수의 트랜지스터의 각각의 바디 전압을 이용해 상기 검출기 코어의 동적 영역을 조절함을 특징으로 하는 전력 검출기를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전력 검출기의 동적 영역을 확장시킬 수 있으며, 전력 검출기의 확장된 동적 영역은 영상 시스템의 신호대잡음비를 향상시켜, 보다 선명한 고품질의 전자기파 영상 시스템의 구현을 가능하게 할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따라 RGB 영역에 전력 검출기를 각각 적용하는 경우 다중 컬러 영상도 구현할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 특성이 다른 트랜지스터를 병렬로 배치하여 상호 출력간의 커플링을 최소화할 수 있으며, 병렬로 배치된 트랜지스터를 하나의 바이어스 전압으로 동작을 제어할 수 있다.
그 외에도, 본 실시예에 따르면 동일 크기의 트랜지스터를 제어함으로써 게이트 모듈레이션 기법의 적용 가능하며, 이로 인해 신호대잡음비를 추가적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 전력 검출기의 구성도의 일예를 간략히 나타낸 도면,
도 2는 본 개시에 따른 검출기 코어의 구성도 및 동작 파형의 일예를 나타낸 도면,
도 3은 본 개시에 따른 출력 결합기의 구성도의 일예를 나타낸 도면,
도 4는 본 개시에 따라 차동 안테나를 이용한 검출기의 구성도의 일예를 나타낸 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 개시에 따른 출력 결합기의 구성도의 다른 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 전력 검출기의 구성도의 일예를 간략히 나타낸 도면이다.
본 개시에 따른 전력 검출기(또는 검출기)는 안테나(110), 검출기 코어(120), 및 출력 결합기(130)로 구성될 수 있다. 여기서, 검출기 코어(120)는 병렬로 연결된 다수의 트랜지스터와 다수의 커패시터로 구성될 수 있으며, 안테나(110)는 single-ended 방식과 differential 방식 중 어느 하나, 또는 혼용하여 구현될 수 있다. 또한, 안테나(110)는 전력 검출기에 선택적으로 포함될 수 있다. 즉, 안테나는 전력 검출기에 반드시 포함될 필요는 없으며 단지 검출할 신호만 검출기 코어(120)에 입력되면 된다.
전력 검출기에 포함되는 각 구성에 대해서는 이하의 도면을 이용하여 자세히 설명한다.
도 2는 본 개시에 따른 검출기 코어의 구성도 및 동작 파형의 일예를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 2의 (a)에서 검출기 코어(120)는 3개의 트랜지스터 즉, 제1 트랜지스터(210), 제2 트랜지스터(220), 및 제3 트랜지스터(230)가 병렬로 구성되어 있으나, 필요에 따라 트랜지스터는 2개 또는 4개 이상으로 구성될 수 있다.
제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 게이트(gate, G)는 모두 안테나(110)와 연결되어 검출할 신호를 입력받으며, 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 소스(source, S)는 모두 접지에 연결될 수 있다. 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230) 각각의 게이트와 드레인(drain, D) 사이에는 커패시터가 각각 연결될 수 있다. 이때 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 게이트에 인가되는 전압에 의해 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 동작이 동시에 온(on)/오프(off) 되도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 동일한 특성을 갖는 커패시터를 이용할 수 있다.
제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 동적 영역은 각 트랜지스터의 바디 전압(body voltage, VB)에 의해 조절될 수 있다. 즉, 트랜지스터의 바디 전압(VB)이 높아지면, 문턱 전압(threshold voltage, VTH)이 낮아져 트랜지스터의 동적 영역이 낮아진다. 반면, 트랜지스터의 바디 전압(VB)이 낮아지면, 문턱 전압(VTH)이 높아져 트랜지스터의 동적 영역도 높아진다. 따라서, 각 트랜지스터의 바디 전압을 달리 조절해 동적 영역을 다르게 설정할 수 있다. 바디 전압이 다른 트랜지스터는 동적 영역이 다르기 때문에 트랜지스터 각각이 검출기로써의 기능을 갖는다.
예를 들어, 검출기 코어(120)에서 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 바디 전압(VB1, VB2, VB3)이 VB1 > VB2 > VB3 > 0으로 조절하는 경우, 각 트랜지스터의 문턱 전압은 VTH1 < VTH2 < VTH3 < VTH0 된다. 여기서, VTH0는 바디 전압이 0(V)일 경우의 문턱 전압이다. 이때 검출기 코어의 동작 파형은 도 2의 (b)와 같이 나타낼 수 있다. 제1 트랜지스터(210)의 바디 전압(VB1)이 가장 높기 때문에 문턱 전압(VTH1)은 가장 낮아 제1 트랜지스터(210)의 동적 영역(240)이 가장 낮다. 제3 트랜지스터(230)의 바디 전압(VB3)은 가장 낮기 때문에 문턱 전압(VTH3)은 가장 높아 제3 트랜지스터(230)의 동적 영역(250)은 가장 높다. 따라서, 바디 전압을 달리하여 여러 개의 트랜지스터를 사용하는 경우 검출기로써의 동적 영역을 넓힐 수 있다. 즉, 각 트랜지스터의 출력 전압을 더하고, 더한 출력 전압을 이용해 입력 신호를 검출할 수 있다. 다만, 전압을 더하는 경우 각 소자간에 간섭을 일으킬 수 있으므로 출력 전압을 전류로 변환하고, 합한 출력 전류를 이용해 입력 신호를 검출할 수 있다.
도 3은 본 개시에 따른 출력 결합기의 구성도의 일예를 나타낸 도면이다.
출력 결합기(130)는 검출기 코어(120)를 구성하는 트랜지스터의 출력 전압을 검출하기 위해 상기 트랜지스터의 드레인을, 출력 결합기(130)를 구성하는, 트랜지스터의 게이트에 연결한다.
구체적으로, 도 2의 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터의 드레인 즉, 출력 단자(260, 270, 280)는 출력 전압을 출력 전류로 변환하여 더하기 위해 도 3의 제4, 제5, 및 제6 트랜지스터의 게이트(310, 320, 330)에 각각 연결된다. 도 2의 제1 트랜지스터(210)가 입력 신호를 검출하여 출력 단자(260)로 전압이 출력되면, 제4 트랜지스터(340)는 동작하여 제4 트랜지스터(340)의 드레인에 전류(ID1)가 흐르게 된다. 반대로, 도 2의 제1 트랜지스터(210)가 입력 신호를 검출하지 못하면 제1 트랜지스터(210)는 동작하지 않아 출력 단자(260)의 전압은 0이 되며 제1 트랜지스터(210)와 같은 원리로 제4 트랜지스터(340)도 동작하지 않는다. 따라서, 제4 트랜지스터(340)의 드레인에 흐르는 전류(ID1)는 0이 되어 출력 전류(ID)에 영향을 주지 못한다.
출력 결합기(130)의 출력 전류(ID)는 제4, 제5, 및 제6 트랜지스터(340, 350, 360)의 드레인에 흐르는 전류의 합이 되고, 출력 전류(ID)를 이용해 플라즈마 검출기에 입력된 신호를 검출할 수 있다.
제4, 제5, 및 제6 트랜지스터(340, 350, 360)가 병렬로 연결되어 검출기 코어(120)의 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)는 상호 분리된 형태로 동작할 수 있다. 따라서, 제1, 제2, 및 제3 트랜지스터(210, 220, 230)의 바디 전압에 의해 각 트랜지스터가 구동될 수 있어 독립적으로 유지 가능하다.
도 4는 본 개시에 따라 차동 안테나를 이용한 검출기의 구성도의 일예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에서 안테나(110)를 single-ended 안테나가 아닌 차동 안테나(410)를 이용해 구성한 것이며, 차동 안테나(410)를 이용함으로써 common-mode noise를 제거할 수 있다.
차동 안테나(410)의 출력 신호는 검출기 코어(420)를 구성하는 트랜지스터의 게이트로 입력된다. 검출기 코어(420)를 구성하는 트랜지스터도 차동 안테나(410)에 대응되도록 쌍을 이루어 구성된다. 차동을 구성하는 트랜지스터 쌍의 바디 전압은 동일해야 한다. 그러나, 상기 차동을 구성하는 트랜지스터 쌍 간에는 well potential을 다르게 하여, 서로 다른 바디 전압으로 인한 래치업(latch-up) 현상을 제거할 수 있다.
검출기 코어와 연동하는 출력 결합기(430)에 대해서는 도 5에서 자세히 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시에 따라 차동 안테나를 사용하는 경우 출력 결합기의 구성도의 예를 나타낸 도면이다.
검출기 코어(420)를 구성하는 트랜지스터 사이에 발생하는 간섭이나 잡음 등을 고려한 다양한 회로가 출력 결합기(430)로 구성될 수 있다.
도 5a의 (a)는 single-ended 안테나(도 3)에 대응되는 출력 결합기의 구성을 나타낸 것이다. 다만, 도 5a의 (a)에서는 차동 안테나를 이용함으로써 검출기 코어(420)의 출력 단자가 2배가 되고, 차동을 구성하는 트랜지스터 쌍의 순서로 구성되어 있다.
도 5a의 (b)는 검출기 이후에서 유입되는 잡음을 줄이기 위해 출력 결합기의 출력 단자에 common gate amplifier(510)를 직렬로 연결한 출력 결합기의 구성을 나타낸 것이다.
도 5a의 (c)는 출력 결합기를 구성하는 각 트랜지스터에 존재하는 고조파 신호가 다른 트랜지스터로 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 출력 결합기를 구성하는 각 트랜지스터에 common gate amplifier(520)를 각각 직렬로 연결한 출력 결합기의 구성을 나타낸 것이다.
도 5a의 (d)는 차동을 구성하는 트랜지스터 쌍의 순서가 아닌 동위상 신호가 출력되는 트랜지스터끼리 결합된 구성을 나타낸 것이다.
도 5b의 (e)는 동위상 신호가 출력되는 트랜지스터끼리 결합 후 common gate amplifier(530)가 직렬로 연결된 구성을 나타낸 것이다.
도 5b의 (f)는 차동을 구성하는 트랜지스터 쌍끼리 먼저 결합하여 고조파 잡음을 상쇄한 후 다른 트랜지스터와 연결된 구성을 나타낸 것이다.
도 5b의 (g)는 차동을 구성하는 트랜지스터 쌍끼리 먼저 결합하여 고조파 잡음을 상쇄한 후 유입되는 잡음을 줄이기 위해 common gate amplifier(540)를 직렬로 연결하고 다른 트랜지스터와 연결된 구성을 나타낸 것이다.
본 개시에서는 기능에 따라 다수의 구성으로 나누어 설명하나, 성능(예를 들어, 검출기의 동적 영역 등)에 따라 다수의 구성으로 나눌 수 있으며 또한, 여러 개의 구성이 하나의 구성으로 통합되어 구현되거나 또는 하나의 구성이 여러 개의 구성으로 나누어 구현될 수도 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 다수의 커패시터와, 병렬로 연결된 다수의 트랜지스터로 구성되어, 상기 다수의 트랜지스터의 게이트로 입력되는 신호를 검출하는 검출기 코어와,
    상기 검출기 코어의 출력 전압을 전류로 변환하여 병렬로 결합하는 출력 결합기를 포함하고,
    상기 검출기 코어는 상기 다수의 트랜지스터의 소스가 접지와 연결되며 상기 다수의 트랜지스터의 게이트와 드레인 사이에 상기 다수의 커패시터가 각각 연결되고, 상기 다수의 트랜지스터의 각각의 드레인 전압이 출력 전압으로 구성되며,
    상기 다수의 트랜지스터 각각은 서로 다른 동적 영역을 가지도록 서로 다른 바디 전압을 가짐을 특징으로 하는 전력 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 커패시터는 동일한 특성을 가지고 있어 상기 다수의 트랜지스터의 게이트 전압을 이용해 상기 검출기 코어의 동작 온(on) 또는 오프(off)를 동시에 제어함을 특징으로 하는 전력 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출기 코어로 입력되는 신호는 안테나를 통해 입력되는 신호임을 특징으로 하는 전력 검출기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 안테나는 차동 안테나이며,
    상기 다수의 트랜지스터 각각은 상기 차동 안테나에 대응되도록 트랜지스터 쌍으로 구성됨을 특징으로 하는 전력 검출기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 트랜지스터 쌍을 구성하는 트랜지스터들은 바디 전압이 서로 동일함을 특징으로 하는 전력 검출기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 출력 결합기는 다수의 트랜지스터와 다수의 커패시터로 구성되며,
    상기 출력 결합기를 구성하는 다수의 트랜지스터의 게이트에 상기 검출기 코어의 출력 전압이 인가되고, 상기 출력 결합기를 구성하는 다수의 트랜지스터의 드레인에 흐르는 전류가 더해짐을 특징으로 하는 전력 검출기.
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