KR20230130359A - Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit - Google Patents

Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit Download PDF

Info

Publication number
KR20230130359A
KR20230130359A KR1020220027412A KR20220027412A KR20230130359A KR 20230130359 A KR20230130359 A KR 20230130359A KR 1020220027412 A KR1020220027412 A KR 1020220027412A KR 20220027412 A KR20220027412 A KR 20220027412A KR 20230130359 A KR20230130359 A KR 20230130359A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
node
transistor
amplifier
input impedance
biological signal
Prior art date
Application number
KR1020220027412A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102615524B1 (en
Inventor
노정진
송치호
신화성
Original Assignee
한양대학교 에리카산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 에리카산학협력단 filed Critical 한양대학교 에리카산학협력단
Priority to KR1020220027412A priority Critical patent/KR102615524B1/en
Publication of KR20230130359A publication Critical patent/KR20230130359A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102615524B1 publication Critical patent/KR102615524B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/005Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements using switched capacitors, e.g. dynamic amplifiers; using switched capacitors as resistors in differential amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/261Amplifier which being suitable for instrumentation applications
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45138Two or more differential amplifiers in IC-block form are combined, e.g. measuring amplifiers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

The present technology relates to an input impedance amplifier circuit of a positive feedback loop and a negative capacitance method. An amplifier for a biosignal sensor having the input impedance amplifier circuit of the present technology comprises: an amplifier section in which a first chopper, an input section, a bias section, a first amplifier, a second chopper, and a second amplifier are sequentially connected to receive a biosignal and amplify it and output it as an output signal; a feedback section implemented as a closed loop connected in series between the input section and the first amplifier and to the rear end of the second amplifier, and determining a circuit gain between the biosignal and the output signal; a positive feedback loop section implemented as a closed loop connected in parallel between the first chopper and the input section and to the rear end of the second amplifier, and generating a second current corresponding to the first current by the feedback section to increase the input impedance; and a negative capacitance circuit section connected in parallel to the rear end of the first chopper and the front end of the input section, and generating a third current corresponding to the difference between the first current and the second current to increase the input impedance. The present technology may provide an input impedance amplification circuit which may solve the PFL limitation, minimize the influence of input parasitic capacitance, and amplify the input impedance through a new NC method.

Description

포지티브 피드백 루프와 네거티브 커패시턴스 방식의 입력 임피던스 증폭 회로{Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit}Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit {Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit}

본 발명은 포지티브 피드백 루프와 네거티브 커패시턴스 방식의 입력 임피던스 증폭 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 센서용 증폭기로 사용될 수 있는 포지티브 피드백 루프와 네거티브 커패시턴스 방식의 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplification circuit. More specifically, an amplifier for a biological signal sensor having a positive feedback loop and a negative capacitance type input impedance amplification circuit that can be used as a sensor amplifier. It's about.

생체 신호 센서는 전극(electrode)으로부터 받은 전압 신호를 저압음 증폭기(low-noise amplifier, LNA)에서 증폭하여 ADC(analog-to-digital converter)를 거쳐서 디지털 데이터로 변환하는 과정을 거친다. 이때, 전압 신호의 감쇄를 최소화하며 신호를 전달하기 위해서는 증폭기의 입력 임피던스가 높아야 한다. A biological signal sensor amplifies the voltage signal received from an electrode with a low-noise amplifier (LNA) and converts it into digital data through an analog-to-digital converter (ADC). At this time, in order to transmit the signal while minimizing attenuation of the voltage signal, the input impedance of the amplifier must be high.

도 1은 생체 신호 센서의 구성예를 나타낸다. 생체신호(Vs)가 전극(electrode)을 통해 수집되어 저잡음 증폭기(LNA)로 전달된다. 여기서 Zel은 전극의 임피던스를, Zin은 저잡음 증폭기의 입력 임피던스를 각각 나타낸다. 이때, 저잡음 증폭기에 전달되는 전압은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. Figure 1 shows an example of the configuration of a biosignal sensor. Biosignals (Vs) are collected through electrodes and transmitted to a low noise amplifier (LNA). Here, Zel represents the impedance of the electrode and Zin represents the input impedance of the low-noise amplifier. At this time, the voltage delivered to the low noise amplifier can be expressed as Equation 1 below.

따라서, 전극에서 수집된 대부분의 신호가 저잡음 증폭기로 전달되기 위해서는 저잡음 증폭기의 입력 임피던스가 높아야 한다. Therefore, in order for most of the signals collected from the electrode to be transmitted to the low-noise amplifier, the input impedance of the low-noise amplifier must be high.

뇌파(Electroencephalogram, EEGs), 심전도(electrocardiograms, ECGs) 등의 생체 신호 센서에서는 대역폭 10kHz 이하의 저주파에서 10mV 이하의 작은 신호가 전극을 통해서 수집된다. 주로 사용되는 전극으로 습식 전극(wet electrode)의 경우 100MΩ, 비접촉 전극(non-contact electrode)의 경우 1GΩ 이상의 입력 임피던스가 각각 요구된다. In biological signal sensors such as electroencephalograms (EEGs) and electrocardiograms (ECGs), small signals of 10 mV or less are collected through electrodes at low frequencies with a bandwidth of 10 kHz or less. Mainly used electrodes require an input impedance of 100MΩ or more for wet electrodes and 1GΩ or more for non-contact electrodes.

도 2는 종래의 저잡음 증폭기에서 대표적으로 사용되는 구조인 용량성 피드백 증폭기(capacitive feedback amplifier)를 나타낸다. 이때 입력 임피던스는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. Figure 2 shows a capacitive feedback amplifier, a structure typically used in conventional low-noise amplifiers. At this time, the input impedance can be expressed as Equation 2 below.

그리고 증폭기의 DC 개루프 이득(open-loop gain)이 A0일 때 증폭기의 폐루프 이득(closed-loop gain)은 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.And when the DC open-loop gain of the amplifier is A 0 , the closed-loop gain of the amplifier can be expressed as Equation 3 below.

이때 A0가 매우 크다고 가정하면 G는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. At this time, assuming that A 0 is very large, G can be expressed as in Equation 4 below.

입력 임피던스 증폭 기법의 하나로 포지티브 피드백 루프(positive feedback loop, PFL)가 있다. 도 3은 포지티브 피드백 루프(PFL)가 적용된 증폭기 회로도를 나타낸다. 아래 수학식들에서 보는 바와 같이 포지티브 피드백 루프의 전류(Ipf)와 피드백 경로에 의한 전류(Ifb)를 같도록 했을 때, 전류가 서로 상쇄되어 입력전류(Iin)는 0이 된다. 이때 입력 입피던스 Zin = Vin / Iin 이므로 Iin이 0이 됨에 따라 입력 임피던스는 증폭된다. One of the input impedance amplification techniques is positive feedback loop (PFL). Figure 3 shows an amplifier circuit diagram to which a positive feedback loop (PFL) is applied. As shown in the equations below, when the current (Ipf) of the positive feedback loop is equal to the current (Ifb) by the feedback path, the currents cancel each other out and the input current (Iin) becomes 0. At this time, since the input impedance Zin = Vin / Iin, the input impedance is amplified as Iin becomes 0.

PFL 커패시터(Cpf)의 커패시턴스의 값을 위 수학식 5의 마지막 항과 같아지도록 했을 때 입력 임피던스는 무한대로 증폭된다. When the capacitance value of the PFL capacitor (Cpf) is set to be equal to the last term of Equation 5 above, the input impedance is infinitely amplified.

그러나 IC에서 구현하는 실제 회로에서는 커패시터들의 매칭을 고려해야 한다. 따라서 위 수학식 5와 같이 Cpf를 설계하기가 매우 어렵다. 또한 실제 회로에는 기생 커패시턴스(Cp)가 존재한다. 기생 커패시턴스(Cp)에 의한 전류(Ip)에 의해 포지티브 피드백 루프에 의한 전류(Ipf)는 아래 수학식과 같이 변화하게 된다. However, in actual circuits implemented in ICs, matching of capacitors must be considered. Therefore, it is very difficult to design Cpf as shown in Equation 5 above. Additionally, parasitic capacitance (Cp) exists in real circuits. The current (Ipf) due to the positive feedback loop changes due to the current (Ip) due to the parasitic capacitance (Cp) as shown in the equation below.

따라서, Cpf가 위 수학식 5에서 유도된 값과 같아도 기생 커패시턴스의 영향으로 인해서 포지티브 피드백 루프의 전류(Ipf)와 피드백 경로에 의한 전류(Ifb)가 완벽히 상쇄되지 않아 입력 임피던스의 증폭기 제한된다. Therefore, even if Cpf is the same as the value derived from Equation 5 above, the current (Ipf) of the positive feedback loop and the current (Ifb) by the feedback path are not completely canceled due to the influence of the parasitic capacitance, so the input impedance of the amplifier is limited.

본 발명의 발명자는 이러한 문제를 해결하기 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventor of the present invention completed the present invention after a long period of research and trial and error in order to solve this problem.

본 발명의 실시예는 새로운 NC 방식을 통해 PFL 한계를 해결하고 입력 기생 커패시턴스의 영향을 최소화하며 입력 임피던스를 증폭할 수 있는 입력 임피던스 증폭 회로를 제공한다.An embodiment of the present invention provides an input impedance amplification circuit that can solve the PFL limitation, minimize the effect of input parasitic capacitance, and amplify the input impedance through a new NC method.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.Meanwhile, other unspecified purposes of the present invention will be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and its effects.

본 발명의 실시예에 따른 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기는, 생체 신호를 입력받아 증폭하여 출력 신호로 출력하기 위해 제1 초퍼, 입력부, 바이어스부, 제1 앰프, 제2 초퍼, 및 제2 앰프가 순차적으로 연결되는 증폭부; 상기 입력부와 상기 제1 앰프 사이 및 상기 제2 앰프의 후단에 직렬로 연결된 폐루프로 구현되며, 상기 생체 신호와 상기 출력 신호간의 회로 이득을 결정하는 피드백부; 상기 제1 초퍼와 상기 입력부 사이 및 상기 제2 앰프의 후단에 병렬로 연결된 폐루프로 구현되며, 상기 피드백부에 의한 제1 전류에 대응하는 제2 전류를 발생시켜서 입력 임피던스를 증가시키는 포지티브 피드백 루프부; 및 상기 제1 초퍼의 후단 및 상기 입력부의 전단에 병렬로 연결되며, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 차이에 대응하는 제3 전류를 발생시켜서 입력 임피던스를 증가시키는 네거티브 커패시턴스 회로부;를 포함할 수 있다. An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit according to an embodiment of the present invention includes a first chopper, an input unit, a bias unit, a first amplifier, and a second chopper to receive and amplify the biological signal and output it as an output signal. , and an amplifier unit to which a second amplifier is sequentially connected; a feedback unit implemented as a closed loop connected in series between the input unit and the first amplifier and at a rear end of the second amplifier, and determining a circuit gain between the biological signal and the output signal; A positive feedback loop that is implemented as a closed loop connected in parallel between the first chopper and the input unit and to the rear end of the second amplifier, and increases the input impedance by generating a second current corresponding to the first current by the feedback unit. wealth; And a negative capacitance circuit connected in parallel to the rear end of the first chopper and the front end of the input unit, and to increase the input impedance by generating a third current corresponding to the difference between the first current and the second current. You can.

상기 제3 전류는 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 차이와 동일한 값을 가질 수 있다. The third current may have the same value as the difference between the first current and the second current.

상기 피드백부는 제3 초퍼 및 피드백 커패시터의 순차적 연결에 의해 구성될 수 있다. The feedback unit may be configured by sequentially connecting a third chopper and a feedback capacitor.

상기 포지티브 피드백 루프부는 제4 초퍼 및 임피던스 부스팅 커패시터의 순차적 연결에 의해 구성될 수 있다. The positive feedback loop unit may be configured by sequentially connecting a fourth chopper and an impedance boosting capacitor.

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 교차-결합 NMOS 트랜지스터 쌍을 포함할 수 있다. The negative capacitance circuitry may include a pair of cross-coupled NMOS transistors.

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 상기 생체 신호의 제1 극성에 응답하여 게이팅되는 제1 NMOS 트랜지스터; 및 상기 생체 신호의 제2 극성에 응답하여 게이팅되는 제2 NMOS 트랜지스터;를 포함하되, 상기 제1 NMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 드레인으로 연결되고, 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 제1 NMOS 트랜지스터의 드레인으로 연결될 수 있다. The negative capacitance circuit unit includes a first NMOS transistor gated in response to a first polarity of the biological signal; and a second NMOS transistor gated in response to the second polarity of the biological signal, wherein the gate of the first NMOS transistor is connected to the drain of the second NMOS transistor, and the gate of the second NMOS transistor is connected to the drain of the second NMOS transistor. It may be connected to the drain of the first NMOS transistor.

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 제1 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제1 전원전압에 연결되는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터; 제2 노드와 제3 노드에서 각각 소오스가 상기 제1 트랜지스터의 드레인 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인과 접속되며, 서로 교차 결합되는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터; 및 상기 생체 신호의 제1 극성에 의한 전압이 형성되는 제4 노드와 상기 생체 신호의 제2 극성에 의한 전압이 형성되는 제5 노드에서 각각 드레인이 상기 제3 트랜지스터의 드레인 및 상기 제4 트랜지스터의 드레인과 접속되며, 제6 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제2 전원전압에 연결되는 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터;를 포함하되, 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 접속되는 커패시터;를 포함할 수 있다. The negative capacitance circuit unit includes a first transistor and a second transistor each having a gate commonly connected to a first node and each having a source connected to a first power voltage; a third transistor and a fourth transistor whose source is connected to the drain of the first transistor and the drain of the second transistor at the second node and the third node, respectively, and which are cross-coupled with each other; and the drain of the third transistor and the drain of the fourth transistor at the fourth node where the voltage according to the first polarity of the biological signal is formed and the fifth node where the voltage according to the second polarity of the biological signal is formed, respectively. A fifth transistor and a sixth transistor are connected to the drain, have a gate commonly connected to the sixth node, and have a source connected to the second power voltage, respectively, and are connected between the second node and the third node. It may include a capacitor;

상기 제1 노드에는 제2 제어입력에 의한 전압이 형성되고, 상기 제6 노드에는 제1 제어입력에 의한 전압이 형성될 수 있다. A voltage due to a second control input may be formed at the first node, and a voltage due to the first control input may be formed at the sixth node.

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 교차-결합 인버터 쌍을 포함할 수 있다. The negative capacitance circuitry may include a cross-coupled inverter pair.

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 상기 생체 신호의 제1 극성에 응답하여 제1 인버팅 출력을 생성하는 제1 인버터; 및 상기 생체 신호의 제2 극성에 응답하여 제2 인버팅 출력을 생성하는 제2 인버터;를 포함하되, 상기 제2 인버팅 출력은 상기 제1 인버터의 게이트로 연결되고, 상기 제1 인버팅 출력은 상기 제2 인버터의 게이트로 연결될 수 있다. The negative capacitance circuit unit includes a first inverter that generates a first inverting output in response to a first polarity of the biological signal; and a second inverter that generates a second inverting output in response to the second polarity of the biological signal, wherein the second inverting output is connected to the gate of the first inverter, and the first inverting output is connected to the gate of the first inverter. may be connected to the gate of the second inverter.

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 서로 직렬로 연결된 제1 저항 및 제2 저항;을 더 포함하되, 상기 제1 저항의 일단은 상기 제2 인버터의 게이트로 연결되고, 상기 제2 저항의 타단은 상기 제1 인버터의 게이트로 연결될 수 있다. The negative capacitance circuit unit further includes a first resistor and a second resistor connected in series with each other, wherein one end of the first resistor is connected to the gate of the second inverter, and the other end of the second resistor is connected to the gate of the first inverter. It can be connected to the gate of .

상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 제1 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제1 전원전압에 연결되는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터; 제2 노드와 제3 노드에서 각각 소오스가 상기 제1 트랜지스터의 드레인 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인과 접속되며, 서로 교차 결합되는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터; 상기 생체 신호의 제1 극성에 의한 전압이 형성되는 제4 노드와 상기 생체 신호의 제2 극성에 의한 전압이 형성되는 제5 노드에서 각각 게이트가 상기 제3 트랜지스터의 게이트 및 상기 제4 트랜지스터의 게이트와 공통 접속되며, 서로 교차 결합되는 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터; 및 제6 노드와 제7 노드에서 각각 드레인이 상기 제5 트랜지스터의 소오스 및 상기 제6 트랜지스터의 소오스와 접속되며, 제8 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제2 전원전압에 연결되는 제7 트랜지스터 및 제8 트랜지스터;를 포함하되, 상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 접속되며 제9 노드를 통해 서로 직렬로 접속되는 제1 저항 및 제2 저항; 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 접속되는 제1 커패시터; 및 상기 제6 노드와 상기 제7 노드 사이에 접속되는 제2 커패시터;를 포함할 수 있다. The negative capacitance circuit unit includes a first transistor and a second transistor each having a gate commonly connected to a first node and each having a source connected to a first power voltage; a third transistor and a fourth transistor whose source is connected to the drain of the first transistor and the drain of the second transistor at the second node and the third node, respectively, and which are cross-coupled with each other; The gate of the third transistor and the gate of the fourth transistor are formed at the fourth node where the voltage according to the first polarity of the biological signal is formed and the fifth node where the voltage according to the second polarity of the biological signal is formed, respectively. a fifth transistor and a sixth transistor that are commonly connected and cross-coupled with each other; and a drain connected to the source of the fifth transistor and the source of the sixth transistor at each of the sixth and seventh nodes, and a gate commonly connected to the eighth node, and each source connected to a second power voltage. a seventh transistor and an eighth transistor; including a first and second resistor connected between the fourth node and the fifth node and connected in series with each other through a ninth node; a first capacitor connected between the second node and the third node; and a second capacitor connected between the sixth node and the seventh node.

상기 제1 노드에 형성되는 전압, 상기 제8 노드에 형성되는 전압 및 상기 제9 노드에 형성되는 전압은 서로 동등할 수 있다. The voltage formed at the first node, the voltage formed at the eighth node, and the voltage formed at the ninth node may be equal to each other.

상기 제1 저항과 제2 저항의 크기는 동일할 수 있다. The sizes of the first resistor and the second resistor may be the same.

상기 제1 커패시터와 제2 커패시터의 크기는 동일할 수 있다. The sizes of the first capacitor and the second capacitor may be the same.

본 기술은 새로운 NC 방식을 통해 PFL 한계를 해결하고 입력 기생 커패시턴스의 영향을 최소화하며 입력 임피던스를 증폭할 수 있는 입력 임피던스 증폭 회로를 제공할 수 있다.This technology can solve the PFL limitation through a new NC method, minimize the effect of input parasitic capacitance, and provide an input impedance amplification circuit that can amplify the input impedance.

또한 본 기술은 아날로그 증폭기의 입력 임피던스를 증폭하여 다양한 어플리케이션에 적용할 수 있는 네거티브 커패시턴스 방식의 입력 임피던스 증폭 회로를 제공할 수 있다.Additionally, this technology can provide a negative capacitance type input impedance amplification circuit that can be applied to various applications by amplifying the input impedance of an analog amplifier.

도 1은 생체 신호 센서의 구성예를 나타낸다.
도 2는 종래의 저잡음 증폭기에서 대표적으로 사용되는 구조인 용량성 피드백 증폭기를 나타낸다.
도 3은 포지티브 피드백 루프가 적용된 증폭기 회로도를 나타낸다.
도 4는 네거티브 커패시턴스 방식의 입력 임피던스 증폭 회로도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네거티브 커패시턴스의 특성을 포지티브 피드백 루프와 결합한 입력 임피던스 증폭 회로도를 도시한다.
도 6은 CCIA에 관한 블록도를 도시한다.
도 7a는 도 6에 도시된 CCIA에 대한 초퍼의 클럭 다이어그램을 나타낸다.
도 7b는 도 7a에 도시된 클럭 페이즈에 따른 Cin의 충전 및 방전을 도시한다.
도 8은 PFL이 적용된 CCIA의 일 구현예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 NC의 구성 예로서, 교차-결합 NMOS 트랜지스터 쌍을 포함하는 회로도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 NC 회로도의 다른 구성 예로서, 교차-결합 인버터 쌍을 포함하는 NC 회로도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라, 도 8 내지 도 10에서 상술한 PFL 및 NC가 적용된 CCIA 회로도로서, 생체 신호 센서용 증폭기를 나타낸다.
도 12는 비교예와 발명예에 대해 입력 임피던스 증폭 방식에 따른 입력 임피던스 측정 결과를 나타낸다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
Figure 1 shows an example of the configuration of a biosignal sensor.
Figure 2 shows a capacitive feedback amplifier, which is a structure typically used in conventional low-noise amplifiers.
Figure 3 shows an amplifier circuit diagram to which a positive feedback loop is applied.
Figure 4 shows a negative capacitance type input impedance amplification circuit diagram.
Figure 5 shows an input impedance amplification circuit diagram combining the characteristics of negative capacitance with a positive feedback loop according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a block diagram for CCIA.
FIG. 7A shows a clock diagram of the chopper for the CCIA shown in FIG. 6.
Figure 7b shows the charging and discharging of Cin according to the clock phase shown in Figure 7a.
Figure 8 shows an implementation example of CCIA to which PFL is applied.
Figure 9 shows a circuit diagram as an example of the configuration of an NC according to an embodiment of the present invention, including a pair of cross-coupled NMOS transistors.
Figure 10 shows another configuration example of an NC circuit diagram according to an embodiment of the present invention, showing an NC circuit diagram including a cross-coupled inverter pair.
Figure 11 is a CCIA circuit diagram to which the PFL and NC described above in Figures 8 to 10 are applied, according to an embodiment of the present invention, and shows an amplifier for a biological signal sensor.
Figure 12 shows input impedance measurement results according to the input impedance amplification method for the comparative example and the inventive example.
The attached drawings are intended as reference for understanding the technical idea of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.

위와 같은 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은, 이해의 편의를 제공할 의도 이외에는 다른 의도 없이, 개시된 내용이 보다 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to enable the disclosed content to be more thorough and complete and to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art, without any intention other than to provide convenience of understanding.

본 명세서에서, 어떤 소자 또는 라인들이 대상 소자 블록에 연결된다 라고 언급된 경우에 그것은 직접적인 연결뿐만 아니라 어떤 다른 소자를 통해 대상 소자 블록에 간접적으로 연결된 의미까지도 포함한다.In this specification, when it is mentioned that certain elements or lines are connected to the target element block, it includes not only direct connection but also indirect connection to the target element block through some other element.

또한, 각 도면에서 제시된 동일 또는 유사한 참조 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 가급적 나타내고 있다. 일부 도면들에 있어서, 소자 및 라인들의 연결관계는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 나타나 있을 뿐, 타의 소자나 회로블록들이 더 구비될 수 있다.In addition, the same or similar reference signs in each drawing indicate the same or similar components as much as possible. In some drawings, the connection relationships between elements and lines are only shown for effective explanation of technical content, and other elements or circuit blocks may be further provided.

여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함될 수 있으며, 네거티브 커패시턴스 타입에서 입력 임피던스 증폭의 일반적 동작 및 그러한 일반적 동작을 수행하기 위한 회로나 소자에 과한 세부는 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 상세히 설명되지 않음을 유의한다.Each embodiment described and illustrated herein may also include its complementary embodiment, and details regarding the general operation of input impedance amplification in a negative capacitance type and the circuitry or elements for performing such general operation are intended to summarize the gist of the present invention. Please note that this is not explained in detail to avoid ambiguity.

도 4는 네거티브 커패시턴스(NC) 방식의 입력 임피던스 증폭 회로도를 도시한다. Figure 4 shows a negative capacitance (NC) type input impedance amplification circuit diagram.

NC에 의해서 생성된 전류(INC)에 의해서 피드백 경로에 의한 전류(Ifb)가 상쇄될 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 입력 임피던스가 증가할 수 있게 된다. It can be confirmed that the current (Ifb) due to the feedback path can be canceled by the current (I NC ) generated by NC. Therefore, the input impedance can increase.

상세하게 노드(X)에서의 전압(VX)은 아래 수학식과 같이 표현될 수 있다. In detail, the voltage ( V

NC가 적용되었을 때 입력 임피던스 Zin,boost는 다음과 같이 표현될 수 있다. When NC is applied, the input impedance Zin,boost can be expressed as follows.

위 수학식 8로부터 입력 임피던스가 증폭됨을 알 수 있다. From Equation 8 above, it can be seen that the input impedance is amplified.

이러한 NC 방식을 통한 입력 임피던스 증폭은 기생 커패시턴스의 영향으로 인한 입력 임피던스 증폭의 제한을 완화하여 더 높은 수준의 입력 임피던스 증폭이 가능하도록 한다. 따라서 NC가 적용된 회로에서는 GΩ수준으로 증폭된 입력 임피던스를 갖도록 하는 것이 가능하다. Input impedance amplification through this NC method alleviates the limitations of input impedance amplification due to the effects of parasitic capacitance, enabling a higher level of input impedance amplification. Therefore, in a circuit where NC is applied, it is possible to have an input impedance amplified to the GΩ level.

앞서 도 3에서 상술한 바와 같이, PFL을 활용한 방식의 입력 임피던스 증폭은 입력단의 기생 커패시턴스에 의해 PFL을 통한 전류의 값이 변하여 입력 임피던스 증폭이 제한된다는 한계가 있다. 그러나 상술한 NC를 통한 입력 임피던스는 다른 방식으로 작동한다. 첫 번째로 위 수학식 8에서와 같이 기존 1/sCin이던 입력 임피던스는 아래 수학식과 같이 α에 의해 증폭된다.As previously described in detail in FIG. 3, input impedance amplification using a PFL has a limitation in that the value of the current through the PFL changes due to the parasitic capacitance of the input terminal, thereby limiting the input impedance amplification. However, the input impedance through the NC described above works in a different way. First, as shown in Equation 8 above, the input impedance, which was previously 1/sCin, is amplified by α as shown in the equation below.

상기 수학식 9로부터 입력 임피던스의 증폭도(α)는 증폭기의 개루프 이득(A(s)), 입력 커패시턴스(Cin), 피드백 루프의 임피던스(Zf) 및 주파수(s)에 의해서 결정됨을 알 수 있다. 오로지 포지티브 피드백 루프의 커패시턴스(Cpf)의 크기를 통해 입력 임피던스를 증폭하는 PFL과는 달리 NC방식을 적용하는 경우 설계의 유연성이 크게 향상된다. 그리고 일반적으로 증폭기의 개루프 이득(A(s))은 매우 큰 값이므로 저주파 영역에서 α는 매우 큰 값을 갖는다.From Equation 9, it can be seen that the amplification degree (α) of the input impedance is determined by the open-loop gain (A(s)) of the amplifier, the input capacitance (Cin), the impedance (Zf) of the feedback loop, and the frequency (s). there is. Unlike PFL, which amplifies the input impedance solely through the size of the capacitance (Cpf) of the positive feedback loop, design flexibility is greatly improved when the NC method is applied. And generally, the open-loop gain (A(s)) of an amplifier is a very large value, so α has a very large value in the low-frequency region.

본 발명의 실시예에서는 이러한 NC의 특성을 PFL과 결합하여 입력 임피던스를 증폭하는 회로를 제안한다. An embodiment of the present invention proposes a circuit that amplifies the input impedance by combining the characteristics of NC with PFL.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네거티브 커패시턴스(NC)의 특성을 포지티브 피드백 루프(PFL)와 결합한 입력 임피던스 증폭 회로도를 도시한다. Figure 5 shows an input impedance amplification circuit diagram combining the characteristics of negative capacitance (NC) with a positive feedback loop (PFL) according to an embodiment of the present invention.

PFL에 의해 발생되는 전류(Ipf)는 앞서 설명한 공정상의 한계로 인해서 포지티브 피드백 루프의 커패시턴스(Cpf)의 값을 피드백 경로에 의한 커패시턴스(Cfb)와 일치시켜서 입력 임피던스를 폐루프 이득(G)만큼 증폭하게 된다. 그러나 이는 폐루프 이득이 낮은 경우에는 적용하기 힘든 한계가 있다. 폐루프 이득이 낮을수록 증폭 효과가 낮아져 예를 들어 폐루프 이득이 4일 경우 입력 임피던스는 약 4배 증가에 그친다. 또한 입력 커패시턴스(Cin)에 존재하는 기생 커패시턴스의 영향으로 인해서 PFL의 전류(Ipf)를 피드백 경로에 의한 전류(Ifb)와 정확하게 일치시키지 못하여 입력 임피던스 증폭에 한계를 지닌다. 기생 커패시턴스에 의해 변화된 전류를 Ipf_mod라고 하면 Ipf_mod는 Ifb와 일치하지 않는다.Due to the process limitations described above, the current (Ipf) generated by the PFL is amplified by matching the capacitance (Cpf) of the positive feedback loop with the capacitance (Cfb) of the feedback path to amplify the input impedance by the closed-loop gain (G). I do it. However, this has limitations that make it difficult to apply when the closed-loop gain is low. The lower the closed loop gain, the lower the amplification effect. For example, if the closed loop gain is 4, the input impedance only increases by about 4 times. In addition, due to the influence of the parasitic capacitance present in the input capacitance (Cin), the current (Ipf) of the PFL cannot be accurately matched to the current (Ifb) by the feedback path, which limits input impedance amplification. If the current changed by the parasitic capacitance is called Ipf_mod, Ipf_mod does not match Ifb.

이때 계측 증폭기(IA)의 입력부에 NC를 추가하여 PFL의 전류를 보상해줄 수 있다. NC에 의한 전류(INC)를 Ifb-Ipf_mod와 일치시키면 이론적으로 입력 임피던스는 무한대가 된다. 즉, NC를 추가하는 경우 PFL의 전류를 보상해주어 입력 임피던스의 증폭도가 큰 폭으로 증가하게 된다. 이러한 이점으로 PFL과 결합된 NC 방식은 폐루프 이득이 낮은 경우에도 적용할 수 있다.At this time, the current of the PFL can be compensated by adding NC to the input of the instrumentation amplifier (IA). If the current by NC (I NC ) is matched to Ifb-Ipf_mod, the input impedance theoretically becomes infinite. In other words, when NC is added, the current of the PFL is compensated and the amplification of the input impedance increases significantly. With these advantages, the NC method combined with PFL can be applied even when the closed-loop gain is low.

이하 NC를 통한 입력 임피던스 증폭 방식의 실시예로서, NC가 적용된 CCIA를 중심으로 살펴본다. Hereinafter, as an example of an input impedance amplification method using NC, we will focus on CCIA to which NC is applied.

먼저 도 6은 CCIA(capacitively-coupled chpper instrumentation amplifier)에 관한 블록도를 도시한다. 초핑(chopping)은 진폭 변조(AM)의 원리를 이용한 노이즈 저감기법으로서, 입력신호를 초핑 클럭에 상응하여 변조하여 고주파 영역으로 이동함으로써 저주파에 존재하는 노이즈를 피해서 증폭시킨 후 다시 복조하여 원래의 주파수 영역으로 이동시키는 방식이다. CCIA는 도 6에 도시된 바와 같이 커패시터의 비율로 신호를 증폭하는 구조로 동작한다. 즉, 용량성 피드백(Capacitive-feedback) 형태로 Cin과 Cfb의 비율 Cin/Cfb로 이득이 결정된다. 또한 초핑 동작으로 인해서 1/f 노이즈의 영향이 크게 감소한다는 장점을 갖는다. 커패시터로 구성되기 때문에 미스매치(mismatch)에 강하고 DC 전력 소모가 없으므로 저전력 설계에 유리하다. 그러나 초퍼의 스위칭 동작으로 인해서 입력 임피던스 감소가 존재하게 된다. First, Figure 6 shows a block diagram of a capacitively-coupled chip instrumentation amplifier (CCIA). Chopping is a noise reduction technique that uses the principle of amplitude modulation (AM). It modulates the input signal corresponding to the chopping clock and moves it to the high frequency region to avoid noise at low frequencies, amplifies it, and then demodulates it again to return to the original frequency. This is a method of moving to an area. CCIA operates in a structure that amplifies the signal at the capacitor ratio, as shown in FIG. 6. In other words, the gain is determined by the ratio Cin/Cfb of Cin and Cfb in the form of capacitive feedback. Additionally, it has the advantage that the influence of 1/f noise is greatly reduced due to the chopping operation. Because it is composed of a capacitor, it is resistant to mismatch and does not consume DC power, making it advantageous for low-power design. However, there is a decrease in input impedance due to the chopper's switching operation.

그리고 도 7a는 도 6에 도시된 CCIA에 대한 초퍼의 클럭 다이어그램을 나타낸다. 도 7b는 도 7a에 도시된 클럭 페이즈에 따른 Cin의 충전 및 방전을 도시한다. 도 7a의 초핑 동작시 도 7b에 도시된 바와 같이 입력 커패시터(Cin)가 Vin+와 Vin-로 스위칭되며 충전 및 방전을 반복한다. 즉, 극성이 초퍼 주파수에 따라 변화하게 되고, 입력 커패시터(Cin)는 극성이 바뀜에 따라 충방전을 반복한다. 이때 Vcin = 2Vin = 1/(fchop*Cin)*Iin의 관계에 있으므로 입력 임피던스는 아래와 같이 나타낼 수 있다. fchop은 초핑 주파수이다.And FIG. 7A shows a clock diagram of the chopper for CCIA shown in FIG. 6. Figure 7b shows the charging and discharging of Cin according to the clock phase shown in Figure 7a. During the chopping operation of FIG. 7A, the input capacitor Cin is switched between Vin+ and Vin-, and charging and discharging are repeated, as shown in FIG. 7B. In other words, the polarity changes depending on the chopper frequency, and the input capacitor (Cin) repeats charging and discharging as the polarity changes. At this time, since there is a relationship of Vcin = 2Vin = 1/(fchop*Cin)*Iin, the input impedance can be expressed as follows. fchop is the chopping frequency.

이어서 도 8은 PFL이 적용된 CCIA의 일 구현예를 나타낸다. CCIA는 2단 밀러 보상 연산증폭기(two-stage Miller-compensated opamp)(Gm1 및 Gm2)로 구성되며, Cm1,2는 밀러 보상 커패시터(Miller-compensation capacitor)이다. 입력신호 Vin은 CCIA에서 증폭되어 출력 Vout으로 나타난다. CCIA의 DC 바이어스는 기준 전압 Vref와 연결된 바이어스 저항 Rb1,2를 통해 확보된다. Cp1,2는 입력 커패시터의 기생 성분을 나타낸다.Next, Figure 8 shows an implementation example of CCIA to which PFL is applied. CCIA consists of a two-stage Miller-compensated opamp (Gm1 and Gm2), and Cm1 and Cm2 are Miller-compensation capacitors. The input signal Vin is amplified at CCIA and appears as output Vout. The DC bias of the CCIA is secured through bias resistors Rb1,2 connected to the reference voltage Vref. Cp1,2 represent the parasitic components of the input capacitor.

도 8에 도시된 바와 같이, 입력 신호(Vin)가 지나는 메인 패스에 네거티브 피드백 루프(NFL)가 포함될 수 있다. 메인 패스(Main Path)는 입력 신호(Vin)가 입력되는 입력단, 제1 OTA(OTA1), 제2 OTA(OTA2) 및 출력 신호(Vout)가 출력되는 출력단으로 연결되는 경로를 의미할 수 있다. 구체적으로, 네거티브 피드백 루프(NFL)는 제1 OTA(OTA1)의 입력부와 제2 OTA(OTA2)의 출력부 사이에 Cfb와 CHfb가 직렬로 연결된 폐루프로 구현된 것일 수 있다. 제1 OTA 및 제2 OTA는 각각 인가된 입력 전압을 트랜스컨덕턴스(각각 Gm1 및 Gm2)에 비례하여 출력전류로 내보내 주는 증폭기일 수 있다. 제1 OTA 및 제2 OTA를 통한 고유 이득을 설정한 후 네거티브 피드백 루프를 통해 전체 회로 이득을 조정할 수 있다. 그리고 입력전류를 PFL의 전류(Ipf1,2)로 공급하여 입력 임피던스를 증폭할 수 있다. As shown in FIG. 8, a negative feedback loop (NFL) may be included in the main path through which the input signal (Vin) passes. The main path may refer to a path connected to an input terminal where the input signal (Vin) is input, a first OTA (OTA1), a second OTA (OTA2), and an output terminal where the output signal (Vout) is output. Specifically, the negative feedback loop (NFL) may be implemented as a closed loop in which Cfb and CHfb are connected in series between the input unit of the first OTA (OTA1) and the output unit of the second OTA (OTA2). The first OTA and the second OTA may be amplifiers that output the applied input voltage as an output current in proportion to the transconductance (Gm1 and Gm2, respectively). After setting the intrinsic gain through the first OTA and the second OTA, the overall circuit gain can be adjusted through a negative feedback loop. And the input impedance can be amplified by supplying the input current as the PFL current (Ipf1, 2).

앞서 수학식 6에서 보인 바와 같이 Ipf1,2와 Ifb1,2의 전류가 같도록 설정을 하더라도 기생 커패시턴스에 의해서 Ipf1,2는 변하게 된다. 따라서 도 6에서 상술한 바와 같이 NC에서 생성되는 전류를 -(I'pf1,2-Ifb1,2)와 같도록 전류를 보상하여 입력 임피던스를 더 높은 수준으로 증폭할 수 있다. 즉, Cin과 병렬로 NC를 연결하여 입력 임피던스를 증폭할 수 있다.As shown in Equation 6 above, even if the currents of Ipf1,2 and Ifb1,2 are set to be the same, Ipf1,2 changes due to parasitic capacitance. Therefore, as described above in FIG. 6, the input impedance can be amplified to a higher level by compensating the current generated by the NC to be equal to -(I'pf1,2-Ifb1,2). In other words, the input impedance can be amplified by connecting NC in parallel with Cin.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 NC의 구성 예로서, 교차-결합 NMOS 트랜지스터 쌍(Cross-coupled NMOS transistor pair)을 포함하는 회로도를 도시한다. Figure 9 shows a circuit diagram including a cross-coupled NMOS transistor pair as an example of the configuration of an NC according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 바와 같이, NC 회로(NC)는 입력 신호의 제1 극성에 응답하여 게이팅되는 NMOS 트랜지스터(M3) 및 입력 신호의 제2 극성에 응답하여 게이팅되는 NMOS 트랜지스터(M4)로 이루어지는 교차-결합 NMOS 트랜지스터 쌍을 포함한다. 이때, NMOS 트랜지스터(M3)의 게이트는 NMOS 트랜지스터(M4)의 드레인으로 연결되고, NMOS 트랜지스터(M4)의 게이트는 NMOS 트랜지스터(M3)의 드레인으로 연결된다. As shown in FIG. 9, the NC circuit (NC) is a cross circuit consisting of an NMOS transistor (M3) gated in response to the first polarity of the input signal and an NMOS transistor (M4) gated in response to the second polarity of the input signal. -Contains a pair of coupled NMOS transistors. At this time, the gate of the NMOS transistor M3 is connected to the drain of the NMOS transistor M4, and the gate of the NMOS transistor M4 is connected to the drain of the NMOS transistor M3.

보다 상세하게, 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)는 제1 노드(N1)에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제1 전원전압(VSS)에 연결된다. 제3 트랜지스터(M3) 및 제4 트랜지스터(M4)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3)에서 각각 소오스가 제1 트랜지스터(M1)의 드레인 및 제2 트랜지스터(M2)의 드레인과 접속되며, 서로 교차 결합된다. 제5 트랜지스터(M5) 및 제6 트랜지스터(M6)는 입력 신호의 제1 극성에 의한 전압이 형성되는 제4 노드(N4)와 입력 신호의 제2 극성에 의한 전압이 형성되는 제5 노드(N5)에서 각각 드레인이 제3 트랜지스터(M3)의 드레인 및 제4 트랜지스터(M4)의 드레인과 접속되며, 제6 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제2 전원전압(VDD)에 연결된다. 그리고, 커패시터(Cn)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 접속된다. In more detail, the first transistor M1 and the second transistor M2 have gates commonly connected to the first node N1, and their sources are each connected to the first power voltage VSS. The source of the third transistor M3 and the fourth transistor M4 is connected to the drain of the first transistor M1 and the drain of the second transistor M2 at the second node N2 and the third node N3, respectively. and are cross-linked with each other. The fifth transistor (M5) and the sixth transistor (M6) are a fourth node (N4) where a voltage according to the first polarity of the input signal is formed and a fifth node (N5) where a voltage according to the second polarity of the input signal is formed. ), each drain is connected to the drain of the third transistor (M3) and the drain of the fourth transistor (M4), each has a gate commonly connected to the sixth node, and each source is connected to the second power voltage (VDD). . And, the capacitor Cn is connected between the second node N2 and the third node N3.

제1 노드(N1)에는 제2 제어입력(VB2)에 의한 전압이 형성되고, 제6 노드(N6)에는 제1 제어입력VB1)에 의한 전압이 형성된다. A voltage due to the second control input (VB2) is formed at the first node (N1), and a voltage due to the first control input (VB1) is formed at the sixth node (N6).

제1 내지 제4 트랜지스터들(M1 내지 M4)은 NMOS 트랜지스터일 수 있고, 제5 내지 제6 트랜지스터들(M5 내지 M6)은 PMOS 트랜지스터일 수 있다. The first to fourth transistors M1 to M4 may be NMOS transistors, and the fifth to sixth transistors M5 to M6 may be PMOS transistors.

도 9의 NC 회로도를 참조하면, NC의 출력 임피던스(Znc)는 아래와 같이 나타낼 수 있다. Referring to the NC circuit diagram of FIG. 9, the output impedance (Znc) of NC can be expressed as follows.

이때 NC에 의해서 생성되는 전류는 다음과 같다. At this time, the current generated by NC is as follows.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 NC 회로도의 다른 구성 예로서, 교차-결합 인버터 쌍(Cross-coupled inverter pair)을 포함하는 NC 회로도를 도시한다. Figure 10 shows another configuration example of an NC circuit diagram according to an embodiment of the present invention, showing an NC circuit diagram including a cross-coupled inverter pair.

도 10에 도시된 바와 같이, 입력 신호의 제1 극성에 응답하여 제1 인버팅 출력을 생성하는 제1 인버터(INV1) 및 입력 신호의 제2 극성에 응답하여 제2 인버팅 출력을 생성하는 제2 인버터(INV2)를 포함한다. 이때, 제2 인버팅 출력은 제1 인버터(INV1)의 게이트로 연결되고, 제1 인버팅 출력은 제2 인버터(INV2)의 게이트로 연결된다. As shown in FIG. 10, a first inverter (INV1) generating a first inverting output in response to the first polarity of the input signal and a second inverting output in response to the second polarity of the input signal. 2 Includes inverter (INV2). At this time, the second inverting output is connected to the gate of the first inverter (INV1), and the first inverting output is connected to the gate of the second inverter (INV2).

그리고 서로 직렬로 연결된 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)을 더 포함한다. 제1 저항(R1)의 일단은 제2 인버터(INV2)의 게이트로 연결되고, 제2 저항(R2)의 타단은 제1 인버터(INV1)의 게이트로 연결된다. 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)의 저항값은 서로 동일할 수 있다.And it further includes a first resistor (R1) and a second resistor (R2) connected in series with each other. One end of the first resistor (R1) is connected to the gate of the second inverter (INV2), and the other end of the second resistor (R2) is connected to the gate of the first inverter (INV1). The resistance values of the first resistor (R1) and the second resistor (R2) may be the same.

보다 상세하게, 제1 트랜지스터(M1) 및 제2 트랜지스터(M2)는 제1 노드(N1)에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제1 전원전압(VSS)에 연결된다. 제3 트랜지스터(M3) 및 제4 트랜지스터(M4)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3)에서 각각 소오스가 제1 트랜지스터(M1)의 드레인 및 제2 트랜지스터(M2)의 드레인과 접속되며, 서로 교차 결합된다. 제5 트랜지스터(M5) 및 제6 트랜지스터(M6)는 입력 신호의 제1 극성에 의한 전압이 형성되는 제4 노드(N4)와 입력 신호의 제2 극성에 의한 전압이 형성되는 제5 노드(N5)에서 각각 게이트가 제3 트랜지스터(M3)의 게이트 및 제4 트랜지스터(M4)의 게이트와 공통 접속되며, 서로 교차 결합된다. 제7 트랜지스터(M7) 및 제8 트랜지스터(M8)는 제6 노드(M6)와 제7 노드(M7)에서 각각 드레인이 제5 트랜지스터(M5)의 소오스 및 제6 트랜지스터(M6)의 소오스와 접속되며, 제8 노드(N8)에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제2 전원전압(VDD)에 연결된다. 그리고, 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2) 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 접속되며 제9 노드(N9)를 통해 서로 직렬로 접속된다. 또한 제1 커패시터(C1)가 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 접속되고, 제2 커패시터(C2)가 제6 노드(N6)와 제7 노드(N7) 사이에 접속된다. 제1 커패시터(C1)와 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스는 서로 동일할 수 있고, 상술한 도 9의 커패시터(Cn)의 커패시턴스의 절반에 해당하는 값을 가질 수 있다. In more detail, the first transistor M1 and the second transistor M2 have gates commonly connected to the first node N1, and their sources are each connected to the first power voltage VSS. The source of the third transistor M3 and the fourth transistor M4 is connected to the drain of the first transistor M1 and the drain of the second transistor M2 at the second node N2 and the third node N3, respectively. and are cross-linked with each other. The fifth transistor (M5) and the sixth transistor (M6) are a fourth node (N4) where a voltage according to the first polarity of the input signal is formed and a fifth node (N5) where a voltage according to the second polarity of the input signal is formed. ), each gate is commonly connected to the gate of the third transistor (M3) and the gate of the fourth transistor (M4), and are cross-coupled with each other. The drains of the seventh transistor M7 and the eighth transistor M8 are connected to the source of the fifth transistor M5 and the source of the sixth transistor M6 at the sixth node M6 and the seventh node M7, respectively. It has a gate commonly connected to the eighth node (N8), and each source is connected to the second power voltage (VDD). Additionally, the first resistor R1 and the second resistor R2 are connected between the fourth node N4 and the fifth node N5 and are connected in series to each other through the ninth node N9. Additionally, the first capacitor C1 is connected between the second node N2 and the third node N3, and the second capacitor C2 is connected between the sixth node N6 and the seventh node N7. . The capacitance of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 may be the same, and may have a value corresponding to half of the capacitance of the capacitor Cn of FIG. 9 described above.

제1 노드(N1)에 형성되는 전압, 제8 노드(N8)에 형성되는 전압 및 제9 노드(N9)에 형성되는 전압은 서로 동등할 수 있다. The voltage formed at the first node N1, the voltage formed at the eighth node N8, and the voltage formed at the ninth node N9 may be equal to each other.

제1 내지 제4 트랜지스터들(M1 내지 M4)은 NMOS 트랜지스터일 수 있고, 제5 내지 제8 트랜지스터들(M5 내지 M8)은 PMOS 트랜지스터일 수 있다. The first to fourth transistors M1 to M4 may be NMOS transistors, and the fifth to eighth transistors M5 to M8 may be PMOS transistors.

도 10에 도시된 NC 회로는 상술한 도 9 대비 저항(R1, R2)을 통해 출력 공통모드(output CM) 전압을 센싱하여 별도의 바이어스 회로 없이 구성할 수 있어 저전력 설계에 이점이 있다. 교차-결합 인버터 구조는 교차-결합 NMOS 트랜지스터 쌍(M3, M4)과 교차-결합 PMOS 트랜지스터 쌍(M5, M6)이 병렬 연결된 구조로 생각할 수 있다. NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터의 결합으로 전류효율을 나타내는 Gm/Id 지표가 상술한 도 9 대비 2배가 될 수 있다.Compared to the above-described FIG. 9, the NC circuit shown in FIG. 10 senses the output common mode (output CM) voltage through the resistors (R1, R2) and can be configured without a separate bias circuit, which is advantageous for low-power design. The cross-coupled inverter structure can be thought of as a structure in which a cross-coupled NMOS transistor pair (M3, M4) and a cross-coupled PMOS transistor pair (M5, M6) are connected in parallel. By combining an NMOS transistor and a PMOS transistor, the Gm/Id index indicating current efficiency can be doubled compared to Figure 9 described above.

만약 gm5,6와 gm3,4이 동일하다고 가정하면, 도 10의 회로의 출력 임피던스 Zout은 다음과 같이 나타낼 수 있다.If gm5,6 and gm3,4 are assumed to be the same, the output impedance Zout of the circuit of FIG. 10 can be expressed as follows.

도 11은 본 발명의 실시예에 따라, 도 8 내지 도 10에서 상술한 PFL 및 NC가 적용된 CCIA 회로도로서, 생체 신호 센서용 증폭기(100)를 나타낸다. 생체 신호 센서용 증폭기(100)는 증폭부(110), 피드백부(120), 포지티브 피드백 루프부(130) 및 네거티브 커패시턴스 회로부(140)를 포함한다. Figure 11 is a CCIA circuit diagram to which the PFL and NC described above in Figures 8 to 10 are applied, according to an embodiment of the present invention, and shows the amplifier 100 for a biological signal sensor. The amplifier 100 for a biological signal sensor includes an amplifier 110, a feedback unit 120, a positive feedback loop unit 130, and a negative capacitance circuit unit 140.

증폭부(110)는 입력신호(Vin)인 생체 신호를 입력받아 증폭하여 출력 신호(Vout)로 출력하기 위해 순차적으로 연결되는 제1 초퍼(CHin), 입력부(Cin1,2), 바이어스부(Vref, Rb1,2), 제1 앰프(OTA1), 제2 초퍼(CHout), 및 제2 앰프(OTA2)를 포함한다. 상술한 CCIA에 대응한다. The amplification unit 110 includes a first chopper (CHin), an input unit (Cin1, 2), and a bias unit (Vref) sequentially connected to receive a biological signal, which is an input signal (Vin), amplify it, and output it as an output signal (Vout). , Rb1,2), a first amplifier (OTA1), a second chopper (CHout), and a second amplifier (OTA2). Corresponds to the CCIA described above.

피드백부(120)는 입력부(Cin1,2)와 제1 앰프(OTA1) 사이 및 제2 앰프(OTA2)의 후단에 직렬로 연결된 폐루프로 구현되며, 생체 신호와 출력 신호간의 회로 이득을 결정한다. 피드백부(120)는 제3 초퍼(CHfb) 및 피드백 커패시터(Cfb1,2)의 순차적 연결에 의해 구성될 수 있다. 피드백부(120)는 상술한 NFL에 대응한다. The feedback unit 120 is implemented as a closed loop connected in series between the input units (Cin1, 2) and the first amplifier (OTA1) and the rear end of the second amplifier (OTA2), and determines the circuit gain between the biological signal and the output signal. . The feedback unit 120 may be configured by sequentially connecting a third chopper (CHfb) and feedback capacitors (Cfb1, 2). The feedback unit 120 corresponds to the NFL described above.

포지티브 피드백 루프부(130)는 제1 초퍼(CHin)와 입력부(Cp1,2) 사이 및 제2 앰프(OTA2)의 후단에 병렬로 연결된 폐루프로 구현되며, 피드백부(120)에 의한 제1 전류(Ifb1,2)에 대응하는 제2 전류(Ipf1,2)를 발생시켜서 입력 임피던스(Zin)를 증가시킨다. 포지티브 피드백 루프부(130)는 제4 초퍼(CHpf) 및 임피던스 부스팅 커패시터(Cpf1,2)의 순차적 연결에 의해 구성될 수 있다. 포지티브 피드백 루프부(130)는 상술한 PFL에 대응한다. The positive feedback loop unit 130 is implemented as a closed loop connected in parallel between the first chopper (CHin) and the input units (Cp1, 2) and the rear end of the second amplifier (OTA2), and the first amplifier by the feedback unit 120 Second currents (Ipf1,2) corresponding to the currents (Ifb1,2) are generated to increase the input impedance (Zin). The positive feedback loop unit 130 may be configured by sequentially connecting the fourth chopper (CHpf) and the impedance boosting capacitors (Cpf1 and Cpf2). The positive feedback loop unit 130 corresponds to the PFL described above.

네거티브 커패시턴스 회로부(140)는 제1 초퍼(CHin)의 후단 및 입력부(Cp1,2)의 전단에 병렬로 연결되며, 제1 전류(Ifb1,2)와 제2 전류(Ipf1,2)의 차이에 대응하는 제3 전류(INC)를 발생시켜서 입력 임피던스(Zin)를 증가시킨다. 상술한 NC에 대응한다. The negative capacitance circuit unit 140 is connected in parallel to the rear end of the first chopper (CHin) and the front end of the input unit (Cp1,2), and is connected in parallel to the difference between the first current (Ifb1,2) and the second current (Ipf1,2). A corresponding third current (I NC ) is generated to increase the input impedance (Zin). Corresponds to the NC described above.

네거티브 커패시턴스 회로부(140)에 의해 발생되는 제3 전류(INC)는 제1 전류(Ifb1,2)와 제2 전류(Ipf1,2)의 차이와 동일한 값을 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2 전류(Ipf1,2)는 기생 커패시턴스(Cp1,2, 도 8 참조)의 존재로 인하여 변화된 값(I'pf1,2)을 갖는다. 따라서 도면에 도시된 바와 같이 제3 전류(INC)의 양을 -(I'pf - Ifb)와 같게 하면 입력 임피던스(Zin)는 매우 큰 값으로 증폭될 수 있다. The third current (I NC ) generated by the negative capacitance circuit unit 140 may have the same value as the difference between the first currents (Ifb1,2) and the second currents (Ipf1,2). As described above, the second current (Ipf1,2) has a changed value (I'pf1,2) due to the presence of the parasitic capacitance (Cp1,2, see FIG. 8). Therefore, as shown in the figure, if the amount of the third current (I NC ) is equal to -(I'pf - Ifb), the input impedance (Zin) can be amplified to a very large value.

기존에는 PFL을 통해서 입력 임피던스를 부스팅하는 경우에, 미스매치로 인해 계산 값과 같은 정확한 커패시턴스를 구현하기 힘든 문제가 있었고, 이로 인해 피드백 루프의 커패시터와 유닛 사이즈를 매칭하여 폐루프 이득만큼 임피던스를 부스팅하는 방식이 일반적이었다. 또한 기생 커패시턴스의 영향으로 인해서 Ipf 값이 변하여 임피던스 부스팅의 효과가 감소하는 문제가 있었다. 이에 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 증폭 회로는, PFL을 폐루프 이득이 작은 PGA에 적용하는 경우 입력 임피던스 부스팅 효과가 매우 작다는 점을 극복하기 위해, PFL을 보상하기 위한 NC 회로를 추가 적용하였다. 즉, PFL에서 필요한 커패시터 보다 작은 커패시터 사이즈로 인해 부족한 전류 및 기생 커패시턴스에 의한 누설 전류를 NC 회로에서 보상해 주도록 한다. Previously, when boosting the input impedance through PFL, there was a problem that it was difficult to implement an accurate capacitance equal to the calculated value due to mismatch, so the impedance was boosted by the closed-loop gain by matching the unit size with the capacitor of the feedback loop. The way it was done was common. Additionally, there was a problem in that the Ipf value changed due to the influence of parasitic capacitance, reducing the effect of impedance boosting. Accordingly, in the impedance amplification circuit according to an embodiment of the present invention, an NC circuit to compensate for the PFL was additionally applied to overcome the fact that the input impedance boosting effect is very small when the PFL is applied to a PGA with a small closed-loop gain. . In other words, the NC circuit compensates for leakage current due to insufficient current and parasitic capacitance due to a capacitor size smaller than the capacitor required in the PFL.

도 12는 비교예와 발명예에 대해 입력 임피던스 증폭 방식에 따른 입력 임피던스 측정 결과를 나타낸다. 입력 임피던스 증폭을 하지 않은 경우(No Zin Boost)의 입력 임피던스는 150MΩ의 값을 가졌다(비교예 1). 비교예 1 대비, PFL로 입력 임피던스를 증폭하는 경우(PFL Only) 기생 커패시턴스의 영향으로 인해서 증폭된 입력 임피던스는 400MΩ의 값을 가졌다(비교예 2). 비교예 1 및 비교예 2 대비, PFL 및 NC가 적용된 회로의 경우(NC+PFL) 입력 임피던스는 약 3.9GΩ으로 증폭되는 것을 확인할 수 있다(발명예). PFL만을 사용했을 때, 약 2.6배 증폭된 반면, NC를 적용한 경우 약 26배 증폭되어 PFL만 사용한 경우에 비하여 약 10배의 입력 임피던스 증폭량을 보인다. Figure 12 shows input impedance measurement results according to the input impedance amplification method for the comparative example and the inventive example. In the case where input impedance amplification was not performed (No Zin Boost), the input impedance had a value of 150 MΩ (Comparative Example 1). Compared to Comparative Example 1, when the input impedance was amplified by PFL (PFL Only), the amplified input impedance had a value of 400 MΩ due to the influence of parasitic capacitance (Comparative Example 2). Compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it can be seen that in the case of the circuit to which PFL and NC are applied (NC+PFL), the input impedance is amplified to about 3.9GΩ (invention example). When only PFL is used, it is amplified by about 2.6 times, while when NC is applied, it is amplified by about 26 times, showing an input impedance amplification amount of about 10 times compared to when only PFL is used.

상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 작은 면적으로 저전력 동작이 가능한 NC 회로를 이용하여 입력 임피던스를 증폭시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 입력된 신호를 증폭기로 전달하는 회로에 널리 적용할 수 있으며, 다만 생체 신호 센서용 증폭기에 더욱 적합하게 적용할 수 있다. 또한 배터리로 구동되는 센서용 회로에서 저전력과 면적으로 구동할 수 있다. 증폭기의 입력 임피던스를 증가시켜 신호를 전달받기에 유리하다. According to the above-described embodiment of the present invention, the input impedance can be amplified using an NC circuit capable of low-power operation in a small area. Embodiments of the present invention can be widely applied to circuits that transmit input signals to amplifiers, but can be more suitably applied to amplifiers for biological signal sensors. Additionally, it can be operated with low power and area in battery-powered sensor circuits. It is advantageous to receive signals by increasing the input impedance of the amplifier.

본 문서에서 사용된 용어 "부"는, 예를 들면, 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 단위(unit)를 의미할 수 있다. "부"는, 예를 들면, 모듈(module), 유닛(unit), 로직(logic), 논리 블록(logical block), 부품(component), 또는 회로(circuit) 등의 용어와 바꾸어 사용(interchangeably use)될 수 있다. "부"는, 일체로 구성된 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. "부"는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수도 있다. "부"는 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있다. 예를 들면, "부"는, 알려졌거나 앞으로 개발될, 어떤 동작들을 수행하는 ASIC(application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs(field-programmable gate arrays) 또는 프로그램 가능 논리 장치(programmable-logic device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The term “unit” used in this document may mean, for example, a unit including one or a combination of two or more of hardware, software, or firmware. “Part” can be used interchangeably with terms such as, for example, module, unit, logic, logical block, component, or circuit. ) can be. A “part” may be the minimum unit of an integrated part or a part thereof. “Part” may be the minimum unit or part of one or more functions. The “part” may be implemented mechanically or electronically. For example, a “part” may be an application-specific integrated circuit (ASIC) chip, field-programmable gate arrays (FPGAs), or programmable-logic device, known or to be developed in the future, that performs certain operations. It can contain at least one.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described with specific details such as specific components and limited embodiments and drawings, but this is only provided to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , those skilled in the art can make various modifications and variations from this description. Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and the scope of the patent claims described below as well as all modifications that are equivalent or equivalent to the scope of this patent claim shall fall within the scope of the spirit of the present invention. .

100 : 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기
110 : 증폭부
120 : 피드백부
130 : 포지티브 피드백 루프부
140 : 네거티브 커패시턴스 회로부
PFL : 포지티브 피드백 루프
NFL : 네거티브 피드백 루프
NC : 네거티브 커패시턴스
100: Amplifier for biological signal sensor having an input impedance amplification circuit
110: Amplification unit
120: Feedback unit
130: positive feedback loop unit
140: Negative capacitance circuit part
PFL: Positive Feedback Loop
NFL: Negative Feedback Loop
NC: negative capacitance

Claims (15)

생체 신호를 입력받아 증폭하여 출력 신호로 출력하기 위해 제1 초퍼, 입력부, 바이어스부, 제1 앰프, 제2 초퍼, 및 제2 앰프가 순차적으로 연결되는 증폭부;
상기 입력부와 상기 제1 앰프 사이 및 상기 제2 앰프의 후단에 직렬로 연결된 폐루프로 구현되며, 상기 생체 신호와 상기 출력 신호간의 회로 이득을 결정하는 피드백부;
상기 제1 초퍼와 상기 입력부 사이 및 상기 제2 앰프의 후단에 병렬로 연결된 폐루프로 구현되며, 상기 피드백부에 의한 제1 전류에 대응하는 제2 전류를 발생시켜서 입력 임피던스를 증가시키는 포지티브 피드백 루프부; 및
상기 제1 초퍼의 후단 및 상기 입력부의 전단에 병렬로 연결되며, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 차이에 대응하는 제3 전류를 발생시켜서 입력 임피던스를 증가시키는 네거티브 커패시턴스 회로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
An amplification unit in which a first chopper, an input unit, a bias unit, a first amplifier, a second chopper, and a second amplifier are sequentially connected to receive a biological signal, amplify it, and output it as an output signal;
a feedback unit implemented as a closed loop connected in series between the input unit and the first amplifier and at a rear end of the second amplifier, and determining a circuit gain between the biological signal and the output signal;
A positive feedback loop that is implemented as a closed loop connected in parallel between the first chopper and the input unit and to the rear end of the second amplifier, and increases the input impedance by generating a second current corresponding to the first current by the feedback unit. wealth; and
A negative capacitance circuit unit connected in parallel to the rear end of the first chopper and the front end of the input unit and increasing the input impedance by generating a third current corresponding to the difference between the first current and the second current. An amplifier for a biological signal sensor comprising an input impedance amplification circuit.
제1항에 있어서,
상기 제3 전류는 상기 제1 전류와 상기 제2 전류의 차이와 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to paragraph 1,
The third current has a value equal to the difference between the first current and the second current.
제1항에 있어서,
상기 피드백부는 제3 초퍼 및 피드백 커패시터의 순차적 연결에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to paragraph 1,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the feedback unit is configured by sequential connection of a third chopper and a feedback capacitor.
제1항에 있어서,
상기 포지티브 피드백 루프부는 제4 초퍼 및 임피던스 부스팅 커패시터의 순차적 연결에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to paragraph 1,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the positive feedback loop part is configured by sequential connection of a fourth chopper and an impedance boosting capacitor.
제1항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 교차-결합 NMOS 트랜지스터 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to paragraph 1,
An amplifier for a biosignal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the negative capacitance circuit part includes a pair of cross-coupled NMOS transistors.
제5항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는
상기 생체 신호의 제1 극성에 응답하여 게이팅되는 제1 NMOS 트랜지스터; 및
상기 생체 신호의 제2 극성에 응답하여 게이팅되는 제2 NMOS 트랜지스터;를 포함하되,
상기 제1 NMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 드레인으로 연결되고, 상기 제2 NMOS 트랜지스터의 게이트는 상기 제1 NMOS 트랜지스터의 드레인으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 5,
The negative capacitance circuit part is
a first NMOS transistor gated in response to a first polarity of the biological signal; and
A second NMOS transistor gated in response to the second polarity of the biological signal,
A living body having an input impedance amplification circuit, characterized in that the gate of the first NMOS transistor is connected to the drain of the second NMOS transistor, and the gate of the second NMOS transistor is connected to the drain of the first NMOS transistor. Amplifier for signal sensors.
제5항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는
제1 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제1 전원전압에 연결되는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터;
제2 노드와 제3 노드에서 각각 소오스가 상기 제1 트랜지스터의 드레인 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인과 접속되며, 서로 교차 결합되는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터; 및
상기 생체 신호의 제1 극성에 의한 전압이 형성되는 제4 노드와 상기 생체 신호의 제2 극성에 의한 전압이 형성되는 제5 노드에서 각각 드레인이 상기 제3 트랜지스터의 드레인 및 상기 제4 트랜지스터의 드레인과 접속되며, 제6 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제2 전원전압에 연결되는 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터;를 포함하되,
상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 접속되는 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 5,
The negative capacitance circuit part is
a first transistor and a second transistor each having a gate commonly connected to a first node and each having a source connected to a first power voltage;
a third transistor and a fourth transistor whose source is connected to the drain of the first transistor and the drain of the second transistor at the second node and the third node, respectively, and which are cross-coupled with each other; and
The drain of the third transistor and the drain of the fourth transistor are respectively connected to the fourth node where the voltage according to the first polarity of the biological signal is formed and the fifth node where the voltage according to the second polarity of the biological signal is formed. A fifth transistor and a sixth transistor are connected to each other, have a gate commonly connected to the sixth node, and have a source connected to the second power supply voltage, respectively.
A capacitor connected between the second node and the third node. An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit.
제7항에 있어서,
상기 제1 노드에는 제2 제어입력에 의한 전압이 형성되고, 상기 제6 노드에는 제1 제어입력에 의한 전압이 형성되는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
In clause 7,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein a voltage is formed in the first node by a second control input, and a voltage by a first control input is formed in the sixth node.
제1항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는 교차-결합 인버터 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to paragraph 1,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the negative capacitance circuit part includes a cross-coupled inverter pair.
제9항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는
상기 생체 신호의 제1 극성에 응답하여 제1 인버팅 출력을 생성하는 제1 인버터; 및
상기 생체 신호의 제2 극성에 응답하여 제2 인버팅 출력을 생성하는 제2 인버터;를 포함하되,
상기 제2 인버팅 출력은 상기 제1 인버터의 게이트로 연결되고, 상기 제1 인버팅 출력은 상기 제2 인버터의 게이트로 연결되는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 9,
The negative capacitance circuit part is
a first inverter generating a first inverting output in response to a first polarity of the biological signal; and
A second inverter generating a second inverting output in response to the second polarity of the biological signal,
The second inverting output is connected to the gate of the first inverter, and the first inverting output is connected to the gate of the second inverter. An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit. .
제10항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는
서로 직렬로 연결된 제1 저항 및 제2 저항;을 더 포함하되,
상기 제1 저항의 일단은 상기 제2 인버터의 게이트로 연결되고, 상기 제2 저항의 타단은 상기 제1 인버터의 게이트로 연결되는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 10,
The negative capacitance circuit part is
It further includes a first resistor and a second resistor connected in series with each other,
An amplifier for a biosignal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein one end of the first resistor is connected to the gate of the second inverter, and the other end of the second resistor is connected to the gate of the first inverter. .
제9항에 있어서,
상기 네거티브 커패시턴스 회로부는
제1 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제1 전원전압에 연결되는 제1 트랜지스터 및 제2 트랜지스터;
제2 노드와 제3 노드에서 각각 소오스가 상기 제1 트랜지스터의 드레인 및 상기 제2 트랜지스터의 드레인과 접속되며, 서로 교차 결합되는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터;
상기 생체 신호의 제1 극성에 의한 전압이 형성되는 제4 노드와 상기 생체 신호의 제2 극성에 의한 전압이 형성되는 제5 노드에서 각각 게이트가 상기 제3 트랜지스터의 게이트 및 상기 제4 트랜지스터의 게이트와 공통 접속되며, 서로 교차 결합되는 제5 트랜지스터 및 제6 트랜지스터; 및
제6 노드와 제7 노드에서 각각 드레인이 상기 제5 트랜지스터의 소오스 및 상기 제6 트랜지스터의 소오스와 접속되며, 제8 노드에서 공통 접속되는 게이트를 가지며, 소오스가 각각 제2 전원전압에 연결되는 제7 트랜지스터 및 제8 트랜지스터;를 포함하되,
상기 제4 노드와 상기 제5 노드 사이에 접속되며 제9 노드를 통해 서로 직렬로 접속되는 제1 저항 및 제2 저항;
상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 접속되는 제1 커패시터; 및
상기 제6 노드와 상기 제7 노드 사이에 접속되는 제2 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 9,
The negative capacitance circuit part is
a first transistor and a second transistor each having a gate commonly connected to a first node and each having a source connected to a first power voltage;
a third transistor and a fourth transistor whose source is connected to the drain of the first transistor and the drain of the second transistor at the second node and the third node, respectively, and which are cross-coupled with each other;
The gate of the third transistor and the gate of the fourth transistor are formed at the fourth node where the voltage according to the first polarity of the biological signal is formed and the fifth node where the voltage according to the second polarity of the biological signal is formed, respectively. a fifth transistor and a sixth transistor that are commonly connected and cross-coupled with each other; and
The drain is connected to the source of the fifth transistor and the source of the sixth transistor at the sixth node and the seventh node, respectively, has a gate commonly connected to the eighth node, and the source is connected to the second power voltage, respectively. 7 transistor and 8th transistor;
a first resistor and a second resistor connected between the fourth node and the fifth node and connected in series with each other through a ninth node;
a first capacitor connected between the second node and the third node; and
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, comprising: a second capacitor connected between the sixth node and the seventh node.
제12항에 있어서,
상기 제1 노드에 형성되는 전압, 상기 제8 노드에 형성되는 전압 및 상기 제9 노드에 형성되는 전압은 서로 동등한 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 12,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the voltage formed at the first node, the voltage formed at the eighth node, and the voltage formed at the ninth node are equal to each other.
제12항에 있어서,
상기 제1 저항과 제2 저항의 크기는 동일한 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 12,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the first resistor and the second resistor have the same size.
제12항에 있어서,
상기 제1 커패시터와 제2 커패시터의 크기는 동일한 것을 특징으로 하는, 입력 임피던스 증폭 회로를 구비하는 생체 신호 센서용 증폭기.
According to clause 12,
An amplifier for a biological signal sensor having an input impedance amplification circuit, wherein the first capacitor and the second capacitor have the same size.
KR1020220027412A 2022-03-03 2022-03-03 Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit KR102615524B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220027412A KR102615524B1 (en) 2022-03-03 2022-03-03 Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220027412A KR102615524B1 (en) 2022-03-03 2022-03-03 Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230130359A true KR20230130359A (en) 2023-09-12
KR102615524B1 KR102615524B1 (en) 2023-12-19

Family

ID=88020152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220027412A KR102615524B1 (en) 2022-03-03 2022-03-03 Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102615524B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117955442A (en) * 2024-03-27 2024-04-30 华南理工大学 Biological signal analog front-end chopper amplifier with high input impedance

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101734297B1 (en) * 2012-12-27 2017-05-11 인텔 코포레이션 High speed receivers circuits and methods
CN110417360A (en) * 2019-06-12 2019-11-05 西安电子科技大学 A kind of low-noise amplifier for biological electro-detection

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101734297B1 (en) * 2012-12-27 2017-05-11 인텔 코포레이션 High speed receivers circuits and methods
CN110417360A (en) * 2019-06-12 2019-11-05 西安电子科技大学 A kind of low-noise amplifier for biological electro-detection

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117955442A (en) * 2024-03-27 2024-04-30 华南理工大学 Biological signal analog front-end chopper amplifier with high input impedance

Also Published As

Publication number Publication date
KR102615524B1 (en) 2023-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106817099B (en) Amplifier for physiological potential signal detection
JP2543872B2 (en) Amplifier circuit
US6437645B1 (en) Slew rate boost circuitry and method
US6160450A (en) Self-biased, phantom-powered and feedback-stabilized amplifier for electret microphone
Duisters et al. A-90-dB THD rail-to-rail input opamp using a new local charge pump in CMOS
CN113726298B (en) Fully-differential two-stage operational amplifier circuit
US20090179706A1 (en) Capacitor Gain-Boost Circuit
CN104320096A (en) Microcurrent and current feedback chopper modulation instrument amplifier
Nagulapalli et al. High performance circuit techniques for nueral front-end design in 65nm CMOS
KR102615524B1 (en) Positive feedback loop and negative capacitance type input impedance amplifier circuit
Chow et al. High CMRR instrumentation amplifier for biomedical applications
JPH07117559B2 (en) Voltage comparison circuit
CN116722825A (en) Instrument amplifier based on closed-loop current negative feedback
CN114759881A (en) Integrated biological signal chopper amplifier with improved input impedance
CN206611389U (en) Amplifier for physiology potential signal detection
Rajput et al. Design of low-power high-gain operational amplifier for bio-medical applications
US5406220A (en) Pole/zero compensation in cascode amplifiers
WO2022027750A1 (en) Comparator and analog-to-digital converter
JP4456737B2 (en) Input circuit
CN105305971B (en) A kind of low noise preamplifier circuit reducing input capacitance
CN115225047A (en) Fully differential push-pull output operational amplifier powered by 0.9V core voltage
US20020005757A1 (en) Fully differential operational amplifier of the folded cascode type
Liu et al. An auto-zeroing chopper-stabilized capacitively coupled instrumentation amplifier with 25-Vpp common-mode interference tolerance
Korada et al. A 1.2 V 1.3 µW Cascode Current Reuse Based Neural Amplifier with 113 dB Open-Loop Gain
JP3276512B2 (en) Differential amplifier circuit

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant