Analog CMOS Circuit Design Methodologies for Low Power Optical Sensor Systems

Abstract

The needs of high-sensitivity read-out integrated circuits (ROIC) have been rapidly growing for optical detection sensors in portable and wearable devices. Measuring a very tiny signal is difficult because it is vulnerable to unavoidable noises, hence requiring high signal-to-noise ratio (SNR) characteristic. For this purpose, ROICs demand high-gain performance, and also analog-to-digital converters (ADCs) are integrated together to enhance the signal processing capabilities. As a portable device, power consumption should be low to save the lifetime of a battery. First, this thesis presents a low-power high-sensitivity CMOS ROIC for cyanobacteria detection and monitoring with the current sensing capability of nano-ampere levels. Conventionally, cyanobacteria detection processes are very complicated and cumbersome, requiring professional training experts for manipulation. Also, it takes almost 24 hours to get the result due to the several steps of extraction target compounds, extra purifying and full chemical reaction, etc. Moreover, the equipment’s large footprint makes it impossible to test on-site. Besides, currently available commercial fluorometers are costly (over US$ 9,000). Therefore, it demands us to develop a CMOS ROIC for a real-time, portable low-cost fluorometer. The proposed CMOS ROIC consists of a current-conveyor transimpedance amplifier (CC-TIA) and a 9-bit successive approximation register (SAR) analog-to-digital converter (ADC). The ROIC can precisely recover the digital output codes corresponding to the input current levels of 40 nApp ~ 7.2 App, which lead to 45-dB input dynamic range. A laser source with 405-nm optical wavelength and a low-cost PIN photodiode are exploited for measurements, confirming the fluorescence intensity with respect to the quantity of cyanobacteria. The measured results demonstrate that a normalized voltage (QD655/QD565) can be described as a linear function of the mcyD gene copy numbers, which is proportional to the cyanobacteria concentration. Second, this thesis describes a couple of time-to-digital converters (TDCs) for light detection and ranging (LiDAR) systems that create 3-D map of the surrounding environment based on the time-of-flight (TOF) measurements by estimating the round-way distance of emitting light pulses and sensing the reflected signals. LiDAR systems can be widely exploited in autonomous vehicles, robotics, mapping and even indoor elder-care monitoring. In particular, TDC is a crucial IC to generate digital output codes that corresponds to the measured time-interval of the light travelling. Here, an 8-bit 3-dimensional (3D) modified Vernier TDC (MV-TDC) is suggested. It combines a 2-dimensional (2D) MV-TDC and a delay-lock loop (DLL) which is preceded by an XOR and an edge-detector. By utilizing a novel resettable T-latch, the proposed 2D MV-TDC can effectively alleviate the notorious issues of echo, output ambiguity and walk error. Hence, it can help to omit the need of complicated circuit to improve the above-mentioned issues, thus saving power consumption and chip area. The maximum detection range of 28.6 meters and the minimum one of 18.8 centi-meters are measured with the power consumption of 2.9 mW from a single 1.2-V supply. Also, a 9-bit resolution TDC is proposed, which consists of a flash TDC, integrator charging circuits, and peak-detect-hold (PDH) circuits. It is a clock-free structure, saving an additional clock (CLK) signal. Since there is no need to synchronize START and STOP pulses, it discards those issues caused by CLK signals such as glitch, skew, and switching noise, etc. The maximum detection range reach 33.6 meters, which corresponds to 112-ns time interval, and the minimum detection distance can be as short as 15 centi-meters that corresponds to 0.5-ns time interval. The total DC current consumption is 1.3 mA with a 1.2-V supply. The 3D MV-TDC enables to detect the targets within 28.8 meters vividly with the dynamic range of 43.7 dB, whereas the I-TDC acquires the maximum detection range of 33.6 meters with a higher dynamic range of 47.0 dB. Measured results confirm that the proposed two TDC chips provide feasible low-power low-cost solutions for LiDAR systems and even for fine monitoring of elderly care applications. ;휴대용 및 웨어러블 장치의 광학 감지 센서에 대한 고감도 판독 집적회로 (ROIC)의 요구가 빠르게 증가하고 있다. 노이즈에 취약하는 미세한 신호를 측정하는 것이 어려워지므로 높은 신호 대 노이즈 비율 (SNR) 특성이 요구되고 있다. 이를 위해 ROIC는 높은 이득 성능을 보여줘야 하고 또한 신호 처리 기능을 향상시키는 아날로그-디지털 변환기 (ADC) 필요하고 있다. 휴대용 장치로서 배터리 수명을 보장할 수 있게 소비전력도 낮아야 한다. 본문에서는 나노 암페어 수준의 전류 인식기능을 갖춘 남조류 감지 및 모니터링을 위한 저전력 고감도 CMOS ROIC를 제시한다. 일반적인 녹조 검출 작업은 복잡하고 번거로울 뿐만 아니라 장비를 다룰 수 있는 전문가가 필요하였다. 또한 여러 단계의 화합물 추출, 추가 정화 및 충분한 화학반응 등으로 인해 결과를 얻기까지 24시간의 긴 시간이 걸렸다. 또한 장비의 큰 설치 면적으로 인해 현장 테스트는 꿈도 꾸지 못하였다. 그 뿐만 아니라 현제 상업용 형광 측정기는 $ 9,000의 비싼 가격에 도달하였고 실시간 휴대용 저비용 형광계가 요구되고 있다. 본논문에서 CMOS ROIC러 CC-TIA (전류 컨베이어 트랜스 임피던스 증폭기)와 9 비트 SAR ADC (축차 비교형 아날로그-디지털 변환회로)를 제안한다. 제안된 ROIC는 디지털 출력코드로 40 nApp ~ 7.2 App의 해당 입력전류를 인지할 수 있으며, 이는 45dB의 동작범위를 보여준다. 실제로 405nm 파장의 레이저소스와 저렴한 PIN 포토다이오드를 사용하여 녹조 양에 따른 형광 강도를 검출함으로 구현하였다. 측정결과를 통해 정규화 된 전압 (QD655/QD565) 이 녹조 농도에 비례하는 mcyD 유전자 수의 선형함수로 설명이 된다. 한편, 본 논문에서는 TOF (Time-of-Flight) 측정을 기반으로 주변 환경의 3차원 지도를 생성하는 LiDAR (Light Detection and Range)용 TDC (Time-to-Digital Converter) 회로를 제안한다. TOF는 광 펄스를 방출하고 반사된 신호를 감지하여 왕복거리를 추정하는 방식이다. LiDAR 시스템은 자율주행 차량, 로봇 공학, 매핑 및 실내 노인케어용 모니터링에 널리 사용될 수 있다. 특히 TDC는 거리정보에 따른 빛의 이동시간을 측정하여 이를 해당하는 디지털 출력코드를 생성하는데 중요한 역할을 하는 IC입니다. 본논문에서는 8 비트 3차원 모디파이드 TDC (3D MV-TDC)를 제안한다. 제안한 TDC는 2차원 (2D) MV-TDC와 XOR 게이트 및 에지 검출기가 선행하는 지연고정루프 회로의 결합으로 이루어 졌다. 2D MV-TDC에서 새로운 리셋 가능한 T-래치를 입력회로를 사용함으로써 에코, 출력 모호성 및 워크에러와 같은 문제를 효과적으로 완화할 수 있었다. 따라서 이러한 문제를 개선하기 위해 복잡한 회로의 필요성을 없애고 전력소비와 칩 면적을 절약할 수 있는 회로를 제안한다. 제안한 TDC는 최대 감지 범위 28.6 미터와 최소 감지 범위 18.8 센티미터를 보여주며 1.2V 단일 전원 공급장치에서 2.9 mW의 낮은 소비전력을 갖는다. 또한 플래시 TDC, 적분기 충전회로 및 PDH (peak-detect-hold) 회로로 구성된 9 비트 TDC도 함께 제안한다. 완전한 클록-프리 구조를 갖는 TDC이므로 START 및 STOP 펄스를 추가 클록 (CLK) 신호와 동기화 할 필요가 없다. 따라서 글리치, 스큐 및 스위칭 노이즈 등 CLK 신호를 사용함으로써 발생한 문제를 해결하였다. 최대 감지범위는 112 ns 즉 33.6 미터 거리에 도달하고 최소 감지범위는 0.5 ns 즉 15.0 센티미터까지 짧을 수 있다. DC 소비전류는 1.2 V에서 1.3 mA를 갖는다. 구현된 3D MV-TDC를 통해 28.8 센티미터의 표적을 43.7 dB의 다이나믹 레인지로 선명하게 감지할 수 있다. 제안한 두번째 TDC의 감지범위는 33.6 미터로 비슷하지만 최소감지 거리가 더 짧아서 47.0 dB의 더 높은 다이나믹 레인지를 보여주며, 이는 인체의 미세한 움직임을 구별하는 응용으로도 사용할 수 있다. 두가지 TDC 모두 근거리 LiDAR 애플리케이션에 적합한 솔루션을 보여준다.