[Capston Design] 생체신호 수집을 위한 CMOS Low Noise Amplifier Interface 설계

1. 설계 목표

생체신호 센싱을 위한 센서로부터 직접적으로 신호를 받아서 1차적으로 증폭하는 Low Noise Amplifier를 설계한다. 설계 목표는 센서 모듈 전체를 설계하는 것이 아니라 저잡음 저전력 CMOS 아날로그 전단 신호처리 회로(AFE:Analog Front-End)만을 설계하는 것이다. 이에 따라 자연계에 필연적으로 존재하는 여러 잡음(Thermal Noise, Flicker Noise)등을 효과적으로 제거하고, CMOS공정을 통해 센서의 소형화를 이루어 내는 것을 최종 목표로 삼고 있다.

 

2. 제안 배경

오늘날 의료 기술이 점점 발달하면서 건강을 더 오래 유지하고자 하는 사람들의 열망이 거세지고 있다. 그에 맞춰서 IT 융합 의료기기에 대한 관심과 수요가 더욱 커지고 있다. 특히, 2006년 4월부터 서울 성북구 보건소에서 시범사업으로 시작된 U-health Care 서비스는 언제 어디서나 자신의 생체정보를 확인할 수 있는 서비스로서 최근 더욱 관심도가 높아지고 있다. 초기에 상용화된 의료기기들은 기능들이 한정적이었으며 크기가 컸다. 그러나 U-health care 서비스의 출현으로 인해 휴대가 가능하고 소형이며 기능이 복잡한 복합형 생체신호 측정용 의료기기들이 개발되고 있다. 생체신호 처리기의 소형화를 위해서 CMOS공정 기반의 SoC(System-On-a-Chip) 개발 필요성이 증가하고 있다.

 

우리 몸에서 나가는 생체신호는 심전도, 근전도, 뇌전도, 안전도, 신경신호(Neural Signal)등 여러 가지가 있으며 그 크기는 수 uV에서 5mV 정도의 매우 작은 크기를 갖는다. 그리고 각 신호의 종류에 따라 차이가 있지만 대부분 수 kHz이하의 저주파 대역에 존재한다. 예를 들어 심전도는 심장의 전기적 신호를 말하는데 주파수는 약 0.3Hz에서 30Hz 사이에 주로 분포한다. 반면에 근전도는 근육의 전기적 신호를 말하고 주파수는 약 10Hz에서 500Hz 사이에 존재한다. 이처럼 대부분의 생체신호가 저주파에 있기 때문에 전극 오프셋(Electrode Offset)이나 1/f(Flicker Noise)에 영향을 크게 받는다. 따라서 이러한 저주파 대역에서의 잡음을 효과적으로 억제할 수 있는 회로 연구가 많이 진행되고 있다.