[Capston Design] Why Chopper Stabilization?

 생체 신호는 대체로 매우 저주파 영역에 존재하고 있다. 따라서 저주파대역에 상당히 크게 분포하는 1/f Noise와 전극 offset이 우리가 증폭하려고 하는 신호와 비슷한 레벨이 된다면 더 이상 회로는 의미가 없게 된다. 즉 SNR(Signal to Noise Ratio)를 높일 수 있는 새로운 방법이 요구된다.

Chopper Stabilization이란 통신에서 많이 사용되는 Modulation 기법을 이용해서 1/f나 전극 offset이 상대적으로 적은 주파수 대역으로 신호를 변조하고, 증폭한 뒤에 다시 원래 신호의 주파수로 Demodulation을 하는 기법이다. 이 과정을 거치면 SNR을 상당히 많이 개선할 수 있으며 우리가 원하는 신호만 증폭하고 상대적으로 noise는 제거되는 효과를 보인다.

 

다음은 Chopping Amp를 설명하기 위한 그림이다. 입력 신호가 m1(t)라는 clk 신호에 의해 modulation된다. 이 신호가 Amp의 Noise와 offset 성분과 더해지고, 함께 증폭이 된다. 그 이후에 Amp 출력단에서 또다시 Modulation을 하면 초기 입력 신호와 같은 주파수로 복조가 되고, LPF를 통해 Harmonic 성분들을 제거하게 되면 입력 신호만 증폭된 결과를 얻게 된다.

 

 

이를 수식적으로 전개하면 위의 식과 같다. 최종적으로 Demodulation 된 신호를 보면 입력과 동일한 주파수의 sin파가 나오는 것을 알 수 있으며, 입력 성분 뒤에 붙는 harmonic 성분들은 LPF를 통해 제거하면 된다.