[Capston Design] Chopping Amp Design

1. Specifications and Overall Structure

 

Instrumentation Amplifier(IA)와 Filter까지 포함한 Top schematic이다. 센서를 통해 들어온 Biopotential 신호는 거의 DC에 가까운 주파수를 갖는 동시에 신호의 크기도 작기 때문에, 저주파수 대역에서 잡음이 적은 신호를 요하게 된다. IA의 Differential 입력으로 들어온 신호는 f_chop의 주파수로 변조된 후에 증폭이 되고 이 신호는 후단 Chopper에 의해 demodulation되어 지면서 원래 입력 주파수 성분과 2f_chop의 주파수 성분을 갖는 신호가 된다. Lowpass filter를 거치면서 Chopping 주파수의 두 배에 해당하는 성분은 필터를 통과하지 못하고 입력주파수의 신호만 Output으로 얻을 수 있다.

 

2. Folded Cascode Amp

 

Type	Gain	Output Swing	Phase	Power Dissipation	Noise
Telescopic	Medium	Medium	Highest	Low	Low
Folded-cascode	Medium	Medium	High	Medium	Medium
Two-Stage	High	Highest	Low	Medium	Low
Gain-Boosted	High	Medium	Medium	High	Medium

 

Amp를 설계하기에 앞서 OP-AMP의 각 Topology들의 장점과 단점에 관해 생각을 해야 한다. 설계하고자 하는 증폭기는 생체신호 수집용 저전력 저잡음 증폭기이기 때문에 빠른 속도가 요구되지 않고 전력소비가 적고 잡음이 적은 Folded cascode 구조로 설계하였다. 다음은 설계한 Folded cascode의 schematic이다.

 

 

NMOS로 입력을 받는 Differential to differential 증폭기이다. 기본 사이즈는 L=700n Wn= 3.5u, Wp= 10.4u를 가지고, 입력단의 gm은 462.56u, 출력저항은 약 0.86MΩ이다.

 

출력은 기준전압 (2.5V)에서 swing하고 기준전압을 조정해 주기 위한 Common-mode Feedback(CMFB)회로가 존재한다. Feedback회로의 출력은 입력단 아래에서 전류를 공급해주는 NMOS의 bias 전압을 조정해서 출력전압이 2.5V부근에 있게 한다.

Chopper Stabilization OP-Amp Specifications
Technology	0.35um CMOS
Supply Voltage[V]	5
Gain[dB]	>50
BandWidth[Hz]	>5k
Phase Margin[°]	60
Power consumed[W]	<5m
Noise[V/ ]	<10n

초기의 amp 전체의 Specifications 이다. 0.35um공정의 5V 소자로 design을 하였다. 생체신호 수집이 목적이므로 설계를 하였으므로 bandwidth 는 작은 값을 세우는 대신 적당한 Gain과 Phase Margin, 그리고 적은 잡음과 전력소비가 목표였다.

 

3. Bias Circuit

 

 

Folded-cascode amp를 설계한 대로 동작시키기 위해선 회로를 구동 시켜줄 BIAS회로가 필요하다. Bias 전류를 흘려주고 그 전류를 mirroring 하는 것이다.

다음 그림은 2 stack cascode amp를 동작시키기 위한 bias 회로를 구성한 것이다. 기준 전류 IREF가 흐르고 다음 식(1)에 의해 정의된다.

2 stack 으로 두 번 mirroring을 하면, 마지막단의 하위 두 번째 mosfet의 gate전압은 (2)와 같이 정의된다.

(2)를 (1)에 대입하여 정리하면 최종 Bias되는 전류는 (3)과같이 정리된다.

그리고 W/L의 비율과 마지막 단 saturaion영역의 제한 때문에 처음 biasing 하는 쪽의 Length는 설계하는 mosfet의 1/5배가 되어야 한다.

 

4. Chopper Circuit

 

Chopper의 schematic이다. 입력단 앞과 출력단 뒤에 붙어서 스위치 역할을 하면서 positive와 nagetive 전압을 서로 교차 시켜주는 역할을 한다. 기능은 입력 앞단에서 입력신호를 modulation해서 고주파성분을 포함한 신호로 만들어 flicker noise의 영향을 받지 앉는 상태에서 증폭을 하게 한다. 그리고 출력단의 demodulation을 통해 원래 주파수의 신호와 chopping 주파수의 2배에 해당하는 주파수를 가진 신호를 만들어내고 고주파에 해당하는 신호를 Filter를 통해주면 원하는 신호만 증폭되어 나온다. 이것은 마치 회로의 noise가 적어진 것 같은 기능을 한다.

 

순서대로 Input신호, modulation신호, amp를 통과한 신호, demodulation된 신호이다. 입력 신호가 chopping 주파수에 의해 나누어진 것처럼 보인다. 기능적으로는 transistor 4개로 구성이 가능하다. 하지만, 회로가 switching 되면서 생기는 신호를 줄이기 위해 주 스위치의 charge injection을 막아주기 위한 dummy transistor를 양 단에 추가했다.

 

5. Simulation Results

 

 

 

Parameter	Specified	Simulated	Difference
Differential Gain [dB]	50	57.8	+15.6%
Phase Margin[∘]	60	38.7	-35.5%
ICMR [V]	-	1.8~3.2	-
Power Consumed(Total) [mW]	5	5.6	+12%
Output Swing [V]	-	1.91~3.10	-
Bandwidth [Hz]	5k	752.7k	-
Noise(Input ref. @100Hz) [v/]	20n	2.60	-87%

 

Instrumentation Amp의 spec은 AC gain과 Noise 측면에서 향상이 있었다. 주목해야 할 부분은 Noise가 예상치보다 87%나 개선되었다는 점이다. Chopper Stabilization 회로를 통해 저주파대역의 1/f noise를 확실하게 감소시킬 수 있음을 검증하였다. 그러나 Phase margin은 예상했던 60°에 비해 다소 떨어지지만 발진의 위험성은 없기 때문에 회로를 동작시키는데 문제가 되지 않았다. Power Consumed는 Folded cascode amp, BIAS 회로 모두를 합친 수치이며 예상치보다 조금 더 높게 나왔다.