Bio-impedance method is a good candidate for the future hand-held health monitoring devices since it is simple, inexpensive and noninvasive. This thesis presents the analog front-end for the bio-impedance measurement applications. In contrast to the conventional health monitoring devices, proposed analog front-end enables that the heart rate and pulse wave velocity (PWV) can both be monitored using only small body area, which is 1.5cm $\times$ 7cm. The measurement results show that the heart rate and PWV can be measured reliably using the proposed analog front-end. In addition, the programmable analog front-end architecture is proposed. Employing a high resolution ADC and direct digitizing, lots of complex analog circuitry can be removed. This proposed architecture gives programmability to both users and designers since most of signal processing is taken place in the digital domain. The system specification for this architecture is investigated and the building blocks are implemented and simulated in 0.18$\mum$ CMOS technology following the required specifications. Finally, the low power instrumentation amplifier (IA) and the current source are presented. The IA and the current source are the most important and power consuming building blocks in the bio-impedance measurement system. The proposed capacitor-based IA can save much power due to the absent of static bias currents while it still gives good performance. The proposed switched current-controlled current source is also low power solution removing static power dissipation. The proposed IA and current source are also implemented and simulated in 0.18$\mum$ CMOS technology. The simulation results show that the proposed IA and current source have competitive performance comparing to the state-of-the-art IAs and current sources.
전 세계적으로 심혈관계 질환으로 인한 사망이 증가함에 따라서, 심혈관계 질환의 조기 진단과 예방에 관한 관심도 지속적으로 증가하고 있다. 심혈관계 질환은 특히 심장마비, 뇌졸증과 같이 평상시에는 아무런 증상이 없다가 갑작스럽게 사망에 이르게 되는 특징을 보인다. 따라서, 심혈관계 질환을 조기에 진단하고 예방하기 위해서는 심혈관계 상태에 대한 연속적인 모니터링이 요구된다. 이를 위해서는 휴대하기 쉽고 비침습적이며 사용자가 불편함을 느끼지 않는 심혈관계 지표 측정 방법과 시스템이 필수적이다. 그러나 현재까지 사용되어진 측정 시스템들을 이용할 경우, 사람 몸의 넓은 부위를 이용해서 측정을 해야 하므로 피 측정자가 불편함을 느끼거나, 시스템의 크기가 크고 무거워서 휴대가 용이하지 못하는 등 여러가지 단점들로 인해서 휴대형 연속 측정 시스템의 개발이 지연되고 있다. 이에 본 학위 논문에서는 생체 임피던스를 이용한 측정 방법을 도입함으로써, 크기가 작고 가벼우며 값이 싸고 신체의 국소 부위에서 모든 측정이 이루어지는 새로운 휴대형 심혈관계 모니터링 시스템의 가능성을 제안하고, 이러한 시스템을 직접화 시킬 시 대두되는 몇 가지 문제들을 풀 수 있는 방법들을 제안한다.
먼저, 심혈관계 진단 지표 중 심박수와 맥파전달속도(pulse wave velocity: PWV), 두 가지 지표를 1.5cm $\times$ 7cm의 신체 국소 부위에서 생체 임피던스법을 이용해 측정하는 시스템이 제안되었다. 시스템의 전체 이득은 80dB 이상이고, 그에 따른 신호 민감도는 21V/$\Omega$였다. 실험 결과, 제안된 시스템을 이용하여 측정한 심박수와 맥파전달속도가 믿을만한 값임을 확인하였다. 또한, 제안된 시스템을 이용한 추가적인 실험을 수행하여, 아랫팔뚝의 요골동맥을 따라서 신호의 품질이 우수함을 확인하였다. 이 실험 결과는 추후 생체 임피던스법을 이용한 휴대형 심혈관계 지표 측정 시스템의 개발에 도움을 줄 수 있을 것이라 예상된다.
생체 임피던스 측정을 위한 프로그래머블한 아날로그 프론트엔드 구조가 제안되었다. 고 해상도 아날로그디지털 변환기를 도입함으로써 복잡한 아날로그 회로들이 제거될 수 있었다. 10kHz~10MHz의 광대역 신호 발생기와 높을 출력 저항을 가짐으로써 전류 변화에 따른 오차를 1% 미만으로 가지는 전압 제어 전류원이 0.18$\mum$ CMOS 공정으로 설계되고 시뮬레이션 되었다. 또한, 18dB의 전압 이득, 100kHz에서 96.7dB 의 동상제거비, 10.3nV/$\sqrt{Hz}$ 의 입력 등가 잡음, 그리고 1.5Hz~9.5MHz의 대역을 가지는 수도 차동 기기 증폭기(pseudo-differential instrumentation amplifier)가 설계되었다. 전압 기반 아날로그디지털 변환기 역시 수도 차동 구조를 적용하여 100kHz의 신호 대역에서 87.5dB의 신호 대 잡음 비를 가진다. 총 전력 소모는 6.7mW 이다. 이와 같은 프로그래머블한 구조는 차후 생체 임피던스를 이용한 다 목적 센서 시스템에 유용하게 사용될 수 있다.
마지막으로, 생체 임피던스 측정을 위한 저 전력 기기 증폭기(instrumentation amplifier)와 전류원(current source)이 제안되었다. 제안된 기기 증폭기는 고정된 전력 소모를 없앰으로써 1.35$\muW$의 전력만을 소모한다. 2.1의 잡음 효율 지수(NEF)를 가지면서 최첨단 기기 증폭기들 대비 좋은 잡음 대비 전력 효율을 가짐을 확인할 수 있었다. 제안된 전류원 역시 고정된 바이어스 전류들을 없앰으로써 전력 소모를 낮출 수 있었다. 제안된 전류원의 총 전력 소모는 184.9$\muW$ 였다. 또한, 최대 출력 가능 전류는 1.02mA 이고, 이득 오차는 2.5%이다. 10kHz에서의 출력 저항은 3.2M$\Omega$였다. 본 논문에서 정의된 FOM으로 계산했을 때, 제안된 전류원은 57.8pJ/V의 FOM 값을 나타냄으로써 이 전에 보고된 전류원들에 비해서 좋은 전력 효율을 보인다.
