Cardiovascular disease (CVD) is one of the main causes of the death in the world. Heart rate (HR) and pulse wave velocity (PWV) is widely used to diagnosis the CVD. The bio impedance (BI) measurement method can be an option to measure these bio signals. By measuring the BI of the blood vessel, the HR and the PWV can be measured on a small IC chip. Before the chip design, some BI experiments are carried out to find out the characteristics of the BI. The miniaturized PCB board (H/W) is designed to measure the BI on the wrist. The labview (S/W) is used to calculate the PWV from the measured BI and ECG. Based on this BI experiment, the H/W system can be integrated on a small chip. To realize the traditional BI measurement system, IA, MIXER, BPF, VGA and ADC are integrated on the chip. For the MIXER, the S/H down conversion technique is proposed to eliminate the use of the LPF. For the BPF, the switched capacitor technique is used to realize the large RC constant in the small IC chip. Finally, for the VGA, the offset cancellation technique is proposed by combining the traditional backward and forward cancellation techniques. The total BI measurement system is implemented by using dongbu 0.13um CMOS process. This traditional amplitude-modulated BI measurement has some problems. To solve these problems, the novel phase-modulated BI measurement method is proposed. The proposed architecture concentrates on the phase modulation of the measured voltage difference. To measure the quantity of the phase modulation, it consists of IA, limiter, time domain HPF and TDC. The IA is same as the one in the traditional BI measurement method. The time domain HPF uses the phase locked loop (PLL) structure, which consists of the PD, the CP and VCDL. Finally, the GRO TDC is designed to convert the time interval to the digital output. The proposed system is implemented by using dongbu 0.13um CMOS process. The measurement result shows the functionalities of the designed blocks are verified. Finally, the CDS technique is applied to the TDC, which is integrated in the proposed phase-modulated BI measurement system. The simulation result shows the intentionally added low noise is reduce, when the proposed CDS technique is applied. In this thesis, the traditional BI measurement system and the novel BI measurement system are implemented. And the properties of both BI measurement systems are compared. Unfortunately, both systems could not measure the HR because of the noise problem. The proposed BI measurement system is more promising for the further nano-scale technology.
심혈관계 질환은 전세계 사망원인의 주요 원인 중 하나이다. 이러한 심혈관계 질환의 가장 큰 문제점은 갑작스런 발작으로 인해 환자가 죽을 수도 있다는 것이다. 따라서 이러한 심혈관계 질환을 갖고 있는 환자들은 24시간 지속적으로 관찰해야 한다. 일반적으로 심박수와 맥파 전달 속도가 이러한 관찰을 위해서 많이 사용된다. 기존의 심박수, 맥파 전달 속도 측정을 위한 방법들은 몇 가지 문제점(크기, 불편함, 고통)들을 가지고 있었다. 생체 임피던스 측정은 이러한 문제점들을 해결할 대안이 될 수 있다. 혈관의 생체 임피던스를 측정함으로써 심박수와 맥파 전달 속도를 작은 사이즈의 집적 회로로 관찰할 수 있다.
우선, 생체 임피던스의 특성을 조사하기 위해 실험을 진행했다. 소형화된 PCB 보드를 이용해서 사람의 손목 위에서 혈관의 바이오 임피던스를 측정했다(H/W). 그리고 Labview를 이용해서 맥파 전달 속도를 계산하는 프로그램을 만들었다(S/W). 이러한 H/W와 S/W를 결합함으로써 심박수와 맥파 전달 속도를 측정할 수 있는 시스템이 구현됐다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 H/W에 해당하는 집적 회로를 설계했다.
기존의 생체 임피던스 측정 시스템을 집적 회로에 구현하기 위해, IA, MIXER, BPF, VGA, ADC가 구현되었다. 이 논문에서는 MIXER, BPF, VGA의 설계가 주로 다뤄졌다. MIXER에서는 기존의 LPF 사용을 없애기 위해서 S/H 사용이 제안되었다. BPF에서는 큰 값의 시정수를 구현하기 위해서 switched capacitor를 사용했다. 마지막으로 VGA를 위해서는 offset을 없애기 위해 기존의 두 가지 방법을 결합해서 새로운 방법을 만들었다. 전체 생체 임피던스 측정 시스템은 동부 0.13um 공정을 이용해서 설계했다. 측정 결과 전체 시스템은 그 기능을 제대로 하고 있는 것이 확인되었다. 하지만 높은 잡음 때문에 사람 몸에 직접 연결해서 심박수를 측정할 수는 없었다. 잡음 분석이 충분하지 않았다.
기존의 진폭 변조 생체 임피던스 측정 방법은 구조적으로 몇 가지 문제점들을 가지고 있다. 많은 전력 소모, 큰 면적, 높은 잡음. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 새로운 위상 변조 생체 임피던스 측정 방법이 제안되었다. 몸에 교류 전류가 인가 되었을 때, 혈관 양단에 걸리는 전압은 진폭 변조와 위상 변조가 동시에 일어나게 된다. 제안된 방법은 위상 변조에 집중해서 문제를 해결했다. 얼마나 위상 변조 되었는지 측정 하기 위해서, IA, limiter, 시간 영역 HPF, TDC가 사용되었다. IA는 기존의 진폭 변조에서 사용된 것과 같은 IA가 사용되었다. Limiter는 증폭기와 인버터로 구성돼있다. 시간 영역 HPF는 PD, CP, VCDL을 이용한 PLL 구조를 이용하였다. 마지막으로 GRO TDC가 설계되어서 시간 정보를 디지털 출력으로 바꾸어 준다. 마찬가지로 전체 시스템은 동부 0.13um로 설계 되었다. 측정 결과 전체 시스템의 기능이 제대로 작동하는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 제안된 위상 변조 생체 임피던스에 사용된 TDC에 CDS를 적용했다. 심박 신호의 주파수는 1Hz에서 10Hz로 매우 낮기 때문에 flicker 잡음을 해결하는 것이 매우 중요하다. 기존에는 이러한 CDS를 증폭기나 ADC의 flicker 잡음을 제거하기 위해 많이 사용되었다. 이 논문에서는 TDC에 flicker 잡음을 해결하기 위한 CDS 사용을 제안했다. TDC에 CDS를 적용하기 위해서는 디지털 출력 프로세싱에서 뺄셈이 아니라 나눗셈을 사용하였다. 시뮬레이션 결과로부터 CDS를 적용했을 경우 의도적으로 입력한 저주파 노이즈가 제거되는 것을 확인했다.
이 논문에서는 기존의 진폭 변조 생체 임피던스와 새롭게 제안된 위상 변조 생체 임피던스 측정 시스템이 설계되었다. 그리고 두 측정 시스템의 특성이 비교되었다. 두 시스템 모두 잡음 문제 때문에 심박수를 측정할 수는 없었다. 새롭게 제안된 방법은 나노 스케일의 공정에 좀 더 적합하기 때문에 앞으로 연구를 더 한다면 발전 가능성이 있다.
