Mixed-signal processing-the integration of digital and analog circuitry within computer system-enables systems to take signals from the analog world and process them within a digital system. In fact, recent advances in VLSI technology performance now allow for the integration of digital and analog circuits on a single chip and for the process that requires the use of analog pre- and post-processing system such as data converters, filters, sensors, drivers, buffers, and actuators. This thesis investigates mixed-signal CMOS inte-grated circuit designs for medical X-ray image sensor and liquid crystal display (LCD) column driver chip.
In Chapter 1, a direct photon-counting X-ray image detector with a HgI2 photoconductor is presented for high-quality medical imaging applications. The proposed sampling-based charge preamplifier with asyn-chronous self-reset enables a pixel to detect single X-ray photon energy with higher sensitivity and faster pro-cessing rate. The use of the correlated double sampling enabled by the sampling-based architecture also re-duces flicker noise and contributes to the achievement of high pixel-to-pixel uniformity. Discrimination of the energy level of the detected X-rays is performed by the proposed compact in-pixel ADC with low power con-sumption. Three 15-bit counters in each pixel count up energy-discriminated photons for the reconstruction of multispectral X-ray images. A 128 × 128 X-ray image detector with a pixel size of 60 × 60 μm2 is implemented and measured using a 0.13-μm/0.35-μm standard CMOS process. It discriminates 3 energy levels of photon energy with a gain of 107 mV/ke- and a static power consumption of 4.6 μW/pixel. The measured equivalent noise charge (ENC) and minimum detectable energy level of the detector pixel are 68 e- rms and 290 e , respectively. The measured maximum threshold dispersion in the pixel array is 164 e- rms without any calibration. The functionality of our chip is also successfully demonstrated using real X-ray images.
In Chapter 2, a 10-bit column driver IC for active-matrix LCDs is presented with a proposed iterative charge-sharing based (ICSB) capacitor-string that interpolates two output voltages from a resistor-string DAC. Iterative mode change between a capacitive voltage division mode and a charge sharing mode in the ICSB capacitor-string interpolation suppresses the effect of mismatches between capacitors and that of parasitic capacitances; thus, a highly linear capacitor sub-DAC is realized. In addition, the area-sharing layout tech-nique, which stacks the interpolation capacitor-string on top of the R-DAC area, reduces the driver channel size and extends the bit resolution of the gamma-corrected nonlinear main R-DAC. Consequently, the pro-posed ICSB capacitor-string interpolation scheme provides highly uniform channel performance by passively dividing the coarse voltages from the global resistor-string DAC with high area efficiency, and more effective bit resolution for nonlinear gamma correction. The prototype column driver IC was implemented using a 0.11-μm CMOS process. The area occupation of the DAC and buffer amplifier per channel is only 188 × 15 μm2, and the static power consumption is 0.9 μA/channel with no additional static power dissipation for the interpolation. The measured maximum DNL and INL are 0.25 LSB and 0.43 LSB, respectively. The measured maximum inter-channel DVO is 5.6 mV. The proposed chip achieves state-of-the-art performance in terms of chip size and channel-to-channel uniformity.
컴퓨터 시스템과 함께 디지털과 아날로그 회로가 모두 혼재되어있는 혼성신호처리는 현실세계의 아날로그 신호를 변환하여 디지털 시스템으로 처리 가능하도록 한다. 특히, 최근의 VLSI 집적기술의 발달은 디지털 회로와 아날로그 회로를 하나의 단일 칩에 통합하여 집적 가능하게 함으로서 데이터 변환기, 필터, 센서, 구동회로, 버퍼 및 액츄에이터와 같은 다양한 응용분야에서 매우 값싸고 용이하게 아날로그 신호를 디지털 신호로 처리할 수 있게 되었다. 본 학위논문에서는 이에 대한 응용으로 의료용 X-ray 이미지 센서와 액정 디스플레이(LCD) 컬럼 구동 칩을 위한 고성능 혼성신호 CMOS 집적회로 설계에 대해 다룬다.
1장에서는 고화질의 의료용 질병 진단을 위해 HgI2 광전도체를 이용한 집적방식의 광자-카운팅 X-ray 이미지 센서를 제안한다. 비동기식 자가-리셋 기능을 탑재한 샘플링 기반의 전하 증폭기는 픽셀회로가 개개의 X-ray 광자 에너지를 높은 감도와 빠른 처리속도로 감지할 수 있도록 한다. 또한 샘플링 기반의 구조는 correlated double sampling (CDS) 기법을 사용할 수 있게 함으로서 플리커 (flicker) 노이즈를 감소시키고 픽셀간 높은 균일성을 얻도록 한다. 제안된 단일 픽셀에 내장 가능한 저면적 저전력 ADC는 감지된 X-ray 광자의 에너지의 레벨을 판단하고 분류하는 역할을 수행한다. 각 픽셀에 집적된 3개의 15비트 디지털 카운터는 다중 스펙트럼 감응성의 X-ray 영상을 만들어 내기 위해 에너지의 레벨에 따라 분류된 광자의 개수를 세고 디지털 데이터로 저장한다. 하나의 사이즈가 60×60μm2인 픽셀이 128×128개의 배열을 갖는 X-ray 이미지 센서를 0.13μm CMOS 공정을 이용하여 구현하였고 실험을 통해 그 성능을 검증하였다. 구현된 칩은 픽셀당 4.6μW의 전력을 소모하면서 입력된 전하를 107mV/ke-의 증폭률로 감지하고 광자의 에너지를 3단계로 구분해낸다. 단일 픽셀의 등가 노이즈 전하(ENC)와 감지 가능한 최소 에너지 레벨은 각각 68e-rms와 290e-로 측정되었다. 어떠한 보정 없이 측정된 픽셀간 최대 감지 편차는 164e-rms이며, 실제 X-ray 실험을 통해 제안된 칩의 동작을 검증 완료하였다.
2장에서는 하나의 주요 저항열 DAC에서 두 전압 사이를 보간하는 반복적 전하공유 기반(iterative charge-sharing based, ICSB)의 커패시터-스트링(capacitor-string) 보간법을 제안하고 이 방법을 이용하여 액정 디스플레이(LCD)를 위한10비트 컬럼 구동칩을 제안한다. 제안된ICSB 커패시터-스트링 보간법에서 전기 용량성의 전압 분할 모드와 전하공유 모드를 반복하는 동작은 전압 보간을 위한 커패시터-스트링에서 커패시터 사이의 불균일과 기생 커패시터의 영향을 최소화 하는 효과가 있다. 그러므로 제안된 보간법을 사용하면 매우 높은 선형성을 갖는 커패시터 방식의 보조 DAC를 구현할 수 있게 된다. 또한 기존 저항열 DAC의 영역 위에 전압 보간을 위한 커패시터-스트링 회로를 쌓아 올리는 방식의 면적 저감형 레이아웃 기술은 구동 칩의 면적을 대폭 감소시키고 비선형의 감마보상을 위한 주 저항열의 해상도를 증가시킬 수 있다. 결과적으로 제안된 ICSB 커패시터-스트링 보간법은 높은 면적효율과 향상된 비선형 감마보상의 해상도를 갖고 매우 높은 구동 채널간 균일성을 제공한다. 제안된 LCD용 컬럼 구동 칩은 그 동작과 성능의 검증을 위해 110nm CMOS 공정을 이용하여 구현되었다. 구현된 구동 칩에서 채널당 DAC와 출력버퍼의 크기는 188×15μm2이며, 전압 보간을 위한 추가 전력소모 없이 채널당 0.9μA의 전류를 소모한다. DAC의 최대 differential non-linearity(DNL)와 integral non-linearity(INL)은 각각 0.25LSB와 0.43LSB로 측정되었으며, 측정된 최대 채널간 출력편차(DVO)는 5.6mV이다. 본 논문에서 제안된 LCD용 컬럼 구동 칩은 칩 면적과 채널간 균일도 면에서 기존 기술대비 가장 높은 성능을 얻었다.
