This thesis introduces the design methods for an ultra-high input impedance analog front-end (AFE) for miniaturized non-contact electrode bio-potential sensing. In order to boost input impedance, parasitic capacitance from PCB, pad, and amplifier gate input were cancelled using shielding buffer and positive feedback. To maximize the amount of positive feedback while guaranteeing stability, a self-calibration scheme is proposed for the positive feedback. The self-calibration scheme based on stability detection operates in a foreground manner. To verify the stable operation under VT variation, the system was also verified that it operates under wide range of conditions.
A prototype IC fabricated in 0.18$\mu$m CMOS consumes 255nW from 0.8V supply. Measured input impedance with the proposed calibration is 50G$omega$ at 50Hz which is equivalent to an input capacitance of 60fF. It is also verified that the proposed scheme is resilient to supply and temperature variations and applicable to non-contact ECG monitoring.
본 학위 논문은 소형 비접촉 생체신호 취득을 위한 초고입력 임피던스 아날로그 프론트엔드를 설계에 대해 설명한다. 입력 임피던스 요소인 PCB, IC 패드 및 증폭기 입력 캐패시턴스를 보상하기 위해 실드 버퍼 및 정귀환 회로를 사용하였다. 시스템 스태빌리티를 보장하면서 정귀환 힘을 최대화하기 위하여, 정귀환 자가보정회로를 제안하였다. 스태빌리티 관찰에 기반한 자가보정 기법은 전경 처리 방식으로 동작한다. 회로의 공급전압과 온도에 따른 안정성을 증명하기 위해, 설계된 시스템 동작은 넓은 공급전압과 온도 범위에서 측정되었다.
프로토타입 IC는 0.18 마이크로미터 CMOS 공정에서 제작되었고, 0.8V의 공급전압 조건에서 255nW의 전력을 소모한다. 측정된 입력 임피던스는 50Hz 입력 주파수 조건에서 약 50G옴으로 측정되었고, 환산 결과 60fF의 입력 캐패시턴스와 같다. 공급전압과 온도 변화에 둔감한 것을 측정을 통해 확인하였고, 비접촉 ECG 관측 시스템에 적합함을 보였다.
