This paper proposes an asynchronous impedance measurement IC based on vector arithmetic for electrical impedance spectroscopy (EIS) with a frequency range of 1 kHz to 1024 kHz. The proposed structure derives the phase information of impedance without time-to-digital converter (TDC) through a vector arithmetic method. The TDC-less structure consumes lower power than previous structures. A new type of peak time clock generator (PTCG) is adopted for faster measurement than previous methods. In addition, an algorithm for improving impedance measurement accuracy is proposed. The proposed IC consumes less than 1.2 mW at 1 MHz while reconfigurable PTCG and buffer enable 600-μW power consumption at 1 kHz. Magnitude error less than 1.4% and phase error less than 2.2 degrees are achieved within the operating frequency range. The impedance measurement time is about 0.6 ms at 10 kHz and 0.6 μs at 1 MHz.
본 논문은 1 kHz 부터 1024 kHz까지의 주파수 범위를 지원하는 전기 임피던스 분광 시스템 구현을 위해 시간-디지털 변환기를 사용하지 않는 벡터 연산 기반의 비동기식 임피던스 측정 집적 회로를 제안한다. 제안하는 구조는 벡터 연산에 기반한 방법을 통해 임피던스의 위상 정보를 시간-디지털 변환기 없이 도출할 수 있으므로 기존의 방식보다 낮은 전력을 소모한다. 그리고 새로운 방식의 최대 시점 클럭 생성기를 적용하여 기존의 방법보다 빠른 측정 속도를 갖는다. 또한 임피던스 측정 정확도를 높일 수 있는 알고리즘이 적용되었다. 제안하는 집적 회로는 1 MHz에서 1.2 mW 이하의 낮은 전력을 소모하며, 재구성 가능한 최대 시점 클럭 생성기와 버퍼 설계를 통해 1 kHz에서는 600 μW까지 전력 소모를 낮출 수 있도록 구현하였다. 동작 주파수 범위 내에서 1.4% 이하의 크기 오차와 2.2도 이하의 위상 오차를 가진다. 임피던스 측정 시간은 10 kHz에서 0.6 ms 정도이며, 1 MHz에서는 0.6 μs 정도이다.
