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커패시터 커플링 노이즈를 줄인 단일 전원 CMOS 베타선 센서 회로 설계
김홍주(HongZhou Jin),차진솔(JinSol Cha),황창윤(ChangYoon Hwang),이동현(DongHyeon Lee),라자 무하마드 살만(R. M. Salman),박경환(Kyunghwan Park),김종범(Jongbum Kim),하판봉(PanBong Ha),김영희(YoungHee Kim) 한국정보전자통신기술학회 2021 한국정보전자통신기술학회논문지 Vol.14 No.4
본 논문에서는 DB하이텍 0.18㎛ CMOS 공정을 이용하여 진성난수 생성기에 사용되는 베타선 센서 회로를 설계하였다. CSA 회로는 PMOS 피드백 저항과 NMOS 피드백 저항을 선택하는 기능, 50fF과 100fF의 피드백 커패시터를 선택하는 기능을 갖는 회로를 제안하였다. 그리고 펄스 셰이퍼(pulse shaper) 회로는 비반전 증폭기를 이용한 CR-RC2 펄스 셰이퍼 회로를 사용하였다. 본 논문에서 사용한 OPAMP 회로는 이중 전원(dual power) 대신 단일 전원(single power) 사용하고 있으므로 CR 회로의 저항과 RC 회로의 커패시터의 한쪽 노드는 GND 대신 VCOM에 연결한 회로를 제안하였다. 그리고 펄스 셰이퍼의 출력신호가 단조 증가가 아닌 경우 비교기 회로의 출력 신호가 다수의 연속된 펄스가 발생하더라도 단조 다중발진기(monostable multivibrator) 회로를 사용하여 신호 왜곡이 안되도록 하였다. 또한 CSA 입력단인 VIN과 베타선 센서 출력단을 실리콘 칩의 상단과 하단에 배치하므로 PCB trace 간의 커패시터 커플링 노이즈(capacitive coupling noise)를 줄이도록 하였다. In this paper, the beta-ray sensor circuit used in the true random number generator was designed using DB HiTek"s 0.18㎛ CMOS process. The CSA circuit proposed a circuit having a function of selecting a PMOS feedback resistor and an NMOS feedback resistor, and a function of selecting a feedback capacitor of 50fF and 100fF. And for the pulse shaper circuit, a CR-RC2 pulse shaper circuit using a non-inverting amplifier was used. Since the OPAMP circuit used in this paper uses single power instead of dual power, we proposed a circuit in which the resistor of the CR circuit and one node of the capacitor of the RC circuit are connected to VCOM instead of GND. And since the output signal of the pulse shaper does not increase monotonically, even if the output signal of the comparator circuit generates multiple consecutive pulses, the monostable multivibrator circuit is used to prevent signal distortion. In addition, the CSA input terminal, VIN, and the beta-ray sensor output terminal are placed on the top and bottom of the silicon chip to reduce capacitive coupling noise between PCB traces.
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김영희(Young-Hee Kim),김홍주(Hong-Zhou Jin),차진솔(Jin-Sol Cha),황창윤(Chang-Yoon Hwang),이동현(Dong-Hyeon Lee),라자 무하마드 살만(R. M. Salman),박경환(Kyung-Hwan Park),김종범(Jong-Bum Kim),하판봉(Pan-Bong Ha) 한국정보전자통신기술학회 2020 한국정보전자통신기술학회논문지 Vol.13 No.5
기존에 진성난수 생성기를 위한 베타선 센서 회로의 아날로그 회로와 비교기 회로에 사용되는 파워와 그라운드 라인은 서로 공유하므로 비교기 회로의 디지털 스위칭에 의해 발생되는 파워와 그라운드 라인에서의 전압강하가 CSA를 포함한 아날로그 회로의 출력 신호 전압이 감소하는 원인이었다. 그래서 본 논문에서는 디지털 스위칭 노이즈의 source인 비교 기 회로에 사용되는 파워와 그라운드 라인을 아날로그 회로의 파워와 그라운드 라인과 분리하므로 CSA(Charge Sensitive Amplifier) 회로를 포함한 아날로그 회로의 출력신호전압이 감소되는 것을 줄였다. 그리고 VREF(=1.195V) 전압을 VREF_VCOM과 VREF_VTHR 전압으로 변환해주는 전압-전압 변환기 회로는 PMOS current mirror를 통해 IREF를 구동할 때 PMOS current mirror의 드레인 전압이 다른 경우 5.5V의 고전압 VDD에서 channel length modulation effect에 의해 각각의 current mirror를 통해 흐르는 구동 전류가 달라져서 VREF_VCOM과 VREF_VTHR 전압이 감소하는 문제가 있다. 그래서 본 논문에서는 전압-전압 변환기 회로의 PMOS current mirror에 PMOS 다이오드를 추가하므로 5.5V의 고전압에서 VREF_VCOM과 VREF_VTHR의 전압이 down되지 않도록 하였다. Since the analog circuit of the beta ray sensor circuit for the true random number generator and the power and ground line used in the comparator circuit are shared with each other, the power generated by the digital switching of the comparator circuit and the voltage drop at the ground line was the cause of the decreasein the output signal voltage drop at the analog circuit including CSA (Charge Sensitive Amplifier). Therefore, in this paper, the output signal voltage of the analog circuit including the CSA circuit is reduced by separating the power and ground line used in the comparator circuit, which is the source of digital switching noise, from the power and ground line of the analog circuit. In addition, in the voltage-to-voltage converter circuit that converts VREF (=1.195V) voltage to VREF_VCOM and VREF_VTHR voltage, there was a problem that the VREF_VCOM and VREF_VTHR voltages decrease because the driving current flowing through each current mirror varies due to channel length modulation effect at a high voltage VDD of 5.5V when the drain voltage of the PMOS current mirror is different when driving the IREF through the PMOS current mirror. Therefore, in this paper, since the PMOS diode is added to the PMOS current mirror of the voltage-to-voltage converter circuit, the voltages of VREF_VCOM and VREF_VTHR do not go down at a high voltage of 5.5V.
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