A 64-Channel Digital Beamformer Chip for Ultrasound Medical Imaging and Low-noise ROIC for MEMS Microphone with Chopper Technique

Abstract

In this thesis, a 64-channel RX digital beamformer with non-uniform sampling scheme and ROIC for MEMS microphone with chopper scheme are proposed. Firstly, a 64-channel RX digital beamformer was implemented in a single chip for 3-D ultrasound medical imaging using 2-D phased-array transducers. The RX beamformer chip includes 64 analog front-end branches including 64 non-uniform sampling ADCs, a FIFO/Adder, and an on-chip look-up table (LUT). The LUT stores the information on the rising edge timing of the non-uniform ADC sampling clocks. To include the LUT inside the beamformer chip, the LUT size was reduced by around 240 times by approximating an ADC-sample-time profile w.r.t. focal points (FP) along a scanline (SL) for a channel into a piece-wise linear form. The maximum error between the approximated and accurate sample times of ADC is eight times the sample time resolution (Ts) that is 1/32 of the ultrasound signal period in this work. The non-uniform sampling reduces the FIFO size required for digital beamforming by around 20 times. By applying a 9-dot image from Field-II program and 2-D ultrasound phantom images to the fabricated RX beamformer chip, the original images were successfully reconstructed from the measured output. The chip in a 0.13-m CMOS occupies 30.25mm2 and consumes 605mW. Secondly, a differential clock is AC-coupled to a MEMS microphone pair as AC bias for chopper operation, while maintaining the high-voltage DC bias through large resistance resistors for high sensitivity. The MEMS microphone pair connected to a fully-differential ROIC amplifier with a demodulation chopper increased the measured SNRAW by 3.5~4.3dB compared to a single MEMS microphone with chopper. The chopper operation applied to the pair of MEMS microphones reduced the measured audio band noise at the ROIC output by 14.8~16.5 times compared to the no chopper case. The fully differential ROIC consists of an amplifier, a demodulation chopper, a pair of RC-LPFs and a unity-gain buffer. The ROIC implemented in 0.35-μm CMOS process takes a chip area of 2.5mm2 and consumes 134μA at the supply voltage of 3.3V.

본 논문에서는 non-uniform 샘플링 방식을 적용한 RX 디지털 빔포머와 쵸퍼 방식을 적용한 MEMS 마이크로폰 용 ROIC를 제안하였다. 첫째로 2차원 phased-array 트랜스듀서를 이용하여 2차원 초음파 의학용 영상을 위한 64채널 RX 디지털 빔포머가 하나의 칩으로 구현되었다. RX 빔포머 칩은 64개 non-uniform sampling ADC를 포함한 64개 아날로그 초단 회로, FIFO/Adder, look-up table (LUT)이 포함되어 있다. LUT은 non-uniform ADC 샘플링 클락의 상승 엣지 타이밍 정보가 저장되어 있다. LUT을 빔포머 칩 속에 포함시키기 위해 LUT 사이즈를 약 240배 줄였다. LUT 사이즈를 줄이기 위해 채널에 따라 스캔 라인 별로 focal point (FP)에 대한 ADC-sample-time profile을 구간마다 선형 형태로 근사화 하였다. ADC 샘플 타임의 근사값과 참값 사이의 최대 오차는 샘플 타임 해상도 (Ts)의 8배이다. 본 논문에서 Ts는 초음파 신호 주기의 1/32이다. Non-uniform 샘플링은 디지털 빔포밍에 있어 FIFO 사이즈를 약 20배 감소시켰다. Field-II 프로그램으로 얻은 9개의 점 이미지와 상용 기기로 얻은 2차원 초음파 팬텀을 제작된 RX 빔포머 칩에 인가하였다. 이 때, 측정된 결과로 복원된 이미지와 실제 이미지가 완전히 같음을 확인하였다. 제작된 칩은 0.13-m CMOS 공정을 이용하였고, 사용된 면적은 30.25mm2이며, 소모 전력은 605mW이다. 두번째로, MEMS 마이크로폰 쌍에 쵸퍼 방식을 위한 차동 클락을 AC bias 해주고, 높은 감도를 위해 큰 저항을 통해 고전압 DC bias를 해주었다. 이 MEMS 마이크로폰 쌍을 demodulation chopper가 있는 완전 차동 ROIC 증폭기에 연결하여 측정된 SNRAW를 싱글 MEMS 마이크로폰에 비해 3.5dB~4.3dB 증가시켰다. MEMS 마이크로폰 쌍에 쵸퍼 방식을 적용하여 ROIC 출력 단에서 보이는 오디오 신호 범위 내의 측정된 노이즈를 쵸퍼 방식을 적용하지 않았을 때보다 약 14.8~16.5 배 감소시켰다. 완전 차동 ROIC는 증폭기, demodulation chopper, 쌍의 RC-LPF, 그리고 unity-gain buffer로 구성되어 있다. 제작된 ROIC는 0.35-m CMOS 공정을 이용하였고, 사용된 면적은 2.5mm2이며, 공급 전압 3.3V 일 때, 소모되는 전류가 134A이다.