전압차-시간 변환기를 이용한 Dynamic Low Dropout Voltage Regulator

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 융합과학기술대학원 융합과학부, 2019. 2. 전동석.최근 IoT와 mobile 환경에서 동작하는 시스템이 증가함에 따라 SoC의 내부의 전원관리 회로의 설계가 중요시되고 있다. 최신 SoC는 전원 효율을 높이기 위해 SoC 내부의 각 block마다 각각의 전원 관리용 회로를 추가하여 block의 load에 맞게 적절한 공급 전압을 제공한다. Low Dropout Voltage Regulator (LDO)는 빠른 응답시간과 적은 die area로 SoC내부에 적용하기 적합하여 SoC내부의 전원 관리 회로로 널리 사용되고 있다. 하지만 제품의 소형화를 위해 Printed Circuit Board (PCB) 면적을 줄일 필요성이 있어 기존의 큰 외부 출력 capacitor를 없애는 output capacitor-less LDO에 대한 관심이 높아졌다. 또한 mobile 환경에서 배터리 수명을 위해 문턱 전압 근처에서 동작을 하는 시스템이 많아져 문턱 전압 근처에서 가능한 Digital LDO (DLDO)에 대한 연구가 많이 진행되었다. 본 논문에서는 문턱 전압 근처에서 작동하며 외부 capacitor와 pad를 없앨 수 있는 output capacitor-less 동작을 지원하는 dynamic 구조의 LDO를 제안한다. 문턱 전압 근처에서 작동이 가능한 DLDO와는 다르게 제안된 LDO는 analog LDO와 같이 하나의 power transistor를 사용하며, op-amp 대신 Voltage Difference to Time Converter(VDTC)를 제안해 문턱 전압 근처에서의 동작을 가능하게 하였다. 제안된 VDTC를 통해DLDO에서는 힘든 출력 전압의 ripple-less특성을 가질 수 있다. 또한 작은 capacitor로 높은 주파수에서의 출력 임피던스 감소 루프를 적용해 load transient가 발생하였을 때 출력 capacitor 없이 적은 출력 전압 변화를 얻었다. 설계된 회로는65nm LP 공정으로 제작되었으며, 전체 면적은 0.0834mm2 이다. 제안된 논문은 넓은 동작 범위를 가지며 0.6V 입력 전압에서 최대 30mA의 출력 전류를 제공한다. 대기 전류는 1MHz의 클럭에서 0.1μA을 사용하며 이전 최신 논문보다 14배 향상된 FOM을 얻었다.Recently, the design of the on-chip power management circuit of the System-on-Chip (SoC) becomes important as the system which operates in IoT and mobile environment emerges. To maximize power efficiency, modern SoCs need power management block in each block of the SoC to provide the proper supply voltage. Low Dropout Voltage Regulator (LDO) is widely used as power management circuits in SoCs because it suitable to be integrated in SoC with fast response time and low die area. However, there is a need to reduce the printed circuit board (PCB) area in order to miniaturize the product therefore, there is a growing in growing interest in output capacitor-less LDOs that eliminate the large external output capacitors. Recent SoCs operate in near threshold voltage region for battery life in mobile environment, as a result digital LDOs (DLDO) which have feasibility in near threshold voltage has been reported. In this paper, we propose a dynamic LDO that operates in near threshold voltage region and supports an output capacitor-less operation that can eliminate external capacitors and pads. Unlike DLDO, which operate in near threshold voltage region, the proposed LDO uses a single power transistor like an analog LDO. Voltage Difference to Time Converter (VDTC) is proposed substituting op-amp to enable operation in near threshold voltage region. Through the proposed VDTC, the proposed LDO have a ripple-less output. In addition, output impedance reduction loop is proposed to mitigate output voltage droop when sharp load transient occurs. The proposed LDO was fabricated with 65nm LP CMOS process and its total area is 0.0834mm2. The proposed paper has a wide operating range and provides up to 30mA of output current at 0.6V input voltage. The proposed LDO consumes quiescent current of 0.1μA at 1MHz clock and achieves 0.364fs FOM, improving prior art by 14x.제 1 장 서 론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 논문의 구성 2 제 2 장 Basics of LDO 4 2.1 Analog LDO 4 2.2 Digital LDO 6 2.3 Performance Metrics 7 2.3.1 Quiescent Current 7 2.3.2 Current Efficiency 8 2.3.3 Transient Response 8 2.3.4 Load Regulation 9 2.3.5 Line Regulation 9 제 3 장 Design of proposed LDO 10 3.1 Design Consideration 10 3.2 Overall Architecture 11 3.3 Small Signal and Loop sta 14 3.4 Output Impedance Reduction Loop 16 3.5 Circuit Implementation 20 3.5.1 Voltage Differenc to Time Converter 20 3.5.2 Charge Pump and Power Transistor 23 3.5.3 Load Test Circuit 25 제 4 장 Measurement 26 4.1 Measurement Setup 26 4.2 Die Photomicrograph 27 4.3 Load Transient Measurement 29 4.4 VREF Transient Measurement 31 4.5 Load and Line Regulation Measurement 32 4.6 Current Efficiency 34 4.7 Performance Summary 35 제 5 장 Conclusion 37 참고문헌 38 Abstract 41Maste

독일바퀴 주 알레르겐, Bla g4의 서열 다형성 및 펩티드 단편들의 IgE 반응성

Dept. of Medical Science/석사[한글] 바퀴는 천식이나 여러 호흡기 알레르기 질환을 일으키며, IgE와 결합하는 항원을 가지고 있다. 알레르겐은 환경적, 유전적 요인에 따른 지역적인 차이에 따라 단백질 서열에 다양한 변이가 있다. 이러한 지역적 차이에는 우세한 변이체를 관찰할 수 있다. 소수의 아미노산 치환이라도 면역반응에 상당한 영향을 주기 때문에, 우세한 변이체의 알레르기 항원성을 결정하는 것은 대단히 중요하다. 따라서 본 연구를 통해 한국에서 우세한 Bla g 4의 변이체를 찾아서 아미노산 서열을 분석하고, E.coli 에서 재조합 단백질을 생산하여 바퀴에 감작된 환자 혈청으로부터 IgE 결합능을 조사하였다. 또한, 면역치료에 중요한 IgE binding epitope를 규명하기 위해 Bla g 4의 펩티드 단편들을 합성하여 ELISA (Enzyme-linked immunosorbent assay)를 수행하였다. 독일바퀴의 수컷 성충으로부터 RT-PCR (reverse transcriptase polymerase chain reaction)을 이용해 Bla g 4 유전자를 클로닝하였다. 기존의 Bla g 4 DNA서열 (U40767)과 다른 변이체(EF202172)가 조사되어 아미노산 서열을 분석한 결과, 다음과 같이 13개의 아미노산 서열이 치환되어 있었다: 8 (T→S), 13 (N→M), 62 (V→Y), 64 (K→T), 69 (K→Q), 71 (K→N), 73 (K→R), 75 (T→A), 110 (E→D), 131 (I→L), 133 (F→L), 134 (S→T), and 135 (V→W). 51개의 클론중에 총 27개의 변이체가 조사되었으며, 가장 빈도수가 높은 변이체(14/51; 92.9%)를 한국에서 우세한 변이체(EF202172)로 결정하였다. 이를 E.coli (DE3)에서 발현시켜 재조합 단백질을 생산하고, 세브란스 병원의 알레르기 클리닉을 찾은 바퀴알레르기 환자 32명의 혈청을 연구에 이용하였다. 그 결과 총 32명의 환자들 중 8명이 재조합 Bla g 4에 강하게 반응하여 IgE 결합능은 25%을 나타내었다. 클로닝한 Bla g 4를 각각 5개의 단편으로 나누어 발현하고 재조합 단백질을 생산하였다. Bla g 4에 강하게 반응하는 4명의 환자혈청을 이용하여 이들의 IgE 결합능을 조사한 결과, 단편1은 0명(0%), 단편2는2명(50%), 단편3은1명(25%), 단편4는 4명(100%), 단편5는 0명(0%)으로 조사되었다. 따라서 IgE-binding epitopes 부위는 아미노산 서열위치 34~73, 78~113이며, 주 결합부위는 118~152에 위치한 것으로 나타났다.재조합 알레르겐을 이용한 Bla g 4의 linear B cell epitope에 대한 연구는 본 실험을 통하여 처음으로 보고된 것이며, 이는 알레르기 환자의 정확한 진단과 면역치료에 대한 기초자료로 활용될 것이다. [영문]Cockroaches are a major cause of asthma. Recombinant cockroach allergens have been identified and characterized, and different polymorphisms of major allergens have been described in various geographical regions. A change in the amino acid sequence of cockroach allergens could affect IgE binding capacities and T cell responses. In this study, reverse transcriptase-PCR was carried out to examine the sequence variations of the major German cockroach allergen Bla g 4, a member of the calycin protein family. A total of 27 different variants of Bla g 4 were identified by analysis of 51 clones obtained by RT-PCR. A Bla g 4 variant sequence appeared in 14 of the 51 clones (27.5%), indicating that it is a dominant form (EF202172). Differences between the dominant form (27.5%) obtained in this study and previously reported Bla g 4 (U40767) forms were found at 13 amino acid positions: amino acid position 8 (T to S), 13 (N to M), 62 (V to Y), 64 (K to T), 69 (K to Q), 71 (K to N), 73 (K to N), 75 (T to A), 110 (E to D), 131 (I to L), 133 (F to L), 134 (S to T), and 135 (V to W). Of note, the amino acid residues at 51-75 and 132-155 showed a high degree of sequence variation. These data suggest that Bla g 4 is highly polymorphic. A multiple amino acid sequence alignment with eight allergenic lipocalin family proteins was carried out by using the Clustal X program. Despite the probable structural similarity, the identity between the sequences was very low, showing only the two identical residues, Gly33 and Trp35 to the main conserved segment of the lipocalin family. Their influence on IgE-binding capacity and T cell responsiveness will be investigated in order to better understand immune responses to Bla g 4. The aim of this study was to investigate IgE reactivity to recombinant Bla g 4 (rBla g 4) in the sera of allergic patients and identify linear IgE binding epitopes. For protein expression, full-length Bla g 4 (EF202172) was divided into five overlapping peptide fragments (E1~E5; E1: aa 1-100, E2: aa 34-77, E3: aa 74-117, E4: aa 114-156, E5: aa 153-182). The full-length and five peptide fragments of Bla g 4 were generated by PCR and over-expressed in E. coli BL21 (DE3). The IgE binding reactivities of the full-length and peptide fragments were measured by enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) using 32 serum samples of from patients with cockroach allergies. The sera of 8 patients (25%) reacted with rBla g 4, a prevalence significantly lower than the 40~60% reported previously by Arruda et al (1996). Four sera (100%) showed IgE-binding reactivity to full-length and peptide fragment 4, 3 sera (80%) reacted with peptide fragment 2, one (20%) serum sample reacted with peptide fragment 3. The ELISA results from the overlapping recombinant fragments localized the epitope region to amino acids 34~73 and 78~113, with the major IgE epitope of Bla g 4 localized to amino acid residues 118~152 of the C-terminus. Heterogeneity in IgE responses to Bla g 4 in individual patients was also observed, correlating with the finding that the most allergens have multiple IgE-binding sites which are at least partly due to the polyclonal nature of the immune response to protein allergens. Out results may provide fundamental bases for developing effective diagnostics and therapeutics for treating cockroach allergies.ope