12.8 kHz Energy-Efficient Read-Out IC for High Precision Bridge Sensor Sensing System

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022.2. 김수환.In the thesis, a high energy-efficient read-out integrated circuit (read-out IC) for a high-precision bridge sensor sensing system is proposed. A low-noise capacitively-coupled chopper instrumentation amplifier (CCIA) followed by a high-resolution incremental discrete-time delta-sigma modulator (DTΔΣΜ) analog-to-digital converter (ADC) is implemented. To increase energy-efficiency, CCIA is chosen, which has the highest energy-efficiency among IA types. CCIA has a programmable gain of 1 to 128 that can amplify the small output of the bridge sensor. Impedance boosting loop (IBL) is applied to compensate for the low input impedance, which is a disadvantage of a CCIA. Also, the sensor offset cancellation technique was applied to CCIA to eliminate the offset resulting from the resistance mismatch of the bridge sensor, and the bridge sensor offset from -350 mV to 350 mV can be eliminated. In addition, the output data rate of the read-out IC is designed to be 12.8 kHz to quickly capture data and to reduce the power consumption of the sensor by turning off the sensor and read-out IC for the rest of the time. Generally, bridge sensor system is much slower than 12.8 kHz. To suppress 1/f noise, system level chopping and correlated double sampling (CDS) techniques are used. Implemented in a standard 0.13-μm CMOS process, the ROIC’s effective resolution is 17.0 bits at gain 1 and that of 14.6 bits at gain 128. The analog part draws the average current of 139.4 μA from 3-V supply, and 60.2 μA from a 1.8 V supply.본 논문에서는 고정밀 브리지 센서 센싱 시스템을 위한 에너지 효율이 높은 Read-out Integrated Circuit (read-out IC)를 제안한다. 저 잡음 Capacitively-Coupled Instrumentation Amplifier (CCIA)에 이은 고해상도 Discrete-time Delta-Sigma 변조기(DTΔΣΜ) 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 구현하였다. 에너지 효율을 높이기 위해 IA 유형 중 에너지 효율이 가장 높은 CCIA를 선택하였다. CCIA는 브리지 센서의 작은 출력을 증폭할 수 있는 1 에서 128의 프로그래밍 가능한 전압 이득을 가진다. CCIA의 단점인 낮은 입력 임피던스를 보상하기 위해 Impedance Boosting Loop (IBL)을 적용하였다. 또한 CCIA에 센서 오프셋 제거 기술을 적용하여 브리지 센서의 저항 미스매치로 인한 오프셋을 제거 기능을 탑재하였으며 -350mV에서 350mV까지 브리지 센서 오프셋을 제거할 수 있다. Read-out IC의 출력 데이터 전송률은 12.8kHz로 설계하여 데이터를 빠르게 채고 나머지 시간 동안 센서와 read-out IC를 꺼서 센서의 전력 소비를 줄일 수 있도록 설계하였다. 일반적으로 브리지 센서 시스템은 12.8kHz보다 느리기 때문에 이것이 가능하다. 하지만, 일반적인 CCIA는 입력 임피던스 때문에 빠른 속도에서 설계가 불가능하다. 이를 해결하기 위해 demodulate 차핑을 앰프 내부가 아닌 시스템 차핑을 이용해 해결하였다. 1/f 노이즈를 억제하기 위해 시스템 레벨 차핑 및 상관 이중 샘플링(CDS) 기술이 사용되었다. 0.13μm CMOS 공정에서 구현된 read-out IC의 Effective Resolution (ER)은 전압 이득 1에서 17.0비트이고 전압 이득 128에서 14.6비트를 달성하였다. 아날로그 회로는 3 V 전원에서 139.4μA의 평균 전류를, 디지털 회로는 1.8 V 전원에서 60.2μA의 평균 전류를 사용한다.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 SMART DEVICES 1 1.2 SMART SENSOR SYSTEMS 4 1.3 WHEATSTONE BRIDGE SENSOR 5 1.4 MOTIVATION 8 1.5 PREVIOUS WORKS 10 1.6 INTRODUCTION OF THE PROPOSED SYSTEM 14 1.7 THESIS ORGANIZATION 16 CHAPTER 2 SYSTEM OVERVIEW 17 2.1 SYSTEM ARCHITECTURE 17 CHAPTER 3 IMPLEMENTATION OF THE CCIA 19 3.1 CAPACITIVELY-COUPLED CHOPPER INSTRUMENTATION AMPLIFIER 19 3.2 IMPEDANCE BOOSTING 22 3.3 SENSOR OFFSET CANCELLATION 25 3.4 AMPLIFIER OFFSET CANCELLATION 29 3.5 AMPLIFIER IMPLEMENTATION 32 3.6 IMPLEMENTATION OF THE CCIA 35 CHAPTER 4 INCREMENTAL ΔΣ ADC 37 4.1 INTRODUCTION OF INCREMENTAL ΔΣ ADC 37 4.2 IMPLEMENTATION OF INCREMENTAL ΔΣ MODULATOR 40 CHAPTER 5 SYSTEM-LEVEL DESIGN 43 5.1 DIGITAL FILTER 43 5.2 SYSTEM-LEVEL CHOPPING & TIMING 46 CHAPTER 5 MEASUREMENT RESULTS 48 6.1 MEASUREMENT SUMMARY 48 6.2 LINEARITY & NOISE MEASUREMENT 51 6.3 SENSOR OFFSET CANCELLATION MEASUREMENT 57 6.4 INPUT IMPEDANCE MEASUREMENT 59 6.5 TEMPERATURE VARIATION MEASUREMENT 63 6.6 PERFORMANCE SUMMARY 66 CHAPTER 7 CONCLUSION 68 APPENDIX A. 69 ENERGY-EFFICIENT READ-OUT IC FOR HIGH-PRECISION DC MEASUREMENT SYSTEM WITH IA POWER REDUCTION TECHNIQUE 69 BIBLIOGRAPHY 83 한글초록 87박

Effects of Magentic field on the Shapes of a Bubble in a Uniaxial Stranining Flow

Maste

Clinical study on the necessity of prophylactic antibiotic therapy in tooth extraction

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 치의학과, 2011.2. 최진영.Maste

Scanning Force Microscope를 이용한 반도체 표면 조사

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :물리학과,1997.Maste

Bacillus subtilis에서 Methylglyoxal이 세포 형태에 미치는 영향

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 자연과학대학 생명과학부, 2017. 8. 강사욱.막대모양의 세균은 세포의 분열 및 신장 과정을 통해 고유한 형태를 유지함으로써 적절한 세포의 기능을 수행 할 수 있게 된다. 이러한 세포 형태의 유지는 세포 골격을 이루는 요소들에 의해 이루어 지며 다양한 대사물질의 증감이 관여되어 엄격히 조절된다. 주로 해당과정에서 생성되는 대사산물인 메틸글리옥살은 고초균을 포함한 몇몇 세균에서는 메틸글리옥살 합성효소(MGS)를 통해 세포 내 양이 조절된다. 메틸글리옥살은 펩타이드와 같은 아민을 가진 유기화합물과 쉽게 반응하며 최근 보고된 바에 따르면 메틸글리옥살의 축적은 세포의 생장과 형태 변화에 영향을 줌과 동시에 세포 내 폴리아민의 감소를 야기한다. 두개 이상의 아민을 포함하고 있는 폴리아민은 몇몇 세균에서 펩티도글리칸과 공유결합을 이루고 있으며 세포의 외피와의 비공유적 결합을 통해 세포 형태의 안정화에 필수적인 역할을 한다고 보고된 바 있다. 또한 폴리아민 생합성 효소의 결손은 세포의 크기변화와 함께 메틸글리옥살의 축적을 야기한다고 알려져 있다. 그러나 메틸글리옥살과 폴리아민의 상호관계에 의한 형태학적 변화와 그것의 조절기작에 대한 실험적 증거는 모호하다. 본 연구는 간상세포인 고초균의 세포 분열 및 신장 과정에서 메틸글리옥살과 폴리아민 그리고 그것들의 생합성 효소들간의 상호 혹인 독립적 역할을 규명하는데 초점을 두었다. MGS와 폴리아민 생합성 효소(아르기닌 탈 탄산효소(SpeA), 아그마틴 분해효소(SpeB), 스퍼미딘 합성효소(SpeE))를 결손 및 과 발현을 시킨 변이 균주들의 형태학적 변화에 따른 세포 내 메틸글리옥살과 폴리아민의 양이 측정되었다. MGS와 폴리아민 생합성 효소의mRNA발현 양상과 함께 세포골격 단백질들의 위치와 발현 정도를 비교하였다. 생체 외 실험에서 메틸글리옥살과 스퍼미딘의 상호작용은 시프염기를 형성함으로써 메틸글리옥살의 퀴녹살린 유도체 형성을 급격하게 감소시켰다. 세포 내 메틸글리옥살과 폴리아민간의 상호작용을 추정하여 이 유기화합물들을 생장 배지에 처리한 결과 메틸글리옥살과 폴리아민을 처리한 세포에서 각각 신장된 그리고 단축된 고초균 세포들이 관찰되었다. 외인성의 메틸글리옥살과 폴리아민 처리의 경우와는 다르게, mgsA, speB, 그리고 speE 유전자 결손균주는 단축된 형태를 보였으며 이와는 대조적으로 각 유전자의 과 발현 균주에서는 세포의 신장이 있었다. 놀랍게도 speB와 speE 유전자를 과 발현시킴과 더불어mgsA 유전자를 결손시킨 세포들은 야생균주에 비해 신장된 형태가 아닌 단축된 형태를 보였다. 이러한 외형적 변화는 유전자 조절이 수반된 세포 내 메틸글리옥살과 스퍼미딘 함량의 변화가 밀접하게 연관되어 있었고 전반적 유전자 조절인자인 spx에 의해 조절 되었다. 메틸글리옥살과 폴리아민은 세포의 형태 변화가 일어나는 동안 상호적으로 유도되었다. 특히 메틸글리옥살의 농도가 낮은 세포는 세포신장의 저해를 보였으며 메틸글리옥살이 축적된 세포는 두드러지게 신장된 간상 형태를 보였다. 이러한 형태학적 변화는MGS, 폴리아민 생합성 효소 그리고 FtsZ, MreB와 같은 세포 형태 조절 인자들이 관여되어있었다. mgsA 결손 균주에서 CFP-FtsZ의 형광강도는 13% 증가한 반면에 과발현 균주에서는 26% 감소하였고 GFP-MreB는 반대되는 강도를 보였다. 본 연구를 통해 세포 내 메틸글리옥살의 증가된 양이spx의 조절에 의한 mgsA 발현과 스퍼미딘 양의 변화를 야기함으로써 고초균 세포의 분열을 억제하고 신장을 유발시킨다는 것을 제안한다.Rod shape bacteria maintains its intrinsic cell shape through cell division and elongation, thereby enabling it to perform biological function properly. The maintenance of cell morphologies is accomplished by the cytoskeletal elements and is tightly controlled by the involvement of variation in the level of various metabolites. Methylglyoxal is a metabolite produced mainly in glycolysis, but its cellular level is regulated by methylglyoxal synthase (MGS) in several bacteria including Bacillus subtilis and Escherichia coli. Methylglyoxal readily reacts with organic compounds containing amines such as peptides. As recently reported, accumulation of methylglyoxal affects the growth and morphology of the cells and leads to decrease in intracellular polyamines. Polyamines containing two or more amines are covalently bound to peptidoglycan in some bacteria and have been reported to play an essential role in the stabilization of cell morphology through non-covalent binding to the cell envelope. It is also known that the deficiency of the polyamine biosynthetic enzyme causes the accumulation of methylglyoxal along with the change of cell size. However, the morphological changes due to the interrelationship between methylglyoxal and polyamines and the experimental evidence for its regulatory mechanism are still ambiguous. This study focused on explaining the reciprocal or independent roles of methylglyoxal, polyamines and their biosynthetic enzymes in the cell division and elongation process of B. subtilis. According to the morphological changes of deficient and overexpressed strains of MGS and polyamine biosynthesis enzymes (arginine decarboxylase(SpeA), agmatinase(SpeB), and spermidine synthase(SpeE)), intracellular concentration of methylglyoxal and polyamines were measured. The transcription levels of MGS and polyamine biosynthesis enzymes and the localization and translation levels of cytoskeletal proteins were checked with comparison. The interaction of methylglyoxal and spermidine dramatically reduced the formation of quinoxaline derivatives of methylglyoxal by forming Schiff-base products in vitro. Considering putative intracellular interaction of methylglyoxal and polyamines, these organic compounds were treated in growth media. In consequence, it was observed that B. subtilis cells were elongated and shortened in the methylglyoxal- and polyamine-treated cells, respectively. Unlike the exogenous methylglyoxal and polyamine treatments, the mgsA, speB, and speE deletion strains were shortened, whereas, in contrast, the overexpressed strains of each gene had cell elongation. In addition, strains of overexpression of speB and speE, as well as lacking mgsA, showed a shortened length, rather than an elongated length, as compared to wild type strains. These phenotypic behaviors were closely associated with changes in intracellular methylglyoxal and spermidine content accompanied by gene regulation under the control of the global regulator, spx. The methylglyoxal and spermidine are reciprocally induced during cell-shape changes. In particular, low concentration of intracellular methylglyoxal led stunted cell elcongation while the methylglyoxal-accumulated cells showed the significantly elongated rod-shaped morphology. The morphological changes were engaged in the expressions of mgsA, polyamine genes, and cell shape regulators including tubulin-like (FtsZ) and actin- like (MreB) cytoskeletons. The fluorescence intensity of CFP-FtsZ was increased by 13% in MGsA-deficient strain, but decreased by 26% in overexpressing strain and the intensity of GFP-mreB was opposite. This study suggests that an increased level of intracellular methylglyoxal induces the expression of mgsA and changes in spumidine concentration by the regulation of spx, thereby inhibiting division and inducing elongation of the B. subtilis.I. INTRODUCTION 1 1. Cell size regulation in bacteria 2 1.1. Division and elongation 2 2. Bacillus subtilis 3 2.1. Cell size regulators in Bacillus 4 3. Polyamines 7 3.1. Polyamines in general 7 3.2. Function of polyamines 8 3.3. Interaction between polyamines and nucleic acids 10 3.4. Enzymatic biosynthesis of polyamines 12 4. Methylglyoxal 15 4.1. Overview of methylglyoxal 17 4.2. Methylglyoxal production 17 4.3. Physiological influences of methylglyoxal 20 4.4. Methylglyoxal in Bacterial physiology 23 4.5. Methylglyoxal synthase(MGS) in Bacillus subtilis 24 4.6. Schematic relationship between methylglyoxal and polyamines in cell elongation in B. subtilis 26 5. Aims of this study 28 II. MATERIALS AND METHODS 31 1. Materials 32 2. Methods 32 2.1. Strains and culture conditions 32 2.2. Disruption and overexpression of mgsA and polyamine-biosynthesizing genes 32 2.3. Bacillus MGS overproduction in E. coli 39 2.4. Enzyme kinetics 39 2.5. Polyamines and MG measurement 39 2.6. Microscopy 40 2.7. Northern blot analysis and real-time PCR 40 2.8. Western blot analysis 41 2.9. Statistical analysis 41 III. RESULTS 43 1. A possible interaction between MG and polyamines can alter their cellular levels and biosynthesis gene expressions 44 1.1. Shiff base formation between MG and SPD in vitro 44 1.2. The changes of mRNA level of mgsA, spx, clpP and speE by growth phase 47 2. B. subtilis cells are elongated and shortened by exogenous MG and polyamines 49 2.1. Morphological properties of B. subtilis in exogenous MG and PA 49 2.2. The expression level of mgsA, spx, clpP, and PA genes in exogenous MG and PA 52 3. Bacillus mgsA-overexpressing cells display MG accumulation and elongated rod-shaped morphology 57 3.1. Physiological properties of mgsA mutants 57 3.2. The morphological changes in mgsA mutants 59 3.3. The expression of spx in mgsA-overexpression cells 59 4. The cellular SPD content changes essentially induce or reduce MG biosynthesis 62 4.1. The cellular PA content in mgsA and PA gene mutants 62 4.2. SPD as the most predominant PA in Bacillus subtilis 62 4.3. The relationship between cellular SPD content and MG level 65 4.4. The decreased MG level induced by polyamine-deficient leads to Bacillus cell shortening process. 69 5. The double-mutants, including speBOE/mgsA and speEOE/mgsA, were shortened by the mgsA disruption despite the cellular SPD increases. 77 5.1. Cell elongation by MG rather than polyamine-deficiency 77 5.2. Decreased cellular SPD caused by changes of cellular MG content acts as a second factor of cell length control mechanism in the case of B. subtilis. 78 6. The potential mechanism FtsZ-, MreB-, or RodA-mediated cell length changes triggered by cellular MG and polyamine contents 83 6.1. The expression level of cell elongation and division factors in the mgsAOE, speBOE, and speEOE cells 83 6.2. The comparison of expression level of FtsZ and MreB in mgsA mutants 87 IV. DISCUSSION 93 V. REFERENCES 98Docto

Studies on the stability of electroosmotic flow under time-periodic electric field

Docto

Dictyostelium discoideum의 생장과 분화의 전환에서 Calfumirin-1의 역할

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 생명과학부, 2011.8. 강사욱.Maste

12.8 kHz Energy-Efficient Read-Out IC for High Precision Bridge Sensor Sensing System

In the thesis, a high energy-efficient read-out integrated circuit (read-out IC) for a high-precision bridge sensor sensing system is proposed. A low-noise capacitively-coupled chopper instrumentation amplifier (CCIA) followed by a high-resolution incremental discrete-time delta-sigma modulator (DTΔΣΜ) analog-to-digital converter (ADC) is implemented. To increase energy-efficiency, CCIA is chosen, which has the highest energy-efficiency among IA types. CCIA has a programmable gain of 1 to 128 that can amplify the small output of the bridge sensor. Impedance boosting loop (IBL) is applied to compensate for the low input impedance, which is a disadvantage of a CCIA. Also, the sensor offset cancellation technique was applied to CCIA to eliminate the offset resulting from the resistance mismatch of the bridge sensor, and the bridge sensor offset from -350 mV to 350 mV can be eliminated. In addition, the output data rate of the read-out IC is designed to be 12.8 kHz to quickly capture data and to reduce the power consumption of the sensor by turning off the sensor and read-out IC for the rest of the time. Generally, bridge sensor system is much slower than 12.8 kHz. To suppress 1/f noise, system level chopping and correlated double sampling (CDS) techniques are used. Implemented in a standard 0.13-μm CMOS process, the ROIC’s effective resolution is 17.0 bits at gain 1 and that of 14.6 bits at gain 128. The analog part draws the average current of 139.4 μA from 3-V supply, and 60.2 μA from a 1.8 V supply.본 논문에서는 고정밀 브리지 센서 센싱 시스템을 위한 에너지 효율이 높은 Read-out Integrated Circuit (read-out IC)를 제안한다. 저 잡음 Capacitively-Coupled Instrumentation Amplifier (CCIA)에 이은 고해상도 Discrete-time Delta-Sigma 변조기(DTΔΣΜ) 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 구현하였다. 에너지 효율을 높이기 위해 IA 유형 중 에너지 효율이 가장 높은 CCIA를 선택하였다. CCIA는 브리지 센서의 작은 출력을 증폭할 수 있는 1 에서 128의 프로그래밍 가능한 전압 이득을 가진다. CCIA의 단점인 낮은 입력 임피던스를 보상하기 위해 Impedance Boosting Loop (IBL)을 적용하였다. 또한 CCIA에 센서 오프셋 제거 기술을 적용하여 브리지 센서의 저항 미스매치로 인한 오프셋을 제거 기능을 탑재하였으며 -350mV에서 350mV까지 브리지 센서 오프셋을 제거할 수 있다. Read-out IC의 출력 데이터 전송률은 12.8kHz로 설계하여 데이터를 빠르게 채고 나머지 시간 동안 센서와 read-out IC를 꺼서 센서의 전력 소비를 줄일 수 있도록 설계하였다. 일반적으로 브리지 센서 시스템은 12.8kHz보다 느리기 때문에 이것이 가능하다. 하지만, 일반적인 CCIA는 입력 임피던스 때문에 빠른 속도에서 설계가 불가능하다. 이를 해결하기 위해 demodulate 차핑을 앰프 내부가 아닌 시스템 차핑을 이용해 해결하였다. 1/f 노이즈를 억제하기 위해 시스템 레벨 차핑 및 상관 이중 샘플링(CDS) 기술이 사용되었다. 0.13μm CMOS 공정에서 구현된 read-out IC의 Effective Resolution (ER)은 전압 이득 1에서 17.0비트이고 전압 이득 128에서 14.6비트를 달성하였다. 아날로그 회로는 3 V 전원에서 139.4μA의 평균 전류를, 디지털 회로는 1.8 V 전원에서 60.2μA의 평균 전류를 사용한다.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 SMART DEVICES 1 1.2 SMART SENSOR SYSTEMS 4 1.3 WHEATSTONE BRIDGE SENSOR 5 1.4 MOTIVATION 8 1.5 PREVIOUS WORKS 10 1.6 INTRODUCTION OF THE PROPOSED SYSTEM 14 1.7 THESIS ORGANIZATION 16 CHAPTER 2 SYSTEM OVERVIEW 17 2.1 SYSTEM ARCHITECTURE 17 CHAPTER 3 IMPLEMENTATION OF THE CCIA 19 3.1 CAPACITIVELY-COUPLED CHOPPER INSTRUMENTATION AMPLIFIER 19 3.2 IMPEDANCE BOOSTING 22 3.3 SENSOR OFFSET CANCELLATION 25 3.4 AMPLIFIER OFFSET CANCELLATION 29 3.5 AMPLIFIER IMPLEMENTATION 32 3.6 IMPLEMENTATION OF THE CCIA 35 CHAPTER 4 INCREMENTAL ΔΣ ADC 37 4.1 INTRODUCTION OF INCREMENTAL ΔΣ ADC 37 4.2 IMPLEMENTATION OF INCREMENTAL ΔΣ MODULATOR 40 CHAPTER 5 SYSTEM-LEVEL DESIGN 43 5.1 DIGITAL FILTER 43 5.2 SYSTEM-LEVEL CHOPPING & TIMING 46 CHAPTER 5 MEASUREMENT RESULTS 48 6.1 MEASUREMENT SUMMARY 48 6.2 LINEARITY & NOISE MEASUREMENT 51 6.3 SENSOR OFFSET CANCELLATION MEASUREMENT 57 6.4 INPUT IMPEDANCE MEASUREMENT 59 6.5 TEMPERATURE VARIATION MEASUREMENT 63 6.6 PERFORMANCE SUMMARY 66 CHAPTER 7 CONCLUSION 68 APPENDIX A. 69 ENERGY-EFFICIENT READ-OUT IC FOR HIGH-PRECISION DC MEASUREMENT SYSTEM WITH IA POWER REDUCTION TECHNIQUE 69 BIBLIOGRAPHY 83 한글초록 87박

Measurement of zeta potential by using time-periodic electric field in a T-channel

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Enhancement of Electrokinetic instability under static and time-periodic electric fields.

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