마이크로 컨트롤러에 외부 DAC를 선택 및 적용해야 하는 시점과 방법 알아보기

일부 32비트 마이크로 컨트롤러에는 주파수 또는 전압 생성을 위해 온칩 디지털-아날로그 컨버터(DAC)가 있습니다. 많은 응용 분야의 경우, 이는 기판 공간을 절약하면서 추가적인 기능을 제공합니다. 하지만 응용 분야에서 마이크로 컨트롤러에는 없는 특수 DAC 기능을 요구할 수 있습니다.

이 기사에서는 온칩 마이크로 컨트롤러 DAC의 기능과 한계에 대해 설명합니다. 그런 다음 고도로 정확한 외부 DAC 솔루션의 예를 소개하고 이를 사용해 정밀한 아날로그 신호를 생성하는 방법을 보여줍니다.

온칩 DAC 작동

설계자가 맞춤형 아날로그 신호를 생성할 수 있도록 지원하기 위해 마이크로 컨트롤러 제조업체는 칩에 DAC 주변 장치를 포함시키기 시작했습니다. 이는 정밀한 전압은 물론, 사인파와 삼각파를 포함한 맞춤형 파형을 생성하는 데에도 사용될 수 있습니다. DAC는 또한 음성 합성에도 사용될 수 있습니다.

DAC는 최저 0V, 최고 DAC의 아날로그 레퍼런스 전압에 해당하는 출력 전압을 생성합니다. 전압은 DAC 데이터 레지스터의 디지털 값에 비례하며 정밀도는 DAC 분해능을 토대로 합니다. 예를 들어, DAC 분해능이 8비트이며 레퍼런스 전압이 5V라면 DAC 1LSB의 정밀도는 5/255 = 0.0196V입니다. 따라서 이상적으로 8비트 DAC 데이터 레지스터에 01h가 포함된다면 DAC 출력은 1LSB 또는 0.0196V와 같습니다. 8비트 DAC 데이터 레지스터에 값 F1h(241)가 포함된다면, 이상적인 DAC의 출력은 4.7236V일 것입니다. 이상적으로 DAC 데이터 레지스터에 01h를 추가하면 출력 전압의 값이 1LSB 증가해야 합니다.

물론 다른 모든 아날로그 회로와 마찬가지로 어떤 DAC도 이상적이지 않습니다. 데이터 레지스터의 이상적 값과 DAC 출력의 차이는 미분 비선형성(DNL) 오차라 불리며 LSB로 측정됩니다. 예를 들어, 일반적인 마이크로 컨트롤러 DAC는 DNL을 ±2LSB로 지정할 수 있습니다.

또한 DAC는 이상적인 출력에 추가된 백분율로 측정되는 선형 이득 오차를 경험할 수 있으며 흔히 출력 전압에 0.5%가 추가됩니다.

이상적인 DAC의 경우 DAC 데이터 레지스터 콘텐츠에 대해 출력값을 플로팅하면 직선이 됩니다. 실제 DAC에 대해 DAC 회로 파라미터 변동으로 인해 발생한 선형 오차를 추가해도 직선이 됩니다. 실제로는 해당 라인이 직선에서 이탈해 밖으로 굽어져 비선형 곡선을 형성합니다. 이 비선형성은 또한 전압 및 온도에 대한 DAC 회로에서 발생한 변화의 결과입니다. 이 비선형성 오차는 내부 비선형성(IRL) 오차라고 합니다. 마이크로 컨트롤러 DAC의 경우 ±4LSB 이상일 수 있습니다.

주파수 생성을 위해 마이크로 컨트롤러 DAC의 가장 빠른 출력 주파수는 마이크로 컨트롤러의 CPU 주파수로 제한되어 있습니다.

모든 DAC는 정밀한 아날로그 신호를 제공하기 위해 정확한 레퍼런스 전압이 필요합니다. 첨단 마이크로 컨트롤러에서 이 DAC 레퍼런스 전압은 대개 전용 아날로그 레퍼런스 전압 핀에서 파생됩니다. 마이크로 컨트롤러 내부의 이 아날로그 레퍼런스 전압은 전원 공급 리플을 최소화하기 위해 내부 디지털 논리와 분리되고 격리된 채로 보존됩니다. 하지만 고속 디지털 논리로부터 약간의 소규모 전파 방해는 있을 수 있습니다. DAC 주변 장치는 사인파를 생성할 때 전원 공급 리플에 그렇게 민감하지 않지만 이 리플은 안정적이고 정밀한 출력 전압이 필요하거나 합성된 음성 또는 고른음을 생성할 때 감지될 수 있습니다.

더 높은 레퍼런스 전압을 사용할수록 전원 공급 리플의 영향을 최소화할 수 있지만 이는 1LSB의 DAC 정밀도를 저하시키면서 DAC가 소규모 전압을 생성하는 것을 방해할 수도 있습니다.

소신호용 단일 칩 외부 DAC

마이크로 컨트롤러 대부분의 DAC 주변 장치는 일반적인 응용 분야에 충분한 정확도를 제공할 수 있습니다. 하지만 매우 높은 정밀도 및/또는 높은 속도가 요구되는 상황이 있습니다. 이런 경우 외부 DAC는 필수 부품이 됩니다.

Texas Instruments는 모든 설계 문제에 대해 아날로그 신호를 생성할 수 있는 외부 DAC 라인을 제공합니다. 예를 들어, 기판 공간이 부족한 경우 DAC80508MYZFT 16비트 DAC는 2.4mmx2.4mm DSBGA 패키지로 매우 작습니다. 이 DAC는 8개의 출력을 제공하며 클록 속도가 최대 50Mhz인 SPI 인터페이스를 이용하여 대부분의 마이크로 컨트롤러에 인터페이스할 수 있습니다.

그림 1: DAC80508은 SPI 인터페이스를 사용하여 대부분의 마이크로 컨트롤러에 인터페이스하며 8개의 동일한 아날로그 출력 채널을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

DAC80508은 외부 아날로그 전압 레퍼런스를 사용하거나 DAC의 디지털 전력 공급 전압을 사용해 ±5mV의 정확도로 2.5V의 자체 내부 레퍼런스 전압을 생성할 수 있습니다. 레퍼런스 전압 변동은 최소 2ppm/°C입니다. 이는 -40°C ~ +125°C 온도 범위에서 고도로 안정적인 레퍼런스 전압을 제공합니다. 선택적으로, 레퍼런스 전압을 둘로 나누어 상한 1.25V의 아날로그 신호를 제공할 수도 있습니다.

DAC80508은 대부분의 마이크로 컨트롤러 DAC 주변 장치에서 찾아볼 수 없는 정밀도를 제공합니다. INL 및 DNL은 모두 통상 ±0.5LSB, 최대 ±1LSB입니다. 이득 오차는 통상 ±0.5%, 최대 ±1%입니다. 16비트 분해능의 이 정확도 수준은 디지털 오디오 신호를 아날로그 오디오로 변환하기에 이상적입니다. 예를 들어, 광섬유 케이블을 통해 전송된 펄스 코드 변조(PCM) 디지털 오디오를 변환하거나 저장 장치에서 디지털 오디오를 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 디지털 오디오를 16비트 오디오 데이터로 변환한 후 DAC80508이 이 데이터를 일반적인 RCA 케이블을 통해 전송되는 아날로그 오디오 신호로 변환할 수 있습니다. 레퍼런스 전압이 1.25V로 설정된 경우 이는 라인 레벨 오디오 신호를 생성하기에 충분한 정확도입니다.

또한 DAC80508에는 출력 전압을 두 배로 증가시킬 수 있는 출력 이득 증폭기가 있어 레퍼런스 전압의 2배에 달하는 출력 전압을 생성합니다.

SPI 인터페이스를 통해 DAC80508로 아날로그 파형을 생성하는 것은 간단합니다. DAC 데이터 레지스터로 전송된 모든 SPI 명령 패킷은 32비트 폭입니다. 각 패킷에는 레지스터에 기록할 16비트 데이터와 함께 기록되는 채널 주소가 포함되어 있습니다. 모든 DAC80508 출력 채널은 데이터를 레지스터에 쓰는 즉시 출력 전압을 생성하도록 프로그래밍되거나 SPI가 내부 동보 통신 레지스터에 쓸 때까지 DAC 데이터 레지스터에 모든 값을 보관할 수 있습니다. 8개의 동보 통신 레지스터 비트 위치 중 하나에 논리 “1”을 쓰면 DAC 데이터 레지스터에 값이 있는 DAC 출력만 업데이트됩니다. 그러면 동기식 신호를 생성할 수 있으므로 테스트 장비를 위한 파형을 생성하기에 유용합니다.

신호 오차 및 잡음 방지

시끄러운 산업 환경에서 사용될 경우 간혹 발생하는 전파 방해를 피할 수 없으며 특히 고전압이 있는 경우 더욱 그렇습니다. SPI에 대한 전파 방해로 인한 출력 신호 오차를 방지하기 위해 DAC80508은 선택적으로 모든 SPI 패킷 끝에 8비트 체크섬을 생성할 수 있습니다(그림 2). 체크섬이 유효하면 DAC 데이터 레지스터가 쓰여집니다. 하지만 체크섬이 실패하면 데이터가 쓰여지지 않습니다. 선택적으로, 체크섬이 실패할 경우 DAC가 SPI SDO 핀을 Low로 풀링하여 Low 활성 경보 핀 역할을 할 수 있습니다. 실패한 체크섬에 대한 조치는 마이크로 컨트롤러 펌웨어에 의해 수행됩니다.

그림 2: 32비트 SPI 패킷의 구조. DAC80508의 DAC 데이터 레지스터 SPI 패킷에 8비트 체크섬이 포함된 경우 패킷은 MSB로 먼저 전송되며 체크섬은 마지막 비트(7:0)에 포함됩니다. 체크섬은 DAC80508에 의해 자동으로 생성됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

명시된 DAC의 정밀도와 관계없이 정확도는 깨끗한 전원 공급 장치를 사용해야만 보장될 수 있습니다. DAC80508의 V_DD는 무리플 저잡음이어야 합니다. DAC80508이 DC-DC 컨버터에 사용되는 경우 이러한 전원 공급 장치는 기본적으로 잡음이 매우 심하므로 각별한 주의가 요구됩니다. V_DD에 대한 필터링이 중요하므로 V_DD와 아날로그 접지 사이에 0.1F 커패시터와 함께 1F:10F 커패시터를 배치해야 합니다. 저 ESR 세라믹 커패시터를 사용해야 하며 가능한 한 V_DD 핀에 가깝게 배치해야 합니다.

아날로그 신호 출력은 pc 기판 에지에 가깝게 유지되어야 하며 디지털 부품으로부터 확실하게 분리되어야 합니다. 이는 DAC 아날로그 출력에 대한 전파 방해를 방지할 뿐만 아니라 이러한 아날로그 신호가 PC 기판의 다른 신호를 방해하는 것도 방지합니다.

고속, 고성능 DAC

비절충(no-compromise) 응용 제품에서 매우 높은 성능을 요구하는 경우가 있습니다. DAC는 기가헤르츠 범위에서도 신호를 생성할 수 있습니다. 이는 레이더 장비에서 직선형 아날로그 회로가 레이더에 필요한 정밀도를 생성할 수 없는 경우에 특히 중요할 수 있습니다. 이러한 응용 분야의 경우 Texas Instruments DAC38RF82IAAV 고속 RF 이중 채널 DAC를 사용하여 비교적 작은 10mmx10mm BGA 패키지에서 1GHz 이상의 파형을 생성할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: DAC38RF82는 1GHz를 초과하는 파형을 생성할 수 있는 초고성능 DAC입니다. 이 DAC는 저전력 8레인 JEDSD204B 12.5Gbit/s 인터페이스를 사용하여 호스트 마이크로 프로세서에 인터페이스합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

DAC38RF82는 세 가지 분해능을 지원합니다. 16비트 분해능으로 설정된 경우 최대 2GHz의 RF 신호를 생성할 수 있습니다. 12비트 분해능이 선택된 경우 2.66GHz 신호를 생성할 수 있습니다. 가장 빠른 모드는 4.5GHz 파형을 생성할 수 있는, 8비트 분해능으로 설정된 경우입니다. 확실히, 이러한 속도는 모든 온칩 마이크로 컨트롤러 DAC 주변 장치의 기능을 능가하는 것입니다.

DAC38RF82는 셀 타워 등의 기저대역 송신기에 사용되는 데 충분한 성능을 지니고 있으며 하이엔드 테스트 장비 등의 응용 분야를 위한 맞춤형 파형 생성에 사용될 수도 있습니다. 또한 DAC38RF82는 자율 주행 차량의 레이더 신호 생성을 위해서도 사용될 수 있습니다.

이 장치는 DAC80508보다 더 복잡합니다. 최대 4.5GHz의 신호를 생성하려면 초고속 데이터 인터페이스가 필요합니다. DAC38RF82는 8비트 모드에서 최대 9Gbits/s의 속도를 내는 JESD204B 직렬 데이터 인터페이스를 사용합니다. 이러한 인터페이스 속도에서 이 장치는 FPGA 또는 ASIC에 인터페이스합니다.

12비트 또는 16비트 모드에서 사용될 경우 DAC38RF82는 2개의 RF 파형을 생성할 수 있습니다. 고속 8비트 모드에서는 하나의 파형만 지원됩니다. 여기에는 1V, 1.8V, -1.8V의 세 가지 공급 전압이 필요합니다. 장치의 일반적인 응용 분야 요구 사항을 고려하면 이러한 공급 전압은 매우 깨끗하고 리플이 없어야 합니다. 이상적으로 디지털 서브 시스템, 아날로그 서브 시스템, 클록 서브 시스템 등 DAC의 비교적 독립적인 세 기본 섹션에는 각각 파티션된 자체 전원 공급 장치가 있어 의도치 않은 상호작용을 방지할 수 있는 것이 좋습니다.

DAC의 DNL는 통상 ±3LSB이고, INL은 통상 ±4LSB이며, 일반적인 이득 오차는 ±2%입니다. 주어진 응용 분야에 대한 정확도는 테스트 중에 적합한 DAC 데이터 레지스터 값을 선택하여 보장할 수 있습니다.

DAC38RF82 개발 시작

충분한 정확도로 그러한 고주파를 생성할 경우 평가 기판은 개발 공정에서 필수적인 부분이 됩니다. DAC38RF82는 이 하이엔드 DAC의 모든 기능을 지원하는 DAC38RF82EVM 평가 및 개발 기판에 의해 지원됩니다. DAC38RF82EVM에 인터페이스하는 디지털 신호를 생성하려면 TSW14J56EVM 데이터 캡처 인터페이스 기판이 필요합니다. 데이터 캡처 기판은 USB 3.0 인터페이스를 사용하여 PC에 인터페이스합니다.

그림 4: 왼쪽의 DAC38RF82EVM은 오른쪽의 TSW14J56EVM에 의해 생성된 JESD204B 인터페이스를 통해 전송된 디지털 데이터를 공급받아 테스트를 위한 RF 신호를 생성합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

제공된 평가 소프트웨어에는 대상 응용 제품을 위해 DAC38RF82를 평가, 테스트, 프로그래밍하는 데 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다.

이러한 고속 장치를 사용할 경우 레이아웃이 특히 중요합니다. DAC38RF82는 PC 기판의 에지에 있어야 하며 가능한 한 다른 모든 부품으로부터 분리되어야 합니다. 공급 핀과 접지 사이의 짧은 RF 트레이스와 고품질 우회 커패시터 사용은 엄격히 준수되어야 합니다. 다른 레이아웃 권장 사항에는 Via-In-Pad 기술이 내장된 우회 커패시터 사용이 포함되며, 기생 유도 용량을 피하기 위해 이러한 커패시터에는 최소한의 스터브가 있습니다. 또한 설계자는 출력 트레이스를 위해 차동 100Ω 동일 평면 도파로를 사용해야 합니다.

결론

범용 온칩 DAC가 포함된 마이크로 컨트롤러는 킬로헤르츠 범위에서 합리적인 정확도의 전압과 파형을 생성하는 데 적합합니다. 그러나 정밀한 전압이나 매우 높은 속도를 생성하기 위해 외부 DAC를 사용하여 응용 제품의 정확도와 성능을 대폭 향상시킬 수 있습니다. 물론 여기에는 전원 공급 장치 및 레이아웃과 관련해 더욱 높은 수준의 설계 관행도 필요합니다.