제작자 및 엔지니어: 정확한 IoT 데이터 캡처를 위한 계측 증폭기 파악하기

감지는 사물 인터넷(IoT) 및 스마트 홈의 출발점이라 할 수 있으며, 대부분의 DIY 애호가, 제작자 및 전문 설계자도 이 부분에서 첫 번째 문제에 봉착합니다. 가속도계, 힘 센서, 스트레인 게이지 및 압력 트랜스듀서와 같은 많은 저가의 트랜스듀서는 저항 휘트스톤 브리지를 중심으로 설계되므로 밀리볼트(mV) 범위에서 차등 전압으로 출력됩니다.

이러한 낮은 레벨의 신호는 먼저 DC 오프셋 및 잡음 없이 마이크로 프로세서 아날로그 디지털 컨버터(ADC)와 호환되는 수준으로 정확하게 캡처되고 증폭되어야 합니다. 마찬가지로 하이사이드 전류 션트를 사용한 전류 감지에는 접지 레퍼런스 입력이 없고 대형 공통 모드 전압을 견딜 수 있는 증폭기가 필요합니다.

캡처되는 데이터의 정확도를 보장하기 위해서는 제작자 및 DIY 애호가는 계측 증폭기(INA)에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 이 증폭기는 이득 제어가 쉽고, 오프셋 드리프트가 낮고, 잡음 억제 속성을 가지는 밸런스 차등 증폭기입니다. 따라서 가정용 제어 응용 제품의 저가형 트랜스듀서에 적합합니다. 또한 접지 레퍼런스가 아닌 두 개의 고임피던스 입력을 가지기 때문에 모든 유형의 부동 차등 측정에도 적합합니다.

이 기사에서는 센서와 프로세서 간 신호 체인을 설명하고 증폭기 단계의 공통 모드 제거율, 정확도 및 신뢰성의 필요성을 설명합니다. 적절한 센서 및 INA를 소개하고 이를 사용하는 방법도 안내합니다.

압전 저항 트랜스듀서

가장 널리 사용되는 트랜스듀서 제품군 중 하나는 압전 저항 소자를 사용하는 트랜스듀서입니다. 이러한 트랜스듀서는 몇 가지 응용 분야, 예를 들자면 스트레인, 힘, 가속 및 압력 등을 측정하는 데 사용됩니다.

트랜스듀서의 기계식 소자에 작은 압전 저항 소자가 장착됩니다. 이 소자는 막대, 판, 스프링 또는 다이어프램 형태일 수 있습니다. 원하는 파라미터가 감지되면 기계적 구조가 변형됩니다. 그러면 소자의 전기적 저항을 변경하는 감지된 파라미터에 비례하여 압전 저항 소자가 스트레인을 겪게 됩니다.

압전 저항 소자의 저항은 일반적으로 휘트스톤 브리지 회로 구성의 일부입니다(그림 1). 브리지 입력 전압이 고정되고 저항기 4개의 모든 값이 동일한 경우를 브리지 밸런스 상태라고 하며 출력 전압 V_OUT은 0입니다.

그림 1: 휘트스톤 브리지에서 트랜스듀서는 일반적으로 4개의 저항 소자 중 하나입니다. 압력 또는 다른 힘으로 저항이 변화함에 따라 출력 전압이 비례하여 변화합니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 1에서, R4는 트랜스듀서를 나타냅니다. 측정되는 압력 또는 다른 파라미터가 변화하면 기계적 구조 및 저항기가 스트레인을 겪게 되고 압전 저항기의 전기적 저항이 변화합니다. 이로 인해 트랜스듀서의 저항이 적용되는 압력이 비례하여 공칭 값에서 변화합니다. 그리고 브리지의 출력 V_OUT은 저항의 변화, 즉 센서 소자의 압력 변화에 비례하는 전압입니다.

V_OUT이 V_IN의 공칭 절반 위치에 있다는 점을 유의해야 합니다. 이는 공통 모드 신호 전압입니다. 50mV의 전체 전압 범위를 가지는 트랜스듀서의 경우 1%의 전압 증가는 0.5mV입니다. 2V 공통 모드 레벨에 위치하는 경우 전압 변화를 해결하려면 공통 모드 제거율(CMRR)이 72dB이어야 합니다.

NXP Semiconductors 모델 MPX2050DP는 40mV 전체 범위 출력 신호 레벨을 제공하는 50kPascal(7.5psi) 듀얼 포트 압력 트랜스듀서입니다(그림 2). 듀얼 포트 구성으로 차등 또는 게이지(대기 레퍼런스)의 압력 측정이 가능합니다.

그림 2: NXP Semiconductors 모델 MPX2050DP는 40mV 전체 범위 출력 신호를 가지는 7.5psi 압전 저항 듀얼 포트 압력 트랜스듀서입니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

상용 트랜스듀서에는 트랜스듀서가 환경에 따라 변화되지 않고 원하는 파라미터에만 반응하도록 보장하는 온도 보정 네트워크가 통합됩니다.

TE Connectivity의 모델 FX1901-0001-0050-L은 22.68kgf(50lbf) 범위를 가지는 압전 저항 압축 힘 센서입니다. 이 센서는 압력 대신 힘을 측정하지만 압력 트랜스듀서와 비슷한 휘트스톤 브리지 측정 토폴로지를 사용합니다. 감도는 20mV/V이므로 5V 공급의 경우 전체 범위 부하 감도는 100mV입니다.

이 트랜스듀서 간 공통된 특징은 차등 출력 레벨이 밀리볼트 범위이므로 ADC와 함께 사용하려면 증폭기가 필요하다는 점입니다. 이것이 바로 계측 증폭기(INA)의 역할입니다.

계측 증폭기

INA는 연산 증폭기 기술을 기반으로 하는 차등 증폭기입니다. 차등 입력 및 단일 종단 출력을 가집니다. 차등 증폭기이기 때문에 공통 모드 신호를 감쇠할 수 있습니다. INA가 이러한 감쇠를 달성하는 정도는 앞서 언급된 CMRR로 알려진 사양과 같습니다. 이로 인해 공통 모드 신호나 오프셋이 큰 경우 작은 신호를 증폭하는 데 이상적입니다. 또한 INA는 손쉽게 조정 가능한 안정적이고 정확한 이득, 높은 입력 임피던스 및 낮은 출력 임피던스라는 특성을 가집니다.

INA에 사용된 공통 회로 토폴로지로는 두 가지가 있습니다. 가장 널리 사용되는 것은 그림 3에 있는 연산 증폭기 3개식 설계입니다. 이 회로 구성에서 증폭기 U1과 U2는 비반전 입력 버퍼입니다. 차등 증폭기인 U3에 공급하는 역할을 합니다. INA의 이득은 주로 저항기 R_G로 설정됩니다. 레퍼런스 입력은 일반적으로 사용 중이지 않을 때는 접지되는데, 이 입력이 출력 오프셋 전압 레벨을 제어합니다. 감지 입력은 출력 차등 증폭기의 이득에 변화를 주는 데 사용할 수 있습니다. 사용하지 않을 때는 차등 스테이지의 출력에 연결됩니다.

그림 3: INA의 연산 증폭기 3개식 구성은 일반적으로 연산 증폭기 2개식 버전보다 AC CMRR이 높습니다. 이득은 R_G로 결정됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

또한 연산 증폭기 2개식 토폴로지를 사용하여 필요한 연산 증폭기의 수를 줄일 수도 있습니다(그림 4).

그림 4: INA 연산 증폭기 2개식 구성은 비용과 전력 소비량을 줄여줍니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 회로 토폴로지는 연산 증폭기를 2개만 사용하며 비용 및 전력 소비량을 절감하는 데 도움이 됩니다. 연산 증폭기 2개 회로의 비대칭 구성으로 인해 회로의 유용성을 제한하는 몇 가지 문제가 대두될 수 있습니다. 가장 큰 문제는 연산 증폭기 3개 설계보다 AC CMRR이 낮을 수 있다는 점입니다.

통합 INA

Texas Instruments 모델 INA333AIDRGT는 연산 증폭기 3개 구성에 기반한 INA의 예입니다. 우수한 DC 사양을 위한 제로 드리프트 회로망을 제공합니다. 하나의 외부 저항기를 사용하여 이득을 1부터 10,000 사이로 설정할 수 있습니다. 100을 초과하는 이득의 CMRR은 100dB입니다. 3.3V ~ 5V의 산업 응용 분야용으로 설계되었습니다. 대역폭은 이득에 따라 다르며 최대 대역폭은 단위 이득에서 150kHz입니다.

이와 대조적으로 Texas Instruments 모델 INA332AIDGKR은 추가 이득 스테이지가 있는 수정된 연산 증폭기 2개 모델을 기반으로 한 광대역 INA입니다. 이득은 하나의 외부 저항기 값을 기반으로 5 ~ 1000 사이에서 조정할 수 있습니다. CMRR은 일반적으로 73dB입니다. 2MHz의 훨씬 넓은 대역폭을 가집니다.

INA를 모놀리식 IC에 통합하면 능동 및 수동 소자 모두의 정밀한 매칭이 가능하여 이득 및 CMRR의 더 효과적인 제어가 보장됩니다(그림 5).

그림 5: 연산 증폭기 2개 및 3개 INA 토폴로지의 상용 구현을 보여주는 Texas Instruments의 단순화된 INA333 및 INA332 계측 증폭기 회로도 비교 (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 6의 INA333에 대한 Texas Instruments 참조 설계는 계측 증폭기를 사용하여 휘트스톤 브리지 트랜스듀서를 얼마나 쉽게 지원할 수 있는지를 보여 줍니다. 이 설계는 120Ω 스트레인 게이지를 활성 트랜스듀서 소자로 사용합니다. 이 회로는 모든 유형의 휘트스톤 브리지 센서 또는 트랜스듀서에 적용할 수 있으며 TINA TI SPICE 시뮬레이터에서 시뮬레이션됩니다.

그림 6: Texas Instruments INA333을 사용한 스트레인 게이지 증폭기의 TINA TI 시뮬레이션으로 공칭 저항 120Ω 및 판독 범위 4.47V(R_sg의 10Ω 스윙에 대해)를 가지는 스트레인 게이지(R_sg)를 보여 줍니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림에서 스트레인 게이지(R_sg)의 공칭 저항은 120Ω이며 115Ω부터 125Ω까지 변동이 가능합니다. 여기서 목표는 입력 범위 0V ~ 5V를 가지는 ADC에 이를 사용하는 것입니다.

이를 위해 증폭기 이득은 레퍼런스 전압 2.5V에서 1,001로 설정됩니다. DC 전달 특성은 INA의 출력 전압을 스트레인 게이지 저항에 관한 변화의 함수로 표시합니다. 시뮬레이션의 커서 판독은 스트레인 게이지 저항의 10Ω 스윙에 대한 4.47V의 출력 범위를 보여 줍니다.

하이사이드 전류 감지

전기 전류를 측정하기 위한 가장 일반적인 기술 중 하나는 로우 값 저항기를 전류 션트로 사용하는 것입니다. 수 암페어 정도로 전력 공급을 측정한 경우 약 10mΩ의 저항기는 암페어당 10mV의 전압 강하를 생성합니다(그림 7).

그림 7: INA 전압 소스와 로드 간 션트 저항기(R_SENSE)를 사용한 하이사이드 전류 감지에 INA 적용 (이미지 출처: DigiKey)

부하와 접지 사이에 저항기 션트가 배치된 경우 이를 로우 사이드 전류 감지라고 하며 전원과 부하 사이에 감지 저항기가 있는 것을 하이사이드 전류 감지라고 합니다. 하이사이드 감지는 접지 전파 방해가 없다는 장점이 있습니다. 또한 부하 접지 장애를 감지할 수도 있습니다.

앞으로 설명될 바와 같이 하이사이드 전류 감지의 경우 계측 증폭기에 적용되는 공통 모드 전압에 대해 신중하게 조사할 필요가 없습니다.

R_SENSE가 10mΩ인 경우 5A의 전류 스윙은 저항기를 통틀어 50밀리볼트가 됩니다. INA의 이득을 100으로 조정하면 출력 스윙이 5V가 됩니다.

일반적인 INA 문제 예방하기

앞서 언급한 것처럼 INA의 공통 모드 전압 범위를 신중하게 고려하는 것이 중요합니다. 그림 6의 스트레인 게이지 측정을 고려해 보겠습니다. INA는 단일 5V 공급으로 작동하여 전력 분배를 단순화합니다. 듀얼 공급 작동에서 일반적인 경우처럼 레퍼런스 입력이 접지되는 경우에는 출력 스윙이 0V를 중심으로 하게 됩니다. INA 입력은 모두 2.3V 근처이므로 출력은 거의 0V이며 0V 레퍼런스 미만에서 스윙할 수 없습니다. 감지 입력을 2.5V로 올리면 출력 전압이 2.5V 근처를 중심으로 하게 되어 위아래로 스윙할 수 있습니다.

또한 높은 이득에서 작동할 때 내부 버퍼 증폭기가 포화하지 않도록 하는 것이 중요합니다. INA로의 입력이 5mV이고 이득이 1000인 경우를 고려해 보겠습니다. 이 상황에서는 입력 버퍼의 출력 간에 5V 차이가 있습니다. INA가 5V 공급에서 작동하는 경우 버퍼 중 하나는 포화 상태가 됩니다. 다행히 Texas Instruments와 같은 INA 제조업체에서 계측 증폭기의 공통 모드 범위를 확인하기 위한 적용 프로그램('계측 증폭기에 대한 V_CM 및 V_OUT’ 비교)을 제공하고 있습니다.

마지막으로 INA 입력의 접지 귀환을 제공할 때 주의해야 합니다. 입력이 AC 결합형이거나 열전대와 같은 부동 장치에 연결된 경우, 높은 값을 가지는 저항기는 증폭기의 입력 바이어스 전류 유입을 위해 입력에서 접지로 연결되어야 합니다.

결론

DIY 애호가 및 전문 엔지니어는 곧 알게 되겠지만 센서를 IoT에 연결하려면 먼저 ADC를 사용하여 디지털 도메인으로 변환하기 전에 휘트스톤 브리지에서 낮은 레벨의 신호를 획득하고 증폭하는 방법을 바로 이해해야 합니다.

INA는 차등 신호를 증폭하는 데 효과적이며, 높은 이득, 높은 공통 보드 제거율 및 높은 입력 임피던스를 제공합니다. 다양한 구성으로 제공되므로 각각의 작동 방식, 주요 사양 및 사용 시 주의 사항을 이해하는 것이 중요합니다.