시스템 온 모듈(SoM) 접근 방식으로 정밀 임피던스 분석기 설계 간소화

터치 패널 보정, 반도체 특성화, 웨이퍼 수용, 배터리 테스트 등 많은 응용 제품에서 정밀한 임피던스 측정이 필수적입니다. 이러한 응용 제품에 사용할 자동화 테스트 장비(ATE)는 일반적으로 높은 정확도와 감도로 넓은 주파수 범위에서 임피던스를 측정해야 합니다.

이와 같은 응용 제품을 위한 맞춤형 임피던스 측정 디바이스를 개발하려면 하드웨어 설계, 소프트웨어 개발, 테스트 등 수많은 과제가 수반됩니다. 이러한 파라미터에는 상당한 아날로그 및 디지털 신호 처리 전문 지식이 필요하며 프로젝트의 일정과 예산 준수에 위험이 발생해 차질이 생길 수 있습니다.

그러한 문제를 예방하기 위해 설계자는 고정밀 임피던스 측정에 필요한 핵심 하드웨어와 소프트웨어가 사전 통합된 시스템 온 모듈(SOM)을 선택할 수 있습니다. 이러한 모듈을 사용하면 설계자는 복잡한 임피던스 측정 기술보다는 핵심 역량과 응용 제품별 개발에 집중할 수 있습니다.

이 기사에서는 ATE에서 임피던스 측정을 위한 주요 요구 사항을 간략하게 검토합니다. 그런 다음 Analog Devices Inc.(ADI)의 임피던스 분석기 SOM을 소개하고 관련 평가 기판과 함께 모듈을 사용하는 방법을 보여줍니다.

ATE에서의 정밀 임피던스 측정을 위한 요구 사항

터치 패널 교정, 반도체 특성화, 웨이퍼 수용 및 배터리 테스트와 같은 응용 제품을 위한 ATE의 경우 구체적으로 다음과 같은 요구 사항이 충족되어야 합니다.

• 1헤르츠(Hz) 미만에서 메가헤르츠(MHz)에 이르는 넓은 주파수 범위 기능
• 높은 정확도와 일관성(일반적으로 0.1% 이상)
• 작은 임피던스 변화를 측정할 수 있는 높은 감도
• 높은 처리량 테스트를 위한 빠른 측정 속도
• 마이크로옴(µΩ)에서 메가옴(MΩ)에 이르는 광범위한 임피던스 값을 처리할 수 있는 기능
• 자동화된 스윕 및 복잡한 측정 시퀀스 기능

응용 제품마다 요구 사항이 상당히 다를 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 예를 들어 터치 패널 교정에는 펨토패럿(fF) 범위의 정전 용량 변화에 대한 감도가 필요한 반면, 웨이퍼 수용 감도는 아토패럿(aF) 범위에 도달할 수 있습니다.

ATE를 위한 정밀 임피던스 측정 설계의 어려움

이러한 응용 제품을 위한 ATE를 개발하려면 상당한 전문 지식과 리소스가 필요하므로 개발 주기가 길고 반복되지 않는 엔지니어링 비용이 많이 들 수 있습니다. 맞춤형 임피던스 측정 설계와 관련된 어려움은 다음과 같습니다.

• 복잡한 하드웨어 설계: 넓은 주파수 범위와 임피던스 범위에서 정확한 측정이 가능한 고정밀 아날로그 프런트 엔드를 제작하려면 아날로그 및 디지털 신호 처리에 대한 전문 지식과 인쇄 회로 기판(PC 기판) 레이아웃 및 차폐 세부 사항에 대한 세심한 주의가 필요합니다.
• 정교한 소프트웨어 개발: 임피던스 계산, 보정 및 보정 알고리즘의 구현이 복잡합니다. 여러 측정 형식과 자동화된 스윕을 지원할 경우 복잡성은 심화됩니다.
• 보정 및 정확도: 다양한 측정 조건에서 높은 정확도를 달성하고 유지하려면 정교한 보정 절차와 보정 기술이 필요합니다.

ADI의 ADMX2001B와 같이 사전 엔지니어링된 평가 모듈을 사용하면 이러한 문제를 크게 간소화할 수 있습니다. 정밀 임피던스 분석기의 주요 부품을 소형 1.5 x 2.5인치(인치)에 통합한 SOM으로, 그림 1에 표시된 대로 설계 탐색 및 빠른 시제품 제작 소프트웨어와 함께 제공되는 EVAL-ADMX2001EBZ 평가 기판에 꽂을 수 있습니다.

그림 1: ADMX2001B 임피던스 측정 모듈은 EVAL-ADMX2001EBZ 평가 기판에 연결됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 모듈은 생산 설계용은 아니지만 회로도, 부품 명세서(BOM), 거버 파일 및 펌웨어를 사용할 수 있으므로, 기업은 자체 버전의 모듈을 구축하거나 더 큰 설계에 통합할 수 있습니다. 어떤 방식이든 사전 엔지니어링된 설계는 많은 까다로운 작업을 덜어주므로 기업은 전문 분야에 집중할 수 있습니다.

모듈 생성은 특히 흥미로운 옵션으로, 개발자가 디자인을 확장할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 경로를 제공합니다. 기능을 추가하거나 다양한 사용 사례에 맞게 디자인을 조정할 때 개발자는 처음부터 다시 시작하지 않고 모듈을 디자인 핵심으로 유지할 수 있습니다.

ADMX2001B 기능 및 성능 개요

ADMX2001B는 정밀한 임피던스 측정을 위해 고성능 혼합 신호 회로와 고급 처리 알고리즘을 결합하며 DC ~ 10MHz의 다양한 주파수 범위와 0.05%의 높은 측정 정확도를 제공합니다. 100µΩ ~ 20MΩ의 넓은 저항 범위, 100aF ~ 160F의 정전 용량, 1나노헨리(nH) ~ 1600헨리(H)의 유도 용량을 지원합니다. 측정당 2.7밀리초(ms)의 속도로 측정을 수행할 수 있으며 다양한 응용 제품과 구성 요소 유형에 맞는 18가지 임피던스 측정 형식을 제공합니다.

다분기점 및 파라메트릭 스윕, DC 저항 측정을 비롯한 자동화된 기능을 통해 ADMX2001B는 수동 개입 없이 복잡한 시퀀스와 철저한 부품 특성화를 수행할 수 있습니다. 자동화된 교정 루틴, 비휘발성 메모리 및 보정 기능은 측정 추적성, 신뢰성 및 픽스처 기생 제거를 보장합니다. UART, SPI 및 GPIO 인터페이스를 갖춘 컴팩트한 크기로 고밀도 테스트 시스템과 휴대용 장비에 쉽게 통합할 수 있습니다. 또한 Windows, macOS, Linux, Raspberry Pi 및 Arduino 플랫폼에서 개발을 지원하므로 대규모 시스템이나 맞춤형 응용 제품에 적용할 수 있습니다.

이러한 기능 덕분에 다양하고 까다로운 응용 제품에 적합한 모듈입니다.

EVAL-ADMX2001EBZ 평가 기판 개요

개발자는 EVAL-ADMX2001EBZ 평가 및 개발 브레이크아웃 기판을 사용하여 ADMX2001B로 설계 아이디어를 탐색할 수 있습니다. 이 기판을 사용하면 모듈의 기능 및 특징에 편리하게 액세스할 수 있습니다.

• 일반적인 유도 용량, 정전 용량, 저항(LCR) 미터 테스트 프로브 및 픽스처에 인터페이스할 수 있는 BNC 커넥터
• USB-UART 케이블을 사용하여 호스트 PC에 인터페이스할 수 있는 UART 인터페이스
• 표준 테스트 장비에 대한 연결을 간소화하는 SMA 커넥터를 통해 트리거 및 클록 동기화 신호 제공
• SDP-K1과 같은 기판으로 임베디드 코드를 개발할 수 있는 Arduino 스타일 헤더
• 5V ~ +12V를 공급할 수 있는 AC/DC 전원 어댑터의 다양한 입력 전압을 수용하는 전원 잭

평가 기판의 주요 목적은 LCR 미터 데모를 제공하는 것입니다. 이 데모를 수행하려면 추가적으로 다음과 같은 하드웨어가 필요합니다.

• 테스트 픽스처와 같은 LCR 미터 부속품
• 표준 저항기 세트와 같은 보정 부속품
• 데모 결과 검증을 위한 벤치탑 LCR 미터기

데모에는 추가 소프트웨어도 필요합니다.

• USB 장치가 PC에서 사용 가능한 추가 COM 포트로 표시되도록 하는 가상 COM 포트(VCP) 드라이버
• Arm® Mbed 플랫폼을 사용하여 보정과 같은 기본 작업을 수행할 수 있는 ADI Mbed 코드
• 커서 위치 지정 및 텍스트 색상에 사용되는 ANSI 이스케이프 코드를 지원하는 TeraTerm 또는 유사한 단자 에뮬레이터

LCR 미터 데모에 EVAL-ADMX2001EBZ 사용

데모 설정은 간단한 과정이며 기본 단계는 다음과 같습니다.

1. 하드웨어 설정(그림 2):

• ADMX2001B 모듈을 EVAL-ADMX2001EBZ 평가 기판에 연결합니다.
• USB-UART 케이블(포함)을 기판과 호스트 컴퓨터에 연결합니다.
• 포함된 전원 어댑터를 사용하여 전원을 공급합니다.

그림 2: EVAL-ADMX2001EBZ 평가 기판 설정의 제품 구성도입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

2. 소프트웨어 설정

• VCP 드라이버를 설치합니다.
• TeraTerm(또는 유사한 단자 에뮬레이터)을 설치합니다.

3. 기본 구성(그림 3):

• 단자 에뮬레이터를 열고 직렬 연결을 설정합니다.
• 명령을 사용하여 주파수, 진폭, 바이어스 등의 측정 파라미터를 설정합니다.

그림 3: ADMX2001B 단자 인터페이스의 스크린샷입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

4. 보정 절차:

• ADMX2001B는 3단계 보정 프로세스가 필요합니다.
• 설계자는 'calibrate open', 'calibrate short' 또는 'calibrate rt' 명령을 사용한 후 프롬프트에 따라 각각 개방, 단락 및 부하 측정을 수행해야 합니다.
• 최상의 결과를 얻으려면 고품질 보정 표준을 사용해야 합니다.
• 이 과정이 끝나면 보정 계수를 온보드 비휘발성 메모리에 저장해야 합니다.

5. 픽스처 보정:

• 설계자는 테스트 픽스처를 사용할 때 기생 효과를 제거하기 위해 픽스처 보정을 수행해야 합니다.
• 펌웨어에서 제공하는 픽스처 보정 기능을 사용할 수 있습니다.

6. 검증:

• 보정 후 알려진 표준을 사용하여 측정을 수행하여 정확도를 확인합니다.

7. 측정:

• 임피던스 측정을 수행하려면 'z' 명령을 사용해야 합니다.
• 측정 형식을 변경하려면 'display'를 사용합니다(예: 직사각형 좌표로 임피던스를 표시하려면 'display 6').
• 그런 다음 설계자는 응용 제품에 필요한 측정 모드, 범위 및 기타 파라미터를 설정합니다.
• 'average' 및 '“count'와 같은 명령으로 여러 측정을 구성할 수 있습니다.

결론

임피던스 측정 장비를 설계하려면 까다로운 PC 기판 레이아웃부터 복잡한 신호 처리 소프트웨어까지 상당한 엔지니어링 과제가 수반됩니다. 설계자는 ADI의 ADMX2001B와 같은 사전 엔지니어링된 SOM을 사용하면 이러한 복잡성을 피할 수 있습니다. 이를 통해 고유한 가치에 집중하면서 시간과 비용을 절약하고 향후 파생 설계를 위한 간단한 경로를 제공할 수 있습니다.