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전압 레퍼런스를 사용하여 정확하고 안정적인 데이터 변환을 보장하는 방법

작성자: Bill Schweber

Digi-Key 북미 편집자 제공

아날로그 및 디지털 환경을 더 빠르고 효과적으로 연결하여 사물 인터넷(IoT)을 활용하기 위해 전압 레퍼런스의 중요한 역할을 간과하기 쉽습니다. 그러나 이는 현명한 방법이 아닙니다. 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 및 디지털 아날로그 컨버터(DAC)에서 아날로그 입/출력값을 “평가”하기 위한 1차 표준으로 사용되는 전압 레퍼런스는 정확한 신호와 데이터 변환을 보장하는 데 도움이 됩니다. 단, 적절한 선택과 올바른 적용이 선행되어야 합니다.

이 기사에서는 전압 레퍼런스의 구조와 특성을 간략하게 설명하고 전압 레퍼런스를 선택하는 방법을 살펴봅니다. Analog Devices ADR43x 계열의 전압 레퍼런스를 예로 들어 설계자가 최신 전압 레퍼런스를 최대한 활용하기 위해 이용할 수 있는 다양한 특징, 개선 사항 및 기능을 보여줍니다. 그 과정에서 ADR43x 장치를 허용 한도 내에서 유지하여 ADC, DAC 및 시스템 전반에서 잠재력을 극대화할 수 있는 방법을 보여줍니다.

전압 레퍼런스의 중요한 역할

기본 형식의 전압 레퍼런스는 공급 레일, 접지(일반), 정밀 출력 전압 연결부를 포함하는 3단자 장치입니다(그림 1). 작업에 적합하지 않거나 잘못 적용된 레퍼런스는 부정확하며 컨버터 출력의 유효성과 신뢰성을 훼손합니다.

Analog Devices의 LT6656 제품군 LT6656AIS6-2.5 장치 구성도그림 1: 기본 실현 전압 레퍼런스는 입력 전압, 출력 레퍼런스 및 접지(일반) 연결부를 포함하는 3단자 장치입니다. 여기서는 Analog Devices LT6656 제품군의 LT6656AIS6-2.5 장치를 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

설계자는 공칭 출력 전압, 정확도, 허용 오차 범위 및 기타 파라미터와 관련하여 적합한 레퍼런스를 선택한 후 지정된 성능이 응용 제품의 요구 사항을 완전히 충족하고 장치 성능에 영향을 주지 않는 방식으로 레퍼런스를 활용할 수 있어야 합니다. 이 점의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 앞서 언급한 대로 전압 레퍼런스는 ADC가 아날로그 입력 전압을 평가하여 디지털화하는 데 사용되는 1차 표준입니다. DAC의 경우 안정적이고 신뢰할 수 있는 전압 레퍼런스를 활용하여 컨버터에서 입력 디지털 코드에 해당하는 정확한 아날로그 출력 전압을 생성할 수 있습니다.

레퍼런스 선택

무접점 레퍼런스의 경우 세 가지 기술 즉, 매립형 제너 다이오드, 트랜지스터의 Vbe를 사용하는 밴드갭 접근 방식, 두 접합 FET가 함께 작동하는 Analog Devices의 XFET® 구성이 가장 많이 사용됩니다(미국 특허 번호 5,838,192).

전압 레퍼런스 설계자의 경우 각 접근 방식의 세부 사항과 특성을 논할 충분한 이유가 있겠지만, 대부분의 전압 레퍼런스 사용자의 경우 성능, 트레이드 오프, 응용 제품 및 비용 문제가 더 중요합니다. 여기서는 이러한 관점을 고려합니다.

전압 레퍼런스의 내부 코어 레퍼런스 값은 사용된 기술의 기본 장치 물리학으로 인해 “어색”할 수도 있지만, 전압 레퍼런스는 컨버터 분해능은 물론 시스템 요구 사항에 적합한 전압을 출력할 수 있도록 내부 회로망으로 설계되어 있습니다.

예를 들어, 대다수의 레퍼런스는 선택된 출력값(예: 2.048V, 2.5V, 3.0V, 4.096V, 5.0V 등)을 가진 동일한 장치 제품군으로 제공됩니다. 2.048V 버전과 4.096V 버전은 컨버터 분해능에 “균등하게” 매핑할 때 편리합니다. 예를 들어, 4.096V 레퍼런스를 사용하는 12비트 컨버터의 변환 횟수당 공칭 비율은 1mV입니다.

초기 기준 정확도는 백분율(%) 또는 mV로 지정됩니다. 정확도는 폭넓은 분포를 가지며 일부 응용 제품에서는 더 높은 정확도가 요구될 수 있습니다. 일반적으로 정확도가 높을수록 달성하고 유지하는 것이 더 어렵습니다. 모든 조건에서 일반 레퍼런스 사양의 최대 오차는 ±0.1%입니다. 하지만 기본 토폴로지 및 공정 기술의 발전으로 이 사양이 개선되었습니다. 예를 들어, 4.096V ADR434 레퍼런스에서는 XFET 방식을 사용하며 초기 정확도가 ±5mV(A 접미사) 또는 ±1.5mV(B 접미사)로 지정됩니다.

하지만 대부분의 응용 제품에서는 절대 정확도가 레퍼런스 안정성 및 장기적 일관성보다 부차적입니다. 이는 디지털화된 데이터를 나중에 수정할 수 있거나, 절대 정확도가 상대적 결과 및 그 변경만큼 중요하지 않기 때문일 수 있습니다. 두 요소는 모두 레퍼런스 안정성의 함수입니다. 따라서 레퍼런스를 선택할 때 절대 정확도가 필요한 정도와 안정성이 필요한 정도(및 안정성을 유지하는 방법)를 평가해야 합니다.

이 안정성 요소에는 중요한 고려 사항이 있습니다. 단기간 사용(예: 짧은 체험 기간 동안 데이터 수집)을 위한 것입니까? 아니면 1년 이상 장기적인 데이터 수집을 위한 것입니까? 이는 설계자가 각 프로젝트에 대해 미리 답변해야 하는 문제입니다.

외부 레퍼런스와 내부 레퍼런스 비교

'독립적인 외부 레퍼런스가 필요합니까?'라는 훨씬 더 기본적인 질문이 있습니다. Analog Devices AD7605-4BSTZ ADC와 같은 컨버터는 내부 전압 레퍼런스가 기판 공간 및 부품 명세서(BOM)에 저장되어 있습니다(그림 2). 레퍼런스의 성능이 컨버터 IC의 전체 성능에 포함되므로 완전히 특성화된 ADC 판독 정확도에 대한 사양이 규격서에 제공될 수 있습니다.

Analog Devices의 16비트 AD7605-4BSTZ 구성도(확대하려면 클릭)그림 2: 대부분의 ADC(예: 16비트 AD7605-4BSTZ)는 내부 전압 레퍼런스와 함께 제공됩니다. 레퍼런스 성능이 컨버터의 전체 사양에 요소로 포함되므로 이렇게 하면 공간을 절약하고 BOM을 줄일 수 있을 뿐 아니라 오류 예산 분석을 간소화할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

하지만 컨버터 코어가 적합하더라도 내부 레퍼런스는 필요한 성능을 제공할 수 없으므로 대부분의 컨버터는 외부 레퍼런스에 연결되어 있습니다. 저가형 오디오 채널용 컨버터와 같이 응용 제품에 특정하고 비용에 민감한 컨버터의 경우 내부 레퍼런스가 대상 표준을 충족하여 외부 레퍼런스가 필요하지 않을 수도 있습니다. 내부 레퍼런스의 성능이 연결된 컨버터의 사양에 적합할 수도 있지만 외부 레퍼런스가 내부 레퍼런스보다 더 나은 결과를 자동으로 제공한다고 가정하는 것이 좋습니다.

내부 레퍼런스가 적합한 경우에도 외부 전압 레퍼런스 사용을 고려하는 다른 이유가 있습니다. 설계에 컨버터 IC가 여러 개 있는 경우 개별 내부 레퍼런스가 다르거나 서로 동일하게 추적하지 않을 수 있습니다. 레퍼런스의 차이로 인해 결과 데이터가 일치하지 않으므로 데이터를 연계하는 데 어려움이 있습니다. 따라서 오류가 발생할 경우 해결할 수 없습니다.

이러한 이유로 컨버터가 여러 개 있는 고성능 시스템에서는 일반적으로 단일의 공유 외부 레퍼런스를 사용하는 것이 좋습니다. 하지만 이렇게 할 경우 아래에 고려 사항으로 언급된 대로 레퍼런스가 기본 성능에 영향을 주지 않으면서 여러 컨버터를 “구동”하는 능력에 관한 우려가 제기됩니다.

레퍼런스의 성능 유지

초기 정확도 및 허용 오차 범위 사양 이외에 레퍼런스에는 허용 한도 내에서 성능을 유지하기 위해 해결해야 하는 문제가 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

  1. 레이아웃 문제(전압 강하 및 잡음 포함)
  2. 출력 구동(소스/싱크), 부하 버퍼링, 과도 성능
  3. 단기 안정성 및 온도 관련 드리프트
  4. 노화, 물리적 응력 및 패키지에 따른 장기 드리프트

1. 레이아웃 문제(전압 강하 및 잡음 포함): 민감한 아날로그 신호와 마찬가지로 정적 전압을 제공하는 경우에도 레퍼런스 출력과 컨버터 사이에는 과도한 전류 저항(IR) 전압 강하가 발생할 수 있습니다. 대부분의 레퍼런스 부하가 수십 밀리암페어(mA) 정도로 낮지만 10mA ~ 100mΩ 정도의 크지 않은 부하에도 1mV의 전압 강하로 이어져서 예산에 큰 오차가 발생할 수 있습니다.

ADR43x 계열 전압 레퍼런스는 켈빈 연결 구성에서 외부 연산 증폭기(op amp)의 강제 루프 내에 배선 저항을 포함시켜서 이 문제를 해결합니다(그림 3). 증폭기는 부하에서 전압을 감지하므로 연산 증폭기의 루프 제어는 출력에서 배선 오차를 보정하여 부하에서 올바른 전압을 생성합니다.

Analog Devices의 ADR43x 구성도그림 3: 레퍼런스 출력과 컨버터 레퍼런스 입력 연결 사이의 IR 강하가 손실에 대해 보정되는 피드백 루프의 일부가 되도록 외부 연산 증폭기를 통해 켈빈 연결에 대해 ADR43x 계열 장치를 구성할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

또한 부하 잡음, 접지(일반) 잡음, 부적절한 감결합 공급 레일에서 유입된 잡음으로 인해 외부 잡음이 컨버터에 표시되는 레퍼런스 전압에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 레퍼런스에는 평가되어야 하는 저주파(0.1Hz ~ 10.0Hz) 및 고주파(10Hz ~ 25kHz) 내부 잡음이 있습니다. ADR43x 제품군의 경우처럼 고성능 레퍼런스에서는 피크 간(p-p)에 3.5μV 이하의 저주파 잡음이, 10Hz ~ 10kHz에서 약 200μV(피크)의 고주파 잡음이 발생합니다.

아래에는 ADR431BRZ-REEL7에 대한 잡음 밀도 스펙트럼이 표시되어 있습니다(그림 4). 다른 정전 용량 부하의 경우 약 1kHz로 상대적으로 균일하다가 상승하기 시작하며 0 정전 용량 부하에서 균일하게 유지됩니다.

ADR431BRZ-REEL7의 잡음 밀도와 주파수 비교 그래프그림 4: 정전 용량 부하에 따른 ADR431BRZ-REEL7의 잡음 밀도와 주파수는 약 1kHz로 상대적으로 균일하다가 상승하기 시작하며, 0 정전 용량 부하에서 균일하게 유지되고 부하가 증가하면 더 빠르게 상승합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

잡음을 줄이기 위해 사용되는 가장 일반적인 방법은 간단한 저항기-커패시터(RC) 필터를 추가하는 것입니다. 하지만 대부분의 레퍼런스는 출력 증폭기로 인해 불안정한 상태가 되고 큰 정전 용량 부하가 유발될 수 있으므로, 레퍼런스가 이에 맞게 설계된 경우가 아니면 수 마이크로패럿(µF)의 큰 정전 용량을 출력에 추가하는 것은 선택 가능한 옵션이 아닙니다. ADR43x 장치의 경우 이 고주파수 잡음이 요구 사항을 초과하지 않을 경우 간단한 RC 필터로 기본 연결 레퍼런스를 보완할 수 있습니다(그림 5).

기본 연결 ADR43x 전압 레퍼런스의 구성도그림 5: 기본 연결 ADR43x 전압 레퍼런스는 입력 측에 두 개의 커패시터와 출력 측에 기본 0.1µF 커패시터가 있는 몇 가지 수동 외부 부품이 필요합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

각 ADR43x 레퍼런스는 내부 보정 노드에 액세스할 수 있는 외부 핀을 제공합니다. 이 핀을 통해 중요 회로 지점에 외부 계열 RC 네트워크를 추가할 수 있습니다(그림 6).

사용자가 액세스 가능한 패키지 핀을 제공하는 Analog Devices의 ADR43x 장치 구성도그림 6: ADR43x 장치는 사용자가 액세스 가능한 패키지 핀(핀 7)을 제공합니다. 이 핀을 사용하여 내부 연산 증폭기에 필요한 보정을 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

RC 회로를 추가하면 내부 연산 증폭기를 “초과 보정”하여 불안정을 방지할 수 있습니다. 사용자는 허용되는 최저 잡음 수준 및 주파수에 도달하도록 커패시터 값을 선택할 수 있습니다(그림 7).

ADR43x 잡음 감소 그래프그림 7: 다양한 RC 조합에 대한 이 잡음 밀도와 주파수 비교 플롯에 표시된 대로 ADR43x 레퍼런스를 사용하는 설계자는 출력 불안정 문제없이 원하는 수준의 잡음 감소를 실현하도록 RC 부품값을 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

2. 출력 구동(소스/싱크), 부하 버퍼링, 과도 성능: 대부분의 레퍼런스는 내부적으로 버퍼링되며 최대 5mA 또는 10mA를 소싱 및 싱크할 수 있습니다. 필요한 부하 전류가 레퍼런스의 정격 소스/싱크보다 큰 경우 외부 버퍼(일반적으로 단위 이득)가 필요합니다. 하지만 결함(부정확성, 드리프트)의 잠재적 효과로 인해 레퍼런스가 시스템 사양을 벗어날 수 있으므로 버퍼는 바람직하지 않을 수 있습니다.

대부분의 경우 ADR43x 계열은 상대적으로 높은 +30mA 소스와 -20mA 싱크 정격 전류로 인해 외부 전류 부스트 버퍼가 필요하지 않습니다.

또한 레퍼런스의 부하가 일정하지 않아도 되지만 ADC(또는 DAC)가 내부적으로 전환되면 달라질 수 있습니다. 이는 컨버터의 외부 레퍼런스 입력이 버퍼링되는 경우에는 문제가 되지 않지만, 그렇지 않은 경우에는 레퍼런스의 과도 성능을 검토해야 합니다. 경우에 따라 과도 부하에도 불구하고 구동력을 제공하려면 레퍼런스와 컨버터 사이에 외부 버퍼가 필요합니다. 다시 말해 시스템 오류를 분석할 때 버퍼의 성능을 고려해야 합니다.

3. 단기 안정성 및 온도 관련 드리프트: 활성 회로가 정착되고 칩의 열경사도가 안정화되는 시간으로 인해 레퍼런스 출력 드리프트가 발생합니다. 대부분의 레퍼런스에서 이 턴온 정착 시간은 일반적으로 부하 정전 용량에 따라 달라지지만, 부하가 작은 ADR431의 경우 부하 커패시터가 최소한의 영향을 미칩니다(그림 8 및 그림 9).

ADR431의 턴온 정착 시간 그래프그림 8: 부하가 없는 ADR431의 턴온 정착 시간은 약 8µs입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

0.01µF 부하를 추가한 ADR431의 턴온 정착 시간 그래프그림 9: 0.01µF 부하를 추가한 이후에도 ADR431의 턴온 정착 시간은 계속적으로 약 8µs에 불과합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

정의된 온도에서의 기준 정확도는 규격서에 지정되어 있으며 일반적으로 턴온값과 다릅니다. 온도 변화에 따른 출력 변화가 시스템 정확도 요구 사항을 쉽게 초과할 수 있으므로 드리프트 사양이 적당히 낮은 레퍼런스가 필요합니다. ADR43x 제품군은 -40°C ~ +125°C에서 작동하도록 지정되며, ADR434A(4.096V, ±5mV 초기 정확도)의 경우 이 계수가 10ppm/°C이고, 계열의 다른 제품은 이 값이 3ppm/°C에 불과합니다.

4. 노화, 물리적 응력 및 패키지에 따른 장기 드리프트: 드리프트는 레퍼런스 부정확성에 크게 기여합니다. 온도 범위에 대한 전체 정확도가 ±0.1%인 전압 레퍼런스가 필요한 응용 제품을 고려하십시오. 설계자는 초기 정확도가 ±0.05%이고 온도 계수가 ±5ppm/°C로 매우 낮은 고성능 레퍼런스를 선택할 수 있습니다.

25°C ~ 125°C 범위에서 온도 계수로 인한 드리프트가 5ppm/°C × 100°C 또는 500ppm(0.05%)이므로 총 오차(초기 오차 + 드리프트 오차)는 ±0.1% 요구 사항을 충족합니다. 일부 고급 응용 제품에서는 온도 안정화 주파수 설정 수정 및 시계에 사용되는 것과 비슷한 레퍼런스를 온도 제어 오븐에 적용하지만 이는 대부분의 경우 바람직하거나 실용적이지 않습니다.

기준 정확도가 향상되면 기본적인 장기 드리프트(LTD)가 정확도 유지에 더 큰 영향을 미칩니다. 설계 엔지니어에게 LTD는 설계 및 연결된 부품 선택의 정확성이 아닌 생산 절차 및 제품 사용 패턴의 함수이기도 하므로 특히 어려운 과제입니다. 회로 기판 조립 중 패키지에서 발생하는 응력이 LTD의 주요 원인입니다. 플라스틱 패키지 IC는 기판 납땜 과정에서 고온에 노출되어 모양이 약간 변경되고, 이 응력 유도 크기의 변경으로 인해 전압 레퍼런스 다이에 응력이 발생합니다.

그 결과 이러한 기계적인 조립 관련 응력이 완화되어 정상으로 복귀되는 몇 시간, 며칠 또는 몇 주 동안 전압 레퍼런스의 출력이 변경됩니다. 변화량은 레이아웃, 장치 패키지 및 기타 요소에 따라 달라지며 일반적으로 수십 ppm 정도 됩니다. 또한 장치를 사용하면서 1년 이상에 걸쳐 레퍼런스의 다이와 패키지 관계가 “정착”되므로 레퍼런스에서 드리프트가 지정되는 기간이 이보다 훨씬 더 긴 경우도 있습니다.

대부분의 레퍼런스 규격서에서는 LTD 사양을 최초 1,000시간 작동 이후의 일반 드리프트로 제공하고, ADR43x 계열 규격서에서는 40ppm에서의 1000시간 LTD(통상)를 지정하지만 이후 1000시간 동안의 드리프트는 최초 1000시간 동안의 드리프트보다 훨씬 작습니다.

이 응력 유도 드리프트를 해결하는 한 가지 방법으로 몇 시간 동안 기판의 열을 여러 번 순환시킵니다. 그러면 내부 응력이 빠르게 완화됩니다. 다른 방법으로는 세라믹 패키지에서 전압 레퍼런스 사용을 고려합니다. 세라믹 패키지는 일반적으로 플라스틱 패키지보다 더 안정적이고 휘는 정도가 더 작습니다. 대부분의 레퍼런스는 세라믹 패키지에서 사용할 수 없지만, 최신 플라스틱 레퍼런스는 세라믹 패키지 장치와 거의 동일한 우수한 LTD 성능을 제공하므로 이는 문제가 되지 않습니다.

마지막으로 설계자는 과도 전압 레퍼런스가 전력 레일에 미치는 영향을 무시해서는 안 됩니다. 즉, 여러 측면에서 볼 때 레퍼런스는 특수 “전원 공급 장치”입니다. 따라서 부화 변화가 출력 정확도에 영향을 미치고, 안정적이고 정화된 직류(DC) 입력 라인이 지정된 성능을 유지하는 데 필요한 다른 요소입니다. 즉, 체계적으로 설계된 전압 레퍼런스는 입력 전력을 엄격하게 규제합니다. ADR431은 7V ~ 18V 입력 전압 범위에서 5mV/ppm(통상) 및 20mV/ppm(최대)의 ΔVOUT/ΔVIN 라인 조정을 지정합니다(그림 10).

ADR43x 장치 그래프는 500mV 과도 라인에도 불구하고 출력 변화가 없음을 보여줍니다.그림 10: 전압 레퍼런스의 과도 전력 레일이 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있지만, 양호한 내부 라인 조정을 통해 이 문제를 해결해야 합니다. 예를 들어, ADR43x 장치는 500mV 과도 라인에도 불구하고 출력 변화가 없습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

ADC 또는 DAC 내부에 있는지 개별 외부 부품인지 여부에 상관없이 전압 레퍼런스는 데이터 컨버터를 사용하는 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 기본 정확도, 드리프트 및 기타 파라미터를 개선하면 시스템 차원 성능 향상으로 이어집니다.

그림과 같이 설계자는 토폴로지와 공정 모두에서 광범위한 전압 레퍼런스 특성 및 개선 사항을 활용할 수 있습니다. 다양한 정적 및 동적 작동 조건에서 정확도와 일관된 성능을 보장하기 위해 추가된 기능과 함께, 엄격한 설계 요구 사항을 해결할 수 있는 옵션을 찾고 있는 설계자를 위해 획기적으로 간단한 전압 레퍼런스가 제공됩니다.

참고 자료:

  1. Analog Devices, AN-713, “장기 드리프트가 전압 레퍼런스에 미치는 효과
  2. Analog Devices, 온라인 기술 지원, “ADR430 트리밍

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작성자 정보

Bill Schweber

Bill Schweber는 전자 엔지니어로서 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교과서를 집필하고 수백 건의 기술 자료, 의견 칼럼 및 제품 특집 기사를 기고해 왔습니다. 이전에는 EE Times의 다양한 주제별 사이트 관련 기술 웹 사이트 관리자와 EDN의 편집장 및 아날로그 편집자를 역임한 바 있습니다.

Analog Devices, Inc.(아날로그 및 혼합 신호 IC 업계를 선도하는 판매업체)에서는 마케팅 통신(홍보 관련)을 담당했습니다. 결과적으로 Bill은 미디어에 회사 제품, 사례, 메시지를 제공하는 기술적 PR 역할과 이러한 내용을 받는 미디어 역할 모두를 경험했습니다.

Analog의 마케팅 통신을 담당하기 전에는 평판 있는 기술 저널에서 편집장을 역임했으며 제품 마케팅 및 응용 엔지니어링 그룹에서도 근무했습니다. 그 이전에는 Instron Corp.에서 아날로그 및 전력 회로 설계와 재료 시험 기계 제어를 위한 시스템 통합 실무를 담당했습니다.

Bill은 MSEE(메사추세츠 주립대학교) 및 BSEE(컬럼비아 대학교) 학위를 취득한 공인 전문 엔지니어이자 어드밴스드 클래스 아마추어 무선 통신 면허를 보유하고 있습니다. 또한 MOSFET 기본 사항, ADC 선택, LED 구동을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

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