신중한 부품 선택, 토폴로지, 레이아웃 사용을 통해 7.5자리 신호 체인 정확도 달성

대부분의 해상도 판독 요구 사항은 4자리나 5자리 표시로 충족할 수 있지만, 실험실 등급의 디지털 멀티미터(DMM), 현장 계측기 교정, 일반 저울/실험실용 저울 및 지진 계측기와 같은 응용 분야에는 7.5(7½)자리의 의미 있는 디스플레이와 함께 더 높은 정확도를 요구합니다. 이 성능은 불가피한 큰 DC 신호 및 오프셋 속에서 작은 저주파 신호 변화를 정확하게 측정하는 데 필요합니다.

이러한 수준의 정확도를 달성하려면 부품 선택 및 물리적 구현과 관련된 요인을 신중하게 고려하는 다면적 노력이 필요합니다. 설계자는 여러 잠재적 오차 발생 원인, 단기 및 장기 동작의 영향, 회로 안정성을 이해해야 합니다.

이 기사에서는 7.5자리 정밀도의 아날로그 신호에 대한 의미 있고 정확한 판독을 개발하는 것과 관련된 설계 문제에 대해 간략하게 검토합니다. 그런 다음 이러한 성능을 달성하기 위해 설계자가 사용할 수 있는 Analog Devices의 적합한 부품을 소개합니다.

고정밀 판독을 위한 부품 선택

고정밀 시스템은 능동 및 수동 부품에서 시작합니다. 고집적을 통해 설계 및 레이아웃을 간소화하여 일정 수준의 성능을 제공할 수 있지만, 설계자는 종종 적절한 배열 및 물리적 레이아웃에 최적화된 단일 기능 IC를 사용하여 더 높은 성능을 달성할 수도 있습니다. 이러한 부품의 공정, 제작, 열 문제 및 구배, 패키지 및 이와 연관된 응력은 응용 제품의 요구 사항에 최적으로 맞출 수 있습니다.

고정확도 7.5자리 시스템(그림 1)의 중심에는 전치 증폭기, 대응되는 이득 설정 저항기, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 전압 레퍼런스가 있습니다.

그림 1: 7.5자리 시스템 신호 체인의 중심에는 전치 증폭기, 정합 이득 설정 저항기, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 전압 레퍼런스가 있습니다(이미지 출처: Analog Devices, Bill Schweber 수정).

저레벨 아날로그 신호는 저잡음 전치 증폭기에 전송되며 여기에서 정합 정밀도 저항기에 의해 이득이 설정됩니다. 전자기 간섭(EMI) 필터도 있을 수 있습니다. 증폭된 신호는 정확도를 위해 정밀 전압 레퍼런스를 사용하여 디지털화된 값을 제공하는 고해상도 ADC를 통과합니다. 변환된 출력은 여러 입력/출력(I/O) 형식 중 하나를 통해 시스템 프로세스로 전송됩니다.

전치 증폭기: 여기서 중요한 두 개 파라미터는 일관성과 정확도에 영향을 미치는 잡음과 드리프트입니다. 적합한 사전 증폭기 중 하나로 ADA4523-1BCPZ-RL7(그림 2, 왼쪽) 8리드, 36V, 저잡음, 제로 드리프트 연산 증폭기(op amp)가 있습니다. 이 연산 증폭기는 4.5V ~ 36V의 넓은 공급 범위에서 정밀한 DC 성능을 제공합니다. 오프셋 전압 및 1/f 잡음이 억제되므로 0.1Hz ~ 10Hz의 주파수 범위에서 ±4μV의 최대 오프셋 전압과 통상 88nV p-p(피크 투 피크)의 입력 잡음 전압을 달성할 수 있습니다. 이 장치는 8리드 표면 실장 패키지로 제공되며, 그림 2의 오른쪽에는 DC 부근 ~ 10MHz의 입력 기준 전압 잡음 밀도가 표시되어 있습니다.

그림 2: ADA4523-1BCPZ-RL7(왼쪽)은 8리드 표면 실장 패키지에 하우징되어 있습니다. 오른쪽에는 DC 부근 ~ 10MHz의 입력 기준 전압 잡음 밀도가 표시되어 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

초퍼 안정화 ADA4523-1BCPZ-RL7의 자기 교정 회로망은 온도 변화에 따라 낮은 오프셋 전압 드리프트(0.01μV/°C 최대)를 제공하며 시간이 지나도 드리프트는 0입니다. 또한, ADA4523-1BCPZ-RL7은 온칩 필터링을 사용하여 EMI에 대한 높은 내성을 달성합니다.

이득 설정 저항기: 회로를 다양한 입력 신호 진폭 및 형식과 맞추기 위해 프로그래밍 가능 이득이 필요할 수 있습니다. 정밀도 성능을 위해서는, 이득 설정 저항 쌍이 정확한 절대값을 갖는 것보다 서로 잘 정합되고 온도 변화에 따라 서로 동일하게 변화하는 것이 중요합니다. 이러한 쌍을 통합하는 독립형 장치는 일반적으로 증폭기 다이에 통합되는 저항기보다 더 나은 성능을 제공합니다.

예를 들어, LT5401AHMSE#PBF(그림 3, 왼쪽)는 완전 차동 증폭기와 사용할 수 있도록 최적화된 초정밀 일치 저항기 네트워크로, 전체 온도 범위에서 뛰어난 일치 사양을 제공합니다. 여기에는 각각 세 개의 탭 포인트를 제공하는, 두 개의 일치하는 저항기 스트링이 포함되어 있습니다. 한 쌍의 ADA4523-1BCPZ-RL7 연산 증폭기와 이러한 쌍의 이득 설정 저항기를 사용하면 원하는 증폭기 구성이 가능합니다(그림 3, 오른쪽). 결과로 얻어지는 일치된 저항 비율은 차동 증폭기의 이득이나 감쇠를 정밀하게 설정하는 데 매우 적합합니다.

그림 3: LT5401AHMSE#PBF(왼쪽)에는 세 쌍의 일치하는 저항기가 포함되어 있습니다. 이 장치는 두 개의 ADA4523-1BCPZ-RL7 증폭기로 구성된 고정밀 프로그래밍 가능 이득 단계의 핵심입니다(오른쪽)(이미지 출처: Analog Devices, Bill Schweber 수정).

LT5401AHMSE#PBF의 주요 정밀도 및 안정성 특성에는 다음이 포함됩니다.

• 0.003% 저항기 비율 일치(최대)
• 96.5dB 공통 모드 제거율(CMRR)(최소)
• ±25ppm 이득 오차(최대)
• ±0.5ppm/°C 일치 온도 드리프트(최대)
• 8ppm/°C 절대 저항기 값 온도 드리프트
• 장기적 안정성: < 8ppm(6,500시간 기준)

ADC: 신호가 증폭 및 조정되면, 디지털화 준비가 된 것입니다. 다양한 아키텍처와 특성을 가진 여러 ADC가 있지만, 시그마 델타 접근 방식은 변환 시간과 해상도 사이에 균형을 제공할 수 있으므로 정밀도 응용 분야에 매우 적합합니다.

적합한 ADC의 예로는 AD7177-2BRUZ-RL7(그림 4)을 들 수 있습니다. 이 장치는 32비트, 10ksps의 저잡음 멀티플렉스 변환기로, 100µs의 정착 시간과 레일-투-레일 입력 버퍼를 갖추고 있어 전치 증폭기 출력과의 연결을 용이하게 합니다. 이 장치의 다중 입력 채널은 교차점 멀티플렉서를 통해 두 개의 완전 차동 채널 또는 4개의 단일 엔드 채널로 배열됩니다.

그림 4: 다중 채널 AD7177-2BRUZ-RL7 시그마 델타 ADC는 높은 변환 해상도와 입력 채널 구성 유연성을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices).

이 장치는 고도로 집적되어 있지만 이러한 집적화는 정밀 아날로그 성능에 부정적 영향을 미치지 않는데 대부분 디지털 및 I/O 측에 해당되기 때문입니다. 여러 고정밀 응용 분야에서 채널 간을 비교해야 하거나 실제 데이터 취득 시 기준 측정을 위해 한 채널을 사용하므로 다중 입력 채널은 유용합니다.

이 컨버터는 또한 신호 무결성을 위해 50Hz 및 60Hz 간섭에 대해 85dB 필터 제거를 제공하며 정착 시간은 50ms입니다. 또한 온칩 2.5V 레퍼런스(±2ppm/°C 드리프트)가 포함되어 있으며 변환 타이밍을 위해 내부 클록을 사용하거나 외부 클록과 함께 제공될 수 있습니다. 온칩 전압 레퍼런스는 여러 응용 제품에 충분하지만, 더 높은 정밀도를 요구하는 응용 제품에는 적합하지 않습니다. 따라서 AD7177-2BRUZ-RL7은 필요 시 사용자가 외부 레퍼런스를 공급할 수 있도록 합니다.

전압 레퍼런스: 전압 레퍼런스의 성능에 따라 신호 체인이 좌우됩니다. ADC의 내부 전압 레퍼런스는 부품 수를 줄이고 기판 실장 공간을 절약하며, 컨버터에 대한 일정 수준의 성능을 보장하므로 대부분의 경우 유용합니다.

그러나 온칩 레퍼런스는 전용 독립형 소자의 성능에는 미치지 못합니다. 전용 소자는 하나의 목적, 즉 고도로 정확하고 안정적인 저잡음 전압을 제공하기 위해 설계, 제작, 트리밍, 테스트되어 그 성능을 매우 우수하게 발휘합니다. 거의 예외 없이, 시스템의 정밀도, 정확도, 안정성은 레퍼런스의 수준을 초과할 수 없습니다. 그러나 자체 발열과 열 구배로 인한 다이 및 패키지 응력과 같은 2차 및 3차 오차 영향은 레퍼런스 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

이런 이유로, Analog Devices는 ADR1399 정밀 전압 레퍼런스를 제공하며, 설계, 공정, 패키지가 이 단일 기능에 최적화되어 있습니다. 성능을 더욱 향상시키기 위해, 최고 정밀도의 전압 레퍼런스에는 일정한 온도를 유지하는 온보드 히터가 포함되어 있으며, 이는 온도 변화가 안정성에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

ADR1399는 고정 7.05V 출력을 가진 정밀 매립형 제너 션트 전압 레퍼런스 IC로, 광범위한 전압, 온도, 정동작 전류 조건에서 뛰어난 온도 안정성을 제공합니다. 온도 안정화 루프는 모놀리식 기판의 활성 제너와 통합되어 온도에 따른 전압 변화를 제거합니다.

서브서피스 제너 회로는 3mA(밀리암페어)의 정동작 전류에서 완전하게 사양이 지정되었으며 1.44μV p-p(0.1Hz ~ 10Hz) 및 1.84µV_RMS(10Hz ~ 1kHz)의 매우 낮은 잡음을 제공합니다. 또한 7ppm/√kHrs(ppm/천 시간 제곱근)의 뛰어난 장기 안정성과 함께 0.2ppm/℃의 매우 낮은 온도 계수를 가집니다.

이 장치에 대해 두 가지 버전을 사용할 수 있습니다. ADR1399KHZ(그림 5, 상단, 왼쪽)는 플라스틱 열 절연체 내에 배치된 간단한 4핀, 밀폐 봉인 TO-46 패키지로 제공됩니다. 이 절연체는 주변 변동을 최소한으로 유지하여, 필요한 히터 전력을 감소시킵니다.

반대로, ADR1399KEZ(그림 5, 하단, 왼쪽)는 비절연형 8핀 표면 실장 리드리스 칩 캐리어(LCC)로 제공됩니다. 추가된 4개의 핀 중 2개는 내부적으로 연결되어 있지 않으며, 나머지 2개는 활성 기준을 켈빈 연결 Force 및 Sense 동작으로 분리하여 더 높은 정밀도를 가능하게 합니다. 레퍼런스 전압 대 온도에 대한 패키지 유형의 영향은 TO-46의 ADR1399KHZ(그림 5, 상단, 오른쪽)와 LCC의 ADR1399KEZ(그림 5, 하단, 오른쪽) 사이에 차이가 거의 없음을 보여줍니다.

그림 5: 레퍼런스 전압 대 온도에 대한 패키지 유형의 영향은 TO-46의 ADR1399KHZ(그림 5, 상단, 오른쪽)와 LCC의 ADR1399KEZ(그림 5, 하단, 오른쪽) 사이에 차이가 거의 없음을 보여줍니다(이미지 출처: Analog Devices).

회로 토폴로지

정밀도를 달성하기 위해 설계자는 오차 발생 원인을 내재적으로 줄이거나 제거하는 토폴로지 및 아키텍처도 사용해야 합니다. 일부 신호에는 유도 잡음의 균형을 유지하거나 유도 잡음을 제거하기 위해 차동 구성이 필요할 수 있습니다. 위에서 언급한 바와 같이, 매칭 저항기와 트래킹 저항기는 특히 온도 변화에도 증폭기의 차동 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 4암 휘트스톤 브리지는 비율 척도 측정 방식을 생성하는 데 자주 사용되며, 이 경우 브리지 암에서 발생하는 원치 않는 드리프트가 서로 상쇄되어 원하는 신호만 남게 됩니다.

물리적 구현

정밀 설계의 물리적 구성은 성능 측면에서 중요한 역할을 수행합니다. EMI 차폐 및 열전대 효과를 포함하여 고려해야 할 여러 요인이 있습니다. 서로 다른 금속을 연결하면 열전 접합부가 형성되어, 온도에 종속적인 작은 전압을 발생시킵니다(Seeback(제벡) 효과). 이는 저드리프트 회로의 주요 오차 발생 원인일 수 있습니다. 커넥터, 스위치, 계전기 접점, 소켓, 저항기, 땜납은 모두 상당한 열 기전력(EMF)을 발생시킬 수 있습니다.

서로 다른 제조업체의 구리선 접합부도 200nV/℃의 열 EMF를 발생시킬 수 있으며, 이는 ADA4523-1BCPZ-RL7의 최대 드리프트 사양의 10배가 넘는 수치입니다. 그림 6은 EMF 전압의 잠재적 크기와 해당 온도 민감도를 보여줍니다.

그림 6: 서로 다른 제조업체의 구리선 접합부(왼쪽)와 납땜-구리 접합부(오른쪽)에서 발생하는 열 EMF가 표시되어 있습니다(이미지 출처: Analog Devices).

물론, 다중 회로 접지도 주요 고려 사항입니다. 저임피던스의 충분한 분리형 아날로그 접지와 디지털 접지를 반드시 확보해야 합니다. 전류 흐름은 매핑하여 민감한 영역을 피하도록 유도해야 하며 두 접지 영역 사이에는 하나의 연결점만 있어야 합니다. 부하에 인접한 전력 레일과 접지 사이에 신중하게 배치된 바이패스 커패시터 사용에 관한 일반적인 고려 사항 역시 적용됩니다.

교정

최종 장치를 교정하는 것이 정확도와 안정성 문제를 해결하는 가장 직접적인 방법처럼 보일 수 있지만, 대개 그렇지는 않습니다. 이러한 레벨의 해상도 정확도로 교정하려면 신중하게 준비된 설정과 함께 비용이 대단이 많이 드는 표준이 필요하며 시간도 많이 소요됩니다. 이 장치는 지정된 주기마다 정기적인 재교정이 필요할 수도 있습니다.

교정 결과는 판독 오차를 수정하거나 보완하기 위한 여러 방법으로 사용됩니다. 교정은 원하는 목표를 달성하기 위한 전략이라기 보다, 설계의 성능을 검증하는 가장 효과적인 방법입니다.

결론

7.5자리의 의미 있는 정밀도 및 정확도를 달성하는 것은 아날로그 및 혼합 신호 설계에서 중요한 과제입니다. 설계 솔루션은 올바른 부품, 회로 토폴로지, 물리적 레이아웃, 적절한 교정을 통합해야 합니다. Analog Devices에서 제공하는 최고 수준의 부품, 전문 지식, 응용 지원과 함께, 설계 세부 사항에 대한 세심한 주의를 통해 이러한 과제를 해결할 수 있습니다.