아날로그 프런트 엔드 설계 간소화를 위해 적합한 정밀 연산 증폭기 선택

숙련된 회로 설계자는 아날로그 프런트 엔드(AFE) 또는 아날로그 신호 채널에 맞는 특정 연산 증폭기를 신중하게 선택하는 데 많은 시간을 할애해야 한다는 것을 잘 알고 있습니다. 리드가 8개에 불과한 이 작은 부품은 작고 취약한 센서 출력 신호를 증폭, 버퍼링, 필터링하는 평범해 보이지만 중요한 임무를 수행합니다.

적절한 연산 증폭기를 사용하면 신호 채널 성능이 목표를 충족하고 이후 디지털화된 신호에 대해 수행되는 신호 처리 및 분석 알고리즘을 간소화할 수 있습니다. 이 작은 부품은 이득, 입력 범위, 잡음, 안정성 및 기타 속성에 대한 적절한 사양 조합을 제공하여 찾기 어려운 오류와 데이터 불일치를 추적하는 데 드는 번거로운 디버그 작업을 최소화할 수 있습니다.

지금은 고인이 된, 아날로그 부품 및 회로 전문가 Bob Pease는 "좋은 연산 증폭기 하나는 천 개의 게이트와 맞먹는다"고 자주 말했습니다. 그는 이 말을 비유적으로도, 문자 그대로도 썼습니다. 올바른 연산 증폭기를 선택하면 디지털 및 소프트웨어 세계의 많은 골칫거리를 줄일 수 있습니다.

모든 연산 증폭기의 다양한 사양은 설계 절충과 타협 사이에서 균형을 찾은 결과이기 때문에 한 AFE에 '가장 적합한' 연산 증폭기를 고르는 것은 꽤 어려운 일입니다. 이러한 특성은 프로젝트의 성과 우선순위에 대한 설계자의 상대적 가중치와 일치해야 합니다. 다행히도 새로운 연산 증폭기는 이러한 절충점을 줄여줍니다.

예를 들어, 이중 채널, 40볼트, 고정밀 연산 증폭기인 Analog Devices의 ADA4510-2가 있습니다. 이 장치는 낮은 입력 바이어스 전류, 낮은 오프셋 전압, 낮은 오프셋 전압 드리프트, 저잡음, 8리드 내로우 바디 SOIC 패키지의 레일 투 레일 입력 및 출력을 제공하며 감지, 조절, 출력 구동기 등 신호 체인의 거의 모든 지점에서 사용할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: ADA4510-2는 AFE의 여러 중요 지점과 전체 아날로그 신호 체인에 걸쳐 정밀 기능을 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 장치는 신호 체인용 앰프를 선택할 때 설계자가 직면하는 많은 '고충'을 해결해 줍니다. 응용 제품에 따라 우선 순위는 다르지만 이 연산 증폭기는 전자 테스트 및 측정, 데이터 획득 시스템, 자동화 테스트 장비, 의료 기기, 다중 입력 신호 체인, 정밀 전류 측정, 광 다이오드 증폭기 등 많은 응용 제품에서 뛰어난 성능을 제공할 수 있습니다.

향상된 성능의 대부분은 독점적인 DigiTrim 기술 덕분입니다. DigiTrim은 이미 트리밍된 단순 다이 특성 외에도 조립 및 패키징 효과 때문에 발생한 기계적 응력으로 인한 오프셋 전압과 드리프트를 보정합니다.

이 특허 기술을 사용하는 ADA4510-2는 탁월하게 낮은 오프셋 드리프트(섭씨당 ±70나노볼트(nV/°C)(통상), ±500nV/°C(최대))와 낮은 오프셋 전압(±5마이크로볼트(μV)(통상), ±20μV(최대))을 달성하여 정밀 설계에서 온도 관련 교정을 간소화합니다. 또한 규격서에는 모든 중요 파라미터에 대한 통상적 수치와 최소 또는 최대 사양(적절한 경우)이 나와 있습니다.

레이아웃과 가딩

많은 아날로그 부품, 특히 ADA4510-2와 같은 정밀 부품의 경우 성능 잠재력을 발휘하려면 레이아웃 세부 사항과 미묘한 부분을 신중하게 고려해야 합니다. ADA4510-2는 입력 임피던스가 매우 높기 때문에 인쇄 회로 기판(PC 기판) 레이아웃의 누설 저항 및 기생 정전 용량으로 인한 션트 임피던스는 저 바이어스 입력의 성능을 심각하게 저하시킬 수 있습니다. 자세한 내용은 ADA4510-2의 규격서에서 확인할 수 있습니다.

규격서에서는 입력 노드에서 보이는 전압 기울기를 줄여 기생 누설 전류로부터 보호하기 위해 '가딩'이 필요할 수 있다고 강조합니다. 가딩은 고임피던스 노드를 둘러싸기 위해 저임피던스 컨덕터가 생성되어 해당 노드의 전압까지 구동되는 입증된 기술입니다. 이는 누설 전류를 민감한 노드에서 저임피던스 가드로 전환시켜 해당 누설 전류를 완충하는 역할을 합니다(그림 2).

그림 2: 가딩은 고임피던스 입력에서 전류 누설로 인한 악영향을 최소화하는 데 사용되는 기술입니다. 위쪽 이미지는 회로도 구성도를 사용한 가딩 개념을, 아래쪽 이미지는 회로 기판에서 가딩 레이아웃을 구현한 모습을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

평가 기판으로 실제 테스트

응용 제품에서의 ADA4510-2의 적합성을 평가하기 위해 자체 테스트 레이아웃을 제작하는 대신 제조업체에서 제공하는 최적화된 평가 기판을 사용하면 시간을 절약하고 더 좋은 성능을 얻을 수 있습니다. 이를 위해 Analog Devices는 EVAL-ADA4510-2ARZ를 제공합니다(그림 3). 이 콤팩트한 설계는 표준 0603(0.06in × 0.03in) 케이스 크기의 표면 실장 기술(SMT) 부품을 사용합니다(바이패스 커패시터 및 종단 저항기 제외).

그림 3: EVAL-ADA4510-2ARZ 평가 기판은 ADA4510-2를 실행하고 대상 응용 제품에서의 특성을 평가하는 데 사용되는 콤팩트하고 편리하며 최적화된 도구입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 평가 기판은 다양한 비실장 저항기 및 커패시터 실장 면적을 갖추고 있어 사용자에게 다양한 응용 제품 중심의 회로를 구현할 수 있는 선택권과 유연성을 제공합니다. 또한 광 다이오드 센서를 위한 프로비전이 있어 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)를 쉽게 구성할 수 있습니다. 이 레이아웃에는 TIA 응용 제품에 필수적인 저누설 및 기생 정전 용량 보장하기 위한 가딩이 포함되어 있습니다.

이 기판에는 테스트 장비 및 기타 회로와 쉽게 접속할 수 있도록 에지 실장형 SMA 커넥터가 통합되어 있습니다. 7페이지 분량의 UG-2133 사용 안내서에는 이 기판을 설계 가이드로 사용하려는 설계자를 위한 설정 정보, 회로도 구성도, 상단 및 하단의 PC 기판 레이아웃 패턴, 부품 명세서(BOM)가 포함되어 있습니다.

결론

고성능 AFE를 설계할 때는 올바른 연산 증폭기를 선택하는 것이 중요합니다. 독자적인 트리밍 기술이 적용된 ADA4510-2와 같은 정밀 연산 증폭기를 사용하면 성능을 저하시킬 수 있는 신호 체인 드리프트와 잡음을 최소화할 수 있습니다.

관련 내용(모두 Analog Devices 제공)

• ADA4510-2 규격서

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

• UG-2133 EVAL-ADA4510-2ARZ 사용 안내서

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/eval-ada4510-2-ug-2133.pdf

• 엔지니어 존, ‘가딩 기술’

https://ez.analog.com/amplifiers/w/documents/25819/guarding-techniques

• 응용 참고 사항 AN-347, ‘차폐 및 가딩’

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/41727248AN_347.pdf

• 기술 참고 사항, ‘정밀 연산 증폭기의 레이아웃’

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html