더 높은 수준의 통합: 일반적으로는 좋은 아이디어이지만 때로는 그렇지 않습니다.

지난 수십 년에 걸쳐 IC 기술이 전하는 일관된 메시지는 더 높은 수준의 기능 통합으로 나아가면 모든 디지털과 혼합 신호 응용 분야가 발전할 수 있다는 것입니다. 새로운 부품이 신호 체인에 더 많이 통합될수록 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공합니다. 우선, 전체 설계의 단순성이 향상되고 상호 연결이 감소하며, 신뢰성이 높아집니다. 또한, 기판 공간과 소비 전력이 감소하고 부품 간 비호환성 위험이 줄어듭니다. 규격서가 좀 더 포괄적이며 시스템 수준 성능이 보장된다는 이점도 있습니다. 물론, 비용 절감도 빼놓을 수 없습니다.

그러나 통합의 방식이 일방적이기만 한 것은 아닙니다. 단일 IC에서 높은 수준의 통합을 제공하는 동일한 벤더들도 기본 빌딩 블록 역할을 하는 연산 증폭기(op amp)와 같은 고성능 최소 기능 IC를 도입하고 있습니다.

이러한 두 방식이 서로 모순된다고 볼 수도 있습니다. 더욱 고집적화된 소자를 이용하면 결국 '모든 것을' 또는 적어도 '훨씬 더 많이' 가질 수 있는데, 왜 단일 기능 연산 증폭기를 사용해야 할까요? 여기에는 복잡한 이유가 있습니다. 부품의 사양, 부품 간의 상대적 밸런스, 응용 제품, 우선순위, 그리고 무엇보다 가장 중요하게, 관련된 상호 절충 및 타협에 따라 달라지기 때문입니다.

제약이 있음에도 목표 달성을 위해 상호 절충하는 것이 엔지니어링 설계와 전문 지식의 핵심입니다. 완전한 시스템을 구축하는 데 사용할 수 있도록 고도로 최적화된 단일 기능 빌딩 블록과 비교해보면, 더욱 고집적화된 소자의 이점은 중요한 파라미터의 성능상 단점과 비교 평가되어야 합니다. Analog Devices에서 매우 다른 두 가지 부품을 예로 들어 보겠습니다.

Analog Devices의 AD5490 전기화학 프런트 엔드

일례로 최근에 소개된 Analog Devices AD5490은 정전위, 전류법, 전압 전류법 측정을 위한 완전한 전기화학 프런트 엔드이며, 전기화학 및 생물학 실험의 표준 요구 사항입니다(그림 1).

그림 1: Analog Devices AD5490은 전기화학 및 생물학 실험을 위한 완전한 전기화학 프런트 엔드입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 IC는 광범위한 50피코암페어(pA)(또는 10^-12A) ~ 3밀리암페어(mA)(또는 10^-3A) 범위에서 센서 출력을 측정하도록 설계되었습니다. 이는 피부와 신체 임피던스 평가, 지속적인 포도당 모니터링 그리고 배터리 임피던스 테스트와 같은 생체 임피던스 응용 제품에서 일반적인 범위입니다(그림 2). AD5490의 경우 일반적인 입력 바이어스 전류는 선택한 입력 채널에 따라 20pA 또는 80pA입니다.

그림 2: AD5490은 고주파, 4선식, 생체 임피던스 루프와 같은 생물학적 화학 및 인체 측정에 최적화되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 부품은 133페이지 분량의 규격서에서 알 수 있듯이 정교하고 복잡한 IC입니다. 이산 소자 부품으로 회로망을 복제하려는 시도는 중요한 작업이 될 것입니다. 이 IC는 입력 바이어스 전류가 매우 낮을 뿐만 아니라 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 디지털 아날로그 컨버터(DAC), 전압 레퍼런스, 스위치 매트릭스 등을 포함합니다.

이러한 모든 기능을 고려했음에도 설계자가 이 부품을 사용하지 않는 이유는 무엇일까요? 이 부품을 사용해서 결국 프로젝트 목표를 달성할 수 있다면, 목표 달성을 위한 어려움과 고민이 필요 없는 회로가 이미 있는데 또 다른 유사한 회로를 구축하려 하는 것은 어리석고 무책임한 일이기 때문입니다.

Analog Devices의 ADA4530-1 연산 증폭기

그러나 일부 응용 제품에서는 고성능 전위계 및 광학 센서와 같이 훨씬 더 낮은 입력 바이어스 전류에 대한 필요성이 대두되고 있습니다. Analog Devices는 또한 '하나의 방식이 모든 경우에 다 적용될 수는 없다.'는 사실을 인식하여 최근에 펨토암페어(fA)(또는 10⁻¹⁵A) 입력 바이어스 전류가 흐르는 연산 증폭기인 ADA4530-1을 소개했습니다. 이 작동 증폭기에는 원치 않는 전류 흐름으로 이어질 수 있는 표류 전위차를 방지하기 위해 통합 가드 버퍼도 포함되어 있습니다(그림 3).

그림 3: ADA4530-1 연산 증폭기는 펨토암페어 수준의 입력 바이어스 전류를 특징으로 하며, 원치 않는 전류 흐름으로 이어질 수 있는 표류 전위차를 방지하도록 장벽 역할을 하는 통합 가드 버퍼 연결(GRD)을 포함합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

기능적으로 간단한 이 소자도 52페이지 분량의 규격서에서 알 수 있듯이 많은 세부 요소가 있습니다. 입력 바이어스 전류는 AD5490 프런트 엔드 IC보다 3배 낮으며 최대 약 60℃의 저온 계수를 갖습니다(그림 4). 이 두 가지의 매우 인상적인 사양은 대상 응용 제품의 세부 요소이지만 중요한 속성입니다.

그림 4: ADA4530-1의 온도에 대한 입력 바이어스 전류 그래프는 최대 55℃ ~ 60℃까지 0.1fA 미만 또는 0.1fA에 근접한 수준으로 유지되어 시스템 성능의 안정성을 제공하고 오류를 최소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

무엇보다도 하나의 파라미터(매우 낮은 바이어스 전류)에 중점을 두고 있으므로 해당 속성에 최적화된 설계, 공정, 제작 흐름에서 사용할 수 있지만 ADC, DAC, 전압 레퍼런스와 같은 다른 관련 기능에는 적합하지 않을 수 있습니다.

결론

일반적으로 통합성 증가를 향한 지속적인 추세는 벤더와 설계자에게 유리합니다. 그렇지만 ADA5430-1과 같이 각 특정 속성에 최적화된 개별 저수준 블록이 여전히 자리를 차지하고 있음을 보여주는 사례들이 있습니다. 특히 DC에서 RF에 이르는 모든 곳에서 민감한 저잡음 아날로그 회로망이 우선순위에 있을 때 이런 사례들이 나타나며, 프로젝트는 아날로그/디지털 혼합 또는 다양한 유형의 프로세서 및 메모리와 같은 모든 디지털 기능을 요구합니다.

더욱 집적화된 제품을 사용할지 아니면 이산 소자 부품으로 직접 구축할지 결정하려는 경우, 옵션이 빠르게 변하므로 관련 벤더의 최신 릴리스를 확인하는 것이 좋습니다. 그러나 언젠가는 성공적인 전체 설계를 위해서 평범한 단일 기능, 고도로 최적화된 타협 없는 소자를 필수적으로 사용해야 하는 때가 올 것입니다.

많은 이들이 ADA5430-1의 이점을 누릴 수 있는 것은 분명하지만 이를 위해서는 관련 회로망을 자체적으로 구축해야 합니다. 이러한 상호 절충을 신중하게 저울질한 다음, 그 도전이 이점을 얻을 만한 가치가 있는지 결정해야 합니다. 그러나 응용 제품의 요구 사항과 경쟁 압력에 따라 결정될 수도 있습니다.

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