정밀 신호 체인에서 전력 선택이 중요한 이유

아날로그 회로망을 설계할 때 본능적으로 회로의 각 부품에 대한 사양의 세부 정보에만 몰두하기 쉽습니다. 그러면 열정 면에서는 'A' 학점을 받겠지만, 전력 관점에서 보는 최종 설계는 좋은 점수를 받지 못할 수도 있습니다. 이러한 실수를 피해야 하는 이유와 그 방법을 알려드리겠습니다.

짧은 대기 시간과 빠른 안정화에 최적화된 초고정밀 회로 작업을 하고 있다면, 여러분은 회로 설계에 대한 지침을 잘 알고 있을 것입니다. 대기 시간을 제어하기 위해 이 고정밀 회로에 대해 저잡음 및 더 빠른 속도를 나타내는 부품을 선택합니다. 이러한 유형의 회로에 적합한 제품 구성도가 그림 1에 나와 있습니다. 여기에는 절연 장벽을 넘어서 아날로그 신호를 제공하는 많은 부품이 포함되어 있습니다.

그림 1: 짧은 대기 시간 측정을 가진 조정 가능한 전압/전류 측정 신호 체인 (이미지 출처: Analog Devices)

위의 조건에서는, 정밀 부품 세부 정보가 즉시 표시됩니다. Analog Devices의 ADG5421F 스위치는 ±60V 오류 보호 및 감지, 11Ω R_ON, 이중 단극 단투(SPST) 스위치입니다. 이 장치는 두 입력 간의 차이가 전원 공급 장치를 초과하는 경우를 파악하여 오류 메시지를 생성합니다.

Gain Stage는 Analog Devices LTC6373, 36V 완전 차동, 프로그래밍 가능한 이득 계측 증폭기입니다. LTC6373은 이후의 적절한 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 레벨로 입력 센서 신호를 획득합니다. 필터는 단극 이산 소자 저항 커패시터(R-C) 회로입니다. 이 필터는 앤티앨리어싱 기능을 수행하여 더 높은 주파수 신호를 감쇄합니다.

아날로그에서 디지털로의 변환 회로는 이중, 저전력, 레일 투 레일 출력 증폭기인 Analog Devices ADA4896-2로 시작합니다. 이는 ADC의 드라이버 증폭기 역할을 합니다. 그다음은 Analog Devices의 AD4630-24로서, 24비트, 2MSPS, 이중 채널 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC로, 지연 시간 없이 고정밀 변환을 수행합니다.

ADC에 대한 전압 기준 부분은 Analog Devices의 고정 5V 출력을 갖는 직렬 전압 기준인 LTC6655LN 및 ADA4523 기준 입력 핀과 전압 기준 사이에 버퍼를 형성하는 제로 드리프트 증폭기인 Analog Devices의 ADA4523-1BCPZ 으로 구성되어 있습니다.

설계를 마무리하면서, Analog Devices의 ADuM14xE 디지털 절연기로 회로를 분리하고 추가로 보호합니다.

정밀 사양만으로는 알 수 없는 사항

이제 잠시 멈추고, 여러분이 업무 그룹의 아날로그 디자이너라고 상상해 보세요. 축하합니다. 여러분은 엘리트 엔지니어 그룹에 합류했지만, 여전히 끊임없이 배워야 할 것입니다. 이 점을 염두에 두고, 저는 여러분이 이전에 들어보지 못했을 몇 가지 사항을 추천해 드리겠습니다. 먼저, 아날로그 튜토리얼을 버리고 전원 공급 장치 시스템, 정동작 전류, 잡음 및 정밀도부터 시작하여 몇 가지 근본적인 문제를 해결할 수 있는 다른 방법을 고려해 봅니다.

다년간의 아날로그 설계에서 이 방법은 종종 설계 주기가 끝날 무렵에만 떠올랐습니다. 그리고, 물론 저는 고통스러운 재설계와 개선 노력을 거쳤습니다. 하지만 여러분은 그럴 필요가 없습니다.

또한 업계 추세가 더 낮은 소비 전력과 더 작은 형상으로 향하고 있음이 분명합니다. 다행스럽게도, 이 특정 설계에 너무 깊이 빠진 단계는 아니어서 우리는 한 발짝 물러서서 공급 전압, 정동작 전류 및 전력 공급 제거율(PSRR)과 같은 회로 기본 사항을 살펴볼 수 있습니다.

제가 제안하는 변경 사항은 전력 솔루션을 신호 체인 설계의 핵심 가치 제안으로서 그 정밀도 목표와 같게(그 이상은 아닐지라도) 맞춤화하는 것입니다. 설계 단계 및 고려 사항은 다음과 같습니다.

1. 신호 체인 제품 구성도를 만듭니다.
2. 구성도에서 가능한 부품을 선택합니다.
3. 다음을 정의합니다.
   1. 공급 전압
   2. 공급 전류
   3. PSRR

설계 초기 단계에 설계 제안서에 적합한 전력 사양을 고려하지 않으면 설계 복잡성이 급격히 증가합니다. 이는 복잡한 백그라운드 전원 공급 장치 설계가 추가됨에 따라 부품의 정동작 전류로 인해 전력 소비가 증가하기 때문입니다. 결과는 어떨까요? 전반적으로 만족스럽지 못한 설계로 인해 처음부터 다시 시작해야 할 수도 있습니다.

그럼 전원 공급 전압, 전류 및 PSRR 예산을 살펴보겠습니다.

전력을 고려한 설계

스위치(또는 보호) 및 이득(또는 프로그래밍 가능한 계측 증폭기) 단계는 입력 센서에 대해 충분한 신호 범위를 제공하기 위해 ±15볼트와 같은 보다 광범위한 전원 공급 장치 전압 범위가 필요합니다. ADC 구동기, 레퍼런스, 레퍼런스 구동기 및 절연 블록은 신호 요구 사항을 수용하기 위해 ±5V 및 +5.5V와 같은 평균 전원 공급 범위가 필요합니다. 마지막으로 컨트롤러에 대한 ADC의 디지털 인터페이스는 +1.8V와 같은 더 낮은 전압이 필요하며, 전체 전력 소비를 낮게 유지합니다(표 1).

표 1: 각 장치 전력 요구 사항 (표 출처: Analog Devices, Bonnie Baker 수정(전력 부분))

표 1에 따르면, 3개의 양극 아날로그 공급 장치(15V, 5.5V 및 5V), 3개의 양극 디지털 공급 장치(5V, 5V 및 1.8V), 2개의 음극 아날로그 공급 장치(-15V 및 -5V)가 있습니다. 표 1의 숫자는 아날로그 및 디지털 전원 공급 장치의 요구 사항을 나타냅니다. ADA4896-2는 PSRR 시스템 분야의 주종을 이루며, 생성되는 정동작 전력은 487mW로 이는 최적 성능에서 최소 전력입니다.

결론

살펴본 바와 같이, Analog Devices AD4630-24와 같은 스위치, 증폭기 및 24비트 ADC의 올바른 조합은 빠른 안정화 및 짧은 대기 시간 특성의 최적화를 통해 초정밀 시스템을 생성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나, 최상의 전체 성능을 제공하기 위해서는 전력을 충분히 고려해야 합니다. ADG5421F, LTC6373, ADA4896-2, ADA4630-24, LTC6655LN, ADA4523 및 ADuM14xE가 결합하는 경우, 짧은 대기 시간 측정을 위한 응용 제품 요구 사항을 충족하는 조정 가능한 전압/전류 측정 신호 체인을 만들고 전력 소비를 최소화하며 이상적인 계측기 솔루션을 형성합니다.