이미 양호한 연산 증폭기가 많은데도 새로운 연산 증폭기가 필요한 이유

수십 개에 달하는 많은 제조업체에서 얼마나 다양한 연산 증폭기를 출시하고 있는지 정확히 알기는 어렵지만 그 수가 수천 개는 될 것입니다. 이는 기본 모델에서 변형되었지만 사양, 온도 등급 또는 포장만 약간 바뀐 연산 증폭기는 포함하지도 않은 수치입니다.

이처럼 기본적이고 단순하지만 다양한 기능을 갖춘 아날로그 부품인 연산 증폭기는 신호 처리 아날로그 프런트 엔드(AFE), 필터 및 센서 인터페이스에서 중요한 기능을 제공합니다. 필요한 회로 기능은 항상 많아왔지만, 에지 인공 지능(AI), 스마트 컨트롤러, 시스템을 실제 세계와 연결하는 데 필요한 수많은 기타 응용 제품에 대한 수요로 인해 점점 더 길어지고 있습니다.

중급 사양의 양호한 장치부터 뛰어난 고성능 정밀 장치까지 이미 출시된 모든 연산 증폭기를 고려하면 새로운 연산 증폭기가 거의 필요하지 않다고 생각할 수 있습니다. 하지만 최근에 소개된 사례는 이러한 가정이 얼마나 순진한지를 다시 한번 보여줍니다.

최신 연산 증폭기의 혁신적 저드리프트 성능

지난 한 해 동안 주요 중견 공급업체에서 수십 가지 새로운 연산 증폭기를 출시했습니다. 고전압 설계 또는 갈바닉 분리와 같이 응용 분야에 특정한 제품도 있지만, 대부분은 상당히 표준적이면서도 일부 사양에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.

최근에 출시된 다음 세 연산 증폭기는 드리프트가 매우 낮습니다.

• Analog Devices의 MAX74810ARMZ-RL: 저잡음, 접지 감지 입력 및 레일 투 레일 출력을 갖춘 초퍼 안정화 저전력 이중 채널 제로 드리프트 연산 증폭기로 시간, 온도, 전압 조건에서 완벽한 정확성을 제공하도록 최적화되었습니다.
• STMicroelectronics의 TSZ901IYLT: 고성능 센서 신호 조정을 위한 두 가지 주요 특성인 제로 드리프트와 초저 오프셋을 지원하는 AEC-Q100 인증 연산 증폭기(STMicroelectronics의 TSZ 초정밀 연산 증폭기 라인)입니다.
• Texas Instruments의 TLV4888PWR: 36V, 14MHz 초퍼 안정화 제로 드리프트, 쿼드 채널, 멀티플렉서 친화적 CMOS 정밀 연산 증폭기입니다.

공급업체와 설계자가 동시에 겪는 딜레마

이러한 유비쿼터스 부품의 공급업체와 사용자는 모두 구형 연산 증폭기에 대해 복잡한 감정을 가지고 있습니다. 공급업체는 마진이 높고 제조 및 테스트가 예측 가능한 구형 부품을 계속 생산하기를 원하지만, 사용자는 이미 알고 있는 성능과 여러 세부 사항으로 인해 구형 부품을 선호합니다. 이와 동시에, 공급업체와 사용자는 모두 즉각적이고 장기적인 종속성(공급업체의 경우)과 우수한 성능(사용자의 경우)을 비롯한 최신 제품의 잠재적 이점을 원합니다.

연산 증폭기는 기능적으로 단순한 블록이지만, 중요하고 세부적인 파라미터가 많습니다. 필수 테스트와 후속 데이터 분석은 고도로 자동화되어 있지만, 여전히 시작, 완료, 문서화를 위해 상당한 시간과 노력이 필요합니다.

필수적이지만 테스트하기 어려운 사양 중에는 MAX74810ARMZ-RL(그림 1)에서 볼 수 있듯이 온도 대비 입력 바이어스 전류(I_B)가 있습니다.

그림 1: MAX74810ARMZ-RL의 온도 대비 IB 그래프는 정밀 AFE를 구현하는 설계자에게 매우 중요한 그래프입니다(이미지 출처: Analog Devices).

연산 증폭기 데이터시트에 수천 개의 테스트된 장치에 대한 입력 오프셋 전압(_VIO) 분포가 표시되는 경우도 있습니다. TSZ901IYLT(그림 2)의 경우처럼 이러한 그림은 공급업체가 생산 공정을 관리하고 있음을 사용자에게 확신시켜 시뮬레이션을 더 강력하게 만들고 신뢰를 제공합니다.

그림 2: TSZ901IYLT의 VIO 분포와 같은 그림은 설계자에게 생산 공정이 엄격하게 제어된다는 확신을 줍니다(이미지 출처: STMicroelectronics).

또한 일반적인 값은 1단계 추정에는 적합하지만 Spice 또는 다른 도구를 사용하여 전체 분석을 수행할 때는 부족하므로, 공급업체는 일부 파라미터에 대한 최대(또는 최소) 사양을 명시해야 합니다. TLV4888PWR(그림 3)용 연산 증폭기 표와 같이 연산 증폭기 표에서는 전체 온도 범위에서 일반 값과 최대값을 모두 지정하여 철저한 설계 평가를 지원합니다. 이러한 값은 오프셋 전압, 입력 바이어스 전류와 같은 파라미터의 일반 값을 포함하여 표 형식으로 제공되는 경우가 많습니다.

그림 3: TLV4888PWR과 같은 장치의 설계를 신중하게 평가하려면 일반 값과 최대값이 필요하며, 연산 증폭기 공급업체는 적절한 경우 해당 값을 표 형식으로 제공합니다(이미지 출처: Texas Instruments).

공급업체가 얻는 이점은 무엇인가요?

이러한 모든 개발 노력과 공급업체 비용이 그만한 가치가 있을까요? 일반적으로 그렇습니다. 성공적인 아날로그 제품은 수년 동안 지속 가능한 고수익의 수익원이 될 수 있습니다. 공급업체가 기능, 특징 및 성능 사양을 적절히 조합하고 부품이 성공적인 고객 제품과 일치한다면, 해당 연산 증폭기는 현재 제품 세대와 후속 세대 모두에 사용될 가능성이 높습니다. 결과적으로 선호도가 높은 구형 부품이 대체됩니다.

하지만 오래된 부품을 대체하는 것은 쉽지 않습니다. 프로세서와 달리, 좋은 연산 증폭기는 설계에서 배제되거나 교체되지 않고 회로에 다시 선택되는 경우가 많습니다. 그렇다면 설계자가 잠재적으로 열등한 구형 연산 증폭기를 신형 연산 증폭기로 교체하는 것을 꺼리는 이유는 무엇일까요?

아날로그 부품은 디지털 부품에 비해 설계, 레이아웃, 제조 등에서 미묘한 차이와 특이성이 발생하기 쉽기 때문입니다. 경험이 많은 아날로그 회로 설계자는 특별한 이유가 없는 한 새로운 부품과 그와 관련된 학습 곡선으로 변경하는 것을 원하지 않는 반면, 디지털 중심 설계자는 아날로그 측면에 대해서는 생각하려고 하지 않습니다. '잘 작동하면 그대로 두고 넘어가자'는 식의 사고방식입니다.

공급업체와 설계자에게는 다른 장기적인 이점이 있습니다.

• 정교한 제조 및 테스트 공정을 통해 생산 및 가용성에 대한 우려를 크게 줄입니다.
• 제조 전문성이 향상되고 수율이 높아지면 공급업체의 마진도 높아집니다.
• 이 부품은 많은 OEM이 유지 관리하는 설계자 승인 공급업체 및 부품 목록에 등록되어 있으므로, 기업에서 부품 명세서(BOM)에 추가하는 데 주저할 필요가 없습니다.

이러한 '변하지 않는' 사고방식을 보여주는 예로 Burr-Brown INA133 계측 증폭기(특수 연산 증폭기 토폴로지)가 있습니다. 이 장치는 1998년에 도입되었으며, 2000년에 Burr-Brown을 인수한 Texas Instruments의 INA133UA/2K5와 같은 다양한 패키지 및 등급으로 여전히 제공되고 있습니다.

물론 이러한 모든 신형 증폭기와 이를 보완하는 구형 연산 증폭기가 혼재된 상황에서 응용 분야에 가장 적합한 연산 증폭기를 어떻게 선택하는지가 딜레마입니다. 선호하는 몇몇 공급업체로 시작하는 설계자도 있고, 동료들의 제안으로 시작하는 설계자도 있습니다. AI가 도움이 될 수 있는 사례: 필수 사양, 권고 사양 및 기타 파라미터의 최소값/최대값을 입력하면 적합한 연산 증폭기의 순위가 매겨진 목록이 반환됩니다.

그것도 흥미로운 출발점이 되겠지만, 선택지를 좁혀가며 이러한 장치의 미묘한 차이를 제대로 파악하려면 문서를 참조하고 공급업체 담당자와 일대일로 상담하는 것만큼 효과적인 방법은 없습니다.

결론

이미 수천 개의 우수한 연산 증폭기가 출시되어 있음에도 불구하고 새로운 연산 증폭기가 계속 출시되는 것은 더 나은 부품에 대한 수요가 항상 존재한다는 것을 보여줍니다. 이러한 장치는 전체 성능이 약간 향상되거나 한두 가지 중요한 사양만 크게 향상될 수 있습니다. 어느 쪽이든 성공적인 새 연산 증폭기는 수명이 길어, 설계자의 문제를 최소화하면서, 공급업체의 수율과 마진을 극대화할 수 있습니다.

관련 내용

1: 연산 증폭기 선택 가이드

https://www.digikey.com/en/blog/a-guide-to-op-amp-selection

2: 아날로그 프런트 엔드 설계 간소화를 위해 적합한 정밀 연산 증폭기 선택

https://www.digikey.com/en/blog/choose-the-right-precision-op-amp

3: 정밀 연산 증폭기를 효과적으로 선택하고 사용하는 방법

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-choose-and-use-precision-op-amps-effectively

4: 제로 드리프트 연산 증폭기를 사용하여 정밀하고 정확한 저전력 산업 시스템 제어를 달성하는 방법

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-use-zero-drift-op-amps-to-achieve-industrial-system-control

5: 제로 드리프트 증폭기를 사용하여 DC 정밀도와 광대역폭을 모두 달성하는 방법

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-achieve-both-dc-precision-and-wide-bandwidth-using-zero-drift-amplifiers