GSPS 컨버터용 광대역 RF 프런트 엔드 설계

글: 롭 리더(Rob Reeder) / 국방 및 항공우주 애플리케이션 전문
아나로그디바이스 / www.analog.com

고속 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 기술이 발전함에 따라 고속의 높은 중간주파수(intermediate frequency, IF)를 정확히 처리할 필요성도 늘어난다. 이 때 어려운 문제가 두 가지 발생하는데 하나는 컨버터 설계 자체이고 다른 하나는 신호 내용을 컨버터와 커플링하는 프런트 엔드 설계이다.

컨버터의 성능 자체도 우수해야 할 뿐 아니라 프런트 엔드 역시 신호 품질을 유지할 수 있어야만 하기 때문이다. 고주파 고속 컨버터는 오늘날 여러 애플리케이션에서 사용되며 레이더, 무선 인프라, 계측 등 그 사용 분야가 늘어나고 있다. 이러한 애플리케이션에는 8~14비트 해상도의 고속 GSPS(gigasample per second) 컨버터를 사용해야 한다.

그러나 기억해야 할 것은, 특정 애플리케이션에 알맞은 설계 조건을 만족시키기 위해서는 다양한 파라미터들을 충족시켜야 한다는 점이다.

기반 다지기

레이더, 계측, 통신 관측 등의 애플리케이션을 위해 GSPS 컨버터에 관심을 가지는 것은 당연하다. 이러한 컨버터는 폭넓은 주파수 스펙트럼이나 나이퀴스트 대역을 제공하기 때문이다.

여기에서 정의하는 광대역이란 100MHz 이상부터 +1~4GHz까지 이어지는 신호대역을 말한다. 그러나 주파수 스펙트럼이 넓어질수록 프런트 엔드 설계에는 더 큰 어려움이 따른다.

1GHz 이상의 샘플링이 가능한 ADC를 사용할 경우 주변에 적절한 부품들을 사용해야 하고 프런트 엔드 같은 회로 구성에는 더욱 신경써야 한다. 이러한 애플리케이션에서는 1GHz 이상의 수퍼-나이퀴스트 샘플링이 요구되면 문제는 더 어려워져서, 제2차, 3차, 4차 나이퀴스트 영역의 스펙트럼 분석까지 고려해야 한다.

대역폭에 관한 짧은 메모

컨버터의 최대 전력 대역폭은 컨버터의 “사용가능한” 대역폭이나 “샘플” 대역폭과는 다르다. 최대 전력 대역폭은 컨버터가 신호를 정확히 얻어내는 대역폭을 의미하는데, ADC 내부 프런트 엔드가 정확히 스위칭하여 신호의 왜곡 없이 적절한 신호를 얻는 대역을 말한다.

이 영역의 IF를 선정하는 것은, 시스템마다 상이한 성능 결과가 생길 수 있으므로 그리 좋은 생각이 아니다. 데이터시트에 표기된 정격 해상도와 성능에 비교하여 최대 전력 대역폭은 컨버터 자체의 샘플 대역보다 훨씬 크며 그 크기가 두 배가 될 수도 있다. 설계는 샘플 대역을 중심으로 이루어진다.

모든 설계는 정격 최대 전력 대역의 최상위 주파수 영역의 일부 또는 전체를 피해야하며, 아닐 경우 동적 성능(SNR/SFDR)에서의 디레이팅(de-rating)을 감수해야 한다.

고속 ADC의 샘플 대역을 결정하기 위해서는 데이터시트나 애플리케이션 지원을 찾아보는 것이 좋다. 이러한 정보가 특별히 주어지지 않는 경우도 있기 때문이다.

대표적으로 데이터시트에는 컨버터의 샘플 대역 내에서 구현된 성능을 보장하는, 제품 테스트를 마친 주파수가 명시되어있거나 심지어는 표로 표시되어있기도 하다. 그러나 이러한 대역 조건에 대해 더 나은 설명과 정의가 필요하다.

발룬의 특징 & 불균형

일단 애플리케이션의 대역폭과 고속 ADC가 결정되면 프런트 엔드 토폴로지의 설계 방식을 증폭기(능동)나 변압기(수동) 중에서 선택한다. 두 방식 사이에는 장단점이 있으므로, 애플리케이션에 따라 적절한 선택이 필요하다.

이 글에서는 변압기/발룬 결합 프런트 엔드 설계를 집중적으로 다룰 것이다. 물론, 트랜스포머와 발룬은 구성이나 토폴로지 측면에서 차이가 있지만, 수동 디바이스가 원하는 IF 대역의 싱글 엔디드 신호를 디퍼런셜 신호로 변환하는 데 사용된다는 가정하에 이 글에서는 트랜스포머나 발룬을 “발룬”으로 통칭한다.

발룬의 특징은 증폭기와는 다르며 발룬의 선택 시 고려사항은 전압 이득, 임피던스비, 대역폭, 삽입 손실, 크기와 위상 불균형, 반환 손실 등이 있으며, 추가로 정격 출력, 구성 타입 (발룬 혹은 트랜스포머), 중앙분기점(center tap) 옵션 등이 필수조건으로 포함될 수도 있다. 발룬을 이용한 수동 설계가 언제나 단순한 것은 아니다.

예를 들어, 발룬의 특징은 주파수에 따라 변하기 때문에 예측이 까다롭다. 발룬 중에는 접지, 레이아웃, 중앙분기점 결합에 민감한 것도 있다. 발룬 선택 시 데이터시트만을 지나치게 신뢰하지 않는 편이 좋다.

인쇄 회로 기판(printed-circuit board, PCB) 기생 성분, 외부 정합 회로망(matching network), 컨버터의 내부 샘플 &홀드 회로 개발의 경험들과 함께 고려하는 것이 좋다.

발룬 내의 전압 이득의 경우 본질적으로 잡음이 없어야 하지만 전압 이득에 따라 신호 잡음이 발생한다. 또한 대역폭에서 상당한 손실이 발생할 수도 있다. 발룬은 극단적으로 단순화시켜서 정상이득(normal gain)을 가진 광대역 통과 필터라고 보아야 한다. 따라서 발룬에서 신호 이득이 높아지면 대역은 줄어드는 것이 일반적이다.

발룬으로 얻은 전압 이득은 변동이 클 수 있어서 원치 않는 큰 리플(ripple)이나 롤-오프(roll-off)가 생기기도 한다. 임피던스비가 1:4인, 기가헤르츠(GHz) 성능이 뛰어난 트랜스포머는 현재 찾기 힘들다.

즉, 선택할 때 주의해야 한다는 뜻이다. 1:4, 1:8, 1:16의 임피던스비를 지닌 발룬을 사용해 신호 체인의 최종 단계 내에서 잡음 지수를 향상시키거나 최적화시키려는 계획은 실험실에서 충분히 검토하고 검증해야 한다.

성능뿐 아니라 대역폭의 옵션도 제한되어있어서 그에 따른 손실이 상당하기 때문에 기가헤르츠(GHz) 영역에서 설계를 할 때 임피던스비가 1:1이나 1:2 이상인 성능을 구현하기란 어렵다. 발룬의 삽입 손실은 간단히 말해 특정 주파수 범위에서의 손실을 말하며 발룬의 데이터시트에서 가장 흔히 볼 수 있는 측정 사양이다.

발룬을 회로에 실장하면 삽입 손실은 변하기 마련이다. 일반적으로 주파수 범위는 데이터시트에 명시된 수치의 절반 정도에 불과하다. (믿기 어렵겠지만 절반에 불과하다.) 어떤 경우에는 발룬의 토폴로지에 따라, 또는 커패시턴스 같은 부하 기생(load parasitics)에 대한 민감성에 따라 이보다 더 나쁠 수도 있다.

삽입 손실은 발룬에 대해 가장 잘못 알려진 있는 매개변수일지도 모르는데 발룬은 이상적인 임피던스 상황에서 부하 기생없이 최적화되기 때문이다. 다시 말해 발룬은 네트워크 어날라이저로 측정할 수 있다. 리턴 로스는 1차에서 보았을 때, 2차 터미네이션의 실효 임피던스에 나타나는 발룬의 미스매치를 뜻한다.

예를 들어, 2차 대 1차의 임피던스비를 제곱한 값이 4:1라고 하면 2차가 200Ω으로 종료될 때 50Ω 임피던스가 반사된다고 생각할 수도 있다. 그러나 이러한 관계는 정확하지 않다.

1차의 주파수 변화에 따라 반사된 임피던스를 결정하기 위해 설계에 명시된 중심주파수에서 반환 손실을 구해보자. 이 예의 경우 110MHz를 사용한다. Zo는 이상적인 변압기에서 얻을 수 있는 값인 50Ω가 아니라 식 3에서 보듯이 그보다 적은 값이다.

반환 손실(RL) = 110MZ에서 -18.9dB = 20*log[(50 - Zo)/(50 + Zo)] (1)

10^(-18.9/20) = (50 - Zo)/(50 + Zo) (2)

Zo = 39.8 Ω (3)

다음으로 식 3에서 구한 1차 Zo와 이상적인 2차 임피던스의 비를 구한다. 이상적인 1차 임피던스에 대해서도 동일한 방식으로 비를 구해 실제 2차 임피던스의 값을 구한다.

Z(반사된 1차 값)/Z(이상적인 2차 값) = Z(이상적인 1차 값)/Z(반사된 2차 값) (4)

39.8/200 = 50/X (5)

X를 구하면

X = 251 Ω (6)

이 예에서 1차 포트에 50Ω의 임피던스를 갖기 위해 2차에서 251Ω의 차동 터미네이션이 필요하다는 것을 알 수 있다. 반면, 신호 체인의 입력 단 부하는 증가되며(~40Ω) 이는 입력단에 더 큰 이득으로 이어진다. 이득 증가와 잘못된 부하 상태는 고속 컨버터에서 더 큰 왜곡으로 이어져 시스템의 동적 범위를 제한한다.

일반적으로 임피던스비가 증가하면 반환 손실의 변동성 역시 증가한다. 발룬으로 “알맞은” 프런트 엔드를 설계하려 할 때에는 이 점을 염두에 두어야 한다.

크기와 위상 불균형은 발룬 선택에 있어서 가장 중요한 성능 요소이다. 이들 매개변수는 각각의 싱글 엔디드 신호가 이상적인 신호(같은 크기, 180° 위상)에서 얼마나 차이가 나는 지를 잘 알려준다.

설계에서 높은 IF 주파수(+1000MHz)를 사용해야 하는 경우 이 두 가지 사양을 통해 설계자는 신호 선형성이 얼마나 컨버터로 전달되는지를 알 수 있다. 일반적으로 이 두 값이 이상적인 신호에서 멀어질수록 성능은 더욱 저하될 수 있다.

그러므로 데이터시트에서 이러한 정보를 명시하는 변압기나 발룬을 우선적으로 선택하는 것이 좋다. 이러한 정보가 데이터시트에 명시되어있지 않으면 고주파 애플리케이션에 사용하기에 적합하지 않을 수 있다.

주파수가 증가하면 일반적으로 위상 불균형에 의해 좌우되는 발룬의 비선형성 역시 증가하며 이는 고속 컨버터에 의해 나타나는 짝수차 왜곡(주로 제2조파, H2)이 더욱 심해진다는 의미이다. 위상 불균형이 3도만 되어도 스퓨리어스 없는 동적 범위(spurious-free dynamic range, SFDR)에서의 성능을 크게 저하시킬 수 있다.

그러니 성급하게 컨버터를 탓하는 것은 좋지 않다. 만약 데이터시트에 나타난 스퓨리어스(특히 H2) 사양이 기대에 못미친다면 우선 프런트 엔드 설계를 살펴보는 것이 좋다. 제2조파 왜곡을 줄일 수 있는 해결책이 몇 가지 있기는 하다.

고주파에서 발룬을 사용할 때는 변압기나 발룬을 계단식으로 여러 대 사용하는 것이 한 가지 방법이다. 두 대나 세 대의 발룬을 사용하면 고주파에서 싱글 엔디드 신호를 차동 신호로 변환하는 데 도움이 될 수 있다(그림 1). 그러나 공간, 비용, 삽입 손실 면에서는 손해를 보게 된다.

프런트 엔드 매치(Front-End Match)

우선, “매치”이라는 용어는 조심해서 사용해야 한다. 프런트 엔드를 모든 주파수에서 초당 100M의 샘플을 변환하는 컨버터와 “매치”시키는 것은 거의 불가능하다. 주파수대역이 1000MHz를 넘어서는 경우는 말할 것도 없다.

“매치”라는 용어는 프런트 엔드 설계를 고려하면 최고의 결과를 내는 최적화된 상태를 의미해야 한다. 이는 임피던스, AC 성능, 신호 구동 세기와 대역폭, 통과대역폭의 편평도가 특정 애플리케이션에서 최고의 결과를 내는 것을 모두 아우르는 용어이다.

각각의 매개변수는 애플리케이션마다 중요도에 가중치를 두어야 한다. 예를 들면 대역폭(BW)은 가장 중요한 사양일 수 있기 때문에 적절한 대역을 얻을 수 있다면 다른 매개변수에서 어느 정도 손해를 감수해야 하는 경우가 생길 수 있다.

요약

GSPS 컨버터는 이론상, 관심 다중 대역을 다루거나 프런트 엔드 RF 스트립에서 믹스다운 단계를 줄이기 위한 매우 넓은 대역폭을 제공하므로 사용하기 수월하다. 그러나 1GHz 이상의 대역폭일 때는 ADC 앞단의 프런트 엔드 회로 설계에 주의를 기울여야 한다.

주지하다시피, Magnitude Imbalance에 비해 Phase Imbalance가 2차 선형 영역에서 훨씬 더 중요하므로 고속의 ADC를 사용할 경우 발룬의 특성을 명확히 알고 사용하는 것은 매우 중요하다.

발룬을 결정했다 하더라도 조잡한 레이아웃 기술을 사용해 성능을 저하시키는 일 없이 망회로를 적절히 매치시킬 수 있도록 주의를 기울여야 한다. 원하는 애플리케이션에 맞는 ‘매치’을 찾으려면 여러 매개변수를 만족시켜야 한다.

저자 소개

롭 리더(Rob Reeder)는 선임 시스템 애플리케이션 엔지니어로 노스캐롤라이나 주 그린스보로(Greensboro, N.C)에 위치한 국방 및 항공우주 애플리케이션 전문 아나로그디바이스 산업계측부문에서 근무 중이다.

그는 컨버터 인터페이스, 컨버터 테스트, 다양한 애플리케이션에 사용되는 아날로그 신호 체인 설계에 대한 수많은 논문을 출판한 바 있다. 그 전에는 8년 간 고속 컨버터 제조 라인에서 애플리케이션 엔지니어로 일했다.

이전에도 우주, 국방, 고신뢰성 애플리케이션용 아날로그 신호 체인 모듈을 설계하는 ADI의 다중 칩 제조 그룹에서 테스트 개발과 아날로그 디자인 엔지니어로 5년 간 근무하기도 했다.

그는 일리노이 주 드칼브(DeKalb)에 위치한 노던일리노이대학(Northern Illinois University)에서 1996년 학사를, 1998년 석사를 수료했다.