사용자 애플리케이션에 적합한 A/D 컨버터 선택 요령

오늘날 이용 가능한 아날로그-디지털(A/D) 컨버터의 종류는 매우 많아 굳이 아날로그 시그널 체인(Signal-chain) 전문가가 될 필요는 없다. 그러나 대표적인 A/D 컨버터의 특징을 잘 이해하면 사용자 애플리케이션에 맞는 A/D 컨버터를 선택하는 데 큰 도움이 될 것이다.  

일반적으로 8비트에서 최대 24비트에 이르는 독립형(또는 분리형) A/D 컨버터가 있고 심지어 32비트 A/D 컨버터도 존재한다. A/D 컨버터는 마이크로컨트롤러(MCU), FPGA(Field Programmable Gate Array), 마이크로프로세서, 시스템온칩(SoC) 등과 통합될 수도 있다.

SAR(Successive Approximation Register) A/D 컨버터가 있고 시그마-델타 버전도 있다. 파이프라인 A/D 컨버터는 가장 높은 샘플 레이트(Sample Rate) 속도가 필요할 때 사용된다. 10s/s 속도로 샘플링하는 A/D 컨버터, 1Gs/s 이상으로 샘플링하는 A/D 컨버터도 있다. A/D 컨버터 가격은 1~265달러 사이지만 그 이상인 경우도 있다.

그렇다면 속도, 전력, 정확성은 얼마나 중요할까? 사용자 애플리케이션에 가장 적합한 최상의 A/D 컨버터를 선택할 수 있도록 다양한 컨버터 유형과 각 컨버터에 요구되는 최적의 동작 환경에 대해 자세히 살펴보자.

<글 : 스티브 로간(Steve Logan) 맥심인터그레이티드 비즈니스 매니저>
<자료제공 : 맥심인터그레이티드(www.maximintegrated.com)>

중간급 속도와 스냅샷 데이터에 적합한 SAR A/D 컨버터 = SAR A/D 컨버터는 광범위한 비트와 속도를 제공한다. 비트 범위는 6 또는 8비트에서 20비트 사이, 동작 속도는 보통 ks/s에서 10Ms/s에 이른다. SAR A/D는 모터 제어, 진동 분석, 시스템 모니터링 등과 같은 중간급 속도의 애플리케이션에 적합하다. 또한 파이프라인 A/D 컨버터만큼 빠르지 않지만 일반적으로 델타-시그마 A/D 컨버터 보다는 빠르다.

SAR A/D 컨버터의 소모 전력은 샘플 레이트에 따라 증감된다. 예를 들어 1Msps에서 5㎽ 전력을 소모하는 칩은 일반적으로 1ksps에서 단 5㎼ 전력을 소비한다. 이처럼 SAR A/D 컨버터는 유연성이 매우 높아 고객은 한 개 부품 번호로 다수 애플리케이션에서 사용할 수 있다.

아날로그 입력 신호의 ‘스냅샷’을 찍을 수 있는 것도 SAR A/D 컨버터의 또 다른 장점이다. SAR 아키텍처는 적시에 순간을 샘플링한다. 다수 신호를 동시에 측정할 때 다수의 싱글 SAR A/D 컨버터로 동시에 샘플링을 하거나 다수 A/D 컨버터 또는 다수 T/H(Track-and-Hold) 코어가 내부에 탑재된 동시-샘플링 A/D 컨버터를 이용할 수 있다. 따라서 같은 순간에 다수의 아날로그 입력신호를 측정할 수 있다.

변류기와 변압기는 보호 계전기(Protection-relay)용으로 SAR A/D 컨버터를 사용하기 때문에 같은 순간에 각기 다른 전류와 전압 단계를 측정할 수 있다. 전력 공급업체가 좋은 사례다.
전력 공급업체는 정확한 스냅샷 데이터로 전선을 타고 이동하는 전류와 전압을 파악하며 전력망을 가장 효과적으로 관리하는 방법을 알 수 있다.

높은 수준의 정확성 제공하는 시그마-델타 A/D 컨버터 = 더 많은 샘플링 비트에서 정확성을 원하거나 최고의 유효비트수(ENOB)가 필요할 때 시그마-델타 A/D 컨버터가 최상의 선택이다.
특히 낮은 노이즈의 정밀도가 요구되는 경우 그렇다. 속도가 중요하지 않을 때 시그마-델타 A/D 컨버터의 오버 샘플링과 노이즈 쉐이핑(Noise Shaping)은 매우 높은 수준의 정밀도를 제공한다.

SAR A/D 컨버터 시장은 5~10년 전부터 포화 상태에 접어들었기 때문에 많은 아날로그 기업이 다수의 시그마-델타 코어에 투자했다. 그 결과 오늘날 최대 24 또는 32비트를 지원하고 샘플 레이트가 10s/s에서 Ms/s에 이르는 뛰어난 성능의 A/D 컨버터가 이용 가능해 졌다.
가능한 많은 비트에서 정밀함을 요구하는 기기 장치, 가스 크로마토그래프(Gas Chromatograph), 석유, 가스 산업 등 20비트 이상의 노이즈 없는 해상도가 필요한 분야는 다양하다.

즉 정밀 아날로그 신호에 대한 기준을 수립하거나 최종 사용자가 수송되고 있는 저유황유, 천연 가스의 정확한 양 등 데이터에 대한 절대적 확신이 필요할 때 유용하게 사용된다.

모듈레이터 = 최근 시그마-델타 A/D 컨버터는 속도와 샘플 레이트 측면에서 분류가 더욱 어려워졌다. 전통적 시그마-델타는 내부적으로 모든 디지털 후처리(싱크/노치 필터, 데시메이션, 노이즈 쉐이핑 등)를 수행했다.

여기서부터 데이터가 최상의 ENOB로 연속 전송됐다. 예를 들어 24비트 A/D 컨버터가 있다면 출력 데이터는 24비트가 포함됐다. 첫 출력 비트는 최상위비트(MSB)고 24번째 비트가 최하위비트(LSB)였다.

데이터 출력 속도는 보통 SCR(Serial Clock Rate) 값/24로 계산됐다. 전통적인 시그마-델타가 가장 빠르거나 가장 유연한 A/D 컨버터가 될 수 없었던 이유다.

그러나 지난 5~10년간 시그마-델타 모듈레이터는 무엇보다 빠른 속도(보통 1Ms/s 이상)가 필요한 분야에서 더욱 인기를 끌었다. 시그마-델타 모듈레이터는 24비트 전체 출력을 데시메이션(decimate)할 때까지 기다리지 않고 한번에 1비트씩 데이터를 스트리밍하고 프로세서나 FPGA에서 분석을 위한 디지털 필터링을 할 수 있도록 한다.

시그마-델타 모듈레이터의 유연성은 보통 12~16비트면 충분한 모터 제어와 같은 분야에서 빛을 발한다. 24비트 데이터 스트림에서 첫 16비트가 충분한 양의 아날로그 측정값을 제공하면 모터 제어기는 남은 8개의 최하위 비트를 기다릴 필요가 없다.

SAR과 시그마-델타의 차이 결정 요인은 ‘속도’ = 입력 필터는 또 다른 중요 고려 대상이다. 앞서 언급한 것처럼 SAR 아키텍처는 고속의 스냅샷을 찍는다. 애플리케이션이 보다 높은 샘플링 레이트를 원하면 입력 필터는 더욱 복잡해진다.

이 때 입력 커패시터(Input Capacitor)를 실행하고 짧은 시간에 안정화를 실현하는 외부 버퍼나 증폭기가 필요하다. 그리고 증폭기는 반드시 충분한 대역폭을 확보해야 한다.

[그림1]은 16비트, 500ks/s MAX11166 SAR A/D 컨버터로 이 같은 사례를 보여준다. 비트 수가 높아지고 샘플 레이트 속도가 빨라질수록 입력이 안정화되고 올바른 입력 값을 가져야 할 시간 상수가 짧아진다.

[그림1]에서 이득 대역폭(Gain Bandwidth)이 55㎒인 MAX9632 증폭기가 사용되고 단순한 RC 필터가 뒤따른다. 이 MAX9632 증폭기는 1nV/루트헤르츠(root-Hz) 미만의 노이즈를 제공, 시스템에서 0.1dB의 ENOB를 얻을 수 있다.

SAR A/D 컨버터와 비교해 델타-시그마에서 입력은 많은 부분이 오버샘플링돼 안티-앨리어싱 필터(Anti-Aliasing Filter) 요구조건이 까다롭지 않고 단순한 RC 필터면 충분한 경우가 많다.
[그림 2]는 MAX11270 24비트, 64ksps 시그마-델타 A/D 컨버터를 나타낸다. 이 경우 차등 입력에서 10nF 커패시터와 함께 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)가 이용됐다.

 매우 빠른 샘플링 속도 구현하는 파이프라인 A/D 컨버터 = 앞에서 파이프라인 A/D 컨버터는 RF 애플리케이션과 SDR(Software-Defined Radio)처럼 최고의 샘플 레이트가 필요할 때 중요하다는 사실을 언급했다. 따라서 업계 선두 아날로그 기업들은 지난 10년 동안 파이프라인 A/D 컨버터 연구개발에 많은 투자를 해 왔다.

파이프라인 A/D 컨버터의 2대 성능 지수는 속도와 전력이다. 샘플 레이트가 10Ms/s에서 최대 Gs/s 단위에 이르고 파이프라인 A/D 컨버터의 인터페이스는 매우 중요해졌다. 파이프라인 A/D 컨버터의 다음 주요 결전지는 디지털 출력이 될 것이다.

병렬 디지털은 사용자가 선호하는 인터페이스가 됐다. 직렬 저전압차등시그널링(LVDS) 인터페이스는 초음파와 같이 채널수가 많고 전통적으로 50~65Ms/s 샘플 레이트로 충분한 분야에서 사용된다. 하지만 새로운 인터페이스도 있다.

JESD204B 직렬 인터페이스 = JESD204B 직렬 인터페이스는 최대 12.5Gb/s에 이르는 고속의 직렬 표준이다. 최근 등장한 이 인터페이스 덕분에 A/D 컨버터 제조사들은 FPGA 및 프로세서 기업들이 직렬 트랜시버(SerDes)에서 한 것처럼 샘플 레이트를 더욱 높일 수 있었다.

많은 A/D 컨버터가 병렬로 위치한 다수 채널 애플리케이션에서 A/D 컨버터와 FPGA/프로세서간 복잡하게 얽힌 와이어링(Wiring)은 귀찮고 성가신 일이다. JESD204B 직렬 인터페이스로 데이터 라인 수는 크게 줄고 보드 공간은 확보된다. [그림 3]은 필수 입출력(I/O) 핀 수를 크게 줄이는 JESD204B 인터페이스에 대한 싱글 직렬 출력 페어와 싱크 입력을 보여준다.

 파이프라인 A/D 컨버터의 중요한 전력 문제 =  보다 많은 A/D 컨버터를 비좁은 공간에 넣게 되면서 전력이 큰 문제로 떠올랐다. 따라서 업계 선두 A/D 컨버터 제조사들은 항상 전력 절감 문제를 고민한다. 보통 1Ms/s 당 1㎽면 이상적이다. 만약 A/D 컨버터 전력이 이 수치에 가깝다면 출발이 좋은 것이다.

MCU·FPGA·CPU·SoC에 최적화된 A/D 컨버터 = MCU와 통합된 A/D 컨버터는 일반적으로 최상의 품질을 내기 어려웠다. 전통적으로 12비트 A/C가 MCU에 내장될 때 ENOB나 선형성(Linearity) 측면에서 8비트 A/C처럼 동작할 가능성이 컸다.

적절한 A/D 컨버터 성능을 위해서 사용자들은 사양을 주의 깊게 검토하고 보증 내역을 결정해야 했다. 일반적인 사양이나 불완전한 조건의 최소 및 최대 사양의 경우가 다반사였다.
최근 INL(Integral Nonlinearity), DNL(Differential Nonlinearity), 이득 오차(Gain Error), ENOB와 같은 A/D 컨버터 성능이 MCU 품질 성능을 보증할 정도로 개선되고 A/D 컨버터와 통합된 MCU 수도 크게 증가했다. 오늘날 12 미만의 비트와 몇 개의 채널이 필요한 경우 MCU가 가장 비용 효과적인 솔루션이 될 것이다.

FPGA 제조사들은 A/D 컨버터를 자사 시스템과 통합하기 시작했다. 예를 들어 자일링스(Xilinx)는 모든 7 시리즈 FPGA와 징크(Zynq) SoC에 12비트 1Ms/s A/D 컨버터를 제공한다.
MCU나 SoC 회로 보드 내 위치는 중요하다. FPGA나 SoC의 CPU 모듈은 아날로그 입력 신호에서 멀리 떨어질 수 있고 이 신호는 고속의 디지털 백플레인(Backplane)으로 연결된 완전히 별개 카드에 있을 수도 있다.

이 같은 연결을 통해 민감한 아날로그 신호를 전송할 경우 위험이 따른다. 이런 경우 A/D 컨버터를 통합하기 보다는 분리된 별개의 A/D 컨버터가 유용하다. 24비트 시그마-델타 A/D 컨버터가 PLC(Programmable Logic Controller)와 같은 애플리케이션에서 가장 흔히 사용된다.

PLC 예를 계속 든다면 한 가지 더 고려할 요소는 격리(Isolation)다. 대다수 PLC 아날로그 입력은 디지털 등 일정 형태의 격리를 포함한다. 상당수 아날로그 입력 모듈은 신속한 반응과 빠른 인터럽트(Interrupt)를 위해 저비용 MCU를 통합한다.

격리 위치가 내부 A/D 컨버터의 실현 가능성 여부를 결정할 수 있다. 만약 격리가 프로세서(또는 MCU)와 백플레인 중간에 위치한다면 MCU와 통합된 A/D 컨버터가 적합할 솔루션이다. 그러나 MCU가 고전압 입력 신호에서 격리해야 한다면 별도의 A/D 컨버터와 디지털 격리 장치(Isolator)가 최상의 선택이다.

가장 적합한 A/D 컨버터는?  = 지금까지 오늘날 이용 가능한 다양한 A/D 컨버터에 대해 알아봤다. 앞서 말했듯 결국 신호의 속도와 전력, 정확성을 측정하는 것이 효과적인 A/D 컨버터 사용의 시작이다. 관리 업무를 위해 단순한 저해상도 측정값 정도만 필요하다면 MCU, FPGA, 프로세서, SoC 등과 통합된 A/D 컨버터가 효과적이다.

저속의 온도 신호(DC와 가까운)처럼  저속의 애플리케이션 경우 시그마-델타 A/D 컨버터가 최상의 솔루션이다. 1000RPM으로 윙윙거리는 모터의 진동 분석처럼 상당히 빠른 신호의 경우 SAR A/D 컨버터가 적합하다. 세상에서 가장 빠른 아날로그 신호를 측정해야 한다면 파이프라인 A/D 컨버터가 최고의 선택이다.

최적의 A/D 컨버터가 무엇인가라는 질문의 가장 적절한 답은 ‘상황에 따라 다르다’는 것이다. 이 말을 좋아하는 엔지니어는 아무도 없다. 디지털 설계자나 최적의 A/D 컨버터를 선택할 책임이 있는 전력 공급 전문가라면 더욱 분명한 동작 명령을 선호할 수 있다.

그러나 A/D 컨버터는 복잡한 특수 집적회로(IC)기 때문에 데이터시트와 평가 키트에 대한 검토가 필요하다. 오늘날 시판 중인 A/D 컨버터의 일반적인 최소·최대 사양을 정리한 [표1]이 참고가 될 것이다.