디지털 PWM 신호로 정확하고 빠른 아날로그 전압 생성

[테크월드=이나리 기자] PWM(Pulse Width Modulation)은 마이크로컨트롤러나 FPGA 같은 디지털 디바이스로부터 아날로그 전압을 생성하기 위해서 흔히 사용되는 기법이다. 대부분의 마이크로컨트롤러는 내부적으로 전용 PWM 생성 주변장치를 포함하며, 몇 개의 RTL 코드 라인만으로 FPGA로부터 PWM 신호를 생성할 수 있다.

이 방법은 아날로그 신호의 성능 요구가 너무 엄격하지만 않다면 간단하면서 실용적인 방법이다. 하나의 출력 핀을 필요로 하고, SPI 또는 I2C 인터페이스를 제공하는 디지털-아날로그 컨버터(Digital Analog Converter, DAC)를 사용하는 것에 비해서 코드 오버헤드가 매우 낮기 때문이다. [그림 1]은 이런 애플리케이션 예로서, 디지털 출력 핀을 필터링해서 아날로그 전압을 생성하고 있다.

하지만 이 방법은 한 눈에 봐도 몇 가지 문제점들을 알아차릴 수 있다. 12비트 아날로그 신호는 이상적으로 리플이 1LSB 미만이어야 한다. 그러려면 5kHz PWM 신호의 경우에 1.2Hz 저역통과 필터를 필요로 한다. 전압 출력의 임피던스는 필터 저항에 의해 결정되며, 필터 커패시터를 적정한 크기로 유지하면 이 저항이 꽤 클 수 있다. 그러므로 출력이 고 임피던스인 부하만 구동할 수 있다. PWM 대 아날로그 전달 함수의 기울기(이득)는 마이크로컨트롤러의 부정확한 디지털 전원 전압에 의해 결정된다.

좀더 세심한 설계를 위해서는, 디지털 출력 핀의 하이(High) 상태일 때 전원에 대한 유효 저항과 로우(Low) 상태일 때 접지에 대한 저항 사이의 불일치를 필터 저항 값에 비해서 작게 해야 한다. 그래야 선형성을 유지할 수 있다. 끝으로, 출력 전압을 고정 값으로 홀드하기 위해서 PWM 신호가 연속적이어야 한다. 그러므로 프로세서가 저전력 셧다운 상태에 있을 때는 문제가 될 수 있다.

PWM-대-아날로그를 향상시킨다?

[그림 2]는 이런 문제점들을 극복하고자 한 것이다. 출력 버퍼를 사용함으로써 고 임피던스 필터 저항을 사용해서 저 임피던스 아날로그 출력을 제공할 수 있다. 정밀 레퍼런스를 채택한 외부 CMOS 버퍼를 사용함으로써 이득 정확도가 향상된다. 그럼으로써 PWM 신호가 접지와 정확한 하이 레벨 사이를 스윙한다. 하지만 이 회로는 어느 정도 효과는 있으나 부품 수가 많아지고, 1.1초의 안정화 시간을 향상시킬 방법이 없으며, 연속적인 PWM 신호 없이도 아날로그 값을 ‘홀드’할 수 있는 방법이 없다.

PWM-대-아날로그를 향상시킨다!

LTC2644와 LTC2645는 내부 10ppm/℃ 레퍼런스를 통합한 듀얼, 쿼드 PWM-대-전압 출력 DAC로서, 디지털 PWM 신호로부터 진정한 8비트, 10비트, 12비트 성능을 제공한다. LTC2644와 LTC2645는 들어오는 PWM 신호의 듀티 사이클을 직접 측정하고 매 상승 에지에 정밀 DAC로 8비트, 10비트, 또는 12비트 코드를 전송함으로써 이 같은 문제를 해결한다.

내부 1.25V 레퍼런스는 풀스케일 출력을 2.5V로 설정하며, 또 다른 풀스케일 출력이 필요하다면 외부 레퍼런스를 사용할 수 있다. 또한 별도의 IOVCC 핀을 사용해서 디지털 입력 레벨을 설정할 수 있으므로, 1.8V FPGA나 5V 마이크로컨트롤러나 또는 그 사이의 어떤 전압으로든 연결할 수 있다. 또한 5mV 오프셋, 0.8% 최대 이득 오차, 2.5LSB(12비트) 최대 INL로서 DC 정확도 사양이 우수하다. 또한 PWM 입력의 상승 에지부터 최종 값의 0.024%(12비트의 1LSB) 이내로 도달하기까지 출력 안정화 시간이 8μs이다. PWM 주파수 범위는 12비트 버전의 경우에 30Hz~6.25kHz이다.

유연성 뛰어난 출력 모드

[그림 4]는 LTC2644의 또 다른 고유한 특징을 활용한 전원 트리밍/마지닝 애플리케이션의 예를 보여준다. IDLSEL을 하이로 배선하면 ‘샘플/홀드’ 동작을 선택한다. 다시 말해 스타트업 시에 출력이 고 임피던스이고(마지닝 하지 않음), 입력에서 계속해서 하이 레벨이면 출력이 자신의 값을 무한정하게 홀드하며, 계속해서 로우 레벨이면 출력을 고 임피던스 상태로 전환한다. 그러므로 파워업 시에 PWM 버스트 다음에 하이 레벨을 사용해 전원을 한 번 트리밍할 수 있다. PWM 신호를 로우로 풀링 하면 회로가 마지닝 동작을 깨끗하게 빠져나올 수 있다. IDLSEL을 GND로 연결하면 ‘투명 모드’를 선택한다. 그러면 입력에서 계속해서 하이 레벨이면 출력을 풀스케일로 설정하고, 계속해서 로우 레벨이면 출력을 제로 스케일로 설정한다.