전압 레퍼런스가 ADC 성능에 미치는 영향-2부
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전압 레퍼런스가 ADC 성능에 미치는 영향-2부
  • 김민형
  • 승인 2010.01.05 00:00
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텍사스 인스트루먼트
전압 레퍼런스가 ADC 성능에 미치는 영향-2부

본고는 SAR 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 위한 전압 레퍼런스 시스템의 설계와 성능에 대해 상세히 살펴보는 3부 시리즈 중 2부에 해당된다. 그림 1은 이 시스템의 간략도이다. 이 시스템의 설계에 ADC를 이용하는 경우, 컨버터에 대한 전압 레퍼런스 경로를 파악하는 것은 매우 중요하다. 1부(전자부품 12월호, 1부 참조)에서는 전압 레퍼런스와는 별개인 ADC의 기본 동작을 살펴보고, 성능적 특성이 시스템의 정밀성 및 반복성에 미치는 영향을 분석해보았다. 제2부에서는 전압 레퍼런스 블록의 주요 특성과 전압 레퍼런스가 ADC 성능에 미칠 수 있는 영향에 대해 살펴보고자 한다. 또한 8~16비트 ADC에 적절한 외부 레퍼런스의 설계 방법에 대해서도 다루어 보고자 한다. 제3부에서는 전압 레퍼런스 버퍼와 커패시터가 미치는 영향에 대해 살펴보고, 증폭기를 안정시킬 수 있는 방법에 대해 논의할 예정이며 16비트 이상의 ADC에 적절한 레퍼런스 디자인을 제공할 것이다.

글: 보니 베이커(Bonnie Baker), 미로 올자카(Miro Oljaca)
수석 애플리케이션 엔지니어
텍사스 인스트루먼트(www.ti.com)


적절한 VREF 토폴로지 선정

 
전압 레퍼런스는 2단자 션트(two-terminal shunt) 또는 3단자 직렬 구성에 이용할 수 있다. 2 단자 션트 전압 레퍼런스가 제시되어 있다. 여기서 전체 IC 칩의 션트 레퍼런스는 그 부하에 대해 병렬로 작동한다. 션트 전압 레퍼런스를 이용할 경우, 캐소드(cathode)에 연결되어 있는 레지스터에 입력 전압이 가해지게 된다. 이 디바이스의 일반적인 초기 전압 정확도는 약 50~100V/°C의 온도 계수에서 0.5 정도로 낮거나 최고 5 범위일 수 있다. 션트 전압 레퍼런스를 이용하여 양/음 또는 부동(floating) 전압 레퍼런스를 생성할 수 있다.
 3단자 직렬 전압 레퍼런스은 그 부하에 직렬로 작동한다. 내부 증폭기와 함께, 내부 밴드갭 전압은 이 레퍼런스의 출력 전압을 생성한다. 직렬 전압 레퍼런스는 출력과 접지 간의 출력 전압을 생성하면서 외부 부하에 대해 적절한 출력 전류를 제공한다. 부하 전류가 증가하거나 감소하면, 직렬 레퍼런스는 VOUT에서의 전압을 유지하게 된다.
 직렬 레퍼런스 디바이스의 일반적인 초기 전압 정확도는 2.5ppm/°C의 낮은 온도 계수에서 0.05 정도로 낮거나 최고 0.5 범위일 수 있다. 직렬 레퍼런스는 뛰어난 초기 출력 전압과 과열 성능을 가지므로, 이러한 유형의 디바이스를 이용하여 정밀 ADC의 레퍼런스 핀을 구동하는 데 사용할 수 있다. 최하위 비트(LSB)가 각각 0.4와 0.006인 8 또는 14 분해능 비트 이상일 경우, 외부 직렬 전압 레퍼런스는 컨버터가 의도한 정밀도에 이르도록 한다.
 
직렬 전압 레퍼런스의 또 다른 공통 애플리케이션은 센서 조절이다. 특히, 직렬 전압 레퍼런스는 브리지 센서 애플리케이션은 물론 서모커플(thermocouples), 서모파일(thermopiles) 및 pH 센서를 갖춘 애플리케이션에 유용하다.
ADC 애플리케이션에서 직렬 전압 레퍼런스의 초기 정확도는 컨버전 프로세스에 대한 일반적인 레퍼런스를 제공한다. 출력 전압의 초기 정확도는 하드웨어나 소프트웨어에서 보정이 가능하다. 또한, 전압 레퍼런스 출력의 정확도는 온도 계수, 라인 조정, 부하 조정 또는 장기간 드리프트에 따라 변할 수 있다. 직렬 전압 레퍼런스는 모든 부문에서 보다 우수한 성능을 제공한다.


전압 레퍼런스 잡음의 이해

 본 시리즈 1부에서 ADC는 한 가지 기능만을 가진 것으로 추론할 수 있다. 그 기능은 입력 전압과 전압 레퍼런스를 비교하거나, 입력 신호와 전압 레퍼런스에 기반한 출력 코드를 생성하는 것이다.
 1부에서는 디바이스의 잡음 특성과 ADC의 기본적인 전환 기능을 설명하는 다이어그램과 공식을 제시하였다.
그림 3에 제시된 이상적인 ADC의 일반적인 절환 기능은 다음과 같이 기술할 수 있다.
 여기서, "코드"는 10진수 형식의 ADC 출력 코드이며 VIN은 ADC에 대한 아날로그 입력 전압, n은 ADC 출력 비트 수 그리고 VREF는 ADC에 대한 전압 레퍼런스의 아날로그 값이다. 이 공식은 전압 레퍼런스의 초기 오류 또는 잡음이 ADC 코드 출력에서의 게인 오류로 해석됨을 보여준다.
ADC의 음극성 풀 스케일 입력에서 양극성 풀스케일 입력에 이르기까지 여러 점이 측정된다면, 레퍼런스 잡음에 영향을 미치는 요인이 ADC 입력 전압 기능임이 분명해진다. 전체 잡음과 전압 레퍼런스 잡음을 평가하기 위해서는, 음극성/양극성 풀스케일 모두에 근접한 잡음을 측정해야 할 필요가 있다. 그림 4에 시스템의 레퍼런스 잡음 및 ADC 잡음에 대한 측정 결과를 제시하였다. 이 결과를 통해, 전체 잡음은 일정하지 않으나, ADC 아날로그 입력 전압에 따라 선형으로 변함을 확인할 수 있다. 이러한 유형의 시스템을 설계할 때에는, 레퍼런스 잡음을 ADC의 내부 잡음보다 낮게 유지하는 것이 중요하다.
  두 레퍼런스 토폴로지 주파수에 대해 유사한 잡음을 생성한다. 직렬 전압 레퍼런스의 전압 잡음은 주로 밴드갭과 출력 증폭기에서 비롯된다. 이들 두 소자는 1/f 영역과 광대역 영역에서 잡음을 생성한다.

전압 레퍼런스의 1/f 영역에서의 잡음

 대부분의 직렬 레퍼런스 디바이스의 데이터 시트에서 출력-전압 잡음에 대한 사양은 0.1~10Hz 주파수 범위에 대한 것으로, 그림 5의 1/f 영역을 포함한다. 흔히 "적색잡음(pink noise)"으로 불리는 1/f 영역의 잡음은 고주파 도메인에서 광대역 잡음으로 대체된다.

전압 레퍼런스의 광대역 영역에서의 잡음

 일부 제조업체의 경우, 전압 레퍼런스의 출력 잡음 밀도에 대한 사양을 포함시키고 있다. 이러한 유형의 사양은 일반적으로 10kHz에서의 잡음 밀도와 같은 광대역 영역에서의 잡음에 대한 것이다. 보다 높은 광대역 주파수에 대해 나타나는 광대역 잡음은 '백색 잡음' 또는  '열 잡음'으로 알려져 있다.
 극히 낮은 코너 주파수에 낮은 로우 패스 필터를 추가하면 레퍼런스의 출력에서 광대역 잡음이 감소된다. 이 필터는 커패시터, 커패시터의 ESR 및 레퍼런스 출력 증폭기의 오픈 루프 출력 임피던스로 설계되어 있다.
  여러 외부 커패시터 값 및 형식은 물론 여러 주파수 대역폭에 대해 TI REF5040에서 측정한 잡음이 제시되어 있다. 이 측정치는 ESR이 약 0.1Ω 정도로 낮은 세라믹 커패시터가 표준 ESR이 약 1.5Ω인 탄탈룸 커패시터에 비해 잡음을 증가시키는 경향이 있음을 입증하고 있다. 이러한 경향은 안정성 문제와 레퍼런스 출력 증폭기의 게인 피킹의 결과이다.
 앞서 언급한 바와 같이, 전압 레퍼런스에서 잡음의 두 소스는 내부 출력 증폭기와 밴드갭이다. 그림 7에서 제시한 REF5040의 내부 구성도에서 TRIM 핀이 밴드갭에 대한 직접 액세스를 제공하고 있음을 확인할 수 있다. 외부 커패시터를 TRIM 핀에 추가하여 로우 패스 필터를 생성할 수 있다.
 
이 필터는 약 -21dB의 밴드갭 광대역 감쇠를 가져온다. 예를 들어, 소형 1mF 커패시터는 14.5Hz에서 1극을, 그리고 160Hz에서는 영점을 추가한다. 더 많은 필터링이 필요할 경우, 1mF 커패시터 대신 더 큰 값의 커패시터를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 10mF 커패시터는 1.45Hz의 3dB 코너 주파수를 생성한다. 이 로우 패스 필터는 밴드갭 잡음을 감소시킨다. 1mF 커패시터를 REF5040의 TRIM 핀에 부착하면 총 출력 RMS 잡음이 2.5의 비율로 감소된다.

결론

  8~16비트 컨버터로 구성된 레퍼런스 시스템의 전체 회로도를 보여준다. 이 시스템에서 전압 레퍼런스의 정확도는 중요하다. 그러나 초기 정확도는 하드웨어나 소프트웨어로 보정이 가능하다. 한편, 레퍼런스 잡음을 제거하거나 감소시키려면 어느 정도의 특성화와 하드웨어 필터링 기술이 필요하다. 본고의 3부에서는 광대역 영역에 적절한 필터링에 대해 살펴볼 것이다.
 또한 3부에서는 16비트 이상의 컨버터에 적절한 레퍼런스 회로를 설계 방법을 살펴보고 설명할 것이다. 더불어 전압 레퍼런스 버퍼와 증폭기/레지스터/커패시터 네트워크가 미치는 영향도 분석할 것이며, 최종 시스템 조율 후 측정치로, 본고의 가정과 결론을 실제와 비교해볼 예정이다.

 


참고문헌

문서 제목
1. Bonnie Baker and Miro Oljaca, "How the Voltage Reference Affects ADC Performance,Part 1," Analog Applications Journal(2Q 2009) ………………………………………………….slyt331
1. Bonnie Baker, "A Glossary of Analog-to-Digital Specifications and Performance Characteristics," Application Report ……………………………………………………sbaa147
1. Tim Green. Operational amplifier stability, Parts 3, 6, and 7. EN-Genius Network: analogZONE: acquisitionZONE [Online]. Available: http://www.analogzone.com/ acqt0000.pdf (Replace "0000" with "0307" for Part 3, "0704" for Part 6, or "0529" for Part 7.)
1. Bonnie C. Baker and Miro Oljaca. (2007, June 7). External components improve SAR-ADC accuracy. EDN [Online]. Available: http://www.edn.com/contents/images/ 6447231.pdf
1. Wm. P. (Bill) Klein, Miro Oljaca, and Pete Goad. (2007). Improved voltage reference circuits maximize converter performance. Analog eLab™ Webinar [Online]. Available: http://dataconverter.ti.com (Scroll down to "Videos" under "Analog eLab™ Design Support" and select webinar title.)
1. Art Kay. Analysis and measurement of intrinsic noise in op amp circuits, Part I.EN-GeniusNetwork: analogZONE: audiovideoZONE [Online]. Available:http://www.en-genius.net/includes/files/avt_090406.pdf 관련 웹사이트 :  dataconverter.ti.com   www.ti.com/sc/device/REF5040
 

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