텍사스인스트루먼트
본고는 3부작 시리즈 중 제 3부에 해당하며 제 1부에서는 평형 차동 바이폴라 입력 신호를 자세히 살펴보고 그 작업을 완수하기 위하여 FDA를 이용하는 아키텍처를 제안했다. 제 2부에서는 제 1부에 제시된 회로를 고전압 SE(single-ended) 바이폴라 입력에 적응시키는 방법을 살펴보았다.
제 3부에서는 임의 공통 모드 전압을 갖춘 SE 유니폴라 입력의 일반적인 사례를 추가로 제시할 것이다. 제 1부에서 언급했듯이 FDA 작동의 기초는 레퍼런스문헌 1에 제시되어 있으며 여기에는 정의와 유도가 제공되어 있다.
글: Jim Karki / 고성능 아날로그
텍사스 인스트루먼트
www.ti.com
싱글 엔디드 유니폴라 입력
입력 감쇠기 사용
저전압 입력 ADC구동을 위해 신호를 약화시켜서 적절한 레벨로 이동해야 하는 고진폭의 SE 유니폴라 입력 신호를 고려해본다. 제 2부에서 제시된 SE 양방향 입력에서와 마찬가지로 동일한 방법을 사용하겠지만, 그렇지 않을 경우 신호의 공통 모드 전압으로 인한 불균형을 상쇄하기 위해 신호의 대체 입력에서 바이어스를 제공하도록 이 신호를 변경한다. 여기 제시된 SE 유니폴라 입력 신호용 입력 감쇠기 회로는 (그림 8)과 같다.
그림 8. SE 유니폴라-감쇠기 회로
RS- 및 RT-는 VREF가 대체 입력에서 바이어스를 제공하는 방식으로 추가되었다. (그림8)의 회로 분석은 제 2부의 그림 6과 아주 흡사하다. 하지만 지금은 대체 입력의 RS-가 VREF에 연결되는 대신 접지되어 있다고 가정한다. 이 경우, 게인 방정식에서 유일하게 달라지는 것은 레퍼런스 지정자가 달라지기 때문이다.
FDA의 잡음 게인은 방정식 7에서 나머지 절반을 1로 만들면 2로 설정할 수 있다.
이 제한 요건을 고려하면 전체 게인 방정식은 다음과 같다.
FDA의 양변에서 RF를 동일하게 유지하도록 선택하면 다음과 같이 게인 설정 레지스턴스를 평등하게 유지해야한다.
VSig의 공통 모드 전압으로 인한 오프셋 균형을 이루려면 VSig의 공통 모드 전압에 신호 입력 감쇠기(또는 전압 디바이더)를 곱하는데 여기서는 대체 입력의 전압 디바이더에 VREF 를 곱한 것과 같다.
입력 임피던스는 ZIN = RS+ + RT+∥ZIN _Amp로 주어지는 데 ZIN = RS+ + RT+∥RG+에 가깝다.
이런 기본 설계 방정식은 다음과 같은 설정 인터랙티브 부품에서 어느 값을 선택해도 무방하다.
1. 신호 입력 감쇠기 레지스터, RS+ 및 RT+
2. 게인 설정 레지스터, RF 및 RG±
3. VREF 전압 디바이더 레지스터, RS 및 RT
이전과 마찬가지로 RS+를 원하는 입력 임피던스에 가깝게 선택하여 설계를 시작한다. 그런 다음, 디바이스에 권장되는 범위에서 RF를 선정하고 원하는 감쇠를 제공하는 데 필요한 RT+값을 계산한다. 이 결과는 RG+를 계산하는 데 사용된다.
입력 신호의 대체 부분에 대해 RS-값을 먼저 선택하는데 이 값은 기본적으로 전압 디바이더의 현재 상태를 설정한다. 일반적으로 현재의 작은 값으로 전력을 유지하는 것이 가장 좋지만, FDA의 양쪽에서 RF를 동일하게 선택했기 때문에 이 점이 방정식 10을 충족하기 위한 제한 요건이 된다. RT-에 필요한 값은 방정식 11을 충족시키도록 계산되어야 하며 이 결과를 RF 와 함께 사용하여 RG-를 계산한다.
엑셀 워크시트 예제를 보려면 www.ti.com/lit/zip/slyt359에서 Open을 클릭하여 WinZip 디렉터리 온라인을 확인하면 된다(또는 Save를 클릭하여 WinZip 파일을 다운받아 오프라인 용도로 사용하면 된다). 그런 다음, FDA_ Attenuator_Examples_SE_ Unipolar_Input.xls 파일을 열고 Unipolar SE FDA Input Attentart 워크시트 탭을 선택하면 된다.
설계 예제 5
예제 5에서는, 0V~+20V까지 20VPP SE 유니폴라 입력 신호가 있다고 가정하면 1k 입력 임피던스가 필요한데, 5VPP 차동 입력 및 2.5V 공통 모드 전압이 있는 ADS8321 SAR ADC를 사용하면 좋다. 또한 +5V 단일 공급 장치를 사용하여 FDA와 ADC에 전력을 공급하기 때문에 대체 입력에서 레퍼런스 전압으로 VREF를 사용하면 된다. RS+=1kΩ 및 RF=1kΩ가 선택한다. 방정식 9를 다시 정리하고 대체법을 사용하면 다음과 같이 계산할 수 있다.
가장 근사한 표준 1% 값인 332Ω을 사용해야 하다.
방정식 8을 다시 정리하고 대체법을 사용하면 다음과 같이 계산할 수 있다.
이 수치는 표준 1% 값이다. 그런 다음, RS-=1kΩ을 선택한 후 방정식 11을 다시 정리하고 대체법을 사용하여 RT-를 계산한다.
이 수치는 표준 1% 값이다. 방정식 10을 다시 정리하고 대체법을 사용하면 다음과 같이 계산할 수 있다.
가장 근사한 표준 1% 값 449Ω을 사용해야 하다. 이런 값은 필요한 기능을 제공하고 FDA를 안정적으로 유지하다. 다시 FDA의 VOCM은 출력 공통 모드 전압을 2.5V로 설정하는 데 사용된다.
입력 임피던스는 ZIN=1254이고 이 값은 원하는 것보다는 높다. 입력 임피던스가 1kΩ에 아주 가까워져야 하면 이전과 같이 더 낮은 값으로 반복하면 된다. 이 경우, RS=787Ω 및 RF=1kΩ을 사용하면 ZIN=999Ω가 되는데 이 값은 표준 1% 값이 사용될 때 가능한 근사치가 된다.
예제 5에서 회로의 TINA-TI™시뮬레이션을 보려면 http: //www.ti.com/lit/zip/slyt359에서 Open을 클릭하여 WinZip 디렉토리 온라인을 확인하면 된다(또는, Save를 클릭한 후 Winzip 파일을 다운받아 오프라인 용도로 사용하면 된다).
TINATI 소프트웨어가 설치되어 있으면, FDA_ Attenuator_ Examples_SE_ Unipolar_Input.TSC 파일을 열어서 해당 예제를 확인하면 된다("예제 5"라고 표시된 맨 위의 회로). 시뮬레이션 파형은 제1부 그림 3에 표시된 것과 동일하다. 무료 TINATI 소프트웨어를 다운받아 설치하려면, www.ti.com/tina-ti에서 Download 버튼을 클릭면 된다.
FDA의 RF 및 RG를 감쇠기로 사용
그림 9. FDA의 RF및 RG을 SE유니폴라 입력에 감쇠기로써 사용
SE 유니폴라 입력 신호를 획득하기 위해 게인 설정 레지스터를 사용하는 회로는 (그림 9)에 나와있다. 이 회로에서 FDA는 제 2부의 SE 양방향 신호에서 설명된 것과 유사한 방식으로 감쇠기로 사용되며 설계 방정식은 동일하다.
그리고, 안정성을 위해 다음과 같이 설정한다.
그러면, ZIN≈RG이다.
출력의 DC 오프셋을 피하려면 VREF는 공통 모드 전압 VSig와 동일하게 설정하면 된다. 시스템에서 입력 공통 모드 전압보다 높은 레퍼런스 전압을 사용할 수 있으면 레지스터 디바이더를 사용할 수 있다. RG와 동일한 병렬 조합을 유지하는 동시에 부하가 없는 지점에 입력 공통 모드 전압을 제공하도록 전압 디바이더를 설정하면 된다.
설계 예제 6a 및 6b
예제 6a에서는 예제 5와 동일한 방식을 사용하여 RF=1kΩ로 하고 RG=4kΩ(가장 근사한 표준 1% 값은4.02kΩ 그리고 RT=2.6666 kΩ(가장 근사한 표준 1% 값은 2.67kΩ를 계산한다. 그러면, ZIN쩁4.02kΩ가 되고, SPICE는 4.66kΩ 차수에서 더 커진다는 것을 보여준다. VREF는 입력 신호의 공통 모드 전압으로 설정되어야 하며 다음과 같이 계산된다.
- Jim Karki, "Fully-Differential Amplifiers," Application Report
- Jim Karki, "Using Fully Differential Op Amps as Attenuators, Part 1: Differential Bipolar Input Signals," Analog Applications Journal(2Q 2009)
기능은 이전과 동일하지만, 이런 방식으로 설계 요구 사항에서 자유롭게 선택할 수 있는 것은 RF 값뿐이다.
Excel 워크시트 예제를 보려면 www.ti.com/lit/zip/slyt359에서 Open을 클릭한 후 WinZip 디렉토리 온라인을 확인하면 된다(또는 Save를 클릭하여 WinZip 파일을 다운받아 오프라인 용도로 사용하면 된다). 그런 다음, FDA_ Attenuator_Examples_SE_ Unipolar_Input.xls 파일을 열고 Unipolar SE FDA Input Attentart 워크시트 탭을 선택하면 된다.
예제 6a에서 회로의 TINA-TI 시뮬레이션을 보려면 http:// www.ti.com/lit/zip/slyt359에서 Open을 눌러서 WinZip 디렉토리 온라인을 확인하면 된다(또는 Save를 눌러서 Winzip 파일을 다운받아 오프라인 용도로 사용하면 된다). TINATI 소프트웨어가 설치되어 있으면FDA_Attenuator_Examples_SE_ Unipolar_ Input.TSC 파일을 열어서 해당 예제를 확인하면 된다("예제 6a"라고 표시된 중간 부분의 회로). 무료 TINATI 소프트웨어를 다운받아 설치하려면 www.ti.com/tina-ti에서 Download 버튼을 클릭하면 된다.
예제 6a의 시뮬레이션 파형을 보면 신호가 일그러졌다는 것을 알 수 있다. 더 깊이 살펴보면 이 시뮬레이션에 사용된 THS4509의 입력 공통 모드 전압 범위가 입력 신호의 가장 큰 양 값에서 위반되었기 때문에 비선형 연산을 일으킨 것이다. 이 경우 SPICE 모델은 한 가지 문제점을 표시
하지만 모든 SPICE 모델이 이런 오류를 표시하는 것은 아니기 때문에 데이터 시트에 대한 연산을 반드시 신중하게 확인해야 한다. 예를 들면 THS4509 모델은 THS4520 모델로 교체하면 미세하게 시뮬레이션 할 수 있지만 실제 디바이스는 유사한 입력 공통 모드 전압 범위를 갖게 된다.
이 문제점을 해결하는 한 가지 방법은 THS4509 데이터 시트에 언급된 바와 같이 레지스터를 FDA 입력 핀에서 접지면까지 풀-다운하는 것이다. 이 경우, 입력 값에 걸쳐 완전한 RT 값을 두는 대신 각 입력에서 접지면까지 절반 값(1.33kΩ을 두는 것이다. 레지스터는 입력 값을 접지면에 연결하고 공통 모드 전압을 다시 선형 연산으로 되돌리는 것이다. 이렇게 정정된 회로(예제 6b)의 TINA-TI 시뮬레이션을 보려면, www.ti.com/lit/zip/slyt359에서 Open을 클릭한 후 WinZip 디렉터리 온라인을 확인하면 된다(또는 Save를 눌러서 WinZip 파일을 다운받아 오프라인 용도로 사용하면 된다).
TINATI 소프트웨어가 설치되어 있으면 FDA_ Attenuator_ Examples_SE_Unipolar_Input.TSC 파일을 열어서 해당 예제를 확인하면 된다("예제 6b"라고 표시된 맨 아래의 회로). 이 회로는 제1부 그림 3에서와 같이 동일한 결과를 제공한다. 무료 TINATI 소프트웨어를 다운받아 설치하려면, www.ti.com/tina-ti에서 Download 버튼을 클릭하면 된다.
입력 공통 모드 전압에 따른 문제점을 제거하는 또 다른 방법은 앞서 언급된 바와 같이 회로 감쇠기로 입력 감쇠기를 FDA에 사용하는 것이다.
결론
지금까지 저전압 입력 ADC의 입력 범위에 대한 고진폭의 SE 유니폴라 신호를 약화시키고 레벨을 이동하는 2가지 방식을 분석했다. 유니폴라 입력 설계와 제1부 및 제2부에서 언급된 양방향 설계의 주요 차이점은 대체 입력에 대한 레퍼런스 전압이 유니폴라 설계에 제공되어 출력 스윙이 공통 모드 전압에 관해 대칭을 이뤄야만 한다는 점이다.
첫 번째 방식(예제 5)에서는 필요한 감쇠를 제공하고 FDA의 잡음 게인을 2로 유지하여 안정성을 확보하도록 입력 레지스터 값을 선택했다. 이방식을 사용하면, VREF를 더 낮은 값으로 사용할 수 있다. 두 번째 방식(예제 6a)에서는 반전 연산 증폭기를 사용할 때와 아주 흡사한 방식으로 FDA의 게인 설정 레지스터를 사용한 다음, 레지스터가 잡음 게인 2를 제공하도록 입력 값에 걸쳐 부트 스트랩 되어 있다.
이 시뮬레이션에서 마지막 방식은 입력 공통 모드 전압이 입력 신호의 최대 양 값에서 너무 높게 형성되는 문제점을 일으켰지만 RT 레지스터를 분리하고 중앙을 접지면에 연결하면 쉽게 상쇄된다는 점을 알게 되었다(예제 6b). 이 두 가지 방식은 인터페이스 작업을 달성하는데 필요한 동일한 전압 변환을 만들어 낸다. 기타 성능 메트릭스는 여기서 분석되지 않았지만, RF 값이 동일하게 유지되기만 하면 두 가지 방식 모두 실질적으로 동일한 잡음, 대역폭 및 기타 AC/DC 성능 특성을 갖게 된다.
예제 5의 입력 감쇠기 방식은 보다 복잡하지만, 입력 임피던스가 FDA 주위에서 사용되는 게인 설정 레지스터로부터 독립적으로 조정될 수 있다. 최소한 어느 정도까지는 낮은 값이 원하는 대로 쉽게 달성되더라도 최대 허용치의 RS+가 있으며 여기서 더 큰 값은 RG+ 레지스터가 음값을 가져야만 한다. 예를 들면 RS=4kΩ이면 RG+=0Ω이다. 제공된 스프레드시트 도구는 가장 근사한 표준 값을 계산하려 하기 때문에 이 입력에 대해 "#NUM!" 오류를 일으키고, 이 때 RG+값을 필요로 하는 나머지 셀을 복사하게 되지만 이 값은 여전히 유효하다.
예제 6a 및 6b의 방식은 더 간편하지만 입력 임피던스가 피드백 레지스터와 감쇠를 곱한 것으로 설정된다: ZIN쩁2×RF×감쇠. 이로써 RF값을 달리 설정하여 유연하게 설계할 수 있지만 잡음, 대역폭, 뒤틀림 및 기타 성능 특성에 미치는 영향을 반드시 고려해야 하다. 또한, 앞서 언급한 대로 증폭기 노드의 전압은 데이터 시트 사양과 비교하여 확인되어야 하는데, SPICE 모델은 문제점을 항상 표시하지 않기 때문이다.
마지막으로 소스 임피던스는 입력 게인 또는 회로 중 하나의 감쇠에 영향을 주고, 특히 중요한 경우에는 RS+값에 반드시 포함되어야 한다.
<연재끝>
관련 웹사이트
amplifier.ti.com
www.ti.com/sc/device/partnumber
Replace partnumber with ADS8321, THS4509, or THS4520
www.ti.com/tina-ti
참고문헌
- Jim Karki, "Fully-Differential Amplifiers," Application Report
- Jim Karki, "Using Fully Differential Op Amps as Attenuators, Part 1: Differential Bipolar Input Signals," Analog Applications Journal(2Q 2009)
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음