RFI
GHz 라디오 시스템에서 라디오 안테나가 저주파수 증폭기 서브 어셈블리에 인접하면 수신 회로에서 간섭을 야기하는 라디오 신호 복조를 발생시킬 수 있다. 이와 관련하여 본문에서 연산 증폭기 오디오 회로 내 RFI(Radio Frequency Interference)를 시험 및 특성화하기에 적절한 제어형 테스트 플랫폼의 간단한 제작 방법을 소개할 것이다.
이 테스트 플랫폼을 사용하여 인터실 ISL28291(바이폴라 입력)과 EL5220(MOS 입력) 듀얼 정밀 증폭기의 RFI 간섭에 대한 민감도가 조사되었다. 또한 이 주제와 관련된 연구 결과로 현재의 무선 휴대형 제품에서 전파 간섭뿐 아니라 전도 간섭도 고려할 필요가 있다는 새로운 정보를 제시할 것이다.
글 : 돈 라폰테인(Don LaFontaine)
인터실 / www.intersil.com
서론
몇몇 연구와 실험, 계산에 따르면 연산 증폭기의 RF 신호 복조 현상은 주로 입력 차동쌍의 에미터-베이스 정합단에서 발생한다[1, 2, 3] [8]. 비록 증폭기 대역폭이 RF의 아웃 오브 밴드 신호보다 훨씬 낮더라도 복조 현상은 발생된다. 정합부에서 RF 전압이 26mV 보다 현저하게 높지 않은 한, 정류된 오프셋 전압은 제곱 법칙 관계를 따라가며 흡수된 전력에 비례한다. 이러한 상황에서 오디오 간섭은 RF 신호의 포락선을 따라간다.
이러한 현상에 대한 이번 연구는 블루투스 신호가 증폭기에서 복조되어 출력 오디오 증폭기에서 오디오 잡음으로 나타난다는 한 고객의 제보로 시작되었다. 이 고객은 자신의 시스템에서 3가지 연산 증폭기를 시험하였고, EL5220, 내셔널 LMV722, ISL28291 순으로 좋은 성능을 보여주었다. 비록 EL5220이 최고의 성능을 보여주었지만, 3가지 부품 모두가 출력에서 복조된 신호를 일부 보여주었다.
비록 블루투스 송신기에 의한 잡음이 ISL28291의 증폭기 출력에서 쉽게 관찰되었지만(EL5220은 잡음 없음), 블루투스 신호의 주파수 호핑 및 복잡한 인코딩 변조로 일정한 결과를 얻을 수 없었다. 회로의 RF 신호 민감도를 정량적으로 측정하는 테스트 플랫폼은 대부분의 고주파수 아날로그 연구소에서 찾아볼 수 있는 표준 제품을 사용해서 제작되었다. 이 테스트 플랫폼은 HP8753D 네트워크 분석기와 간단한 펑션 발생기를 사용하여 신호를 변조한다[4].
스위핑 변조 반송파 주파수는 그림 1처럼 단순한 안테나에 연결된다. 반송파 주파수의 출력 전력은 표준 블루투스 신호에 맞추기 위해 0dBm으로 조정된다. 이제 일정한 측정값 확인이 가능하며 더 중요하게는 100kHz에서 6GHz까지 반송파 주파수 변경이 가능하다. 이를 통해 반송파 주파수 함수로서 신호 민감도를 확인하고 복조된 신호를 연구하기 위해 특정 주파수에 집중할 수 있다.
본문에서는
1. 전도 및 전파 간섭 사이의 차이를 정의할 것이다.
2. 안테나가 오디오 회로에 근접한 휴대형 애플리케이션에서 고려될 필요가 있는 전파 간섭을 제안하는 새로운 데이터를 소개할 것이다.
3. ISL28291과 EL5220을 비교한 연구 결과를 소개할 것이다.
4. 금번 연구와 다른 논문에 기반하여 고주파수 송신기 근방에서 동작하는 애플리케이션 및 설계 엔지니어에게 결론을 제시한다.
전도 및 전파 간섭
전도 간섭은 케이블, PCB 트레이스, 외부 부품들에 의한 변조 RF 신호로 정의되며, 오디오 증폭기의 입력 핀으로 직접 입력된다. 전파 간섭은 전도 간섭과 패키지 리드 프레임과 본드 와이어에 의한 간섭 조합으로 정의되며, 오디오 증폭기의 모든 핀에 직접 입력된다.
기존 연구들은 케이블과 PCB 트레이스에 의한 간섭에 중점을 두었으며, 패키지 리드 프레임과 본드 와이어에 의한 간섭은 무시되어[5] 그 동안 연구되지 않았다. 그 결과 이러한 연구는 변조 RF 신호를 증폭기에 직접 입력하였고, 이 방법은 실제 고객 환경에서 발견되는 전파 효과를 고려하지 않았다. 위에서 언급된 테스트 플랫폼을 사용한 본문에서는 외부로 방사되는 추가적인 RF 간섭을 살펴보고 이 결과를 기존 논문들과 비교하였다.
기존에 발표된 전도 간섭 분석 결과
몇몇 논문들은 전도 간섭과 연산 증폭기에 의한 RF 복조 효과에 대해 설명하였다[1, 5, 6, 7]. 또 다시 이러한 실험들은 RF 변조 신호를 증폭기 입력 핀으로 직접 입력시켰으며, 아래와 같은 실험 결과를 얻었다.
1. RF 전력이 2개의 연산 증폭기 신호 입력 단자 중 하나에 입력되면 RFI 효과는 더욱 분명해진다(이 실험 절차는 하나의 연산 증폭기 단자에 RF 전력을 직접 입력시키고 다른 연산 증폭기 단자 전압을 모두 감시하는 것을 포함한다. RF 전력을 모든 연산 증폭기 단자(한번에 1개씩)에 입력시키면 가장 민감한 단자는 순서대로 인버팅, 논-인버팅, 오프셋 입력, 출력 단자이다[1].
2. 실험 결과는 입력과 피드백 저항 값 증가가 직렬 저항과 기생 캐패시턴스를 증가시켜 인버팅 연산 증폭기 회로의 RFI 면역성을 증가시킴을 보여주었다[6].
3. 실험 결과는 기생 캐패시턴스 CIN(인버팅 및 논-인버팅 입력과 CR1(R1에 걸쳐 션트) 사이)으로 인버팅 연산 증폭기 회로의 RFI 면역성이 논-인버팅 연산 증폭기 회로보다 뛰어나게 됨을 보여준다[7].
4. 바이폴라 트랜지스터 콜렉터 전류에서 발생하는 RFI가 MOS 트랜지스터의 드레인 전류보다 높기 때문에 MOS 트랜지스터는 바이폴라 트랜지스터보다 덜 민감하다. 실제로 전계 효과 트랜지스터는 더 평탄한 비선형성으로 인해 바이폴라 트랜지스터보다 본질적으로 RFI에 덜 민감하다[5]. 또한 대부분의 오디오 대역 연산 증폭기는 큰 고전압 CMOS 공정에서 제작되어 유사한 전압 바이폴라 공정보다 훨씬 낮은 RF 대역폭을 지닌다.
간섭 모델
그림 2는 RF 간섭 시험 세트의 개념 모델이다. HP8753D 네트워크 분석기와 변조 발생기는 시험되는 회로로 방사되는 AM 변조 파형을 발생시킨다. 이 모델은 RF 반송파가 어떻게 시험되는 회로에 의해 제거되어 저주파수 신호만 남는지를 보여준다.
그림 3은 고주파수원에 근접한 IC에 대한 행동 모델과 등가회로를 나타낸다. 안테나 이론에 의하면 반송파 주파수 ¼ 파장 이하의 트레이스 길이가 유효 안테나를 만든다. 따라서 1 Ghz 반송파 주파수용으로 최대 7.5cm(2.95 인치)의 PCB 트레이스는 유효 안테나 길이가 된다. 또한 평가 보드의 외부 부품(예. 캡과 저항)들도 RF 주파수에 대한 수신 안테나가 된다.
증폭기(피드백 저항과 패키지 사이)뿐 아니라 증폭기 핀과 본드 와이어에 근접한 PCB 인터커넥트는 유효 안테나가 되기 시작한다.
로우 패스 필터를 생성하는 PCB 트레이스의 직렬 저항과 피드백 저항이 없다면 RF 신호는 리드 프레임에서 나오며 입력 차동 회로의 에미터-베이스 정합부로 직접 전도된다. 이는 복조 신호가 증폭기 출력에서 나오도록 한다.
ISL28291(바이폴라)와 EL5220(M) 비교 시험
다음 연구 보고는 ISL28291 과 EL5220의 전파 간섭 면역성을 비교하였다. 그림 1은 고객의 싱글 엔드를 차동 회로에 맞추기 위해 개조된 2개의 고객 평가 보드를 보여준다(그림 4). 가능한 두 보드를 동일하게 만들기 위해서 개조 작업에 주의를 기울였다.
한 보드는 ISL29291을 다른 보드는 EL5220을 갖추었다. 고객이 수행했던 시험보다는 안테나를 훨씬 가깝게 위치시켰음에 주목하자. 이는 평가에 필요한 최고의 신호를 얻기 위한 것이다. 안테나를 통한 복조는 2인치 떨어진 곳에서 발생하며 측정된 신호 진폭은 단지 약 50%만 감소한다.
그림 6은 EL5220에서 100kHz부터 6GHz까지 주파수 스위핑을 수행한 결과이다. 주파수 스위핑에 걸쳐 채널 "A"의 출력(단위 이득 설정)은 J1
입력 접지를 통해 총 3mVP-P의 피크 투 피크 전압을 보여준다(그림 4). 하단 트레이스는 500kHz에서 5MHz의 주파수 대역에서 최대 10mVP-P의 채널 "B"(인버팅 이득) 출력을 보여준다. 5MHz~6GHz에서 총 피크 투 피크 전압은 3mV 이하이다. 그림 6을 통해 블루투스 애플리케이션에서 EL5220이 문제를 일으키지 않는 이유를 확실히 알 수 있다.
그림 5는 ISL28291에서 100kHz~6GHz의 주파수 스위핑 결과를 보여준다. 주파수 스위핑에 걸쳐 채널 "A"의 출력(단위 이득 설정)은 J1 입력 접지를 통해 2GHz까지 25mV P-P의 간섭 피크를 보여준다(그림 4). 하단 트레이스는 500kHz에서 30MHz까지 주파수 대역에서 최대 30mVP-P의 채널 "B"(인버팅 이득) 출력을 보여준다. 30MHz~6GHz에서 800MHz 이하에서는 5mVP-P의 간섭 피크를, 1.8GHz~3GHz 범위에서는 일련의 25mVP-P 이하 피크를 보여준다.
30MHz 이하의 간섭은 전도성으로 ISL28291과 EL5220 모두 대역폭 이내이다. GHz 범위의 간섭은 고객이 제보한 문제와 연관 있다.
그림 5를 통해 블루투스 애플리케이션에서 ISL28291이 문제를 일으키는 이유를 분명히 알 수 있다.
그림 7은 3.9GHz로 고정된 반송파 주파수와 1 kHz 100% 변조에 의한 채널 A와 채널 B 출력 간섭을 보여준다. 3.9GHz에서 간섭이 최대가 되므로 이 주파수가 선택되었다. 그림 7의 신호는 1 kHz로 복조된 신호이다. 1 kHz 신호 내 비대칭은 증폭기가 아니라 변조된 신호를 발생시키는 연구소 장비에서 나온 것이다.
전파 간섭 조사 결과
지난 연구는 RFI를 줄이기 위해 더 높은 피드백 저항, RFI 캡 추가, 선형의 MOSFET 입력 기기 사용을 결정하였다. 이러한 개선 기법은 전파 테스트 플랫폼을 사용하여 비교되었다.
그림 8은 전파 간섭 조사를 위한 향상된 시험 설정을 나타낸다. 안테나는 50Ω으로 종단되며 안테나 루프의 끝부분은 IC 패키지의 폭과 거의 유사한 폭으로 굽혀져 있다. 그림 9는 안테나 배치와 외부 부품의 레이아웃 대칭을 나타낸다. 두 증폭기는 모두 10의 차동 이득으로 설정되어 양 입력 모두에서 임피던스는 동일하다. 채널 "A"는 5k/500Ω 저항을 채널 "B"는 500k/50k 저항을 지녀 10배 높다.
그림 8의 설정과 100kHz~6GHz의 주파수 스위핑 측정을 사용한 실험 결과는 1.4GHz에서 2.8GHz 범위에서 간섭이 집중되어 있고 그 다음으로 집중된 곳은 3.8GHz에서 5GHz 범위임을 보여준다(그림 10).
다음의 시험은 위에서 언급된 간섭이 집중된 범위에서 단일 반송파 주파수를 통해 수행되었다:
1. 높은 피드백 저항 값 대 낮은 피드백 저항 값: 높은 저항 값 위에 안테나를 직접 위치시키면 낮은 저항 값 위에 위치하는 것보다 간섭이 적다. 주파수가 높을수록 간섭 레벨이 낮아진다. 이러한 관찰 결과는 가다마바디(Ghadamabadi)의 연구 결과와 일치한다[6]. IC 위에 안테나를 위치시키면 두 경우 모두 최저의 간섭을 가져온다.
2. RFI 캐패시터 추가: 높은 저항 값 위에 안테나를 직접 위치시키면 낮은 저항 값 위에 위치하는 것보다 간섭이 적다. 주파수가 높을수록 간섭 레벨이 낮아진다. 이러한 관찰 결과는 가다마바디(Ghadamabadi)의 연구 결과와 일치한다[7]. 하지만 IC 패키지 위에 안테나를 직접 위치시키면 저항 값에 관계없이 저항 위에 위치된 경우보다 두 증폭기 모두에서 훨씬 높은 간섭 레벨을 야기한다.
3. MOSFET 입력 증폭기는 바이폴라보다 덜 민감하다: 다이 또는 저항 위에 안테나를 직접 위치시키면 EL5220은 ISL28291 보다 훨씬 낮은 간섭 신호를 가진다. 이러한 관찰은 피오리(Fiori)의 연구 결과와 일치한다[5].
RFI 캐패시터를 추가한 후의 간섭 증가는 무시할 수 있는 값으로 여겨졌기 때문에 지난 연구에서는 보고되지 않았다[5]. 저자의 견해에 따르면 안테나가 민감한 오디오 회로에 근접한 경우 블루투스 애플리케이션의 전파 간섭 효과는 무시되어선 안 된다. 전파 RF는 PCB의 모든 곳에서 발생하며, 부품 리드, PCB 트레이스, IC 리드 프레임/본드 와이어에서 확인된다. 이러한 발견 결과가 모든 회로에 적용되지 않을 수 있지만, 최종 설계 과정에서 안테나 위치와 전파 패턴이 고려될 필요가 있다는 추가적인 사항을 상기시킨다.
결론
이 글에 소개된 테스트 플랫폼은 전파 간섭 생성과 RFI 측정에 효과적인 도구이다. 기존 연구들은 주로 전도 간섭과 에미터-베이스 정합부의 RF 신호 복조에 중점을 두었다.
수신 회로 내 RFI 효과를 완화시키기 위해 이러한 연구로부터 기본적인 경험 법칙이 확립되었다. 이번 글에서는 설계자가 RFI를 줄이기 위해 택할 수 있는 많은 예방책 중에서 전파 간섭원에 노출되었을 경우, 피드백 저항[6] 변경, RFI 캐패시터 추가[7], 바이폴라 대 MOSFET 입력 증폭기 비교[5]를 살펴보았다. 이번 연구에서 증명되지는 않았지만 또 다른 예방 조치/베스트 프랙티스에는 애플리케이션에만 충분한 대역폭을 갖춘 증폭기(MOS 입력 선호)를 명시하는 것이다.
이번 연구의 주요 결과는 안테나 배치 위치에 따라 RFI 캐패시터 사용이 간섭을 증가시킬 수 있음을 보여주었다. 따라서 시스템 설계자는 설계의 면역성을 높이기 위해 RFI 캡을 사용하기 전에 안테나 배치를 의식할 필요가 있다. 또 다른 결과들은 기존 연구 결과와 일치하는데, 높은 피드백 저항과 MOSFET 입력 증폭기는 RFI에 대한 회로의 면역성을 향상시키는 효과적인 기법임을 보여준다.
저자 소개
[1] Joseph G. Tront, James J. Whalen, Curtis E. Larson, James M. Roe "Computer-aided Analysis of RFI Effects in Operational Amplifiers. IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, Vol.EMC-21, NO.4, November 1979
[2] Muhammad Taher Abuelma''atti "Radio interference by Demodulation Mechanisms Present in Bipolar Operational Amplifiers IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol 37. NO.2, May 1995.
[3] Robert E. Richardson, Jr. Modeling of Low-Level Rectification RFI in Bipolar Circuitry. IEEE
Transactions on electromagnetic Compatibility, Vol.EMC-21, NO4, November 1979.
[4] Application Note AN1299 "Measuring RF Interference in Audio Circuits". Authors Don LaFontaine and Bob Pospisil. www.intersil.com/data/an/AN1299.pdf
[5] Franco Fiori Compliance Engineering 2000
November, December issue "Integrated Circuit Susceptibility to Conducted RF Interference"
www.ce-mag.com/archive/2000/novdec/fiori.html
[6] Hamid Ghadamabadi, James J. Whalen, R.Coslick, C. Hung, T. Johnson, W. Sitzman and J. Stevens Department of Electrical and Computer Engineering. "Comparison of Demodulation RFI in Inverting Operation Amplifier circuits of the same gain with different input and feedback resistors values".www.ieeexplore.ieee.org/iel2/161/6451/00252748.pdf-arnumber=252748
[7] Hamid Ghadamabadi, James J. Whalen Department of Electrical and Computer Engineering. "Parasitic capacitances can cause demodulation RFI to differ in inverting and non-inverting operation amplifiers circuits" IEEE 1991 Electromagnetic Compatibility, 1991, Symposium record.
[8] Robert E. Richardson, Vincent G. Puglielli and Robert A. Amadori. "Microwave Interference Effects in Bipolar Transistors" IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility, Vol. .EMC-17, NO.4, November 1975
그림 1. 고객 회로 시뮬레이션을 위한 평가 보드 개조
그림 2. RFI에 대한 개념 모델
그림 3. 등가 회로에 대한 행동 모델
그림 4. 고객 애플리케이션 회로
그림 5. 바이폴라 입력 연산 증폭기 스위핑 J1 접지
그림 6. EL5220 MOSFET 입력 연산 증폭기 스위핑 J1 접지
그림 7. 고정된 반송파 주파수에서의 간섭
그림 8. 전파 간섭 평가를 위한 향상된 안테나 설계
그림 9. 다이 상단의 안테나 배치와 채널 A 및 B의 연산 증폭기 회로도
그림 10. 그림 8의 보드 및 그림 9 회로에서 100kHZ~6GHz의 반송파 주파수 스위핑
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