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고정밀 전압원

2018-03-21
고정밀 전압원

글.마이클 린치(Michael Lynch)
아나로그디바이스
 
아날로그 다이얼로그의 Combo Circuit from the Lab 시리즈에서, ADI/LTC 제품을 함께 사용한 초고정밀 프로그래머블 전압원을 소개하였다. AD5791는 LTZ1000, ADA4077, AD8675/AD8676과 함께 사용하면 1ppm의 INL, 1ppm의 해상도와 1ppm FSR보다 뛰어난 long-term drift 지원하는 프로그래머블 전압원을 제공할 수 있다. 강력한 성능 조합을 통해 방사선과 전문의에게 필요한 뛰어난 영상 선명도와 해상도, 명암비를 제공하며 더 작은 해부학상 구조를 볼 수 있도록 돕는다. 이러한 기술이 자기 공명 영상법(Magnetic Resonance Imaging, MRI)에 적용되었을 때 어떤 일이 생길지는 쉽게 상상해 볼 수 있다. 장기와 연조직을 보여주는 영상 품질이 향상되며 의료 전문가들이 심장 질환 외에도 신체 여러 부위의 종양이나 낭종, 이상 증상 등을 더 정확하게 포착할 수 있게 된다. 이러한 기술의 발전은 프로그래머블 전압원의 여러 활용법 중 일부에 불과하다.
그림 1. 프로그래머블 전압원

이 밖에 1ppm의 정확성이 필요한 애플리케이션은 다음과 같다:

과학, 의학, 항공우주 장치
 • 의료 영상 시스템
 • 레이저 빔 포지셔너
 • 진동 시스템

테스트 및 측정
 • ATE
 • 질량 분석
 • 소스 측정 장치 (Source Measure Units, SMU)
 • 데이터 수집/분석기

산업 자동화
 • 반도체 제조
 • 공정 자동화
 • 전력 공급 제어
 • 고급 로봇 공학

테스트 및 측정 시스템의 경우, 1ppm의 해상도와 정확성이면 전반적인 테스트 장비의 정확성과 입상도를 증진시키며 외부 전압원 및 나노미터 수준 액추에이터의 제어, 여기 작용(excitation) 성능을 향상시킬 수 있다. 산업 자동화의 경우, 1ppm의 해상도와 정확성이면 나노미터 수준 액추에이터의 이동, 개조, 위치 변경에 필요한 정밀도를 제공할 수 있다.

AD5791
AD5791는 1ppm의 상대 정확성(1 LSB INL) 및 1 LSB DNL(검증된 무변화 성질)을 지원하는 20비트의 언버퍼드(unbuffered) 전압 출력 D/A 컨버터(DAC)이다. 0.05ppm/°C 의 온도 드리프트, 0.1ppm p-p 잡음, 1ppm 이상의 장기 안정성을 지원한다. 또한 최신 피막 저항 매칭 기술을 사용하는 정밀 R-2R 아키텍처가 내장되어 있다.
AD5791은 최대 ±33V의 전압을 제공하며, 5V~VDD -2.5V의 범위에서는 양의 기준 전압, VSS 2.5V~0V의 범위에서는 음의 기준 전압으로 구동 가능하다. 클록 속도는 최대 35MHz이고 표준 SPI, QSPI™, MICROWIRE™, DSP 인터페이스 표준과 호환되는 다목적 3선 직렬 인터페이스를 사용한다. 해당 장치는 20리드 TSSOP 패키지로 제공된다.
그림 2. AD95791 DAC 사다리 구조

LTZ1000
LTZ1000은 안정성이 매우 뛰어난 온도 조절 레퍼런스이다. 7.2V의 출력, 1.2µV의 p-p 잡음, 2μV/√kHr의 장기 안정성, 0.05ppm/°C의 온도 드리프트를 지원한다. 이 장치에는 제너 레퍼런스(Zener reference)가 탑재되어 있으며, 온도 안정성을 위한 히터 저항 및 온도 감지 트랜지스터 역시 내장되어 있다. 외부 부품을 사용하면 작동 전류를 설정하고 레퍼런스의 온도를 안정화시킬 수 있어서 활용성을 최대로 높이고 장기 안정성 및 잡음 수준을 최고 수준으로 향상시킬 수 있다.

그림 3. LTZ1000을 단순화한 회로도

ADA4077
ADA4077은 고정밀, 저잡음 연산 증폭기로 극도로 낮은 오프셋 전압 및 입력 바이어스 전류를 지원한다. JFET 증폭기와 달리, 낮은 바이어스와 오프셋 전류는 주위 온도가 최대 125°C에 이르더라도 상대적으로 덜 민감하게 반응한다. 출력은 1,000pF의 용량성 부하를 사용하며 외부의 조정 없이도 안정적이다.

AD8675/AD8676
AD8675/AD8676은 정밀 레일-투-레일(rail-to-rail) 연산 증폭기로 초저오프셋, 드리프트, 전압 잡음 및 전체 작동 온도 범위에서 극도로 낮은 입력 바이어스 전류를 제공한다.
 

회로에서 고려해야 할 사항

잡음
저주파 잡음은 회로의 DC 성능에 영향을 미치지 않도록 최저 수준으로 유지해야 한다. 0.1Hz~10Hz 대역에서 AD5791은 약 0.6μV p-p의 잡음을 생성하며, ADA4077은 0.25μV p-p, AD8675는 0.1μV p-p, LTZ1000은 1.2μV p-p의 잡음을 각각 생성한다. 저항값은 존슨(Johnson) 잡음이 전체 잡음 수준을 지나치게 높이지 않도록 선택했다.

AD5791 레퍼런스 버퍼 구성
AD5791의 REFP 및 REFN 핀을 구동하는 데 사용된 레퍼런스 버퍼는 단위 이득에 맞춰 구성되어야 한다. 이득 설정 저항을 통과해서 레퍼런스 센서 핀으로 흘러 들어가는 추가 전류는 DAC의 정확성을 떨어뜨린다.

AD5791 INL감도
AD5791 INL 성능은 레퍼런스 버퍼로 사용된 증폭기의 입력 바이어스 전류에 조금 민감하다. 그 이유로, 입력 바이어스 전류가 낮은 증폭기를 선택했다.
온도 드리프트
전체 시스템에서 낮은 온도 드리프트 계수를 유지하기 위해서는 선택한 개별 부품의 온도 드리프트가 낮아야 한다. AD5791의 TC는 0.05 ppm FSR/°C, LTZ1000의 TC는 0.05ppm/°C이고, ADA4077와 AD8675은 각각 0.005 ppm FSR/°C와 0.01ppm FSR/°C이다.
 
장기 드리프트
장기 드리프트는 시스템의 정밀성을 상당히 제한할 수 있는 또 다른 중요한 매개변수이다. AD5791의 장기 안정성은 보통 125°C에서 1,000시간당 0.1 ppm 이상이다. LTZ1000을 사용하면 월별 약 1μV의 안정성을 구현할 수 있다.
 
그림 4. 전제 조건이나 노화가 없다고 가정할 때 대표적인 장치를
시간=0일 때부터 측정한 장기 안정성

실험실 결과
실험실 주위 온도에서 측정된 INL 오차는 AD5791로 입력되는 코드를 제로 단위에서 전체 단위까지 다섯 가지 코드 단계로 달리해서 측정했다. 출력 버퍼(AD8675)의 출력단 전압은 8.5자리수 DVM을 사용해서 각 코드마다 기록했다. 결과는 ±1 LSB 사양 이내에 들어왔다.
 

그림 5. 주위온도에서 고정밀 전압원의 INL 오차

잡음
중간 단위에서 측정된 잡음은 1.1μV p-p이며, 전체 단위에서 측정된 잡음은 3.7μV p-p다. 각 전압 레퍼런스 경로의 잡음 원인은 중간 단위의 코드를 선택할 때 DAC에 의해 감쇠된다. 이런 이유로 낮은 쪽이 중간 단위 코드의 수치이다.

그림 6. 0.1Hz~10Hz 대역폭에서의 전압 잡음

장기 드리프트
시스템의 장기 드리프트는 25°C에서 측정했다. AD5791는 5V(¾ 단위)로 프로그래밍되었으며, 출력 전압은 1,000시간 동안 매 30분마다 측정했다. 드리프트 값은 1 ppm FSR 미만으로 관측되었다.

그림 7. VOUT드리프트(ppm FSR).

결론
AD5791은 사용이 쉬울 뿐 아니라 검증된 1ppm 수준의 정확성을 제공한다. 그러나 정확한 부품 및 기준 전압 레퍼런스를 선택하는 것이 AD5791 정밀성 사양 활용에 중요하다. LTZ1000, ADA4077, AD8676, AD8675의 경우 잡음, 온도 드리프트 및 장기 드리프트가 낮고 정밀성은 높아서 온도와 시간에 대한 시스템 정밀성, 안정성, 반복 가능성을 향상시켜 준다.
 
그림 8. LTZ1000 레퍼런스 보드를 장착한 EVAL-AD5791SDZ

저자에 대하여
마이클 린치(Michael Lynch, michael.lynch@analog.com)는 아나로그디바이스의 선형 정밀 기술 그룹의 애플리케이션 엔지니어로 재직 중이다. 리머릭 대학교에서 2003년 전자공학 학사 학위를 수여했다. 2009년 아나로그디바이스에 입사했으며, 입사 전에는 인텔에서 구현 엔지니어로 근무했다.
태그 :
AD5791, LTZ1000, ADA4077, AD8675, AD8676, 드리프트, 의료영상시스템, 레이저빔포지셔너, 진동시스템, ATE, 질량분석, SMU, 분석기, 전력공급제어,