기술기고문
고정밀 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 구동 시 입력 드라이버의 중요성
글: 토마스 브랜드(Thomas Brand), 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE) / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
산업용 애플리케이션 수요가 계속 늘고 있다. 데이터 수집 시스템은 이 애플케이션의 핵심 요소 중 하나이다. 데이터 수집 시스템을 사용하면 온도, 유량, 수위, 압력, 그 밖에 다른 물리적 양을 측정하고 이를 고분해능 디지털 정보로 변환한 다음, 소프트웨어를 통해서 추가적인 처리를 할 수 있다. 데이터 수집 시스템의 핵심 부품은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로서, ADC 성능이 이 시스템에 중대한 영향을 미친다. 그리고 다시 ADC의 입력 드라이버가 전반적인 정확도에 영향을 미친다. 이 드라이버가 입력 신호를 버퍼링하고 증폭하는 일을 한다. 또한 이 드라이버는 ADC의 입력 전압 범위를 지원하고 동상 모드 전압 요구를 충족하기 위해서 입력 신호를 높이거나 완전 차동 신호를 발생해야 한다. 이 과정에서 원래의 신호를 왜곡하지 않아야 한다. 입력 드라이버로는 흔히 프로그래머블 이득 계측 증폭기(PGIA)가 사용된다. 이 글에서는 굉장히 정확한 변환 결과를 달성함으로써 고품질 데이터 수집 시스템 설계가 가능하도록 하는 입력 드라이버와 ADC의 조합을 소개한다.
고정밀 데이터 수집 시스템용으로 적합한 PGIA로서 LTC6373을 들 수 있다. LTC6373은 완전 차동 출력과 함께 높은 DC 정확도, 저잡음, 저왜곡(그림 2), 그리고 이득을 16배로 하더라도 4MHz의 높은 대역폭을 달성할 수 있는 특징이 있다. LTC6373을 사용해서 ADC를 직접 구동할 수 있으므로, 다양한 신호 컨디셔닝 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
그림 1의 회로는 LTC6373을 사용해서 정밀 ADC를 구동하는, 특히 1.8MSPS 성능의 20비트 ADC인 AD4020을 구동하는 사례를 나타낸 것이다.
그림 1: 정밀 ADC를 구동하는 회로의 예시
이 회로는 LTC6373이 입력과 출력에서 DC 결합을 이루므로, ADC 구동을 위한 트랜스포머가 필요 없다. 핀 A2/A1/A0을 통해서 이득을 0.25V/V와 16V/V 사이에서 설정할 수 있다. 그림 1에서는 LTC6373이 ±15V의 대칭형 공급 전압을 사용하는 차동 입력 대 차동 출력 구성에 사용된다. 필요하다면 입력을 비대칭형으로 동작시키더라도 차동 출력을 낼 수 있다.
그림 1에서 출력 공통 모드 전압은 VOCM 핀을 통해서 VREF/2로 설정된다. 이를 통해 LTC6373의 출력에서 레벨 쉬프트가 일어난다. LTC6373의 양쪽 출력은 0V와 VREF(이위상) 사이에서 변화하므로, ADC 입력에서 차동 신호 진폭은 2x VREF이다. LTC6373 출력과 ADC 입력 사이에 RC 네트워크가 단극 저역통과 필터를 형성하는데, 이는 ADC 입력에서 커패시터를 스위칭할 때 발생하는 전류 피크를 낮춘다. 이와 동시에 이 저역통과 필터는 광대역 잡음도 제한한다.
그림 2는 LTC6373이 AD4020 SAR ADC를 고 임피던스 모드(High-Z mode)로 전체 입력 전압 범위(10Vp-p)에 걸쳐서 구동할 때, LTC6373의 신호대 잡음비(SNR)와 총 고조파 왜곡(THD)을 나타낸 것이다. 쓰루풋이 1.8MSPS이고 필터 저항(RFILTER)이 442Ω일 때 최상의 결과를 나타낸다. 1MSPS나 0.6MSPS일 때는 887Ω의 RFILTER가 권장된다.
LTC6373은 대부분의 SAR ADC를 차동 입력으로 구동할 수 있으며, ADC 드라이버의 필요성을 없애 준다. 하지만 애플리케이션에 따라, LTC6373의 트랜션트를 매끄럽게 하고 신호 체인의 선형성을 향상시키기 위해서 LTC6373과 정밀 ADC 사이에 별도의 ADC 드라이버를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
그림 2: LTC6373을 사용해서 AD4020을 구동할 때 SNR(왼쪽)과 THD(오른쪽)
맺음말
그림 1의 회로는 고속, 고정밀 데이터 수집 시스템에 사용하기에 적합하다. 따라서 LTC6373의 우수한 성능을 활용함으로써 연결된 센서로부터 최대의 성능을 끌어낼 수 있다. 아나로그디바이스(ADI)가 제공하는 온라인 인 ADI Precision Studio와 이 툴에 포함된 ADC Driver Tool을 사용하면 이러한 증폭기 스테이지, 필터, 선형 회로를 빠르게 설계할 수 있다. 이 툴에 관한 더 자세한 정보는 tools.analog.com/en/precisionstudio에서 확인할 수 있다.
저자 소개
토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스(Analog Devices)와 인연을 맺었다. 졸업 후 아나로그디바이스에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com
산업용 애플리케이션 수요가 계속 늘고 있다. 데이터 수집 시스템은 이 애플케이션의 핵심 요소 중 하나이다. 데이터 수집 시스템을 사용하면 온도, 유량, 수위, 압력, 그 밖에 다른 물리적 양을 측정하고 이를 고분해능 디지털 정보로 변환한 다음, 소프트웨어를 통해서 추가적인 처리를 할 수 있다. 데이터 수집 시스템의 핵심 부품은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로서, ADC 성능이 이 시스템에 중대한 영향을 미친다. 그리고 다시 ADC의 입력 드라이버가 전반적인 정확도에 영향을 미친다. 이 드라이버가 입력 신호를 버퍼링하고 증폭하는 일을 한다. 또한 이 드라이버는 ADC의 입력 전압 범위를 지원하고 동상 모드 전압 요구를 충족하기 위해서 입력 신호를 높이거나 완전 차동 신호를 발생해야 한다. 이 과정에서 원래의 신호를 왜곡하지 않아야 한다. 입력 드라이버로는 흔히 프로그래머블 이득 계측 증폭기(PGIA)가 사용된다. 이 글에서는 굉장히 정확한 변환 결과를 달성함으로써 고품질 데이터 수집 시스템 설계가 가능하도록 하는 입력 드라이버와 ADC의 조합을 소개한다.
고정밀 데이터 수집 시스템용으로 적합한 PGIA로서 LTC6373을 들 수 있다. LTC6373은 완전 차동 출력과 함께 높은 DC 정확도, 저잡음, 저왜곡(그림 2), 그리고 이득을 16배로 하더라도 4MHz의 높은 대역폭을 달성할 수 있는 특징이 있다. LTC6373을 사용해서 ADC를 직접 구동할 수 있으므로, 다양한 신호 컨디셔닝 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
그림 1의 회로는 LTC6373을 사용해서 정밀 ADC를 구동하는, 특히 1.8MSPS 성능의 20비트 ADC인 AD4020을 구동하는 사례를 나타낸 것이다.
그림 1: 정밀 ADC를 구동하는 회로의 예시
이 회로는 LTC6373이 입력과 출력에서 DC 결합을 이루므로, ADC 구동을 위한 트랜스포머가 필요 없다. 핀 A2/A1/A0을 통해서 이득을 0.25V/V와 16V/V 사이에서 설정할 수 있다. 그림 1에서는 LTC6373이 ±15V의 대칭형 공급 전압을 사용하는 차동 입력 대 차동 출력 구성에 사용된다. 필요하다면 입력을 비대칭형으로 동작시키더라도 차동 출력을 낼 수 있다.
그림 1에서 출력 공통 모드 전압은 VOCM 핀을 통해서 VREF/2로 설정된다. 이를 통해 LTC6373의 출력에서 레벨 쉬프트가 일어난다. LTC6373의 양쪽 출력은 0V와 VREF(이위상) 사이에서 변화하므로, ADC 입력에서 차동 신호 진폭은 2x VREF이다. LTC6373 출력과 ADC 입력 사이에 RC 네트워크가 단극 저역통과 필터를 형성하는데, 이는 ADC 입력에서 커패시터를 스위칭할 때 발생하는 전류 피크를 낮춘다. 이와 동시에 이 저역통과 필터는 광대역 잡음도 제한한다.
그림 2는 LTC6373이 AD4020 SAR ADC를 고 임피던스 모드(High-Z mode)로 전체 입력 전압 범위(10Vp-p)에 걸쳐서 구동할 때, LTC6373의 신호대 잡음비(SNR)와 총 고조파 왜곡(THD)을 나타낸 것이다. 쓰루풋이 1.8MSPS이고 필터 저항(RFILTER)이 442Ω일 때 최상의 결과를 나타낸다. 1MSPS나 0.6MSPS일 때는 887Ω의 RFILTER가 권장된다.
LTC6373은 대부분의 SAR ADC를 차동 입력으로 구동할 수 있으며, ADC 드라이버의 필요성을 없애 준다. 하지만 애플리케이션에 따라, LTC6373의 트랜션트를 매끄럽게 하고 신호 체인의 선형성을 향상시키기 위해서 LTC6373과 정밀 ADC 사이에 별도의 ADC 드라이버를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
그림 2: LTC6373을 사용해서 AD4020을 구동할 때 SNR(왼쪽)과 THD(오른쪽)
맺음말
그림 1의 회로는 고속, 고정밀 데이터 수집 시스템에 사용하기에 적합하다. 따라서 LTC6373의 우수한 성능을 활용함으로써 연결된 센서로부터 최대의 성능을 끌어낼 수 있다. 아나로그디바이스(ADI)가 제공하는 온라인 인 ADI Precision Studio와 이 툴에 포함된 ADC Driver Tool을 사용하면 이러한 증폭기 스테이지, 필터, 선형 회로를 빠르게 설계할 수 있다. 이 툴에 관한 더 자세한 정보는 tools.analog.com/en/precisionstudio에서 확인할 수 있다.
저자 소개
토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스(Analog Devices)와 인연을 맺었다. 졸업 후 아나로그디바이스에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com
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