적어도 잡음 문제에 있어서는 아날로그 설계가 과학보다 더 사악한 마법처럼 보일 수 있다. 그 이유는 잡음 문제의 해결을 위해 디자이너들에게 필요한 것은 회로에 포함된 아날로그 하드웨어의 일부이며, 기판 설계를 재작업해야 할 정도로 많은 잡음을 내는 어딘가에 숨어있는 그램린을 찾기 위해서는 이러한 방법이 필요하기 때문이다. “Wait & See”로 불리는 이 설계 기법은, 최종적으로 성공적인 설계가 가능하도록 해준다. 잡음 문제를 해결하는 또 다른 방법은, 잡음의 원리에 대한 지식과 관련된 가이드라인의 기본 목록을 활용함으로써 설계 초기의 의사 결정에 반영하는 것이다. 지금부터 디바이스 잡음, 방사 잡음(emitted noise), 전도 잡음(conducted noise) 등 12비트 시스템에서의 다양한 잡음원에 대해 살펴보자.


그림 1. 저잡음 디바이스, 접지 플레인, 바이패스 커패시터, 로우 패스 필터를 사용하면 정확한 12비트 시스템을 구현할 수 있다.

저잡음 12비트 또는 10비트 A/D 컨버터(이하 ADC)의 기판 설계는 쉬워 보인다. 몇 가지 기본적인 저잡음 개념만 무시하지 않는다면 그리 어렵지 않은 게 사실이다. 예컨대, 엔지니어들은 증폭기와 저항 같은 대부분의 디바이스들이 12비트나 10비트 환경에서 효과적으로 동작한다고 생각할 수 있다. 일반적으로 이 디바이스들은 잡음과 관련성이 없는 규격에 따라 선택된다. 한편, 회로 잡음이 발생하는 또 다른 원인은 전도 잡음이다. 신호가 ADC의 입력에 도달할 때, 전도 잡음은 이미 회로 기판 내에 존재한다. 전도 잡음의 원인은 디바이스 잡음이나 방사 잡음 중 하나이다. 때로는 회로의 요건에 따라 디바이스 잡음과 방사 잡음이 반드시 존재해야 하는 경우도 있다. 예를 들어, 전도 잡음은 아날로그 신호 경로 내의 디바이스는 물론, 파워 서플라이에서도 비롯될 수 있다. 회로에 가장 널리 사용되는 전력 소자로는 스위치드 모드 파워 서플라이가 있으며, 이보다 성능이 떨어지는 조절된 “월 와트(wall-wart)”도 사용된다. 민감한 아날로그 디바이스에 장착된 이러한 유형의 디바이스들은 서플라이 잡음을 만들어낸다. 세 번째 잡음원은 방사 잡음이다. 일반적으로 이 잡음은 병렬로 놓여 있거나 근접한 위치에 있는 2개의 트레이스에서 발생하는 신호의 용량성 커플링이 원인이다. 또한 마지막으로 방사 잡음은 외부 EMI(Electromagnetic Interference) 신호가 원인이 될 수 있다.

저품질 디바이스
디바이스 잡음이 걱정된다면, 선택한 디바이스의 열악한 품질이 회로의 성공과 실패를 좌우하는 결정적인 요인이 될 수 있음을 기억하자. 이 같은 유형의 평범한 문제들은 증폭기/저항 이득단에서 발생한다. 이에 대한 해결책으로 증폭기를 저잡음 디바이스로 바꾸고 저가 저항을 사용해 시스템 잡음을 줄일 수 있다. 한편, 전도 잡음 문제는 다른 법법으로 해결해야 한다. ADC 신호 경로에 전도 잡음이 발생하면, ADC 앞에 로우 패스 필터를 배치하여 에일리어싱(aliasing) 잡음을 효과적으로 줄일 수 있다. 앞서 언급했듯이 파워 서플라이는 전도 잡음의 또 다른 원인이다. 이 문제가 발행하면 유도성 초크나 R/C(Resistor-Capacitor) 필터를 사용해 파워 서플라이 회선을 필터링해야 한다. 또한 모든 능동 디바이스에는 전력 핀과 접지 사이에 바이패스 필터가 설치돼야 한다. 하지만 현재까지 대부분의 전도 잡음은 접지 플레인으로 제거할 수 있다. 마지렝막?방사 잡음의 원인은 트레이스 간 용량성 커플링이 원인이므로, 두 트레이스를 분리하면 된다. 회로 기판을 배치하면 외부 잡음은 차폐되거나 피할 수 있다. 디바이스 잡음, 전도 잡음, 방사 잡음 등의 문제가 해결되면 앞서 설명한 대로 저잡음 12비트 ADC 기판의 설계는 간단한 작업이 된다.

그림 1 에는 12비트 회로의 예가 나와 있으며, 신호가 저항성 부하 셀(부품 번호: LCL816-G)에서 나오는 모습을 보여 주고 있다. LCL816-G의 차동 출력 포트는 1개의 이산 증폭기와 2개의 연산 증폭기 및 계장 증폭기(A1, A2, R3, R4, RG)에 연결돼 있다. 그러면 신호는 두 번째 로우 패스 필터(A3, R5, R6, C1, C2)를 따라 이동한다. 마지막으로, 신호는 12비트 ADC(A4, Microchip의 MCP3201)로 커플링된다. 이 로우 패스 필터는 높은 주파수 잡음의 에일리어싱을 제거하여 ADC에 원치 않는 오류가 발생하지 않도록 해준다. 컨버터는 0V~5V에서 신호를 허용하도록 구성되어 있으며, 컨버터의 출력은 마이크로컨트롤러(Microchip PIC16C623)에 인가된다. 전력은 정류기 및 AC-DC 컨버터(월 와트)를 통해 월 소켓에서 생성되는데, 여기서 전력 컨버터는 DC 9V를 출력한다. 파워 서플라이는 LM7805를 사용해 5V까지 안정화된다. 유도성 초크 L1은 파워 서플라이의 리플과 잡음을 별도로 줄여준다.

앞서 설명한 저잡음에 대한 주의사항을 고려하지 않고 회로를 제작할 경우, 그림 2와 유사한 출력이 나오기 십상이다. 이 그림2에 나와 있는 1024개의 샘플은 데이터 속도 30kbps의 ADC 출력(MCP3201)에서 가져왔다. 이 샘플들은 코드 2982를 중심으로 44 코드가 전개돼 있다. 이 데이터에서 시스템의 정확도는 5.45비트 수준이다. 이 회로는 12비트 시스템에도 사용하기 어려운 수준이라는 것을 알아두자. 이 기판의 세부 구성은 다음과 같다.

R3 = 300kW
R4 = 100kW
RG = 4020W
A1 = A2 = 단일 공급, CMOS OP 앰프, MCP604 (Microchip)
로우 패스 앤티 에일리어싱 필터 포함되지 않음
바이패스 커패시터 포함되지 않음
접지 플레인 미사용
L1 단락됨(유도성 초크)


그림 2. 회로 설계 및 기판 레이아웃 단계에서 저잡음 주의사항을 고려하지 않으면 12비트 ADC 시스템의 정확도가 5.45비트(5.45 유효 비트 수) 수준으로 떨어질 수 있다. 이 그림에서 X 축은 12비트 컨버터의 디지털 출력 코드를, Y 축은 X 축에서의 디지털 코드 횟수를 나타낸다(샘플 수 1024개).

회로와 기판을 변경하면 정확한 12비트 솔루션이 탄생한다. 일차적으로, 디바이스 잡음 문제는 저잡음 증폭기와 저항을 사용해 처리해야 한다. 예컨대, 저항의 값이 10배 낮아도 이득은 동일하지만, 이러한 변화로 인해 잡음은 3배 가량 감소한다. 한편, 증폭기는 MCP604에서 MCP6024로 바뀌었다. 1kHz에서 MCP604의 전압 잡음 밀도는 29 nV/OHz(평균)이며, 10kHz에서 MCP6024 전압 잡음 밀도는 8.7 nV/OHz(평균)이다. 이는 약 3배 향상된 것이다. 전도 잡음 문제는 PCB 뒷면에 접지 플레인을 사용해 해결하면 된다. 이 접지 플레인은 금속의 간섭이 신호 경로와 수평이 아닌 평행을 이루도록 구현해야 한다.

기판의 성능은 이러한 변경 사항에 따라 크게 달라진다. 테스트를 통해 ADC의 막대 그래프 결과의 코드 폭이 44개의 코드에서 9개까지 내려간 것을 알 수 있다. 이 같은 급격한 변화로 인해 그림 1의 회로는 9비트 수준의 시스템으로 변신한다.

듣기 좋은 소리처럼 들리겠지만, 이 애플리케이션에서 확인해야 할 점은 12비트 시스템이다. 전도 잡음 문제를 해결하려면 ADC 앞에 두 번째 로우 패스 필터를 추가해야 한다. 이 로우 패스 필터는 A/D 변환 과정을 통해 에일리어스 신호를 줄여준다. 이 필터는 FilterLab® 아날로그 필터링 소프트웨어 툴을 사용해 설계되었으며, 전도 잡음은 바이패스 커패시터 등에 의해 감소했다. 마지막으로 파워 서플라이를 유도성 초크 L1으로 필터링하면 전도성 잡음의 영향이 최소화된다. 이러한 세 가지 수정 사항(위의 세 가지와 함께)은 이 시스템을 진정한 12비트 시스템으로 쇄신시켜 준다. 그림 3에는 이에 대한 예가 나와 있는데, 여기서 1024개의 샘플은 30kbps의 데이터 속도를 제공하는 컨버터에서 수집되며 모두 하나의 코드(2941)와 동일하다.


그림 3. 저잡음 능동/수동 디바이스를 사용하고, 접지 플레인이 포함되고, 바이패스 커패시터가 별도로 장착되며, 로우 패스(앤티 에일리어싱) 필터가 신호 경로에 배치될 경우, 1024개 샘플의 코드 폭은 동일하게 된다.

저잡음 설계의 점검 목록

다음 몇 가지 가이드라인을 따르지 않으면 올바른 12비트 레이아웃 기술을 익히기 어렵다.

1. 회로 내의 회로 디바이스들을 점검하고 저잡음 특성을 갖고 있는지 확인한다.
2. 항상 보드의 한 층에 무정전 접지 플레인을 배치한다.
3. 혼성 신호 회로의 신호가 로우 패스 앤티 에일리어싱 필터로 적절히 필터링되는지 확인한다.
4. 모든 디바이스를 적절히 바이패싱한다. 커패시터는 디바이스의 전력 핀에 가능한 가까이 배치한다.
5. 파워 서플라이를 적절히 필터링한다.

몇 가지 주요 저잡음 지침을 활용하면 진정한 12비트 ADC 시스템을 쉽게 설계할 수 있다. 먼저, 디바이스(저항 및 증폭기)가 저잡음 특성을 갖고 있는지 점검해야 한다. 두 번째, 가급적 접지 플레인을 사용해야 한다. 세 번째, 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하는 경우 신호 경로에 로우 패스 필터를 내장해야 한다. 네 번째, 바이패스 커패시터를 포함시켜야 한다. 이 커패시터는 잡음을 제거하는 것은 물론, 회로의 안정성을 높이는 역할도 한다. 그리고 마지막으로 파워 서플라이가 적절히 필터링되는지 확인해야 한다.

저자

Bonnie Baker는 약 20년간 아날로그 시스템 분야에서 일해 왔다. 그녀는 Burr-Brown에서 제품 제작 엔지니어를 시작으로 IC 디자이너, 애플리케이션 엔지니어링 매니저 등의 직위를 두루 거쳤다. 1998년 Microchip Technology에 입사한 그녀는 현재 아날로그/혼성신호 애플리케이션 엔지니어링 매니저직을 맡고 있다. Bonnie Baker는 애리조나 대학에서 전기공학 석사학위를 받았다. 그녀의 이메일 주소는 bonnie.baker@microchip.com 이다.

참고 자료:

“Reading and Using Fast Fourier Transforms (FFTs)”, Baker, Bonnie C., AN681, Microchip Technology, Inc.
“Anti-Aliasing, Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Bonnie C. Baker, AN699, Microchip Technology Inc.

The Microchip Name, logo, and Filterlab are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A and other countries.


인용: http://www.ednkorea.com/article-118-%BE%C6%B3%AF%B7%CE%B1%D7%C8%B8%B7%CE%C0%C7%C0%E2%C0%BD%BF%F8%B0%FA%C7%D8%B0%E1%C3%A5-Asia.html