출력 전류 및 부하 용량 고려한
Op 앰프의 출력 드라이브 결정 §

필요할 때 데이터 시트에 지정된 사양을 벗어날 수 있도록 지원하는 도구를 사용할 경우 반도체 제조업체가 이러한 등급의 디바이스를 특성화하는 것과 마찬가지 방식으로 Op 앰프 평가 시 특정 설정을 얻게 되었다. 이러한 종류의 정보를 접할 수 있으면 유용한 정보를 쉽게 확보할 수 있고, 데이터 시트에서 필요한 정보를 찾기가 어려운 경우에도 어떤 디바이스를 사용해야 할지를 보다 정확하게 파악할 수 있게 된다.

                            글│Hooman Hashemi, National Semiconductor

회로 작업에 사용할 Op 앰프(Operational Amplifier)를 선택할 때 유용한 선택 기준 중 하나는 출력 전류 또는 부하 용량이다. 대부분의 Op 앰프 동작 매개변수는 일반적으로 데이터 시트와 전형적인 성능 그래프 또는 애플리케이션 노트 섹션에 명시되어 있다. 출력 전류의 경우 설계자는 더욱 주의를 기울여야 하며 데이터 시트에 명시된 부품의 용량을 얻기 위해 다양한 매개변수를 조합해야 한다.
반도체 제조업체 수가 많고, 심지어 같은 제조업체가 여러 종류의 디바이스를 생산하여 출력 전류가 다른 경우가 많기 때문에 문제는 더욱 복잡해진다. 이 글에서는 설계자가 선택하는 부품이 모든 조건에서 충분한 부하 드라이브를 가질 수 있도록 여러 사례를 고려하여 디바이스 데이터 시트로 부터 출력 전류를 예측하는 방법에 대해 설명하고자 한다.

드라이브 용량에 영향을 미치는 요인은? 출력 드라이브 용량은 Op 앰프 데이터 시트에 어떤 방식으로 정의되는가?

출력 드라이브는 내부 및 외부 설정, 또는 조건에 대한 함수이다. 출력 단계 바이어스 전류, 드라이브 레벨, 아키텍처 및 프로세스는 내부 요인이며, 특정 기능을 얻기 위해 디바이스를 선택한 후부터 설계자는 출력 드라이브에 영향을 주는 이러한 내부 조건에 집중하게 된다. 대부분의 저전력 Op 앰프는 여러 요인들 중에서도 특히 낮은 출력 단계 바이어스 전류 때문에 부분적으로나마 출력 드라이브 용량이 감소하는 문제를 겪게 된다.
반면, 고속 Op 앰프는 보통 고속 회로의 낮은 임피던스를 수용하기 위해 큰 드라이브 용량을 제공하도록 설계되며, 이러한 측면에 도움이 되는, 보다 큰 동작 공급 전류를 갖는 것이 일반적이다. 전통적으로, 통합 PNP 단계는 NPN 트랜지스터에 비해 효능이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 따라서 영향을 받는 관련 프로세스에서 NPN에 비해 PNP 출력 트랜지스터의 베타가 낮기 때문에 출력 드라이브의 균형이 맞지 않게 된다.
보통 출력 핀 형태의 트랜지스터 콜렉터를 갖는 Rail-to-Rail 출력 Op 앰프인 저급 PNP는 싱킹 전류에 비해 출력 소싱 용량이 작으며, 비Rail-to-Rail 디바이스의 경우에는 이와 반대로, 출력 싱크 전류가 작은 것이 특징이다. 그 이유는 이러한 디바이스들 대부분이 PNP 트랜지스터가 싱킹 특성에 가장 큰 영향을 미치는 이미터 출력을 갖기 때문이다.
또한 디바이스의 출력 전류 용량을 평가할 때는 디바이스 대 디바이스 변동을 항상 염두에 두어야 한다. 이 때문에 설계자는 "전형적인" 데이터 시트 사양을 기반으로 디바이스를 선택할 수 있지만, 제조에 사용되는 모든 디바이스가 충분한 용량을 갖도록 "한계" 또는 "최소" 사양 또한 고려해야 한다.
위에 나열된 내부 요인 외에 몇 가지 외부 요인이 드라이브 용량에 영향을 미친다. 이러한 요인 중 일부는 최적의 출력 드라이브를 제공하도록 조작할 수 있지만, 일부는 조절 기능이 떨어지는 문제를 야기한다. 아래에는 출력 드라이브에 영향을 미치는 외부 요인이 나와 있으며, 이러한 요인은 이 문서의 뒷부분에서 자세히 다룰 예정이다.
1. 해당 공급 전압에 대한 출력 전압 헤드룸(공급 레일에 상대적인 전압 차이)
2. 입력 오버드라이브
3. 총 공급 전압
4. DC 대 AC 커플링 부하
5. 접합 온도
출력 드라이브를 특화 하는 가장 일반적인 형식은 출력 단락 회로 전류라고 할 수 있다. 이러한 방식으로 제조업체는 출력이 그라운드에 연결된 상태(또는 단일 공급 조건에서 공급 전압의 ½, 즉 "VS/2")에서 전류량을 정한다. 소싱용 수치(맨 앞에 "+"가 옴)와 싱킹용 수치(맨 앞에 "-"가 옴) 두 가지를 지정할 수 있다. 이 숫자를 사용하면 부하 간 전압 변화가 적어 출력 단계 드라이버(Op 앰프의 내부)가 해당 공급 레일에 대해 큰 전압 헤드룸을 유지하는 경우 Op 앰프 동작을 효과적으로 예측할 수 있게 된다(소싱 전류의 경우 V+, 싱킹 전류의 경우 V-). 그라운드에 가까운 전압(또는 단일 공급장치인 경우 VS/2)으로 구동되는, 커다란 부하가 걸리는 상황에 Op 앰프가 연결된 상황을 고려해 보자. 이 앰프 단계가 스텝 변동의 영향을 받는 경우, 부하에 사용할 수 있는 전류량은 Op 앰프 데이터 시트의 "출력 단락 회로 전류"에 지정된 것과 같다. 스텝에 대응하여 출력이 변하기 시작하면 다음과 같이 두 가지 상황이 발생한다.
a) Op 앰프 출력 전압의 전압 헤드룸 감소
b) Op 앰프 입력 오버드라이브 감소
Op 앰프 설계에 따른 "a" 상황 때문에 사용 가능한 출력 전류가 감소하며, "b"의 감소한 오버드라이브 때문에 출력 전류 또한 감소할 수 있다.
전류 용량을 지정하는 보다 유용한 또 다른 방법은 출력 전류 대 출력 전압 그래프를 사용하는 것이다. 내셔널 LMH6642에서 가져온 하나의 예가 그림 1에 나와 있다. 대부분의 디바이스에서 일반적으로 전류 소싱(그림 1a)과 전류 싱킹(그림 1b)에 대해 각각 하나의 그래프가 생성된다.
이 그래프 형태를 사용하여 주어진 출력 변화량에 대해 사용할 수 있는 전류량을 평가할 수 있다. 이러한 그래프는 앰프의 가변 출력 전류 용량을 출력 전압의 함수로 나타내기 위해 반도체 제조업체가 생성하게 된다.
그림 1에서 세로 축은 출력 소싱에 대한 "Vout from V+"이고, 출력 싱킹 전류에 대해서는 "Vout from V-"라는 점에 유의해야 한다. 이 방식으로 데이터를 제출하는 한 가지 이유는 두 그래프 모두에 대하여 그라운드에 상대적인 출력 전압을 표시하는 것과 달리 이러한 그래프는 단일 또는 이중 공급 작업에 더 쉽게 적용할 수 있다는 점을 들 수 있다.

또한 전압 헤드룸 크기에 출력 전류가 크게 영향을 받기 때문에 총 공급 전압에 의한 영향은 존재하지만 그 크기가 미미해진다. 따라서 이 방식으로 데이터를 제출하면 정확한 공급 전압 조건이 데이터 세트에 명시되어 있지 않더라도 최대한 가까운 공급 전압 곡선을 사용해서 임의의 공급 전압에서의 대략적인 값을 계산할 수 있다.
그림 1의 그래프를 사용하여 주어진 부하에 대해 가능한 변화량을 예측할 수 있다. 축이 선형인 경우에는 그림 1의 특성에 대해 부하 라인을 중첩하고 차단 지점을 확인하는 방법으로 이러한 종류의 정보를 쉽게 추출할 수 있다. 그러나 그림에 보여진 것처럼, Rail-to-Rail 출력 Op 앰프를 다룰 때는 특히 공급 레일의 출력이 수 밀리 볼트인 적은 전류에서 양호한 분해능을 제공하기 위해 축이 log-log가 된다. 부하 라인은 간단한 라인이 아니므로 log-log 그래프에 대해 부하 라인을 그래프화 하는 작업은 쉽지가 않다.
그렇다면 주어진 부하에 대한 출력 변화는 어떻게 예측할 수 있을까?
디바이스 용량(그림 1 그래프)과 외부 회로 요구 사항 간에 변화 예측을 두 번 반복해 보면 상당히 정확한 예측이 가능해진다. 다음은 이러한 방법을 보여주는 예이다. VS/2 (½ 공급 전압)에 연결된 RL=100Ω의 부하를 구동하는데 LMH6642가 사용된 그림 2a의 사례를 고려해 보자. 여기에서 LMH6642 출력은 VS/2 또는 5V로 바이어스 된다고 가정한다.

그림 2는 그림 1에 보여진 LMH6642를 사용할 경우, 가능한 최대 출력 변화를 예측할 수 있게 된다. 이를 위해 표 1에서 출력 변화의 초기 가정(컬럼 2)부터 시작해 해당 초기 가정을 계속 정정해 보자(컬럼 3과 5를 비교한 결과가 컬럼 6에 표시됨). 디바이스 특성이 부하 요구 사항과 일치하고 최종 변화 예측치가 결정되는 조건에서 최종 결과가 표 1 하단의 컬럼 2에 도달할 때까지 이 정정 작업을 계속한다.

따라서 표 1에서, 그림 2a의 회로가 100Ω 부하에서 최대 8.75V까지 변할 수 있다는 사실이 반복 결과 밝혀지게 되고, 이것은 부하에서 7.5VPP에 대응한다.
다른 부품이 출력 특성을 지정할 수 있는 방법도 있으며 이러한 다른 방법에 대한 몇 가지 예가 부록 A에 나와 있다. 이러한 선택적인 출력 성능 그래프을 사용할 경우, 부하 변화 예측 프로세스는 위에 보여진 상세 예제와 상당히 유사하며, 이때 초기 예측을 미세 조정하는데 몇 가지 형태의 반복 기법이 사용된다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 12월호>