광대역 A/D 컨버터 프론트-엔드 설계 고려사항 II
ADC를 위한 선택, 증폭기 혹은
트랜스포머 드라이브? (1)

고성능 ADC(Analog-to-Digital Converter)의 앞 입력 구성, 즉 "프론트 엔드(Front End)" 설계는 원하는 시스템 성능을 달성하는 데 있어 매우 중요한 부분이다. 전반적인 설계의 최적화는 애플리케이션 속성, 시스템 파티션, ADC 아키텍처를 포함한 수많은 요소들에 좌우된다. 다음 질문들과 답변들은 증폭기 및 트랜스포머 회로를 사용해, ADC 프론트 엔드의 설계에 영향을 미치는 중요하고 실질적인 고려사항들을 다루고 있다.

                                     글│롭 리더(Rob Reeder), 짐 카세르타(Jim Caserta), 아나로그 디바이스

Q. 증폭기와 트랜스포머 간 근본적인
차이점은 무엇인가?

A. 증폭기는 능동 부품인 반면, 트랜스포머는 수동 부품이다. 모든 다른 능동 부품처럼, 증폭기는 전력을 소비하면서 잡음이 생긴다; 트랜스포머는 전력은 소비하지 않으면서, 무시할 수준의 잡음이 생긴다. 증폭기와 트랜스포머 모두 처리해야 할 역동적인 효과(Dynamic Effect)를 갖고 있다.

Q. 증폭기를 사용하는 이유는 무엇인가?
A. 증폭기 성능은 트랜스포머 성능에 비해 제한적인 요소가 더 적다. DC 레벨이 보존되어야 할 경우, 증폭기가 사용되어야 한다. 그 이유는 트랜스포머는 AC-커플형 디바이스이기 때문이다. 다른 한편으론, 트랜스포머는 갈바닉 절연(Gal-vanic Isolation)을 제공한다. 증폭기는 더욱 쉽게 이득을 제공한다. 그 이유는 출력 임피던스가 본질적으로 이득과 독립적이기 때문이다.
다른 한편으로, 트랜스포머의 출력 임피던스는 전압 이득의 제곱으로 증가한다 - 이것은 턴스 비율(Turns Ratio)에 의존한다. 증폭기는 통과 대역에서 더욱 평탄한 반응을 제공하며, 트랜스포머의 상호작용에 기인하는 리플에서 자유롭다.

Q. 증폭기는 얼마나 많은 잡음을 추가
시키는가, 그리고 이것을 줄이기 위해
무엇을 할 수 있는가?

A. 고려할만한 일반적인 증폭기 ADA-4937는 G=1으로 구성될 때 80MSPS AD9446-802 ADC의 10nV/ Hz 입력 잡음 스펙트럼 밀도와 비교해, 고주파수에서 6nV/ Hz의 출력 잡음 스펙트럼 밀도를 갖는다. 여기서 문제는 증폭기가 대략 500MHz에서 ADC의 전체 대역폭과 동급 수준인 잡음 대역폭을 갖는다는 것이다. 반면, ADC 잡음은 나이키스트(Nyquist) 영역(40MHz)으로 확대된다.

필터가 없을 경우, 통합 잡음은 증폭기의 경우 155mV rms이며 ADC의 경우 90mV rms이다. 이론적으로, 이것은 전체 시스템 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 6dB까지 하강시킨다. 이것을 실험적으로 확인하기 위해, AD9446-80을 구동시키는 ADA4937을 이용하여 측정된 SNR은 76dBFS이며 잡음 플로어는 -118dB(그림 1)이다. 트랜스포머 드라이브를 사용한 SNR은 82dBFS이다. 드라이버 증폭기는 따라서 6dB까지 SNR을 하강시킨다.

ADC의 SNR을 좀 더 효과적으로 사용하기 위해, 증폭기와 ADC 사이에 필터를 삽입한다. 100MHz 2폴(Pole) 필터를 사용하게 되면 증폭기의 통합 잡음은 71μV rms이며, ADC의 SNR을 단지 3dB 까지만 떨어뜨린다. 2폴 필터를 사용하면 그림 1 회로의 SNR 성능을 79dBFS까지 향상시키며, 그림 2a에서 보는 것처럼 -121dB의 잡음 플로어를 갖는다. 2폴 필터는 24Ω 레지스터와 30nH 인덕터를 각 증폭기의 출력과 직렬로 구축되고, 47pF는 커패시터와 차동으로 연결된다(그림 2b).

Q. 고속 증폭기와 ADC는 소비전력
면에서 어떻게 비교되는가?

A. 이는 사용되는 증폭기와 ADC에 따라 다르다. 비슷한 소비전력을 갖춘 2개의 일반적인 증폭기는 5V (185mW)에서 37mA를 소비하는 AD8352와 5V (200mW)에서 40mA를 소비하는 ADA4937이다. 전체 소비전력은 3.3V 전원을 사용해서 약 1/3까지 감소될 수 있으나, 성능은 약간 저하된다. ADC는 해상도 및 속도에 따라 더욱 다양한 소비전력의 특징이 있다. 16비트, 80MSPS AD9446-80은 2.4W를 소모하며, 14비트, 125 MSPS AD9246-125는 415mW를 사용하고, 12비트, 20MSPS AD9235-20는 단지 95mW만 사용한다.

Q. 트랜스포머를 사용해야 하는 시점은?

A. 트랜스포머는 매우 높은 신호 주파수에서 그리고 ADC 입력에서 상당히 많은 추가 잡음을 견뎌내지 못할 때, 증폭기 대비 최고 성능의 이점을 제공한다.

Q. 트랜스포머와 증폭기는 이득을 제공할 때 어떻게 다른가?

A. 주요 차이점은 트랜스포머와 증폭기가 ADC 입력에 제공하는 임피던스이다. 이것은 시스템 대역폭에 직접 영향을 미친다. 트랜스포머의 입력과 출력 임피던스는 턴스 비율(Turns Ratio)의 제곱과 관련이 있으며, 반면 증폭기의 입력과 출력 임피던스는 이득과 본질적으로 무관하다.
예를 들어, G=2 트랜스포머가 50Ω 소스 임피던스에서 사용될 때, 트랜스포머의 2차측에서 나타나는 임피던스는 200Ω이다. AD9246 ADC는 4pF의 차동 입력 커패시턴스를 갖추고 있으며, 200Ω 트랜스포머 임피던스와 커플된 이 입력 커패시턴스는 ADC의 -3dB 대역폭을 650MHz에서 200MHz로 감소시킨다.
추가적인 직렬 저항과 차동 커패시턴스는 성능을 향상시키고 컨버터에서 킥백(Kickback)을 감소시키기 위해 필요하다. 이것은 -3dB 대역폭을 더 제한할 수 있고, 100MHz까지 감소시킬 수도 있다.
ADA4937과 같은 저출력 임피던스 증폭기가 사용될 경우, 그 결과는 매우 낮은 소스 임피던스이며, 5Ω 미만이다. 25Ω 과도 상태의 제한 레지스터는 ADC 입력과 직렬로 사용될 수 있다. AD9246 경우에서, ADC의 전체 650MHz 아날로그 입력 대역폭은 사용하기에 알맞을 것이다.
지금까지, -3dB 대역폭에 대해 이야기했다. 좀 더 엄격하게 평탄도를 유지하자면, 1폴 시스템에서 0.5dB이라고 치면, -3dB 대역폭은 약 3배 정도 넓어져야 한다. 하나의 폴을 이용하는 0.1dB 평탄도의 경우 그 비율은 6.5배까지 증가한다. 최대 150MHz까지 0.5dB 평탄도가 필요할 경우, 450MHz 보다 더 큰 -3dB 대역폭이 요구되며, 이것은 G=2 트랜스포머로 달성되기 어려우나, 저출력 임피던스 증폭기로 해결된다.

Q. ADC 구동을 위해 트랜스포머나
증폭기를 선택할 때 고려해야 하는
요소는 무엇인가?

A. 고려사항들은 6가지 요소들로 정리될 수 있다.(표 참조)
핵심 요소들이 상충되지 않는 애플리케이션에서는 좀 더 자세한 분석과 트레이드-오프가 필요하다.

Q. 이 분석에서 고려해야 할 사항들은
무엇인가?

A. 먼저 정해진 ADC에 프론트-엔드를 설계할 때의 난이도를 이해하면서 시작해야 한다. 첫째, 이 ADC가 내부에서 버퍼되었는가 또는 그렇지 않은가?(예를 들어, 스위치된 커패시터 유형인가). 당연히, 어떤 경우이던 간에 주파수가 증가할 때 이 난이도도 함께 올라간다. 그러나, 스위치된 커패시터 유형은 설계자들이 다루기에 더 어렵다.
ADC의 입력 범위를 완전히 사용하기 위해 이득이 필요할 경우, 트랜스포머를 선호할 수 있는 애플리케이션은 필수 이득(턴스 비율)이 증가할 때 더 어려워진다.
물론, 이 난이도는 주파수와 함께 증가한다. 버퍼된 ADC로 100MHz 미만의 IF 시스템 설계는 그림 3에서 보듯이, 비버퍼형 ADC를 사용해 낮은 신호 레벨의 높은 IF 설계와 비교할 경우 상당히 단순할 것이다. 수많은 요소들을 다른 각도로 활용할 경우, 트레이드-오프는 부품들이 변경되어 평가될 때 추적하는 것이 때때로 어렵고 곤혹스럽다.
설계 할 때 모든 요소들을 정리해서 볼 수 있는 스프레드시트나 표를 활용하는 것이 유용할 수 있다. 모든 경우를 만족하는 최적의 설계는 없다; 이것은 사용 가능한 부품 및 애플리케이션 스펙에 달려있다.

Q. 설계는 어려울 수 있다고 하자.
그렇다면, 시스템 요소들과 관련한
세부사항은?

A. 첫째, ADC 프론트 엔드를 설계하면서 모든 요소들을 고려해보는 것은 매우 훌륭한 방법이다! 각 부품은 이전 단계에서 부하의 부분으로 살펴봐야 한다. ZSOURCE=conjugate ZLOAD 일때 최대 전력 전송이 발생한다(그림 4).



이제 설계 요소에 대해 살펴보자.
입력 임피던스(Input Impedance)는 설계의 특징적인 임피던스이다. 대부분의 경우 임피던스는 50Ω이나, 다른 값이 요구될 수 있다. 트랜스포머는 훌륭한 트랜스임피던스 디바이스를 만든다. 이를 통해 사용자는 필요할 때 다른 특성의 임피던스 사이에서 연결할 수 있으며 시스템의 전체 부하를 비교할 수 있다. 증폭기 회로에서, 임피던스는 트랜스포머가 변경될 때 주파수에 대해 변경되지 않도록 설계될 수 있는 입력 및 출력 특성으로 설명된다.
VSWR(Voltage Standing-Wave Ratio)은 얼마나 많은 전력이 관련된 대역폭에 걸쳐 부하에 영향을 미치는 가를 이해하기 위해 사용할 수 있는 크기가 없는(Dimensionless) 요소이다. 중요한 측정방법으로서 이를 통해 ADC의 풀-스케일 입력을 얻기 위한 입력 드라이브 레벨을 결정한다.
대역폭은 시스템에서 사용되는 주파수 범위이다. 대역폭은 베이스밴드에서 협대역이나 광대역이 될 수 있으며 복수의 나이키스트 영역을 커버할 수 있다. 주파수 제한은 -3dB 지점이다.
통과-대역 평탄도(이득 평탄도)는 특정 대역폭 내에서 주파수와 반응의(양극 및 음극) 변화량을 규정한다. 이것은 리플이 될 수 있거나 Butterworth 필터 특성처럼 모노토닉 롤오프(Rolloff)가 될 수 있다. 어떤 경우이든, 대역 평탄도는 1dB 미만이거나 동일하게 요구되며 전체 시스템 이득을 설정하는데 중요하다.

입력 드라이브 레벨은 특정 애플리케이션을 위해 요구되는 시스템 이득으로 결정된다. 이것은 대역폭 스펙과 긴밀하게 연관되어 있으며 필터 및 증폭기/트랜스포머와 같은 선택된 프론트-엔드 부품에 좌우된다(그림 5). 이들의 특성은 드라이브 레벨 요구조건이 가장 까다로운 요소들 중의 하나로 만들 수 있다.
신호 대 잡음 비율(SNR)은 정해진 대역폭 내에서 모든 잡음 성분의 rms값에 대한 풀 스케일 신호의 rms값의 로그 비율이다. 그러나 왜곡 성분들은 포함되지 않는다. 프론트 엔드 관점에서, SNR은 대역폭, 지터, 이득이 증가함에 따라 감소된다(이득이 높을 때, 낮은 이득에서 무시되었던 증폭기 잡음 성분이 중요할 수 있다).
SFDR(Spurious-Free Dynamic Range)은 스퓨리어스 성분 중 가장 큰 신호의 rms 값에 대한 풀 스케일 신호의 rms 값의 비율로 정의된다. 프론트 엔드에서 스퍼(Spur)에 영향을 미치는 2가지 주요 요소는 대부분의 2차 고조파 왜곡을 생성하는 증폭기의 비선형성(또는 트랜스포머의 완벽한 균형 부재)과 입력 미스매치 및 이득에 따른 증폭이다(더 높은 이득에서 매칭은 더욱 어려우며 기생 비선형성은 증폭된다). 이것은 일반적으로 3차 고조파 왜곡으로 볼 수 있다.

Q. 트랜스포머에 대해 꼭 기억해야 할
중요사항은 무엇인가?

A. 트랜스포머는 전압 이득, 임피던스 비율, 대역폭, 삽입 손실, 진폭, 위상 불균형, 반사 손실처럼 수많은 다른 특성을 보유하고 있다. 다른 요건으로 정격 전력, 구성 유형(밸룬이나 트랜스포머 등), 센터-탭 옵션 등이 포함될 수 있다.

트랜스포머로 설계하는 것이 항상 간단하지는 않다. 예를 들어, 트랜스포머 특성은 주파수에 따라 변경되어, 모델을 복잡하게 만든다. 모델링에 대한 시작점이 한 예로, 그림 6은 ADC 애플리케이션에 대한 트랜스포머를 제시하고 있다. 각 요소들은 선택된 트랜스포머에 따라 좌우될 것이다. 가능하다면, 모델을 확보하기 위해 트랜스포머 제조업체에게 연락하는 방안을 제안하고자 한다.
트랜스포머 특성 중에:
- 턴스 비율(Turns Ratio)은 1차 전압에 대한 2차 비율이다.
- 전류 비율(Current Ratio)은 턴스 비율과 상반된 개념이다.
- 임피던스 비율(Impedance Ratio)은 턴스 비율의 제곱이다.
신호 이득(Signal Gain)은 턴스 비율과 개념적으로 동일하다. 전압 이득이 원래 잡음과 무관하다고 해도, 아래에서 논의될 고려사항들이 있다. 트랜스포머는 명목 이득을 갖춘 통과 대역 필터로 검토될 수 있다.
삽입 손실(Insertion Loss)은 특정 주파수 범위에서 필터 손실을 언급하며 데이터 시트에서 찾아볼 수 있는 가장 일반적인 측정 스펙이다. 그러나 추가적으로 고려사항이 존재한다.
반사 손실(Return Loss)은 1차 트랜스포머에서 살펴 볼 때 2차 터미네이션의 효과적인 임피던스의 미스매치를 측정한 것이다. 예를 들어, 1차 턴에 대한 2차 비율의 제곱이 2:1이 될 경우, 2차적인 요소가 100Ω으로 종단되었을 때 1차 요소에 반영될 것으로 50Ω 임피던스를 예측할 것이다. 그러나, 이 관계는 정확하지 않다. 예를 들어, 1차에 대한 반영된 임피던스는 주파수를 변경시킨다. 일반적으로, 임피던스 비율이 상승하기 때문에 반사 손실의 가변성도 증가한다.
진폭(Amplitude) 및 위상 불균형(Phase Imbalance)은 트랜스포머를 고려할 때 결정적인 성능 특성이다. 이 두 가지의 스펙은 설계 시 매우 높은(100MHz 이상) IF 주파수를 요구할 때 얼마나 많은 비선형성을 예측해야 하는 가에 대한 견해를 설계자에게 제공한다. 주파수가 증가할 때, 트랜스포머의 비선형성도 증가하며, 일반적으로 위상 불균형으로 지배된다. 이것은 짝수차 왜곡(Even-Order Distortion) (주로 2nd-고조파)으로 바뀐다.
그림 7은 단일 및 더블 트랜스포머 구성에 대한 주파수 함수로써 일반적인 위상 불균형을 보여준다.
모든 트랜스포머가 제조업체들에 의해 동일한 방식으로 규정되지 않는 다는 것을 명심하자. 분명히 비슷한 스펙을 가진 트랜스포머도 동일한 상황에서 다르게 기능이 수행될 수 있다. 설계에 적합한 최상의 트랜스포머를 선택하는 최적의 방법은 고려되고 있는 모든 트랜스포머의 스펙을 모아 이해하는 것이며, 제조업체의 데이터 시트에 명시되지 않은 핵심 데이터 사항을 요청하는 것이다. 다른 방법으로, 또는 추가적으로, 네트워크 애널라이저를 사용해 직접 성능을 측정하는 것도 유용할 수 있다.







<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>