광대역 A/D 컨버터 프론트-엔드 설계 고려사항 II
ADC를 위한 선택, 증폭기 혹은
트랜스포머 드라이브? §
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. 증폭기를 선택할 때 어떤 요소가
중요한가?
A. 트랜스포머 대신 증폭기를 사용하는 근본적인 이유는 우수한 통과-대역 평탄도를 획득할 수 있기 때문이다. 이 스펙이 설계에서 결정적이라면, 증폭기는 변화성이 더 적어야 하며, 주파수 범위에서 보통 ±0.1dB이다. 트랜스포머는 럼피 리스폰스(Lumpy Response) 특성을 가지며 사용 될 때 "미세 조정(Fine Tuning)"을 요구하고 있으며 평탄도가 문제가 된다.
드라이브 성능(Drive Capability)은 증폭기가 가진 또 다른 장점이다. 트랜스포머는 PC 보드에서 장시간 트레이스를 구동할 수 없다. 트랜스포머는 ADC에 직접 연결할 수 있도록 고안되었다. 만약 시스템 요구사항이 "드라이버/커플러"가 ADC에서 멀리 떨어지거나, 다른 보드에 놓일 것을 명령하게 되면 증폭기가 적극 추천된다. 트랜스포머가 기본적으로 AC-커플 되기 때문에, DC 커플링은 증폭기를 사용하는 또 하나의 이유일 수 있다. 만약 스펙트럼의 일부분이 애플리케이션에서 중요하다면, 일부 고주파수 증폭기는 DC로 하강하는 주파수에서 연결할 수 있다. 고려해 볼만한 일반적 증폭기로는 AD8138 과 ADA4937이 있다.
증폭기는 버퍼 되지 않은 ADC 입력에서 전류 과도상태에서 킥백 글리치(Kick-back Glitch)를 방지하기 위해 동적 절연, 대략 30dB~40dB의 역 절연을 제공할 수 잇다. 설계가 광대역 이득을 요구하는 경우, 증폭기는 ADC 아날로그 입력에 트랜스포머보다 더 우수한 매치를 제공한다. 또 다른 장점으로 대역폭 vs. 잡음이 있다. 150MHz 이상의 주파수와 관련된 설계의 경우, 트랜스포머는 SNR과 SFDR을 유지하는 훌륭한 작업을 수행할 것이다. 그러나, 첫 번째나 두 번째 나이키스트 영역 내에서, 트랜스포머나 증폭기가 사용될 수 있다.
Q. 고성능 ADC를 구동하기 위한 ADI의 주요 증폭기는 무엇이 있는가?
A. 소수의 증폭기만이 고속 ADC 프론트 엔드를 위한 최적의 성능을 제공한다. 이러한 증폭기에는 AD8138, AD8139; AD8350, AD8351, AD8352, ADA4937, ADA4938이 포함된다. AD8139는 베이스밴드 설계에서 흔히 사용된다. 여기서 입력 주파수 관계는 50MHz 미만이다. 더 높은 IF 설계의 경우, AD8352가 일반적으로 사용된다.
이 증폭기는 더욱 폭넓은 주파수 대역, 최대 200MHz 영역에서 우수한 잡음 및 스퍼(Spur) 제거를 보여준다. ADA-4937은 최대 150MHz의 주파수를 위해 사용될 수 있다. 이 제품이 주요 장점은 ADC를 이용해 DC-커플된 애플리케이션에 있다. 바로 광범위한 공통-모드 출력 전압을 조절할 수 있기 때문이다.
Q. 내가 사용할 수 있는 ADC의 중요한 특성은 무엇이 있나?
A. 보급형 CMOS 스위치 커패시터 ADC는 내부 입력 버퍼가 없다. 따라서, 버퍼된 ADC보다 더욱 적은 소비 전력을 갖는다. 외부 소스는 ADC의 내부 스위치 커패시터 SHA(Sample-And-Hold) 회로(그림 8)로 직접 연결된다. 이것은 2가지 문제를 제공한다. 첫째, 입력 임피던스는 시간에 따라 변하는데 이것은 모드가 샘플과 홀드에서 변경되기 때문이다. 둘째, 샘플링 커패시터에 주입된 전하는 신호 소스로 다시 반영된다; 이것은 드라이브 회로에서 수동 필터를 위한 안정화 지연을 초래할 수 있다.
그림 9에서 보듯이, ADC 트랙 모드 임피던스에 외부 네트워크를 매치하는 것이 중요하다. 확인할 수 있는 것처럼, 입력 임피던스(푸른색)의 실제(저항) 부분은 저주파수(베이스밴드)에서 매우 높으며(수 킬로 옴 범위에서) 100MHz 이상에서 2kΩ 미만으로 매우 낮아진다.
입력 임피던스의 이미지너리 혹은 용량성 부분은 붉은 색으로 표시되며 매우 높은 용량성 부하에서 시작하고 고주파수에서 약 3pF(오른 편 눈금)으로 모아진다. 입력 구조를 매치시키는 것은 매우 까다로운 설계 문제로, 특히 100MHz 이상의 주파수에서 더욱 까다롭다.
그림 10과 그림 11의 파형은 차동 신호의 장점을 보여준다. 간단히 살펴보면, 그림 10에서 개별적인 싱글 엔디드 ADC 입력 파형은 매우 안 좋은 것처럼 보인다. 그러나, 그림 11은 싱글-엔디드 트레이스의 붕괴가 순수한 공통-모드 효과(Common-Mode Effect)라는 것을 보여준다. ADC 입력을 차동적으로(그림 11) 살펴보면, 입력 신호가 더욱 깨끗하다는 것을 알 수 있다. "오류가 있는(Corrupt)" 클록과 관련된 글리치는 사라졌다. 차동 신호에서 공통-모드 제거는 전원, 디지털 소스 혹은 전하 주입에 따른 공통-모드 잡음을 제거시킨다.
버퍼형-입력 ADC는 이해하고 사용하기가 더 쉽다. 입력 소스는 고정 임피던스에서 종결된다. 이것은 낮은 임피던스에서 변환 과정을 주도하는 트랜지스터 단에서 버퍼된다. 따라서 충전-주입 스파이크와 스위칭 과도 상태는 상당히 감소된다. 스위치형-커패시터 ADC와 다르게, 입력 터미네
이션은 ADC의 아날로그 입력 주파수 범위에 대해 거의 변하지 않는다. 따라서 적절한 드라이브 회로 선택이 더 쉽다. 버퍼는 매우 선형화되도록 특별히 설계되며 저잡음을 가진다; 유일한 부정적인 면은 버퍼의 소비전력이 ADC에 더 많은 전력을 소비하는 원인을 제공한다는 것이다.
Q. 트랜스포머 및 증폭기 드라이브 회로에 대한 사례를 보여줄 수 있는가?
A. 그림 12는 트랜스포머를 사용한 4개의 ADC 입력 구성 사례를 보여준다. 베이스밴드 애플리케이션 (a)에서, 입력 임피던스는 더욱 높아져 매치는 결정적이지 않지만 고주파수에서의 매칭보다 더욱 간단해진다. 보통, 작은 값의 직렬 레지스터는 차동적으로 연결된 커패시터와 충전 주입을 감소시킬 수 있을 만큼 충분할 것이다. 이 같은 간단한 필터는 광대역 잡음을 감쇄시켜, 최적의 성능을 달성한다. 광대역 애플리케이션 (b)에서 잘 매치된 입력을 업기 위해, 입력의 실질적인(저항성의) 부품을 뛰어나게 만들어 보자. 아날로그 프론트 엔드와 션트 혹은 직렬 방식으로 인덕터나 페라이트 비트를 이용해 용량성 조건을 최소화시키다.
이것은 AD92xx 스위치형-커패시터 ADC 제품군을 이용해 볼 수 있는 것처럼 우수한 대역폭을 만들어내고, 이득 평탄도를 향상시켜 더욱 우수한 성능(SFDR)을 제공할 수 있다. 버퍼형의 높은-IF 애플리케이션 (c)의 경우, 베이스밴드 구성과 유사한 필터를 이용해 더블-밸룬(Balun) 구성이 나타난다. 이것은 최대 300MHz의 입력을 가능하게 하며 우수한 밸런스를 제공해 짝수차 왜곡(Even-Order Distortion)을 최소화시킨다.
협대역(공진) 애플리케이션(d)의 경우, 토폴로지는 광대역과 유사하다. 그러나, 매치는 규정된 주파수에 대한 대역폭을 좁히기 위해 직렬대신 션트 방식이 된다.
베이스밴드 애플리케이션에서 버퍼형 또는 비버퍼형 ADC를 갖춘 증폭기를 사용하게 되면 설계는 매우 간단해 진다(그림 13). 증폭기의 공동-모드 전압이 ADC와 공유된다는 점만 확실히 하자. 그리고 원치 않는 대역폭 잡음 (a)을 제거하는 간단한 저대역 필터를 사용하자. IF 애플리케이션(b와 c)의 경우, 매칭 네트워크는 베이스밴드에서의 그것과 본질적으로 유사하
나, 더욱 얕아진 롤-오프(Shallower Roll-Off)를 갖는다.
인덕터나 페라이트 비드는 증폭기의 출력에서 사용될 수 있어 필요하다면 대역폭을 확장시킬 수 있다. 그러나, 이게 항상 필요한 것은 아닌데 그 이유는 바로 증폭기의 특성이 트랜스포머의 특성에 비해 대역 관계에서 변화되기가 어렵기 때문이다. 협대역이나 공진 애플리케이션 (d)의 경우, 필터는 ADC의 입력 커패시턴스를 제거하기 위해 증폭기의 출력 임피던스와 매치된다. 보통, 멀티폴 필터는 주파수 지역 외부에서 발생하는 광대역 잡음을 제거하기 위해 사용된다.
Q. 중요한 사항들을 정리한다면?
A. 새로운 설계에 직면할 때, 다음과 같은 사항을 기억하자;
*어려운 설계 수준의 이해
*설계시 중요 요소 분류하기
*트랜스포머나 증폭기에 대한 총 부하를 결정할 때 ADC 입력 임피던스 및 입력 회로에서 외부 부품 포함하기
트랜스포머를 선택할 때, 다음과 같은 사항을 기억하자:
*모든 트랜스포머가 동일하게 설계되지 않는다
*트랜스포머 스펙 이해하기
*정해지지 않은 요소를 위해 제조업체에게 문의하고 모델링을 하자.
*높은-IF 설계는 트랜스포머 위상 불균형에 민감하다
*2개의 트랜스포머나 밸룬은 짝수차 왜곡을 통제하기 위해 매우 높은 IF 설계를 위해 요구될 수 있다.
증폭기를 선택할 때, 다음과 같은 사항을 기억하자:
*잡음 스펙을 기록하기
*증폭기 스펙을 이해하기
*낮은-IF나 베이스밴드 주파수를 위해 AD8138/AD8139를 사용하기
*중간-IF의 경우, ADA4937을 사용하기
*높은-IF 설계 경우, AD8352 사용하기
*증폭기는 불균형에 덜 민감하며, 짝수차 왜곡을 자동으로 억제한다.
*일부 증폭기는 ADC 입력 예를 들어 AD8138/AD8139 및 ADA4937/ ADA4938에 DC 커플될 수 있다.
*증폭기는 출력 로딩 결과에서 입력 소스를 분리시키며 따라서 민감한 입력 소스를 다루는 트랜스포머보다 더욱 유용할 수 있다.
*증폭기는 장거리로 구동할 수 있으며 시스템 파티션이 설계에서 2개 그 이상의 보드를 명령할 때 특히 유용하다.
*증폭기는 또 다른 전원 영역을 요구할 수 있으며 시스템 전력 조건에 추가될 것이다.
ADC를 선택할 때, 항상 기억하자:
*ADC는 내부에서 버퍼 되었는가?
*스위치된 커패시터 ADC는 시간에 변화하는 입력 임피던스를 가지고 있으며 높은 IF에서 설계하는 것이 더 어렵다.
*비버퍼형 ADC를 사용할 경우, 트랙 모드에서 항상 입력-매치이다.
*버퍼형 ADC는 높은 IF 일 때에서 설계하기가 더 쉽다.
*버퍼형 ADC는 더 많은 전력을 소비하는 경향이 있다.
마지막으로:
*베이스밴드 설계는 ADC 유형을 이용하면 가장 쉽다.
*스위치형 커패시터 ADC에서 입력 커패시턴스를 제조하기 위해 페라이트 비드(Ferrite Bead)나 낮은 Q 인덕터를 사용하자. 이것은 입력 대역폭을 최대화시키고, 더욱 향상된 입력 매치를 생성해, SFDR를 유지시킨다.
*2개의 트랜스포머는 높은 IF를 처리하기 위해 필요할 수 있다.
Q. 더 자세한 이해를 돕기 위해
참고문헌을 소개한다면?
A. 애플리케이션 노트
AN-742, 스위치-커패시터 ADC의 주파수-영역 반응
AN-827, 증폭기와 스위치-커패시터 ADC를 인터페이스 하는 공진 방식
B. 논문
Reeder, Rob. "광대역 A/D 컨버터를 위한 트랜스포머-커플 프론트-엔드" Analog Dialogue 39-2. 2005. pp. 3-6.
Reeder, Rob, Mark Looney, Jim Hand. "멀티채널 A/D 컨버터로 최첨단 기술 주도" Analog Dialogue 39-2. 2005.
Kester, Walt. "어떤 ADC 아키텍처가 애플리케이션을 위해 적절한가?" Ana-log Dialogue 39-2. 2005. pp. 11-18.
Reeder, Rob and Ramya Rama-chandran. "광대역 A/D 컨버터 프론트-엔드 설계 고려사항 - 더블 트랜스포머 구성을 사용할 때." Analog Dialogue 40-3. 2006. pp. 19-22.
C. 테크니컬 데이터
AD9246 80/105/125MSPS 14비트, 1.8V, 스위치 커패시터 ADC
AD9445 105/125MSPS 14비트, 5/3.3V, 버퍼 ADC
AD9446 16비트, 80/100MSPS 버퍼ADC
AD8138 저-왜곡 차동 ADC 드라이버
AD8139 최저 잡음 완전 차동 ADC 드라이버
AD8350 1.0GHz 차동 증폭기
AD8351 저-왜곡 완전 차동 RF/ IF 증폭기
AD8352 2GHz 초저 왜곡 차동 RF/IF 증폭기
ADA4937 초저 왜곡 차동 ADC 드라이버
ADA4938 초저 왜곡 차동 ADC 드라이버
AD9215, AD9226, AD9235, AD9236, AD9237, AD9244, AD9245를 위한 ADC 스위치 커패시터 입력 임피던스 데이터(S-파라미터). 각 웹페이지를 방문해서 평가 보드를 클릭하세요. 마이크로소프트 엑셀 데이터시트를 업로드 하십시오.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 05월호>