DAC와 가변 저항을 이용한 APD 전원 전압 조정 - Technology

DAC와 가변 저항을 이용한 APD 전원 전압 조정

글│James Horste, Corporate Field Applications Training, Maxim Integrated Products, Inc.

APD(Avalanche photodiode)는 광 통신 시스템에서 수신 검출기로 사용된다. APD는 입사 방사(incident radiation)에 반응하여 전자 정공 쌍(electron-hole pair)을 발생시킬 수 있게 접합점에서 역 바이어스 전압으로 동작한다. 이렇게 발생된 전자 정공 쌍은 인가된 필드에 의해 스위핑되어 방사 강도에 비례하여 전류로 변환된다. APD로부터 최대 감도를 얻기 위해서는 항복 전압을 발생시키지 않으면서 역 전압이 가능한 높아야 한다. 항복 전압은 과도한 전류가 접합점을 흐르게 할 수 있으므로, 이러한 전류를 제한하지 않으면 APD가 파손될 수 있다.

APD는 항복 전압의 90% 또는 그 이상에서 동작하는 경우가 많다. 항복 전압은 부품마다 다르지만, 온도에 의해서도 달라진다. 이러한 높은 바이어스를 갖는 APD를 안전하게 사용하기 위해서는 시스템에 사용되는 특정 APD에 대한 안전한 값으로 전원 전압을 설정하고 유지해야 한다. 고성능 시스템에서는 전압 또한 온도에 따라 달리 해주어야 한다.

전원 전압을 조정하는 데에는 몇 가지 옵션이 있다. 가장 일반적인 부품은 가변 저항, 포텐쇼미터, 전압 출력 DAC, 전류 출력 DAC이다. 이들 부품은 전원 제어에 사용될 때 각각 다른 응답을 갖는다. 그림 1은 위의 옵션으로 각각 제어될 때 APD 전압의 변화를 보여준다. 이들 옵션은 고유한 장점과 단점을 갖는다. 자세한 내용은 아래에서 설명된다.

그림 1. APD 제어 기술의 비교

[참고: 그래프를 다시 그릴 때에는 동일한 그래프 상에 여러 개의 곡선을 모두 포함할 수 있도록 X축을 0%에서 100%까지 만들도록 한다.]

가변 저항

가변 저항과 포텐쇼미터라는 용어는 흔히 혼용된다. 이 글에서 가변 저항은 단자 간에 가변 저항을 갖는 2단자 소자를, 포텐쇼미터는 2개의 단자와 와이퍼라 불리는 세 번째 단자 간에 고정 저항을 갖는 3단자 소자를 가리킨다.

¶ 가변 저항의 예:
- MAX5434, 32탭, 50kΩ, 비휘발성, I2C 인터페이스
- DS1848, 듀얼 256탭, 50kΩ 및 10kΩ, 비휘발성, 온도 제어, I2C 인터페이스
- 기계적 가변 저항
¶ 슬로프: 네거티브
¶ 선형성: 비선형
¶ 장점: 전원 설계를 최적화하기 위해 저항 분배기 값을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 가변 저항은 시스템 칩에서 2개 칩만 사용하므로 기준 전압이 필요없어 파이어 옵틱 제어 회로에 많이 내장된다.
¶ 단점: 네거티브 슬로프는 최소 APD 전압을 보장하려면 시스템이 최대 값의 저항으로 파워업해야 한다는 것을 의미한다. 온도 보상 시스템에서는 비선형성을 고려해야 한다.

포텐쇼미터

포텐쇼미터는 기계적인 구조로 생각하면 이해하기 쉽다. 기계적 포텐쇼미터에는 고정 저항을 사이에 갖는 두 단자가 있다. 세 번째 단자는 와이퍼라고 하며, 고정 저항을 올리고 내린다. 전자 포텐쇼미터는 스위치를 이용해 와이퍼와 유사한 기능을 수행한다. 기계 포텐쇼미터는 무한에 가까운 분해능을 갖는 반면, 전자 포텐쇼미터의 분해능은 사용되는 스위치 수에 따라 결정된다.

와이퍼와 다른 단자 중 하나만 사용하면, 포텐쇼미터를 가변 저항으로 사용할 수 있다. 포텐쇼미터의 장점은 와이퍼의 전압이 전체 저항에 걸리는 전체 전압의 일부분이라는 점이다. 선형 테이퍼를 사용한다고 간주한다면, 와이퍼의 전압은 와이퍼 위치와 직접적으로 비례한다. 와이퍼의 전압이 버퍼링되는 경우 포텐쇼미터는 전압 출력 DAC로 간주할 수 있다. 다음 섹션에서 설명하겠지만, 와이퍼가 버퍼링되지 않는 경우 와이퍼에 나타나는 전체 임피던스는 미드 포인트의 R/2에서부터 극단의 매우 낮은 값까지 다양하다. 이러한 저항의 변화는 다른 고정 저항과 함께 사용될 때 비선형성의 원인이 된다. 이 섹션에서 설명되는 것이 바로 이 경우이다.

¶ 포텐쇼미터의 예:
- MAX5432, 32탭, 50kΩ, 비휘발성, I2C 인터페이스
- 기계적 포텐쇼미터
¶ 슬로프: 부품의 연결에 따라 포지티브 또는 네거티브 슬로프
¶ 선형성: 비선형 응답이지만 가변 저항보다 우수하다.
¶ 장점: 포지티브 슬로프로 설정할 수 있어 전원 인가 시 최소 값에서 APD 전압을 시작할 수 있다. 응답은 가변 저항보다 선형적이며, 기준 전압이 필요 없다.
¶ 단점: 포텐쇼미터 저항이 저항 분배기 값을 결정한다. 높은 값의 포텐쇼미터는 높은 값의 저항 분배기를 요구하므로, FB 누설 전류에서 오류를 발생시킬 수 있다. 시스템 칩에 3개의 핀이 필요하며, 일부는 비선형적이다.

전압 출력 DAC

전압 출력 DAC는 가장 많이 사용되는 유형으로, 아래에서 설명되는 다양한 형식을 이용할 수 있다.

¶ 전압 출력 DAC의 예:
- MAX5222, 듀얼, 8비트, SPI
- 와이퍼 전압을 위한 버퍼가 있는 포텐쇼미터
- 펄스 폭 변조(PWM) 구형파 출력 및 필터를 갖는 마이크로컨트롤러
¶ 슬로프: 네거티브 슬로프
¶ 선형성: 선형
¶ 장점: 전원 설계를 최적화하기 위해 저항 값을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 많은 시스템에서 여러 형식의 전압 DAC 출력을 이용할 수 있다. 선형 응답을 갖는다.
¶ 단점: 네거티브 슬로프는 최소 APD 전압을 보장하려면 최대 값의 전압으로 시스템을 파워업해야 한다는 것을 의미한다. 기준 전압이 필요하다.

전류 싱크 (Sink) DAC

전류 출력 DAC는 파이버 시스템에 점점 많이 이용되고 있다. 전류 출력은 싱크(sink)로 설정되기 때문에 전류 미러(current mirror) 기반 레이저 컨트롤러에 간편하게 인터페이싱할 수 있다. 이러한 DAC의 사용이 늘면서 APD 제어를 위해 예비 DAC 부를 제공하는 경우도 증가하고 있다. 그러나 전류 소스 DAC는 파이버 애플리케이션에서는 적합하지 않으며 일반적으로 소형 패키지로 제공되지 않는다. 자세한 설명은 생략하기로 한다.

¶ 전류 싱크 DAC의 예:
- MAX5547, 듀얼, 10비트, 기준 전압, SPI가 있는 전류 싱크 DAC
- DS1861 레이저 컨트롤러
¶ 슬로프: 포지티브 슬로프
¶ 선형성: 선형
¶ 장점: 많은 시스템에서 여러 형식의 전압 DAC 출력을 사용할 수 있다. 선형 응답을 갖는다. 포지티브 슬로프를 갖기 때문에 전원 인가 시 최소 값에서 APD 전압을 시작할 수 있다. 선형 응답을 갖는다.
¶ 단점: DAC 싱크 전류 범위가 저항 분배기 값을 고정한다. 높은 DAC 전류는 높은 APD 전류를 의미한다. 기준 전압이 필요하다. 전류 싱크 DAC는 다른 옵션들처럼 아직 많이 사용되고 있지는 않다.

설계 고려사항

¶ 사용 가능한 부품: 위의 옵션 중 하나는 이미 시스템에 사용할 수 있으며 예비 제어 출력을 갖는다. 예를 들어, 예비 PWM DAC 출력을 갖는 마이크로컨트롤러 또는 예비 가변 저항 출력을 갖는 레이저 컨트롤러가 있다.
¶ 선형성: 온도 보상이 필요한 경우 APD 제어 회로의 분해능을 고려해야 한다. 최악의 선형성을 갖는 응답 부에서도 필요한 분해능을 계속 제공할 수 있어야 한다.
¶ 시동: 시스템이 안전한 전압에서 시작하도록 해야 한다. 다음과 같은 몇 가지 옵션이 있다.
- 적절한 값이 제어 소자에 로드될 때까지 전원을 켜지 않는다.
- 이전 명령 값으로 파워업되는 비휘발성 소자를 사용하는 경우, 충분히 적합한 값을 가질 수 있다. 시스템이 일정 온도에서 파워다운된 후 다른 온도에서 파워업되는 경우 위험할 수 있으며, 이 경우 새로운 전압이 높을 수 있다.
- 최소 APD 전압을 제공하는 출력으로 파워업을 제어하도록 한다.
¶ PWM 필터: 필터가 있는 PWM을 전압 출력 DAC으로 사용하는 경우, 반드시 필터 안정화 시간을 고려해야 한다. 필터 출력은 제로에서 시작하고 램핑 업되는데, 이는 APD 전압이 최대 값에서 시작하고 램핑 다운된다는 것을 의미한다.
¶ 전류 소비를 최소화하기 위해서는 저항 분배기 저항이 충분히 높아야 하지만, 오류를 발생시키지 않으려면 FB 노드의 전류가 충분히 낮아야 한다.
¶ 조정 범위: 조정 범위의 정도는 몇 가지 요소에 의해 결정된다. 조정 범위는 포토다이오드의 생성 편차뿐 아니라 온도 편차를 수용할 수 있어야 한다. 일부 고객은 장거리와 단거리 시스템에 모두 동일한 회로를 사용하면서 광 특성과 APD를 적절한 값으로 변경한다. 이러한 시스템은 훨씬 큰 조정 범위를 필요로 한다.

APD 전원 설계

그림 2는 MX5026을 사용하는 70V APD 전원의 예를 보여준다. MAX5026 내부에 탑재된 측면 DMOS 스위칭 MOSFET은 최대 40V로 정격 지정되어 스위처는 35V에서 동작하므로, 70V를 발생시키기 위해 출력에 전압 더블러 회로를 추가하였다. 전압 더블러는 C2, C3, D1 및 D2로 구성된다. 35V 정도만 필요한 경우에는 이들 부품을 생략할 수 있다.

그림 2. MAX5026 70V APD 회로

이제 다른 구성을 사용하는 몇 가지 예와 함께 MAX5434 가변 저항, MAX5432 포텐쇼미터, MAX5222 전압 출력 DAC 및 MAX5547 전류 싱크 DAC(각각 그림 3a, b, c, d. 제공된 파일 참조)에 의해 제어되는 회로에 관한 설계 방정식을 살펴보기로 하자. 모든 예는 30V~70V의 출력 범위를 가지며, 1.25V의 기준 전압을 사용한다. 설계 방정식은 외부 피드백 분배기를 갖는 모든 전원에도 적용할 수 있다.

그림 3a.

그림 3a에 보이는 가변 저항 설계 방법에서 출력 전압은 가변 저항을 사용하여 제어되며 다음과 같이 계산할 수 있다.

원하는 출력 전압 범위는 Voutmin = 30V ~Voutmax = 70V이며, 가변 저항의 저항 범위는 Rvarmin = 610Ω~ Rvarmax = 50 × kΩ이다. 따라서, Voutdelta = Voutmax - Voutmin = 40V이다.

다음으로, R1의 값을 선택하고, R1 = 249kΩ이면 다음과 같이 R2 및 R3의 값을 계산한다.

그림 3b의 포텐쇼미터 기반 설계의 예에서는 포텐쇼미터가 가변 저항 대신 사용되었다. 다음과 같이 값을 계산할 수 있다.

그림 3b.

출력 전압의 방정식은 X = 와이퍼 위치, 1 = 상단, 0 = 하단일 때 다음과 같다.

원하는 출력 전압 범위는 Voutmin = 30V~Voutmax = 70V이며, 포텐쇼미터의 전체 저항(Rpot)은 50kΩ이다. 이제 R2와 R1의 값을 다음과 같이 계산할 수 있다.

전압 출력 DAC 설계 방정식

설계에서 그림 3c와 같은 전압 출력 DAC를 사용하는 경우 APD 출력 전압은 전압 출력 DAC에 의해 제어된다. APD 출력 전압은 다음과 같이 계산할 수 있다.
원하는 출력 전압 범위는 Voutmin = 30V ~Voutmax = 70V이다. 이 때, DAC 범위는 VDACmin = 0V에서 VDACmax = 2.5V이다.

그림 3c.

다음으로, R1의 값을 선택한다. 예제와 같이 249kΩ을 사용하면, 이제 R2와 R3의 값을 다음과 같이 계산할 수 있다.

그림 3d와 같이 전압 출력 DAC 대신 전류 싱크 DAC를 사용하면, 다음과 같이 원하는 APD 출력 전압에 대한 방정식으로 계산을 시작할 수 있다.

그림 3d.

원하는 출력 전압 범위는 Voutmin = 30V~Voutmax = 70V이며, 전류 싱크 DAC 범위는 IDACmin=50uA~IDACmax=1.2mA이다. 따라서, R1과 R2의 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.