아키텍처의 차이, 혹은 R2R래더에 대해 스트링 아키텍처가 가지고 있는 장단점, 또 그 반대의 경우에 대한 장단점에 대해 알고 있는 사람은 거의 없다. 설계자가 그 차이와 이러한 범용 DAC의 동작 방식을 안다면 애플리케이션용으로 최선의 DAC를 선택할 수 있다. 이 글은 DAC의 기본적 동작에 대해 설명하고, 질문에 대한 답을 제시하고자 한다.

어디에나 존재하는 디지털과 아날로그!

R2R과 스트링 DAC의 차이는 무엇인가?

글│Georg Haubner, Strategic Marketing & Systems Engineer Digital-to-Analog Converter, TI

 엔지니어링 교육과정을 통해 ADC, Op Amp, DAC는 물론 기타 전자 아키텍처에 관해 심도 있는 과정을 거치면서 회로들의 기본적 기능에 대해 이해를 하게 되었다고 생각할 것이다. 하지만 ADC의 동작 방식에 대해서는 충분히 이해하고 있지만, DAC 혹은 그 실제 동작 방식에 대해서는 잘 알고 있지 않다. 여전히 대부분의 사람들에게 DAC는 디지털 데이터가 입력되어 그에 상응하는 아날로그 신호가 출력되는 블랙박스이다. 아키텍처의 차이, 혹은 R2R래더에 대해 스트링 아키텍처가 가지고 있는 장단점, 또 그 반대의 경우에 대한 장단점에 대해 알고 있는 사람은 거의 없다. 설계자가 그 차이와 이러한 범용 DAC의 동작 방식을 안다면 애플리케이션용으로 최선의 DAC를 선택할 수 있다.
이 글은 DAC의 기본적 동작에 대해 설명하고, 질문에 대한 답을 제시하고자 한다.

 DAC는 주로 디지털 데이터가 입력되어 그에 상응하는 아날로그 신호를 출력하는 블랙박스로 인식되고 있지만 그 이상의 것이 있다. 디지털 데이터는 직렬형일 수도 있고 병렬형일 수도 있다. 예를 들면 디지털 데이터 스트림을 직렬로 전송하는 SPI 또는 I2C와 같은 직렬형 인터페이스는 블랙박스로 유입되는 목걸이 또는 체인과 같다. 반면에 병렬형 인터페이스는 디바이스에서 하나의 클록 사이클을 가지고 필요한 모든 비트를 처리한다. 디바이스의 반대편에 있는 아날로그 출력 신호는 전압 또는 전류이다. 그림 1을 참조하자.

그림 1.

 입력 인터페이스가 다르면 데이터 형식이 달라지므로 이에 따라 속도, 핀의 수, 칩의 면적, 디바이스 크기, 유연성도 달라진다. 그러나 직렬 및 병렬 인터페이스 모두 디바이스에 디지털 데이터를 입력한다.

 일단 디지털 데이터가 블랙박스 안에 입력되면 입력 레지스터가 직렬-병렬 변환을 담당하거나 또는 멀티 채널 디바이스 내에서 데이터를 저장하고 개별 DAC 레지스터로 전송한다. 입력 레지스터와 DAC 아키텍처 사이를 연결하는 DAC 레지스터는 메모리처럼 동작하고 디지털 데이터를 저장한다.

 DAC 설계의 첫 단계에서 DAC 레지스터는 디지털 데이터를 저장하는 외부 메모리 블록이다. DAC 레지스터가 없다면 DAC 출력은 외부 입력 버스의 변화에 따라 즉각적으로 변하게 되는데 바로 아날로그 회로의 실시간 입력 때문이다. 이 데이터는 사용자가 신규 코드를 사용해 DAC 레지스터를 업데이트 하고자 결정할 때까지 DAC 내에 머문다. DAC 레지스터는 기본적으로 플립-플롭처럽 동작한다.

아키텍처

 오늘날의 정밀 DAC에는 주로 R2R과 스트링 등 두 종류의 아키텍처가 사용된다. 두 아키텍처 모두 특정 디지털 제어 로직을 갖춘 아날로그 회로이다. 기본적인 R2R 아키텍처를 사용할 경우 전류와 전압 출력을 모두 생성할 수 있다. 하지만 스트링 아키텍처는 출력 버퍼를 사용해 전압 출력만 생성할 수 있는데 이는 그림 2의 출력 회로 박스에 나타나 있다. 전류 출력의 경우 구현된 출력 버퍼는 없다.

그림 2.

스트링 아키텍처

스트링 아키텍처는 이름에서 알 수 있듯 직렬 저항으로 직렬로 배치되어 스트링을 구성한다. 이론적으로는 8 비트 DAC를 구축하기 위해 256개의 저항이 필요하다(28 = 256) (그림 3참조).

그림 3.

 해상도가 증가한다는 것은 스트링 DAC 구축에 필요한 저항의 수가 증가한다는 것을 의미한다. 16 비트 ADC의 경우 가능한 모든 전압/디지털 단계를 생성하기 위해 총 65,536개의 저항이 필요하다. 그러나 실제 설계에서는, 소형의 패키지, 저전력 소모, 적은 비용이 요구되기 때문에 단일 칩에 6만 6천여 개의 저항을 집적하는 것은 불가능하다. 그래서 설계자는 필요한 저항 수와 저항 스트링 상의 태핑점의 수를 감소시킨 인터폴레이팅 증폭기 등의 추가 소형 회로를 사용하여 전력 효율이 높고 면적을 적게 차지하는 설계를 만들고 있다, 인터폴레이팅 증폭기는 출력 버퍼로 사용된다. 현재의 몇몇 스트링 아키텍처는 증폭기의 외부 피드백 루프용으로 사용 가능한 핀을 갖추고 있다.

 그림 3은 디지털 입력 코드와 동등한 전압 출력을 생성하는 내부 출력 버퍼가 포함된 스트링 아키텍처를 나타낸다.
스트링 DAC의 장점은 주어진 스트링 아키텍처로 인해 단가가 낮고 모노토닉이 확보된다는 점이다. 전력 소모가 적고 다이의 면적이 작기 때문에 소형 패키지 구현이 가능해 휴대형 애플리케이션에 적합하다. 또한 출력 버퍼가 이미 포함되어 있기 때문에 기판 상에 추가적인 외부 부품을 필요로 하지 않는다. 출력 버퍼는 내부 저항과 아날로그 회로를 외부와 단절시킨다. 이는 임피던스가 낮은 회로에 매우 도움이 된다. 대부분의 애플리케이션은 글리치가 낮은 에너지를 필요로 하는데 이는 스트링 아키텍처의 또 다른 장점이다.

 반면에 스트링 설계는 임피던스가 높기 때문에 일반적으로 노이즈가 R2R 아키텍처보다 높다. 설계자는 정밀도가 제한적이라는 점을 알아야 하며, INL(integral-non-linearly)을 필요로 한다. 구형 설계는 기본적으로 60대 중반의 LSB(least significant bit)에 INL 수를 가지고 있다. 신형 설계는 개선된 프로세스 기술을 사용하며, 4 LSB 면적에 기본적인 INL 수만 가지고 있다. 모터 제어 또는 프로세스 제어 등과 같은 많은 폐쇄형 루프 애플리케이션의 경우 4 LSB의 기본 INL로 충분하다. 그러나 자동화 시험장비와 같은 기타 애플리케이션의 경우 이것으로는 불충분하다. 이러한 애플리케이션은 1 LSB의 INL을 필요로 하기 때문에 다른 아키텍처 즉, R2R을 필요로 한다.

R2R 아키텍처

 R2R 아키텍처는 기본적으로 저항 래더처럼 저항의 구성이 병렬로 이루어져 있다. 그림 4는 가능한 R2R 래더 하나를 보여주고 있는데, 이는 다중 DAC(MDAC)로서 R2R 래더의 최상위가 외부 레퍼런스 전압에 연결된다. 이 아키텍처는 디지털 입력 코드와 동등한 전류를 출력한다.

그림 4.

 R2R 래더를 구현하는 또 다른 방법은 그림 5에 나타나 있다. 외부 레퍼런스 전압이 R2R 래더에 직접 연결되지 않는다. 디지털 입력 코드에 따라 스위치가 레퍼런스 전압 또는 R2R 네트워크를 경유하여 접지 레벨을 출력 버퍼에 연결하는데 출력 버퍼는 생성된 전압 신호를 출력 전압으로 변환한다.

그림 5.

 그림 5에 나타나 있는 아키텍처는 0V부터 외부에서 적용된 레퍼런스 전압까지의 유니폴라 출력 전압만을 허용한다 (DAC의 공급 전압은 반드시 레퍼런스 전압과 동등하거나 또는 높거나/커야 한다). 접지 레벨을 추가적인 외부의 네거티브 레퍼런스 전압에 연결함으로써 후자의 아키텍처를 변조하는 경우 양극 동작이 가능하다. 그림 6은 변조된 아키텍처를 예시하고 있다. 이 아키텍처는 유연한 레퍼런스 전압 선택용으로 사용될 수 있다. VREFL의 전압은 음의 값을 가질 수도 있지만 그럴 필요는 없다. 상세한 설명과 값은 DAC7714[1] 등의 기존의 데이터 시트에서 찾아볼 수 있다.

그림 6.

 R2R DAC의 장점은 노이즈가 적고 정확도가 높다는 점이다. ±1 LSB INL과 DNL의 정확성이 가능하다. 또한 이 아키텍처는 고압 출력이 가능하며 10MHz 이상의 멀티대역폭을 사용하여 MDAC의 설정 시간이 0.3μsec 미만으로 매우 빠르다. 일반적으로 기타 R2R 토폴로지의 설정시간 능력은 중간 정도이다.

 설계자가 사용할 외부 출력 버퍼를 선택할 때 MDAC의 경우 유연하기 때문에 이 유형의 아키텍처는 디지털 방식으로 제어되는 보정 또는 프로그램 가능한 산업용 로직 제어(PLC) 등과 같은 광범위한 애플리케이션에서 큰 관심을 끌고 있다. 설계자는 주어진 애플리케이션에 최상의 동작 증폭기를 선택할 수 있다. 반면에 외부 버퍼가 저 임피던스 연결을 위해 필요하기 때문에 보드 상의 디바이스 수는 증가된다. 두 번째로 글리치 에너지는 확실히 스트링 아키텍처보다는 R2R 아키텍처에서 덜 우호적이기 때문에 R2R DAC는 파형 생성 및 기타 글리치 민감성 애플리케이션에는 유용성이 떨어진다.

결론

 이득 에러 또는 오프셋 에러와 같은 기타 전기적 사양은 고려될 필요가 있으며 동시에 온도의 변화 또는 전반적인 에러는 중요한 변수이다. 이러한 사항들은 통상 특정 아키텍처와는 상관이 없다. 잘 시작하기 위해서 설계자는 반드시 기본적 요구사항을 고찰하고 최소한 어떤 해상도와 선형성이 필요한지 자문해야 한다. 폐쇄형 루프 애플리케이션의 경우 가격이 저렴하고 선형성이 낮은 DAC 아키텍처로도 기능을 달성할 수 있겠지만 개방형 루프 애플리케이션에서는 R2R 아키텍처의 기능이 더 좋고 보다 좋은 선형성을 제공하여 정확도도 더 높아진다.

참조문헌

[1] TI의 DAC7741 데이터시트: www.ti.com/sc/device/dac7714
[2] TI의 증폭기 및 데이터컨버터 선택 가이드 : http://focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf
[3] TI의 DAC 제품 포트폴리오 : www.ti.com/dataconverters