고속 16비트 신호 경로를 위한 통합적 리시버 서브시스템
글│Todd Nelson, Signal Chain Module Development Manager, LTC
고감도 고속 신호 경로의 모든 세부사항 및 모든 인터페이스에 주의를 기울여야만 16비트 성능을 달성할 수 있다. 더 적은 엔지니어링 인원과 더 짧은 설계 작업 시간으로 더 높은 주파수의 더 높은 수준의 성능을 달성해야 하는 상충되는 요구를 충족하기 위해서는 다양한 분야에 걸쳐서 경험을 필요로 한다.
고속 계측기나 고감도 무선 기지국 같은 고속 신호 경로에서 16비트 성능을 달성하기 위해서는 모든 세부사항에 주의를 기울여야 한다. 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 인터페이스하면서 RF 도메인에서 디지털 도메인으로 전환할 때 귀중한 데시벨이 소실된다. 시뮬레이트하기 극히 어려운 측면에서 고속 고분해능 데이터 컨버터로부터 최대의 성능을 이끌어내기 위해서는 소수의 사람만이 보유한 기술력과 경험을 필요로 한다. 전체 신호 경로에 대한 책임이 신호 경로의 일부분에 대해서만 전문성을 갖춘 사람에게 주어졌을 때는 이 문제가 더 심각해진다.
특히 최신 세대의 16비트 ADC가 이제는 샘플 레이트가 100MHz 이상이고 대역폭이 1GHz에 달하는 고속 리시버의 경우에는 더욱 그러하다. 기술적 과제 이외에도 설계 시간을 더욱 더 단축해야 하는 요구에 의해서 회로 설계 및 보드 레이아웃에 있어 첫 회 성공을 필요로 한다. 시스템 인 패키지(SiP) 기술을 적용해서 경험적 격차를 제거하고 갈수록 높아지는 성능 및 출시시간 요구에 발맞출 수 있다.
엔지니어링이란 기존의 기술들을 새로운 방식으로 적용함으로써 어려운 문제에 대해 실제적인 솔루션을 찾아내는 것이다. SiP 기술은 USB 메모리 스틱이나 무선 단말기의 RF 모듈 같은 소비자 애플리케이션에 흔히 이용된다. 최근에 이 기술이 DC/DC 컨버터에 성공적으로 적용됨으로써 디자이너들이 다양한 애플리케이션에서 어려운 설계 과제를 해결하고 있다. 리니어 테크놀로지는 이 기술을 고속 16비트 리시버에 적용하고 있다. 다년 간의 애플리케이션 전문성과 리니어의 앞선 고속 ADC 및 최신 증폭기를 결합함으로써 공간 절약적인 폼 팩터로 최대 성능의 솔루션을 달성할 수 있게 되었다.
시스템 파티셔닝
LTM9001 μModule 리시버 서브시스템은 기존 디자인의 절반 이하의 면적으로 16비트 130Msps ADC와 고정 이득 증폭기, 앨리어싱 방지 필터, 바이패스 커패시턴스를 통합했다(그림 1). 이 μModule 리시버는 고성능 4층 기판 상에 와이어 접속 다이, 패키지화 부품, 수동 소자들이 탑재된 것으로 이루어진다. 조만간 LTM9001의 각기 다른 버전들을 내놓을 예정이다. 첫 번째 출시 제품으로서 LTM9001-AA는 16비트 130Msps ADC를 이용해 구성된다. 증폭기 이득은 20dB이고, 입력 임피던스는 200Ω이고, 입력 범위는 ±250mV이다. 매칭 네트워크는 이들 조건으로 증폭기 출력과 ADC 입력 사이의 인터페이스를 최적화하도록 설계되었다. 뿐만 아니라 앨리어싱을 방지하고 증폭기로부터 잡음을 제한하기 위해 162.5MHz ±25MHz 용으로 설계된 2극점 대역통과 필터를 포함한다. LTM9001은 최종적인 하향변환 믹서 스테이지 다음에 높은 차수 고감도 필터가 따르도록 되어 있다.
그림 1.개략적인 IF 리시버
서브시스템 분석
차동 신호 경로는 일반적으로 200Ω으로 RF 엔지니어가 수용하기가 편리하다. 기존의 ADC는 입력 범위가 지정되나 임피던스가 복잡한 스위치드 커패시터 구조이므로 샘플 레이트의 전류 펄스를 킥백하고 그러므로 고정 임피던스가 아니고 신속한 RF 계산에 이용하기에 편리하지 않다. LTM9001-AA의 입력 전력은 ±250mV 입력 범위와 200Ω 차동 입력 임피던스를 이용해서 -14dBm인 것으로 편리하게 계산할 수 있다. 데이터 시트에서 72dB SNR이라고 하며 이는 증폭기의 잡음 이득과 대역폭 제한 필터의 효과를 포함한다.
차동 필터 디자인
ADC 드라이버와 ADC 입력 사이의 에일리어스 방지 필터는 광대역 증폭기 잡음을 제한하고 ADC의 높은 SNR을 유지할 수 있도록 한다. LTM9001는 에릴리어스 방지 필터를 통합하며 이는 단순한 2극점 L-C 타입 차동 디자인이다. 이 필터가 LTM9001 안에 완전히 포함되므로 어떠한 설계가 필요하지 않다. 전체 온도에 걸쳐서 지정된 SNR 및 왜곡을 이용해서 이 디자인을 특성화하고 철저하게 테스트한다. LTM9001-AA의 경우에는 이 필터가 3차 나이퀴스트 구역(162.5MHz)을 중심으로 하는 50MHz 대역통과이다. 다른 필터들을 이용한 LTM9001의 다른 버전들이 개발 중에 있다.
레이아웃
16비트 고속 ADC로부터 최대 성능을 이끌어내기 위해서는 우수한 회로 설계뿐만 아니라 신중한 레이아웃이 요구된다. 회로 토폴로지와 부품 값이 적합하다 하더라도 인쇄 회로 보드(PCB) 레이아웃이 성능에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 흔히 하는 실수가 162MHz의 IF이므로 고주파 레이아웃 기법을 필요로 하지 않는다고 생각하는 것이다. 하지만 LTM9001의 것과 같은 고성능 ADC를 위해서는 샘플 앤 홀드의 대역폭이 700MHz 이상이다. 그러므로 샘플 앤 홀드가 고주파 잡음을 픽업하고 SNR을 저하시킬 수 있다. 이 점에 있어서 축적된 경험을 필요로 한다.
또 다른 간단한 예는 전원 바이패스 커패시터의 위치이다. 기존의 ADC 보드 레이아웃에 있어서 흔한 문제는 바이패스 커패시터에서 ADC로 긴 트레이스에 의한 과도한 잡음이다. 이 때 좋은 방법은 커패시터를 디바이스의 전원 핀에 되도록 가깝게 배치하는 것이다. 디스크리트 디자인에서는 다이가 IC 패키지의 리드프레임으로 와이어 접속된다. 그러면 바이패스 커패시터가 최적 위치로부터 다소 멀어진다. 기존의 패키지 크기는 주변둘레 핀 수에 의해 결정되거나 아니면 디바이스의 전력을 적절히 발산하도록 선택된다. 그러므로 그림 2에서 0.8mm(오른쪽 그림)에 비해서 3.5mm(왼쪽 그림)로 접속 와이어가 μModule보다 훨씬 더 길다. 그러므로 LTM9001의 내부 바이패스 커패시터는 디스크리트 디자인에서 가능한 것보다 다이에 훨씬 가깝다. LTM9001은 훨씬 더 소형의 ‘AC 풋프린트’를 제공하므로 의도하지 않은 소스로부터 잡음을 수집하고 노이즈 플로어를 증가시키는 위험성을 낮춘다.
그림 2. 표준 패키지와 SiP의 접속 와이어 길이 비교
LTM9001 기판 디자인은 다년 간의 애플리케이션 경험에서만 나올 수 있는 많은 아이디어를 채택했다. 뿐만 아니라 신중한 레이아웃, 적합한 회로 설계, 고성능 부품들을 전체적으로 한 유닛으로 철저하게 특성화하고 테스트한다. 그 결과로서 극 소수의 외부 부품을 필요로 하는 시스템을 제공한다(그림 3참조). 이 설계 단계에서 LTM9001이 설계 및 레이아웃에 있어서 상당한 시간을 절약할 뿐만 아니라 비싼 보드 수정 횟수를 줄일 수 있도록 한다.
그림 3. LTM9001 평가 보드
결론
고감도 고속 신호 경로의 모든 세부사항 및 모든 인터페이스에 주의를 기울여야만 16비트 성능을 달성할 수 있다. 더 적은 엔지니어링 인원과 더 짧은 설계 작업 시간으로 더 높은 주파수의 더 높은 수준의 성능을 달성해야 하는 상충되는 요구를 충족하기 위해서는 다양한 분야에 걸쳐서 경험을 필요로 한다. 아무리 완벽한 회로 디자인이라 하더라도 전원 바이패스 커패시터의 위치 같은 사소한 레이아웃 문제가 성능에 영향을 미칠 수 있다. 고속 리시버에 적용되기 시작한 SiP 기술은 이 신호 경로에 중요한 인터페이스를 통합한다. LTM9001은 각기 다른 프로세스 기술의 IC 부품과 수동 부품을 통합할 뿐만 아니라 성능을 극대화하기 위해 필요한 일부 레이아웃 기술을 효과적으로 통합했다. 이들 μModule 리시버는 부족한 경험에 의한 차이를 제거함으로써 첫 회 성공을 높이고 설계 시간을 단축한다.
비고: LTM은 리니어 테크놀로지의 등록상표이며, μModule은 리니어 테크놀로지의 상표입니다.