D/A 컨버터(DAC)와 디지털 포텐쇼미터(digipot)는 얼핏 보기엔 매우 유사하다. 이 글에서는 이 두 소자의 공통점과 차이점을 설명하고 특정 애플리케이션에는 어떠한 종류의 소자가 적합한지, 또 이들 소자가 해결할 수 없는 문제는 무엇인지 살펴보기로 한다.

D/A 컨버터냐 디지털 포텐쇼미터냐?

글│Reinhardt Wagner, Senior Field Application Engineer, Maxim Integrated Products Inc.

디지털 포텐쇼미터의 특성

 디지털 포텐쇼미터의 와이퍼는 전기기계식 포텐쇼미터와 마찬가지로 저항 스트링의 양 끝단 H(HIGH)와 L(LOW) 사이의 어느 위치에나 설정할 수 있다. 와이퍼 설정은 디지털 인터페이스(그림 1)를 통해 디지털 값(D)을 사용하여 직접 또는 상향/하향 펄스를 통해 단계적으로 조정할 수 있다. 전기기계식 포텐쇼미터와 달리 디지털 포텐쇼미터는 핀에 인가되는 전압에 제한을 갖는다. 저항 단(L 및 H)에서 전압의 범위는 Vcc 및 Vss/Gnd에 의해 정의되는 범위 내에 있어야 한다. N 설정 레벨을 가지면서 와이퍼 부하가 없는 디지털 포텐쇼미터에서 와이퍼 전압은 다음의 방정식 1로 나타낼 수 있다.

그림 1. 전압 출력 D/A 컨버터로 사용되는 디지털 포텐쇼미터는 출력 버퍼 증폭기를 필요로 한다. MAX5548과 같은 듀얼 전류 출력 DAC는 유사한 제어를 제공할 수 있으며 출력 버퍼 증폭기를 추가할 경우(그림에는 표시되지 않음) 전압 출력 DAC로 변환할 수 있다.

 와이퍼 연결에서 출력 저항 Ro는 와이퍼 저항과 대응되는 스트링 저항의 합과 같으며 와이퍼 위치에 의해 많은 영향을 받는다. 와이퍼는 수백 Ω의 자체적인 내부 저항을 갖는다. H와 L단이 제로 소스 임피던스로 구동되는 경우 다음과 같은 식으로 출력 저항 Ro을 나타낼 수 있다.

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 일반적인 디지털 포텐쇼미터의 전체 스트링 저항(Re)은 10kΩ~100kΩ 사이에 있으므로 와  이퍼 저항(Rw)은 양극단의 와이퍼 위치에 있을 때만 유의미한 수준이며 그렇지 않을 경우 Rw는 무시할 수 있다. 정규화된 출력 저항(Rw의 영향 제외)은 그림 2와 같이 D/N에 따라 변화한다.

그림 2. 와이퍼 저항을 무시하는 정규화된 디지털 포텐쇼미터의 출력 저항(RO/RE) 대비 정규화된 디지털 입력

DAC 특성

 MAX5494와 같은 전류 출력 D/A 컨버터가 출시되어 있지만, 현재 대부분의 DAC는 낮은 출력 임피던스를 제공하는 출력 전압 버퍼를 내장하고 있다. 예를 들어 그림 1의 출력 버퍼는 그림의 디지털 포텐쇼미터가 전압 DAC으로 동작할 수 있게 한다. 따라서 분해능 N을 갖는 DAC의 출력 전압은 기준 전압 Vref와 인가된 디지털 값 D의 곱에 비례한다.

 
 디지털 포텐쇼미터에서 DAC의 출력 전압은 프로그래밍된 디지털 값 D와 기준 전압(Vref 또는 Vh)에 모두 비례한다. DAC는 기준 전압을 동적으로 변경할 수 있는 경우 멀티플라잉 유형으로 정의되고, 방정식 3에 따라 바이폴라 D 및 Vref 값을 받아들일 수 있는 경우 멀티플라잉 DAC는 4쿼드런트 유형이라고 한다. D와 Vref가 모두 네거티브이면 4쿼드런트 멀티플라잉 DAC는 포지티브 출력 전압(Vo)을 생성한다. 따라서 소자는 네거티브 D 값과 포지티브 입력 전압의 조합에 따라 Vo를 반전시킬 수 있다. 내장된 증폭기는 전압 DAC를 위한 낮은 출력 임피던스를 보장한다.

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DAC와 디지털 포텐쇼미터의 유사점

 디지털 포텐쇼미터는 DAC와 동일한 기본 기능을 제공한다. 디지털 포텐쇼미터의 L 단자를 접지에 연결하면, 디지털 포텐쇼미터는 높은 출력 저항을 갖는 점만 제외하면 전압 DAC로 동작하며 DAC와 같은 전달 함수를 갖는다. 이와 같이 연결할 경우 출력 버퍼를 갖는 디지털 포텐쇼미터는 그림 1과 같이 전압 DAC로 사용할 수 있다.

 디지털 포텐쇼미터와 DAC는 또한 비휘발성 특성을 갖는다. 이는 전원 전압이 제거되어도 디지털 입력 값이 그대로 유지된다는 것을 의미한다. 디지털 포텐쇼미터와 DAC는 종종 오프셋이나 이득과 같은 아날로그 신호 경로의 바람직하지 않은 특성을 ‘보정’하는 데 사용되므로 이들 입력 보정 값은 전원 고장이나 시스템 재시작 시에도 손실되어서는 안 된다. DAC에는 L 단자가 없지만 DAC는 디지털 포텐쇼미터가 고유 구조로 인해 제공할 수 없는 기능을 갖고 있다.

DAC와 디지털 포텐쇼미터의 차이점

 디지털 포텐쇼미터에서 와이퍼 탭의 수는 레이아웃과 기술적인 한계에 의해 제한된다. 하이 엔드 디지털 포텐쇼미터는 1024개의 탭을 가질 수 있는데, 이는 10비트 분해능을 갖는 DAC에 해당되지만 현재 DAC는 24비트 이상의 분해능을 제공하는 제품들이 나와 있다.

 최근 출시되는 디지털 포텐쇼미터의 탭 간격은 선형 또는 로그로 제공된다. 로그 포텐쇼미터는 보통 오디오 볼륨을 제어하는 데 사용된다. 이들 소자는 전압과 가청 음향 강도 간의 비선형 관계를 보상하여 놉 위치와 음향 레벨 간의 명시적 선형 관계를 생성한다. 선형 멀티플라잉 DAC는 D와 Vo 간의 비선형 관계를 구현하는 데 사용할 수 있지만 이렇게 하려면 더 높은 분해능이 필요하다. 높은 분해능을 갖는 DAC는 값이 비싸기 때문에 로그 디지털 포텐쇼미터가 보다 많이 사용된다.

 디지털 포텐쇼미터는 상대적으로 느린 신호만 지원하지만 DAC는 매우 빠른 신호를 통과시키고 발생시킬 수 있다. DAC는 고정 또는 느린 변동의 전압 발생기에 사용되기도 하지만 고속 및 RF 애플리케이션을 위한 전문적인 DAC도 나와 있다.

 D/A 변환 속도는 다음 세 가지 파라미터에 의해 정의된다. 디지털 업데이트 레이트, 출력 안정화 시간, 그리고 디지털 포텐쇼미터와 멀티플라잉 DAC에서의 대역폭이다. 높은 대역폭은 비디오 신호 멀티프라이어 및 기타 고속 멀티플라잉 애플리케이션에 필요하며 높은 업데이트 레이트와 고속 안정화 시간은 디지털 신호 발생기 및 최신 RF 송신기에 사용되는 직접 디지털 합성(DDS)과 같은 애플리케이션에 필요하다.

 디지털 포텐쇼미터는 느린 업데이트 레이트와 긴 안정화 시간으로 인해 DDS 애플리케이션에는 적합하지 않다. DDS 시스템에 사용되는 고속 DAC는 병렬 워드로 디지털 입력을 받아들이지만 디지털 포텐쇼미터는 보통 상대적으로 느린 직렬 버스 인터페이스를 갖는다.

 디지털 포텐쇼미터는 구조적으로 차동 비선형성(DNL)이 언제나 -1보다 크기 때문에 디지털 포텐쇼미터의 출력은 모노토닉이 보장된다. 반면 DAC에서는 DNL이 -1보다 작을 수 있기 때문에 DNL이 -1과 같거나 큰 DAC에서만 모노토닉이 보장된다.

 디지털 포텐쇼미터는 저항 단 중 하나를 와이퍼에 연결하면 가변 저항으로 사용할 수 있다. 그러나 이러한 디지털 방식으로 설정되는 저항은 디지털 포텐쇼미터의 전체 저항이 제조에 따라 20%~ 25%의 허용오차를 갖기 때문에 상대적으로 정확도가 낮다. 반면에 전압 출력 DAC는 저항으로 사용할 수 없다. 전류 출력 DAC는 가변 저항으로 사용할 수 있지만 DAC 출력을 op 앰프의 서밍 (summing) 노드와 같은 가상 접지에 연결해야 한다는 제한이 따른다.

 그림 2에서 보듯이 전압 출력 DAC의 출력 임피던스는 작고 상당히 일정하지만 디지털 포텐쇼미터의 출력 저항은 훨씬 높고 와이퍼 설정에 의해 많은 영향을 받는다. 예를 들어 일반적인 100kΩ 디지털 포텐쇼미터의 출력 저항은 약 100Ω에서부터 최대 50kΩ의 범위를 갖는다.

 디지털 포텐쇼미터는 상향/하향 펄스나 직렬 인터페이스를 통해 설정되지만 몇 개의 핀만 필요하기 때문에 보통 소형 패키지로 제공된다. 같은 이유로 저속 DAC도 소형 패키지로 제공되지만 고속 DDS DAC는 고속 데이터 로딩을 위해 병렬 핀이 필요하므로 보다 큰 패키지로 제공된다.

 표준 패키지에 다중 DAC 또는 디지털 포텐쇼미터가 탑재된 소자들이 출시되고 있다. 현재 디지털 포텐쇼미터의 경우 한 패키지에 최대 6개가 탑재된 제품이 나와 있지만 D/A 컨버터는 패키지에 훨씬 더 많이 탑재할 수 있다. 현재 최신 DAC는 단일 패키지에 최대 32개까지 탑재한 제품이 나와 있다. 그러나 디지털 포텐쇼미터는 DAC보다 경제적이다. 디지털 포텐쇼미터의 소형 칩 표면과 소형 패키지 크기는 제조 비용에 직접적인 영향을 미친다.

 자유롭게 정의되는 H 및 L 전압을 갖는 저항 또는 전압 분배기가 요구되는 애플리케이션에서는 디지털 포텐쇼미터가 필수적이다. 일례로 디지털로 제어되는 이득을 갖는 차동 증폭기가 있다(그림 3). 이 회로의 이득 계수는 DS1867 듀얼 디지털 포텐쇼미터 또는 신제품 MAX5494의 직렬 인터페이스를 통해 프로그래밍할 수 있다. 와이퍼 위치는 해당 소자의 EEPROM에 저장되기 때문에 차동 이득 값은 전력 손실 후에도 유지된다.

그림 3. 디지털로 제어되는 이득 설정을 갖는 차동 증폭기. MAX5494와 같은 듀얼 채널 디지털 포텐쇼미터는 10비트 분해능을 제공하며(DS1867은 8비트 분해능 제공) 소형, 5mm x 5mm 패키지로 제공된다.

 DAC와 디지털 포텐쇼미터는 많은 유사점을 가지므로 일부 애플리케이션에서는 두 유형의 소자를 모두 사용할 수 있다. 그러나 시스템 요구사항에 따라 DAC 또는 디지털 포텐쇼미터 중 어느 하나로 선택이 제한될 수 있다.