이 글에서는 정합 부품과 그 상호연결성을 다루며 특히 연결 구성 기법과 함께 변압기나 발룬(balanced-to-unbalanced transformer, 평형 불평형 변성기)을 선택할 때 고려해야 하는 주요 사양을 주의 깊게 살펴본다. 마지막으로 아이디어와 최적화 기법을 제공, GHz 영역에서 작동하는 D/A 컨버터용 광대역 임피던스 변환을 매끄럽게 하는 방법을 제시할 것이다.
글/자렛 라이너(Jarrett Liner)
항공우주 및 방위산업 그룹 I&I 부서 RF 시스템 애플리케이션 엔지니어
아나로그디바이
오늘날 새로운 IC 부품과 기술에 대한 수요는 꾸준히, 또 빠르게 증가하고 있으며 상업 및 국방 산업이 이 변화를 선도하고 있다. 오늘날 반도체 업계에서의 최신 사양은 크기, 무게, 전력(size, weight, and power, SWaP)을 줄이는 데 초점을 맞추고 있으며 업계는 기술 발전과 스마트한 설계를 통해 이러한 요건을 만족시킨다. 그러나 성능은 지금도 여전히 중요한 요소이며 특히 GSPS의 D/A 컨버터 기술에는 더욱 중요하다. 이러한 추세로 인해 아날로그 출력 정합 회로망(analog output matching network)은 중요한 요소임에도 종종 간과하는 경우가 있다.
이에 대한 명확성을 제시하기 위해 고주파는 1GHz를 넘어서고, 고속은 1GSPS를 넘어서는 값을 가져야 하는 것으로 알려져 있으며 무엇보다도 최종 사용자가 D/A 컨버터 뒤에 증폭기를 포함시킬 수 있어 사용 가능한 신호레벨에 대한 의존도가 낮으며 신호에 대한 잡음과 정확도에 대한 의존도는 높다. 이 글에서는 정합 부품과 그 상호 연결성을 다루며 특히 연결 구성 기법과 함께 변압기나 발룬(balanced-to-unbalanced transformer, 평형 불평형 변성기)을 선택할 때 고려해야 하는 주요 사양을 주의 깊게 살펴본다. 마지막으로 아이디어와 최적화 기법을 제공해 GHz 영역에서 작동하는 D/A 컨버터용 광대역 임피던스 변환을 매끄럽게 하는 방법을 제시할 것이다.
시작하기
폭넓게 활용되는 D/A 컨버터는 상업 및 국방 통신, 무선 인프라, 자동 시험 장비(automatic test equipment, ATE), 레이더 및 군사용 전파 방해 전자기기 등에 필요한, 고주파에서의 복잡한 파형 생성에 많이 사용된다. 일단 시스템 설계자가 적절한 D/A 컨버터를 사용하면 출력정합 네트워크가 구축한 신호를 보존하는 것으로 간주한다. 필요한 정보가 2차, 3차, 4차 나이퀴스트 영역에 존재하는 수퍼 나이퀴스트에서 GSPS D/A 컨버터 애플리케이션을 작동해야 하는 경우가 늘면서 부품 선정과 위상 기하학(topology)이 그 무엇보다 중요해지고 있다.
지적 전제조건(Intellectual Prerequisite)
우선 D/A 컨버터의 역할과 신호 체인에서의 위치를 살펴보자. D/A 컨버터의 기능은 신호 발생기와 유사하다. 중심 주파수(Fc) 영역에서 복잡한 파형에 싱글 톤(tone)을 보낸다. 지금까지 최대 중심 주파수는 1차 나이퀴스트 영역 또는 샘플 주파수의 절반인 영역에 존재해왔다. 그러나 새로운 D/A 컨버터 설계에는 내부 클럭 2배기(internal clock doubler)가 있어 1차 나이퀴스트 영역을 효과적으로 2배 증가시키는데 이를‘혼합 모드’작동이라 한다. 혼합 모드를 사용하는 D/A 컨버터의 자연스러운 출력 주파수 응답 곡선은 그림 1과 같은 sinX/e^(X^2)의 곡선 형태로 나타난다.
시스템 설계자는 부품 성능을 이해하기 위해 제품의 데이터시트를 확인할 수 있다. 보통 전력 수준이나 스퓨리어스 없는 동적 범위(spurious free dynamic range, SFDR) 같은 성능 파라미터가 주파수대별로 나열되어 있다. 명민한 시스템 설계자는 동일한 D/A 컨버터로도 사용 범위를 앞에서 언급한 슈퍼 나이퀴스트 영역으로 확장 할 수 있다. 고려해야 할 점은 예상되는 출력 수준이, 높은 주파수대역에서는 상당히 낮아진다는 점이다. 이는 여러 신호 체인이 D/A 컨버터가 이러한 손실을 보상한 후에 추가적인 이득 블록이나 드라이버 증폭기를 포함시키기 때문이다.
출력 발룬 선택 등 부품의 고려
최고 성능을 자랑하는 GSPS D/A 컨버터라도 최종 사용자가 컨버터를 설계하고 판단할 수 없다면 그 장점을 충분히 확인할 수 없다. 좋은 D/A 컨버터를 가장 돋보이게 하려면 최선의 부품을 선택해 그 성능을 지원하는 방법 외에는 없다. 주요 회로는 초기에 결정해야 한다. D/A 컨버터의 데이터시트 성능은 출력 전력을 충분히 공급하는가? 능동 부품은 필요한가? 신호 체인이 D/A 컨버터로부터 차동 출력을 싱글 엔드 환경으로 전송할 필요가 있는가? 변압기를 쓸 것인가, 발룬을 쓸 것인가? 발룬에 적절한 임피던스율은 얼마인가? 이 글에서는 발룬과 변압기 중 무엇을 사용할지에 대해 초점을 맞출 것이다.
발룬 위상과 진폭 불균형의 선택은 발룬 선택시 신중하게 고려해야 하는 사항이며 임피던스율(예. 전압 이득), 대역폭, 삽입 손실, 반사 손실 역시 중요하게 고려해야 할 성능 사항이다. 발룬을 사용한 설계가 언제나 간단한 것은 아니다. 예를들어 발룬 특성은 주파수에 따라 변화하기 때문에 예측이 까다롭다. 일부 발룬은 접지, 배열, 중앙 분기점 결합 등에 민감하다. 시스템 설계자는 발룬을 선택할 때 전체 데이터시트 성능만을 기준으로 해서는 안 된다. 발룬의 형태가 바뀌면서 PCB 기생, 외부정합 회로, 컨버터의 내부 임피던스(부하) 역시 고려해야 하며 이때 경험이 중대한 역할을 할 수 있다.
발룬 선택에서 중요한 성질은 여러 가지가 있으나 이글에서 중점적으로 다루지는 않는다.
시장에 출시된 제품 중 대역폭을 최대화하기 위해 사용할 수 있는 최고의 제품으로는 아나렌(Anaren), 하이퍼랩(Hyperlabs), 마키 마이크로웨이브(Marki Microwave), 미니서킷(MiniCircuits), 피코세컨드(Picosecond)가 있다. 이들 제품은 특별한 토폴로지를 사용한 특허받은 디자인을 통해 GHz 영역으로 확장된 대역폭에서 단일 장비로만 가능한 높은 수준의 균형을 제공한다.
단일 발룬이나 다중 발룬 토폴로지를 사용해야 하는때에 대해 마지막으로 한 마디 하자면 레이아웃 역시 위상 불균형에 똑같이 중요한 역할을 한다는 점이다. 높은 주파수에서 최적화된 성능을 유지한다는 것은 레이아웃의 대칭을 최대한 유지한다는 뜻이다. 다시 말해 발룬을 사용한 프런트엔드 설계에서 자취가 조금만 어긋나도 쓸모 없거나 동적 범위가 제한될 수 있다.
출력 정합
부품에 따른 주파수는 언제나 션트 콘덴서(shunt capacitor)와 직렬 인덕터(series inductor)처럼 대역폭을 제한한다. 그렇긴 해도 정합이라는 용어보다는 최적화라는 용어를 생각하는 쪽이 더 유용할 수도 있다. 오늘날의 발룬이 구현하는 초광대역은 다중 옥타브 스펙트럼 상에서는‘정합’이 거의 불가능하다. 위에서 언급한 파라미터를 최적화하려면 시스템의 최종 사용을 충분히 이해할 필요가 있다. 예를 들어 걱정 없이 회로에서 SFDR에 최대 전압 변화를 주어야 하는가? 또는 최대 선형성 설계는 SNR과 SFDR에 대해 좀 더 주의를 기울이고 D/A 컨버터의 출력 드라이브 강도(output drive strength)에는 주의를 덜 기울여야 하는가? 이는 각각의 파라미터가 애플리케이션에 따라 각각 중요도가 다를 수 있다는 뜻이다. 이 예제에서 그림 2는 AD9129 GSPS D/A 컨버터용 출력 회로망을 나타낸 것이다. 회로망에서 각 레지스터와 발룬은 다양하게 사용했다. 그러나 각각의 레지스터 값이 다양하기 때문에 성능 파라미터는 표 1에서처럼 변화한다.
독자는 최적화 부품 값에 차이가 거의 없다는 점을 주목해야 한다. 가장 유의미한 변종이 발룬 부품이다. 그림 3에 나타난 데이터는 D/A 컨버터의 광대역 잡음 출력 모드에서의 최적화를 보여준다. 이 모드에서 D/A 컨버터는 사용 가능한 전체 스펙트럼 대역폭에서 단순히 신호를 발생시킨다.
기존 사례에서는 1차 나이퀴스트 영역에서 사용 가능한 전력이 줄었고 2차, 3차, 4차 나이퀴스트 영역에서 에일리어스 톤(alias tone)이 발생할 가능성을 줄여준다. 사례 2에서는 1차, 2차 나이퀴스트 영역에서 출력 수준이 증가했으며 3, 4차 나이퀴스트 영역에서는 사용 가능한 전력이 줄었다는 것을 알 수 있다. 마지막으로 최적화된 사례 3에서는 1, 2차 나이퀴스트 영역에서 최고의 출력 전력을 얻은 반면 3, 4차 나이퀴스트 영역에서 사용가능한 전력을 유지하는 것은 사례 1과 비교했을 때 최저 수준이었다.
그림 4와 5는 D/A 컨버터가 싱글 톤 모드일 때의 데이터를 기록한 것이다. 그림 5는 다중 나이퀴스트 영역의 여러 주파수에 따른 출력 전력 수준을 보여준다. 그림 4는 여러 경우의 SFDR과 D/A 컨버터의 출력 주파수를 비교해 보여준다. 독자들은 설계 과정을 시작할 때 이해하고 최적화해야 하는, 상충하는 성능과 편중된 파라미터를 더 잘 이해할
수 있다. 사례 1을 광대역 발룬 솔루션을 사용한 사례 2로 대체하면 사례 1을 개선시킬 수 있다는 점은 분명하다.
항복(yielding)은 2차 나이퀴스트 영역에서 전력 수준을 증가시키고 SFDR을 개선시켰다. 그뿐 아니라 1:2 대역폭 발룬이 구현되면 사례 3에서 향상된 전력 수준이 유지되며 시스템의 SFDR 성능도 더욱 향상시킨다. 주목해야 할 또 다른 사항은 1900MHz 주변에 신호를 포착할 수 있는 최적의 영역인‘스위트 스팟’이 존재한다는 것이다. 이러한 성능은 출력 부품과는 무관하며 D/A 컨버터의 내부 임피던스 때문이다.
요약
최근 GSPS D/A 컨버터의 개발로 설계자들은 신호 체인을 전송할 때 여러 복합적인 단계를 생략하고 원하는 RF 대역으로 직접 진행할 수 있게 되었다. GSPS D/A 컨버터를 사용할 때에는 출력 회로망을 신중히 고려해야 한다. 고속, 고해상도 컨버터 레이아웃을 설계할 때 모든 세부사항을 다 신경쓰기는 쉽지 않다. D/A 컨버터 출력의 차동 환경에서 싱글 엔드 RF 출력으로 변환할 때에는 발룬 선택에 충분히 주의를 기울여야 한다.
이 밖에도 GSPS D/A 컨버터의 출력 회로망을 설계하는 경우 회로망의 레이아웃과 토폴로지에 초점을 맞추어야 한다. 자취의 폭과 길이는 최적화에 매우 중요한 파라미터이다. 특정 애플리케이션에‘정합’하기 위해서는 고려해야 할 파라미터가 많다는 사실을 잊지 말아야 한다.
<반도체네트워크 9월>