자동화 테스트 장비 시스템(ATE)을 위한 데이터 변환 정확도의 향상 - Technology

이 글에서는 비약적으로 향상된 데이터 변환 성능을 활용함으로써 정확도는 높고 비용은 낮은 새로운 세대의 ATE 시스템이 가능하게 되었다는 것을 설명한다.

글/Atsushi Kawamoto, Ph.D.(Design Manager)
Jesper Steensgaard, Ph.D.(Staff Scientist)
Heemin Yang, Ph.D. (Design Section Leader)
Linear Technology

복잡한 고성능 시스템온칩(system-on-chip) IC 제품들이 확산되면서 이를 제조할 때 이용되는 ATE(자동화 테스트 장비) 시스템에 대한 요구가 높아지고 있다. 많은 ATE 시스템은 주요 파라미터들을 지극히 높은 정확도로 측정해야 한다. 자신이 테스트하는 디바이스보다 훨씬 더 정확해야 하기 때문이다. 최신 ATE 시스템은 첨단 신호 처리의 한계를 끌어올리고 있으며 ppm(partsper-million) 대의 정확도를 필요로 한다. 이러한 시스템은 고도로 정교한 디자인으로서 극히 높은 성능의 IC 소자들을 필요로 한다.

정밀 ATE 시스템에서 핵심을 이루는 것은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)이다. ADC는 디지털 신호 처리에 이용할 수 있도록 신호를 아날로그 영역에서 디지털 영역으로 변환하는 중추적 역할을 한다. ADC의 정확도와 성능에 따라서 전체 시스템의 정확도와 성능이 좌우된다. 이 글에서는 비약적으로 향상된 데이터 변환 성능을 활용함으로써 정확도는 높고 비용은 낮은 새로운 세대의 ATE 시스템이 가능하게 되었다는 것을 설명한다.

정밀 ATE 시스템의 요구사항
정밀 ATE 시스템은 아날로그 신호를 원래 신호와 가장 근접하게 디지털화하기 위해서 고분해능 ADC를 필요로 한다. ADC와 부가 회로(증폭기, 필터, 레퍼런스 등)를 비롯한 아날로그 신호 처리부분에서는 통상적으로 뛰어난 DC 사양(오프셋, 이득, 선형성 등)이 요구된다. ppm대의 분해능 및 정확도를 달성하기 위해서 다수의 정밀 ATE 시스템은 디지털 캘리브레이션을 실시해서 시스템 차원의 오프셋 및 이득 오차를 제거한다. 그런데 정기적인 캘리브레이션을 실시하지 않게 되면 오차가 제거되지 않게 되고 이 때문에 시스템 정확도가 제한될 수 있으며 시스템 디자이너들은 정적 수치를 이용할 때와 비교해서 주요 파라미터들이 드리프트를 일으키지 않았을까 염려하게 된다. 예를 들어서 정밀 ATE 시스템은 고정적인 온도로 ppm 대의 정확도를 요구할 뿐만 아니라 넓은 동작 온도 범위에서도 sub-ppm/℃ 대의 드리프트 정확도를 필요로 한다.

전반적인 시스템 정확도를 위해서는 ADC 선형성이 중요한 요소이다. ADC의 선형성은 아날로그 입력 신호와 ADC의 내부적 디자인 및 아키텍처 간의 복잡한 상호작용에 의해 결정된다. ADC의 비선형성 오차는 시스템 차원에서 캘리브레이션 하기가 극히 어려운데 이는 온도 변화에 따른 오차로 인해 기준되는 한 디지털 코드가 다른 디지털 코드로 변동이 될 수 있기 때문이다. 그러므로 정밀 ATE 시스템의 전체적인 정확도를 위해서는 전체 작동 온도에서의 ADC 선형성과 안정성이 중요한 요소이다.

비약적인 성능 향상
이러한 설계 상의 과제들을 해결할 수 있도록, 유례없이 뛰어난 성능과 정확도를 달성하며 고정밀 ATE 시스템의 디자인을 간소화할 수 있는 새로운 20비트 SAR ADC 제품 군들이 출시되었다. LTC2378-20은 최대 20bit no missing code 분해능/250Ksps~2Msps 샘플 레이트/최대 104dB SNR/핀 호환 및 소프트웨어 호환 제품군들 중에 가장 대표적인 제품이라 할 수 있다.
LTC2378-20의 특히 주목할 점은 DC 정밀도가 뛰어나다는 것이다. ADC 누적 비선형성(INL) 오차가 상온에서 0.5ppm 미만이며 -40℃~+85℃의 전체적인 동작 온도범위, 모든 코드에 대해서 2ppm 미만을 보장한다. 오프셋 오차는 최대 13ppm에 0.007ppm/℃ 드리프트이고, 이득 오차는 10ppm에 0.05ppm/℃ 드리프트이다. 이와 같이 지극히 뛰어난 성능을 달성하면서도 250Ksps일 때 5.3mW에서부터 1Msps일 때 21mW에 이르기까지 극히 낮은 전력으로 동작한다. 각 제품들은 소형화된 MSOP-16 및 DFN-16 패키지로 제공된다. 그림 1은 새로운 ADC 제품군들을 요약적으로 보여준다.

SAR ADC의 특징
SAR ADC의 특징은 아날로그 입력 신호가 들어 왔을때 정밀한 스냅샷을 포착하고 단일 클록 사이클에 아날로그-디지털 변환 동작을 완료할 수 있다는 것이다. SAR ADC는 동기화 되지 않은‘start-and-go’동작에 뛰어나며 변환 결과를 동일 클록 사이클 내에 즉각적으로 이용할 수 있으므로 사용하기가 편리하다. 긴 시간의 대기시간 이후라도 어떠한 사이클 지연을 일으키지 않고 정확하게 변환 결과를 제공할 수 있다는 점에서 SAR ADC는 정밀 ATE 시스템에 사용하기에 가장 적합하다. 델타-시그마(Δ-Σ) ADC나 파이프라인 타입의 ADC 같은 여타 유형의 ADC는 한 신호의 변환을 완료하기 위해서 다중의 클록 사이클을 필요로 한다.

회로 아키텍처
LTC2378-20의 ppm 대 선형성 및 정확도 보장은 많은 정밀 ATE 시스템의 일대 쇄신을 예고한다. LTC2378-20은 선형성을 보장하고 온도 혹은 그 외 동작 조건의 변화에 대한 민감성을 최소화하도록 고유의 아키텍처를 이용하여 설계되었다. 그럼으로써 전체적인 동작 온도 범위에 걸쳐서 유례없이 뛰어난 2ppm 대의 INL 사양을 보장한다. SAR ADC 알고리즘은 바이너리 서치(binarysearch)기법을 기반으로 한다. 아날로그 입력을 커패시터로 샘플링하고 SAR 알고리즘에 의해서 만들어진 기준 전압과 순차적으로 비교한다. SAR ADC의 성능을 좌우하는 3개의 주요요소가 있는데, 이는 커패시터 기반 디지털-아날로그 컨버터(CDAC), 고속 저잡음 비교기 회로, 연속 접근 레지스터(SAR) 이렇게 세가지다. 기존 SAR ADC는 CDAC에 이용되는 개별 커패시터의 제약적인 매칭 정확도 때문에 INL 성능이 제한적일 수 있고, 많은 정밀 SAR ADC는 이렇게 제한된 매칭 정확도를 향상시키기 위해서 아날로그 또는 디지털 보상(Trimming) 기법을 채택하고 있다. 그런데 온도가 변화하거나 패키지 및 보드에 스트레스가 가해지면 CDAC 커패시터 매칭이 어쩔 수 없이 저하되고 ADC의 선형성을 떨어트릴 수 있다.

LTC2378-20은 CDAC 커패시터 매칭 정확도가 변화하더라도 INL 성능에는 영향이 없게 독립적으로 분리하는 고유의 아키텍처를 적용함으로써 극히 뛰어난 INL 성능을 달성한다. 그럼으로써 혹독한 산업 환경에서 직면하는 온도 변동과 패키지 스트레스에 대해서 지극히 견고성이 뛰어나다. 뿐만 아니라 비교기 회로를 속도, 전력, 잡음을 절충할 수 있도록 신중하게 설계함으로써 LTC2378-20은 사이클 지연 없이 1Msps일 때 21mW만을 소모하면서 전례 없이 뛰어난 104dB 신호 대 잡음 비(SNR)를 달성한다. LTC2378-20 SAR ADC 제품 군들의 전력 소모는 샘플링 레이트에 비례하므로 1ksps로 동작할 때는 수 마이크로 와트(uW)만을 소모한다.

정확도와 속도
LTC2378-20은 지금까지는 델타 시그마 ADC나 다중적분 형(multi-slope) ADC 같은 훨씬 속도가 느린 ADC아키텍처를 이용해서만 달성할 수 있었던 정확도 수준을 달성한다. 채널이 많은 ATE 시스템은 흔히 정밀 DC 측정에 속도가 느린 ADC 아키텍처를 사용하고 다중화기를 사용해서 단일 미터로 다수의 입력을 지원할 수 있도록 한다. ADC의 특성 상 분해능이 높아지면 속도가 느려지는 trade-off 관계로 인하여 ADC 변환 시간은 분해능이 높을 수록 오래 걸리게 된다. 하지만 샘플 레이트가 100ksps 이상이면 측정 분해능이 16비트 미만으로 제한된다. LTC2378-20은 1초당 백 만개의 신호를 읽을 수 있으며 각각의 신호결과는 2.3ppm 잡음 분해능(잡음의 표준 편차, 104dB SNR)의 성능을 달성한다. 동일 아날로그 신호에 대한 다중 리딩의 결과를 디지털적으로 결합해서 잡음 분해능을 향상시킴으로써 다중 적분형 ADC를 뛰어 넘는 성능을 달성할 수도 있다. 예를 들어서 열 번을 샘플링하고 이 결과들을 평균 냄으로써 LTC2378-20은 실제적으로 1Msps/10=100ksps로 동작하고 0.7ppm 잡음 분해능(114dB SNR)을 달성하는 이치이다.

델타-시그마 ADC와 다중 적분형 ADC 역시 잡음과 간섭을 억제하기 위해서 측정/적분 간격 시에 입력 신호를 평균 내도록 구성할 수 있다. 그런데 50Hz 및 60Hz 라인 주파수 간섭을 동시적으로 억제하기 위해서 흔히 100ms 측정 간격을 사용하는데 이 경우 ADC가 해석할 수 있는 신호는 1초에 10개뿐이다. 그러므로 1개의 다중 적분형 ADC를 이용하면 10개의 다중화 채널을 지원하기 위해서 꼬박 1초가 필요하다. 그림 2는 단일 LTC2378-20 ADC와 다중화기 회로를 이용해서 102.4ksps로 동작하면서 100ms 측정 간격에 모든 10개 신호(인터리브 된 신호)를 동시적으로 측정하도록 구성된 예시를 보여준다. 100ms 측정 간격에 따른 라인 주파수 간섭의 억제는 그대로 유지하면서 스루풋은 다중화 비율(이 예에서는 10이지만 이보다 높을 수 있음)만큼 높아짐으로써 ATE 시스템의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다. 이 예에서는 측정 간격 시에 각 채널로부터 취한 1024 샘플에 대한 평균을 내어 잡음 분해능(noise resolution)을 높임으로써 22비트의 잡음 분해능 (0.07ppm, 다시 말해 70nV, rms)을 달성하고 있다. 평균을 내는 동작은 프로그래머블 로직이나 프로세서로 편리하게 구현할 수 있는 간단한 덧셈기를 이용해서 동작시킬 수 있다. 그러므로 LTC2378-20은 이전 아키텍처들의 주요한 이점들을 그대로 유지하면서도 측정 속도를 크게 높일수 있다. 단일 LTC2378-20은 다중 적분형 ADC를 이용할 때 사용하는 많은 주변 부품을 줄일 수 있으므로 설계 시에 비용, 보드공간, 채널 수에 대한 이점을 줄 수 있다.

다중화 미터를 하나 이상의 LTC2378-20 ADC로 대체할 수 있으므로 시스템 크기를 축소하고, 전력을 낮추고, 솔루션 비용을 낮추고, 속도를 기존 기법들과 비교해서 십여배까지 높일 수 있다. 뿐만 아니라 이 디바이스는 그 자체로 최대 1Msps에 이르기까지 나이퀴스트(Nyquist) ADC로 동작할 수 있으므로, 고-정확도 저-잡음 측정에는 다중적분형 ADC를 이용하고 고속의 저-분해능 측정에는 SAR ADC를 이용하는 것과 같이 한 가지 타입 이상의 ADC를 필요로 하는 시스템에는 단 한 개의 LTC2378-20 ADC를 이용하여 시스템을 구현하는 것이 이상적이라 할 수 있다.

구성가능 ADC 시스템을 이용한 신호 체인 간소화

일부 ATE 시스템은 우수한 정밀도뿐만 아니라 넓은 대역폭에서도 신호를 평가할 수 있어야 한다. 대역폭이 넓어지면 잡음이 그만큼 높아진다. 그러므로 이러한 시스템은 통상적으로 2개의 디지털 데이터 스트림을 필요로 한다. 하나는 잡음이 낮고, 대역폭이 좁고, 정확도는 높은 것이고, 다른 하나는 잡음이 높고, 대역폭이 넓고, 정확도가 낮은 것이다. 이를 위해서 기존의 기법은 그림 3a에서 보는 것과 같이 각기 데이터 스트림에 각기 정확도와 대역폭/잡음에 대해서 최적화된 개별적 ADC를 이용하는 것이다. LTC2378-20은 이 두 목표 모두에 대해서 최적화되어 있으므로 두 데이터 스트림에 단일 ADC를 이용할 수 있다. 현장에서 재구성 가능한 디지털 백엔드와 함께 이용함으로써 LTC2378-20은 1MSPS의 샘플링 레이트에 이르기까지 극히 뛰어난 성능을 제공한다. SAR ADC를 오버샘플링 하면 델타-시그마 ADC와 같은 수준으로 앤티-에일리어싱 요구를 완화할 수 있다. 하지만 전통적으로 SAR ADC는 선형성 측면에서는 델타-시그마 ADC를 따라잡지 못했다. 그런데 이제 이 상황이 바뀌게 되었다. LTC2378-20은 실제적으로 델타-시그마 ADC보다 더 뛰어난 INL을 달성함으로써 완전히 새로운 기준을 제시하고 있다.

그럼으로써 그림 3b에서 보는 것과 같이 ATE 애플리케이션에 많은 새롭고도 흥미로운 가능성을 제공한다. 2개의 각기 개별적으로 최적화된 ADC를 하나의 고성능 SAR ADC로 교체할 수 있으므로 시스템 디자인을 크게간소화할 수 있다.

요약
이제 정밀 ATE 시스템 디자인은 신호 체인 성능을 향상시키기 위해서 새로운 선택이 가능하게 되었다. 20비트 SAR ADC인 LTC2378-20은 높은 변환 속도(1Msps)와 낮은 전력 소모(21mW)로 유례없이 뛰어난 정확도(INL을 2ppm 대로 보장)과 낮은 잡음(104dB SNR)을 달성한다. 높은 정확도, 낮은 잡음, 무-사이클 지연을 결합 함으로써 LTC2378-20은 정밀 측정 및 제어 시스템에 이용하도록 지극히 뛰어난 범용성을 가능하게 하며 정확성과 유연성과 경제성이 뛰어난 새로운 세대의 정밀 ATE 시스템을 설계할 수 있도록 한다.

<반도체네트워크 10월>