소형 PCB 공간에서

바이어스 설정을 단순화시키는 저전력 DAC

디지털 기능이 증가함에 따라 아날로그 부품을 소프트웨어 바이어스로 조정해야 할 필요성이 지속적으로 요구되고 있다. 기존에는 아날로그 전압 및 전류를설정하고 측정하기 위해 아날로그 엔지니어가 직접 방정식과 절차를 개발해야했다면, 지금은 다중 DAC가 이를 처리할 수 있다. 소형의 저전력 DAC는 디지털기능이 강화된 시스템에서 피드백 제어 루프의 필요성을 충족시켜 준다

글 | 토드 넬슨(Todd Nelson), 리니어 테크놀로지

빽빽하게 들어찬 PCB상에 무연 패키지의 값싼 계산능력에 넉넉한 메모리가 결합된 부품을 최종 라인 테스트 단계에서 수동으로 트리밍하는 것은 비실용적이라 할 수 있다. 트리밍포텐쇼미터 및 디지털 포텐쇼미터가있는 경우, 고 집적의 전압 출력 DAC가 필요하다. 기존에는 아날로그 전압과 전류를 설정 및 측정하기 위해 아날로그 엔지니어가 직접 계산식과 일련의 처리 방법을 개발해야 했다면, 지금은 다중 DAC가 이를 처리할 수 있다.리니어 테크놀로지의 LTC2600DAC 제품군은 위의 아날로그 엔지니어에 의해 정의된 진행 절차를 소프트웨어 엔지니어가 프로그램한 고속 디지털 루프에서 자동 바이어스 부품으로써 이상적이다. 3G 기지국용 파워앰프 모듈은 선왜곡(Pre-Distortion)을위해 고속 프로세서를 사용하며, 바이어스 조정을 위한 개별 DAC를 최대16개까지 포함한다.이는 시스템에서 디지털 기능 사용이 늘어날 수록 더 많은 아날로그 부품을 사용해야만 한다는 것을 의미한다.바이어스 조정은 생산 시 한 번 설정되고 동작‘( Set and Forget’) 내내 다시변경되지 않을 수도 있으며, 또는 다이내믹하게 변경될 수도 있다.바이어스 레벨을 설정하는 기본적인요소는 피드백 제어 루프이다. 시스템의 출력은 측정 또는 모니터 되어 원하는 출력과 비교됨으로써 오류가 검출된다. 이 오류는 피드백 되어 보정되고 제거된다.

<그림 1> 기본적인 피드백 네트워크

(그림 1) 출력이 피드백 경로에서 16비트 해상도의 ADC로 모니터 된다면, 이 시스템의 정확도를 위해 16비트 해상도의 DAC로 제어되어야 한다.충분치 않은 해상도에 의해 안정성을보장받지 못하는 시스템이 될 수 있다.실질적인 구현 단계에서, 순방향 경로의 증폭기로 DAC의 오프셋 조정을한다. 컨트롤러는 출력 모니터가 적절한 값을 읽을 때까지 DAC 코드의 업또는 다운을 한다. 다른 예로는, ADC의 이득(게인)을 변경하는 DAC, VCO(Voltage Controlled Oscillator)를제어하는 DAC, 또는 ASIC으로의 공급 전압을 최적화 하기 위해 DC/DC컨버터의 피드백 네트워크의 전류를변화시키는 DAC를 들 수 있다.

ADC 이득 설정 사례

무선 통신 시스템에서 신호가 I &Q(In-Phase and Quadrature) 신호로 분산되는 것이 일반적이다. 고속 듀얼 ADC가 신호를 디지털화 하는데 사용될 수 있다. 2개 ADC 채널 간의 매칭(Matching)은 중요하며, 한가지 조정 방법은 각 ADC의 풀스케일(Full-Scale) 또는 이득을 트리밍하는 것이다. 이득은 SENSE 핀으로 설정된다.	그림 2에서 듀얼 12비트 DAC는 각SENSE 핀에 대한 레퍼런스 전압을 조정하는데 사용된다. 2.5V 레퍼런스는분배되어 SENSE 핀에 통상 값인 1V로 낮추어 공급한다. LTC2627의 전압출력은 100k 저항을 통해 공급되며,레퍼런스에 따라 전압 설정이 조절된다. DAC에 대한 레퍼런스 입력은 편의상 동일한 2.5V 레퍼런스를 사용하며,3개 부품 모두 공급 전압은 3.3V이다.이는 제어 루프의 한 예로 이미지 리젝션, 모듈레이트 스프레드 스펙트럼신호, 또는 테스트, 초기화 및 설정 시의 간단한 특성 변화와 같은 간접 증거로부터 루프 보정을 한다. 이 루프는SENSE 핀에서 커패시터 형태로 주극점(Dominant Pole)을 추가적으로 만든다. 이것에는 PID(Proportional,Integral, Derivative) 기법이 좋으며,간단히 진폭을 감소시킬 수 있다.루프는 잡음 상승을 피하기 위해SENSE 핀에 커패시터가 필요로 하며,이는 대부분의 경우 2채널의 AC 이득결정에 추가적인 지연이 발생된다. 일반적으로 푸리에 변환(FourierTransform)은 단일 톤의 2가지 개념작용의 진폭을 정확하게 비교하기 위해 사용되어 왔으며, 여기에는 지연이수반된다. 이러한 측정은 정상적인 신호 처리 기간 동안 결정될 수 있으며,평균화 및 조절을 거쳐 백그라운드 작업을 통해 DAC 코드로 변형된다.DAC 조정 범위는 전체 I vs Q 신호 체인의 이득 오류를 조정하기 위해 확장될 수 있다. 또한 2개의 ADC를 매치시키기 위해 최적화될 수 있다.
<그림 2> 듀얼 고속 ADC의 이득을 조정하는 듀얼 DAC

적절한 DAC 선택 방법

바이어스 설정 애플리케이션의 경우, 적절한 DAC를 선택하기 위한 몇가지 고려사항이 있다. 조정 범위와 요구되는 정확도는 DAC 해상도로 결정된다. 일부 애플리케이션에서는 초기바이어스 포인트를 설정할 수 있는 선택권이 주어져, DAC는 초기 설정 포인트보다 더 높거나 낮게 구동 될 수 있다. 다른 애플리케이션의 경우에는DAC가 각각 싱크 또는 소스의 용도로만 사용되도록 요구될 수도 있다.피드백 루프의 속도 및 DAC가 구동해야 하는 부하는 DAC 출력의 설정 시간을 제한한다. 편의상, DAC는 전원전류 많이 사용하지 않아야 하며 사용가능한 I/O 리소스와 일치되는 인터페이스를 갖추고 있어야 한다. 분명한 것은 사용 가능한 보드 공간의 물리적 제약이 패키지 크기에 기반한 DAC 선택범위 및 패키지 당 DAC의 수에 영향을미친다는 사실이다.적절한 DAC를 선택하기 위해, 평가중인 애플리케이션 요구조건을 DAC의데이터시트 요소로 변경시키는 것이중요하다. 표 1은 몇 가지 핵심 요소,정의 및 적합도를 목록으로 제시한 것이다.LTC2600 제품군은 바이어스 설정애플리케이션에서 필요한 아키텍처 및성능을 보여 준다. 이 제품군은 12비트에서 최고 16비트의 해상도 범위를 가지고 있으며, I2C 또는 SPI 인터페이스를 갖춘 단일 DAC에서 대한 8채널DAC까지도 포함하고 있다.각 디바이스는 ±1LSB DNL과 최저오프셋 전압(9mV 최대)을 보장한다.독보적인 아키텍처는 모노톤 기능이있으며 내장 출력 버퍼를 포함하고 있다. 출력 버퍼는 2.7V~5.5V에 이르는전체 공급 전압 범위에서 뛰어난 구동성능을 실현한다. DAC 출력은 최고1000pF까지 용량성 부하 또는 최고15mA까지의 전류 부하를 직접 구동시키며, 밀리볼트의 VCC 또는 접지 내에서 훌륭한 선형성을 유지한다. 또한,낮은 출력 전압 잡음(15μVp-p)은 출력필터링의 필요성을 감소시킨다.하나의 패키지에 다중 DAC가 탑재된 공간 제약형 애플리케이션의 경우,DAC 들 중에서 어떤 하나의 DAC에서전 범위의 눈금 변경은 또 다른 DAC에10μV 미만의 변위를 주며, 오류의 원인으로써 크로스토크를 효과적으로 제거시킨다. 마지막으로 3V에서 DAC 당250μA 의 낮은 공급 전류와 1μA의 최대 셧다운 전류는 배터리로 전원을 공급하는 애플리케이션에 이상적이다.이 제품군에서 몇 가지 DAC는 코드개발을 단순화할 수 있는 기능을 포함하고 있다. 소형 3mm x 3mm 패키지로 공급되는 단일형 DAC인 LTC2601은 하드웨어 신호로 동기화된 DAC 업데이트를 가능하게 해주고 시스템 내에서 다중 DAC를 동시 업데이트시켜주는 비동기식 업데이트 핀을 포함하고 있다.LTC2601은 수많은 서보 및 제어 애플리케이션에서 요구되는 비동기식 클리어 핀을 제공한다. 각 부품의 기본버전은 깨끗한 신호를 제로스케일(Zero-Scale)로 파워온 또는 재설정하는 반면, 다른 버전은 미드스케일로가게 될 것이다. 이것은 초기 바이어스설정 포인트가 구성될 때 편리하기 때문에 DAC는 이 포인트에서 더 높게 또는 더 낮게 구동할 것이다. 대부분의경우, 이를 통해 시스템은 최대 (-) 바이어스 포인트 대신 공칭 상태로 전원을 켤 수 있다.시스템 당 수많은 DAC를 요구하는애플리케이션에서 인터페이스를 선택할 경우, 종종 I2C 버스가 거론된다. 이는 2개의 신호 라인인 SCL과 SDA만으로 수 많은 부품들을 지원하는 이점을 가지고 있다. 칩 선택 기능은 7비트어드레스를 사용하는 직렬 프로토콜에포함된다. LTC2600 제품군은 경쟁사의 I2C 부품에 비해 더욱 사용자 선택형의 어드레스를 제공한다. 27개의 어드레스는 3개 핀만 사용해 선택할 수있다.디지털 기능이 증가함에 따라 아날로그 부품을 소프트웨어 바이어스로조정해야 할 필요성이 지속적으로 요구되고 있다. LTC2600과 같은 소형의저전력 DAC는 광범위한 해상도, 채널수 및 인터페이스 옵션을 갖춘 기지국트랜시버처럼 디지털 기능이 강화된시스템에서 피드백 제어 루프의 필요성을 충족시켜 준다

<자료제공: 반도체네트워드 2006년 01월호>