증폭기 선택 과정을 단축시키고

고유한 이점을 제공하는 온라인 증폭기 평가 툴

초보자이던 전문가이던 간에 회로를 설계하거나 신속히 검사를 할 때, 증폭기 파라메트릭 평가 툴(Amplifier Parametric Evaluation Tool)은 증폭기 선택 과정을 줄여주고 여러분이 회로의 원활한 작동에 대해 신뢰할 수 있도록 돕는다.

글 │빌 체스넛(Bill Chestnut), 트래비스 하크네스(Travis Harkness), 아나로그 디바이스

연산 증폭기를 이용하는 설계는,에러 버짓(Error Budget)을 종종 사용 한다고 해도 쉽게 프로세스화 되지 않는다. 아날로그 시스템 디자이너가 특정 용도를 위해 연산 증폭기를 염두에

둬도, 궁극적으로 파라미터로 작용하는 요인을 파악하는 것은 경험을 통해 가능하기 때문이다. 증폭기의 역할은 단순히 신호 소스를 부하로부터 분리 시키는 것부터 이득(Gain) 인가, DC레벨 쉬프트, 부하에 더 많은 전류를 공급하는 것에 이르기까지 다양하다.

파라미터가 미치는 영향

일단 회로 내에서의 증폭기의 역할이 정해지면, 회로 디자이너들은 증폭기 파라미터가 어떻게 되야 목표에 맞출 수 있는지를 계산하게 된다. 대부분 이런 계산들은 간단한 편이다. 연산 증폭기가 공급해야 하는 전류의 양과 헤드룸(Headroom)은 초보자도 금방 알수 있지만, 그 밖의 많은 파라미터들도 회로동작에 영향을 미친다. 최대 전력 대역폭, 슬루율, 입력 오프셋 전압, 바이어스 전류, 오프셋 전류, 개방 루프이득, 공통 모드 제거율(CMRR), 허용가능 입력 차동 전압은 그러한 파라미터의 일부에 불과하다.

앞서 언급한 파라미터들이 성능에 영향을 미치는 시나리오를 파악하는 것은 상당 부분 경험에 의존하므로 새로운 시스템 기준은 디자인 자체가 오차에 취약하게 한다. 예를 들어, 매우 좁은

주파수 대역에서 훨씬 넓은 대역으로 변경되는 한 디자인을 생각해보자. 이 때 증폭기는 최대 전력 대역폭 및 슬루율로 더 높은 절대 주파수를 지원해야 할 뿐 아니라 주파수 대비 개방 루프이득이 감소함으로써 회로 이득이 끝점 주파수에서 상당히 달라지게 된다. 좁은주파수 대역에서는 이러한 이득 오차가 문제가 되지 않을 수 있어도 고주파 광대역 애플리케이션에서는 문제를 야기함으로써 결과적으로 더 큰 이득범위를 필요로 하게 된다. 많은 엔지니어들이 광대역 디자인을 처음 할 때 이러한 오차 요소를 간과하는 경향이 있다.

이득오차의 차이 분석

그렇다면 많은 사람들이 SPICE를 통해 시뮬레이션을 하고, 이 오차를 포착할 수 있다고 반박할 수도 있다. 물론 SPICE를 사용하는 것도 좋은 방법이긴 하지만, 모든 문제를 해결해 주진 않는다. 이와 같은 경우, 신중한 엔지니어라면 AC 분석을 통해 끝점에서 이득오차의 차이를 확인할 것이다.

하지만, 이를 위해서는 파라메트릭 검색, 데이터시트 검토, 모델 다운로드 등의 선택 프로세스를 쳐야 한다. 파라메트릭 한계가 슬루율일때는 육안으로 하는 정상적인 트랜션트(Transient) 분석으로는 이 조건이 처음 발생할 때 찾아낼 수 없다. 뿐만 아니라 SPICE는 정확한 모델을 이용할 수 있어야 한다.

슬루율이나 지배적인 극점(Dominant Pole)을 부정확하게 모델링 했다면, 이들 예를 정확하게 분석하는 것은 어렵거나 불가능할 것이다.

보일(The Boyle) 매크로모델이나 더발전된 매크로모델링 기법이라도 종종 한 부분을 희생하기 때문에 모든 파라미터의 정확한 동작 모델링을 달성하기가 어렵긴 하나, 그리 중요한 문제는 아니다. 그래도 SPICE에는 다른 중요한 단점들이 있다. 모든 버전의 SPICE가 상호운영 가능하지 않기 때문에, 특히나 다항식 문장(Polynomial Statements)에서는 사용자의 조정이 필요하게 된다.

또한 예기치 못한 결과의 원인을 가려내고자 할 때, 시뮬레이션을 통합하는 것은 문제가 될 수 있다. SPICE는 어떤 파라미터가 문제를 일으키는 원인이 되는지에 대한 피드백은 제공하지 않는다.

증폭기 파라메트릭 평가 툴

일반적인 설계 방법론의 이러한 한계와 시간 낭비를 고려했을 때, 프로세스를 단축시키면서 너무 늦기 전에 문제를 포착할 수 있는 툴이 필요하다. 아나로그 디바이스는 최근 바로 이러한 문제를 해결할 수 있는 온라인 툴을 출시했다. ADI의 증폭기 파라메트릭 평가 툴(그림 1)을 통해 회로 디자이너들은 회로 및 신호 소스를 구성하고, 증폭기를 선택하고, 증폭기가 회로 내에서 어떻

게 동작하는지를 평가할 수 있다. 그림2a는 슬루율 한계를 보여주기 시작한 회로이다. SPICE에서와 마찬가지로 경계선 슬루율 한계는 육안으로는 확인할 수 없다. 하지만 이 툴은 쌍방향 메시지를 통해 문제 조건, 발생 원인, 교정 방법에 대한 유용한 정보를 표시한다.(발견하지 못한 슬루율 한계가 있을 경우 그림 2b에서처럼 나타난다.) 이 툴은 또한 증폭기의 유한 개방 루프 이득에 의한 DC 및 이득 오차를 개별적으로 추가 또는 제거할 수 있으므로 사용자가 오차가 어디서 발생했는지를 편리하게 알 수 있다. 사용자가 못볼 경우를 대비해, 이들 오차 소스가 포함되지 않았지만 기여도가 어느 정도일 때는(풀스케일 출력 신호의 1% 이상)로그 박스에 주의가 표시된다.

툴의 동작과 모델링

그러면 이 툴은 어떻게 동작하고 무엇을 모델링 하는가? 내셔널 인스투르먼트의 랩뷰(LabVIEW)는 수학적 모델링 코드 서버 사이드를 실행하여 회로응답을 투명하게 계산한다. 표준 웹 브라우저만 있으면, 회로 디자이너가 툴을 셋업하고 수학적 연산의 결과를 볼수 있다. 이 툴이 각 증폭기에 관한 회로 구성과 함께 파라메트릭 데이터를 이용하여 클리핑, 공급 제약, 공통 모드및 차동 전압 한계, 최소 안정 폐쇄 루프 이득 위반, 최대 출력 전류 정격, 대역폭 한계, 커패서티브 부하 구동 용량, 슬루율 한계 등을 표시한다.

또한 추가적인 파라메트릭 데이터를 이용해서 오프셋 전압, 바이어스 전류,오프셋 전류, CMRR, PSRR로 인한 DC 오차를 계산하고 증폭기의 개방 루프 이득 응답 및 유한 입력 임피던스로 인한 이득 오차를 표시한다. 더불어, 이 툴을 잘 활용하면 설계 프로세스를 단축할 수도 있다. 이득 오차를 고려하지 않아도 되므로, 헤드룸이나 슬루율 한계에 있어 문제가 발생할만한 증폭기들을 더 빠르게 제거할 수 있다. 각 증폭기 이득을 조정하고 증폭기 한계를 확인할 필요 없이 이득 오차를 배제함으로써 곧바로 원하는 출력신호 범위를 달성하는 증폭기를 찾아내고 추가적으로 평가가 필요한 증폭기에 대해서만 이득을 조정할 수 있다. 완전포지티브 또는 완전 네거티브 기여로 DC 오차가 추가된다. 각각의 방식으로 모델을 실행해서 두 전원 레일을 위해 헤드룸이 충분한지 확인한다. 그러면 대쉬보드 사용자 인터페이스가 곧바로 해당 디자인의 도큐멘트를 위한 회로 스냅샷 및 관련 문제를 인쇄한다.

고유한 이점 제공

이 아나로그디바이스의 툴은 또 다른 고유한 이점을 제공한다. 회로를 구성하고 나면, ‘증폭기 권장(Suggest Amplifier)’유틸리티는 해당 회로에 가장 적합한 연산 증폭기를 검색한다. 그리고, 툴이 모델링한 모든 증폭기의 상태를 표시하고 권장 증폭기를 리스트 상단에 정렬하게 된다. 따라서 엔지

니어는 더 빨리 자신이 갖고 있는 모든 증폭기의 상태를 확인할 수 있어 문제 해결이나 프로토타입 개발에 있어 시간을 단축하게 된다. 실제로 이 툴의사용자는 통상적인 방법으로 증폭기를 검색할 필요가 없다.

증폭기 권장 기능이 최적의 증폭기를 신속히 찾아내기 때문에, 연산 증폭기 없이도 회로의 셋업이 가능하다. 그런 다음 회로 디자이너는 자신 있게 하나 또는 두 개의 연산 증폭기를 이용,데이터시트를 검토하거나 시뮬레이션을 실시하거나 프로토타입을 개발할 수 있다.

또 다른 유틸리티인‘셀렉션 마법사(Selection Wizard)’는 초보 아날로그 디자이너가 회로를 구성하고 부품을 선택할 수 있도록 돕는다. 반전 또는 비반전을 선택하고, 입력 및 출력 범위를 설정하고, 최대 주파수를 지정하기만 하면 이 마법사가 회로를 구성하고 권장 연산 증폭기를 제공한다. 또한,

이 마법사는 레벨 쉬프트 및 입력/출력 범위에 따른 입력 신호 이득 인가를 위해 필요한 모든 수동 소자를 결정할 수 있도록 돕는다.

초보자이던 전문가이던 간에 회로를 설계하거나 신속히 검사를 할 때, 아나로그 디바이스의 증폭기 파라메트릭 평가 툴(Amplifier Parametric Evaluation Tool)은 증폭기 선택 과정을 줄여주고 여러분이 회로의 원활한 작동에 대해 신뢰할 수 있도록 돕는다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 06년 03월호>