최근의 산업용 제품 소형화 추세에 따라 정밀 데이터 수집 시스템에는 새로운 문제가 나타났다. 이제 설계자는 더 높은 대역폭에서 더 정밀한 신호 측정을 지원하는 한편 전체 시스템에서 솔루션의 크기와 전력 소비 간에 균형을 맞추어야 한다.
본 문서에서는 산업 시스템에서 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 역할을 중점으로 이 문제를 상세하게 논의하고자 한다.
50% 더 작은 패키지로 더 높은 AC/DC 성능 제공
ADS127L11 정밀 광대역 ADC를 통해 채널 밀도 극대화
ADC 패키지 크기
가전제품과 상당히 흡사하게 산업 장비에서도 크기와 전력 소비 모두를 절감해야 하는 과제가 중요해지고 있다. 기능과 성능상의 희생이 없는 한, 사용자는 더 작고 가벼운 휴대용 또는 준휴대용 데이터 수집 장비를 선호한다. 실험실 주변에서 또는 외부의 현장으로 갖고 다니기 쉽기 때문이다. 초소형 프로그래머블 로직 컨트롤러 플러그인 모듈은 작업 현장에서 제어 패널 내부의 공간을 덜 차지하고, 부차적으로 장비 재고와 예비품에 대한 예비 재고를 위한 선반 공간이 덜 필요하다.
물론, 소형 제품 디자인은 내부 전기 장치의 크기와도 직결된다. 그림 1은 4차 로우패스 필터가 포함된 TI의 THS4551 완전 차동 증폭기, 통합 버퍼가 포함된 REF6041전압 레퍼런스, ADS127L11 광대역 ADC를 사용한 데이터 수집 시스템의 레이아웃을 보여준다. 최신 기술 발전을 고려할 때 컨버터가 이 설계에서 가장 큰 구성 요소가 아니라는 것은 주목할 만하다.
그림 1: 일반적인 아날로그 프론트 엔드 인쇄회로기판(PCB) 레이아웃
ADC 전력 소비
휴대용 장비의 배터리 실행 시간을 연장하려면 전력 소비를 최대한 줄이는 것이 중요하지만, 또한 저전력 소비를 달성하려면 예컨대 병렬로 연결된 배터리 셀 4개를 3개로 줄여서 더 작고 가벼운(어쩌면 비용도 절감되는) 장비를 만들어야 한다는 결론이 나온다.
전력 소비를 줄이면 오프라인으로 작동되는 장비에도 이득이 된다. 전력 손실이 적으면 인클로저 내 온도 상승이 줄어든다. 그러면 집적 회로(IC)의 평균 접합부 온도를 낮추어 제품 수명이 늘어날 수 있다. 경우에 따라서는 강제 공랭 장치가 줄어들거나 없어진다. 이와 반대로, 제품 인클로저 또는 제어 패널에서 환기구를 없애면 PCB 표면에 쌓이는 먼지와 증기가 감소한다. 험한 환경에서 장시간 노출하여 작동하면 현장 장비에 문제가 발생할 수 있다.
전력 소비를 줄이면 전원 장치 자기 소자의 전체 크기도 작아질 수 있다. 물론 이렇게 크기가 작아지면 인클로저 옵션도 줄어든다.
ADC 분해능
원인이 되는 잡음원은 (레퍼런스 전압 및 입력 신호 조절 회로에서) 데이터 수집 시스템의 측정 분해능을 제한할 수 있지만, 많은 구성 요소는 원인이 되는 잡음 효과를 최소화하기 위해 존재한다. 논란의 여지가 있긴 하지만, 진동/음향 모니터링과 범용 데이터 수집 등의 AC 신호를 측정하는 산업 장비에 대한 시스템 분해능의 주요 요인은 결국 컨버터다. 컨버터는 측정 분해능을 제한하는 신호음과 기타 허위 주파수가 없어야 하며, 낮은 광대역 잡음은 작은 신호 수준과 낮은 왜곡을 해결하여 스펙트럼 성능이 우수하다.
그림 2는 정밀 수집 시스템에 대한 좋은 스펙트럼 성능의 예시이다. 이 데이터에 사용된 시스템 구성 요소도 THS4551, REF6041, ADS127L11이다.
그림 2: ADC 스펙트럼 성능
ADC 대역폭
AC 신호를 정밀 수집하는 동안 컨버터는 주파수 특성이 낮은 리플의 평평한 통과대역, 가능한 한 많은 대역폭을 보존하기 위한 급격한 천이대역, 신호 알리아싱을 최소화하기 위해 나이퀴스트(Nyquist) 주파수에서 전면적으로 시행되는 정지대역 등의 이상화된 모습에 근접해야 한다. 신호 알리아싱이 발생하면 후처리로 신호를 바로잡을 수 없으므로, 가능한 한 경제적으로 대역 외 신호를 감쇠하는 것이 중요하다.
광대역 델타 시그마 ADC는 중요한 안티알리아싱 기능 등의 이 필터 속성을 제공한다. 광대역(또는 브릭월 필터)은 앞서 언급한 통과대역, 천이대역 및 정지대역 성능이 포함된 디지털 필터에서 비롯된다. 이 필터 자체는 오버샘플링 개념에 의해서만 만들어지며, 최상의 전력 및 분해능 척도를 고려하여 보통 델타 시그마 ADC와 연계하여 사용한다. 그림 3은 일반적인 광대역 ADC의 주파수 응답을 보여준다.
그림 3: 광대역 ADV 필터 응답
광대역 필터의 정지 대역 감쇠는 보통 연속 근사 레지스터 ADC와 함께 필요한 외부 안티알리아스 필터에 대한 필요를 없앤다. 둘 다 Nyquist 주파수에서 신호 감쇠를 제공할 수 있도록 고안된다. 상응하는 차수의 외부 안티알리아스는 매우 높으며 실행 시에는 비용이 많이 든다. 외부 필터를 피하면 설계와 구성 요소비용을 절약할 뿐 아니라 대역 내 많은 위상 변화를 방지할 수 있다.
그림 4: 공명 시 응답이 최고치에 이르는 일반적인 압전 가속도계
광대역 필터를 컨버터에 통합할 때 발생하는 한 가지 문제는 필터 구현에서 많은 로직 게이트에 요구되는 실리콘 다이 영역이다. ADC의 IC 설계자는 관련 임계 전압이 낮은 소형 트랜지스터 크기를 활용하여 전력 소비를 줄일 수 있지만, 그와 동시에 트랜지스터가 아날로그 친화적이어야 한다. 훌륭한 아날로그 섹션 잡음 및 선형성 성능을 달성할 수 있다는 뜻이다. TI는 두 가지 기준에 모두 부합하는 IC 공정을 개발했다.
소형 트랜지스터의 기하학적 구조는 로직 게이트와 연관된 부유 용량을 줄여주어 내부 전력 손실을 낮춘다. 방정식 1은 클록 주파수(f)와 작동 전압(V)에서 작동하는 전력 손실(P)을 나타낸다.
P = V2 × f × C (1)
임계 전압을 낮추면 V2 전원 공급 기간과 관련된 전력 손실이 감소한다. 한 가지 장점을 더 언급하면, ADC 디지털 섹션에서 사용되는 소형 트랜지스터 크기에 의해 피크 스위칭 전류를 낮추어 아날로그 스위칭 섹션까지 디지털 스위칭 잡음의 커플링이 감소한다.
결론
Texas Instruments는 ADS127L11을 통해 기존의 광대역 컨버터와 비교하여 50% 더 작은 패키지, 50% 더 낮은 전력 소비, 3dB의 향상된 분해능, 50% 더 넓은 신호 대역폭을 갖춘 광대역 ADC를 설계했다. ADS127L11은 분해능이나 대역폭의 희생 없이 크기와 전원 요소를 모았다.
정밀 광대역 ADC를 선택할 때 설계자는 더 이상 전력 소비 최적화, 패키지 크기, 분해능, 측정 대역폭 중에서 선택하지 않아도 된다. 차세대 데이터 수집 장비에서 TI가 점점 더 작아지는 폼 팩터, 더 낮은 전력 소비, 향상된 분해능의 요구를 해결했기 때문에 컨버터를 선택하는 것이 더 쉬워졌다.
마크 베라두치(Mark Berarducci), TI 정밀 ADC(아날로그 디지털 컨버터) 시스템 엔지니어
