■ 아날로그 디지털 변환 저전력시 1mW라도 더 줄여야

이 글에서는 고정밀 측정 애플리케이션을 위한 저전력 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 솔루션에 대해서 소개한다. 각종 센서들을 사용해서 다양한 물리적 양을 측정하고 이를 마이크로컨트롤러로 전달해서 추가적인 처리를 할 수 있다. 이러한 아날로그 센서 출력 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 ADC가 필요하다. 고정밀 애플리케이션에는 SAR ADC나 시그마-델타 ADC를 주로 사용한다. 저전력 애플리케이션에서는 1mW라도 전력을 더 줄일 수 있도록 설계하는 것이 중요하다.

■ 시그마-델타 ADC를 사용한 신호 변환

SAR ADC와 비교할 때, 시그마-델타 ADC의 장점으로 몇 가지를 들 수 있다. 무엇보다 시그마-델타 ADC는 더 높은 분해능이 가능하다. 뿐만 아니라 시그마-델타 ADC는 흔히 프로그래머블 이득 증폭기(PGA)와 범용 입력/출력(GPIO)을 포함한다. 그러므로 DC 및 저주파 고정밀 신호 컨디셔닝 및 측정 애플리케이션용으로 적합하다. 하지만 시그마-델타 ADC는 높은 수준의 고정적 오버샘플링 레이트를 사용하므로 전력 소모가 더 높다. 이 점은 배터리로 구동되는 애플리케이션에서 배터리 수명을 단축할 것이다.

입력 전압이 밀리볼트대로 낮다면 이를 ADC가 좀더 수월하게 처리할 수 있도록 증폭할 필요가 있다. 10mV 출력 전압으로 낮은 수준의 전압을 연결하기 위해서는 PGA 아날로그 프론트 엔드(AFE)가 필요하다.

예를 들어, 브리지 회로로부터 낮은 수준의 전압을 2.5V 입력 범위로 동작하는 시그마-델타 ADC로 연결하려면 PGA 이득이 250이어야 한다.

그런데 이렇게 하면 ADC 입력에 추가적인 잡음이 생길 것이다. 잡음 전압 역시 증폭될 것이기 때문이다.

그러므로 24비트 시그마-델타 ADC의 유효 분해능이 12비트로 크게 낮아진다.

하지만 어떤 경우에는 ADC에 모든 코드를 사용할 필요가 없을 수 있고, 추가적인 증폭이 더 이상 동적 범위를 향상시키지 못하는 지점이 있을 수 있다.

시그마-델타 ADC의 또 다른 단점은 내부적인 복잡성 때문에 대체로 가격이 더 비싸다는 것이다. 

■ 계측 증폭기(In-Amp)와 SAR ADC를 함께 사용할 때의 이점

시그마 델타 컨버터와 비슷한 수준의 정확도를 내면서 비용적으로 좀더 경제적이고 효율적인 솔루션은 계측 증폭기(In- Amp)와 SAR ADC를 함께 사용하는 것이다(그림 1).
 
SAR ADC의 동작은 데이터 획득과 데이터 변환의 두 가지 측면으로 구분할 수 있다. 기본적으로 데이터 포착 기간 동안에는 전류 소모가 적다. 또한 대부분의 SAR ADC가 변환과 변환 사이의 구간에 절전 모드로 전환한다. 그러므로 변환 구간에서 가장 많은 전류를 소모한다.

이 전력 소모는 변환 레이트에 따라서 좌우되며 샘플 레이트에 따라서 선형적으로 증가한다.

온도 측정처럼, 측정하고자 하는 값이 천천히 변화하는 경우에는 전류 소모를 줄이기 위해서 낮은 변환 레이트를 사용해야 한다. 그림 2는 AD4003의 샘플링 레이트에 따른 전력 손실을 보여준다. 1kSPS일 때는 전력 손실이 약 10 W인데, 1MSPS만 돼도 10mW로 크게 증가한다.
 
이처럼 천천히 변화하는 측정과 달리, 시그마-델타 ADC는 오버샘플링이 강점으로서 출력 레이트보다 훨씬 더 높은 내부 오실레이터 주파수를 사용할 수 있다.

그러므로 설계 엔지니어는 빠른 속도로 샘플링을 최적화하고 잡음 성능이 좀 나빠지는 것을 감수하거나, 조금 느린 속도로 더 많은 필터링과 잡음 셰이핑(잡음을 원하는 주파수 대역 바깥으로 밀어냄)을 사용해서 잡음 성능을 향상시키거나 할 수 있다.

하지만 시그마-델타 ADC는 SAR ADC에 비해서 여전히 전력 소모가 크다. 많은 시그마-델타 ADC가 데이터 시트에서 유효 분해능과 잡음을 일으키지 않는 분해능에 대해서 언급하고 있으므로 이 내용을 참고해서 설계해야 할 것이다.

■ In-Amp + SAR ADC, 전력 소모 감소·배터리 구동에 적합

PGA와 함께 시그마-델타 ADC를 사용하는 것이나 계측 증폭기와 함께 SAR ADC를 사용하는 것 모두 고정밀 측정 애플리케이션의 신호 변환에 사용하기에 적합하다. 두 솔루션의 정확도는 비슷한 수준이다.

하지만 전력 소모를 줄이거나 배터리 구동 측정 애플리케이션을 위해서는 계측 증폭기(In-Amp)와 함께 SAR ADC를 사용하는 것이 더 좋은 방법이다.

PGA와 시그마-델타 ADC로 이루어진 솔루션에 비해서 전력 소모가 적고 가격이 낮기 때문이다.

뿐만 아니라 높은 이득을 가진 PGA는 잡음 또한 증폭되기 때문에 성능을 제한할 수 있다.

PGA를 컨버터 내부에 통합한 시그마-델타 컨버터로는  AD7124-4/AD7124-8 같은 좀 더 집적화된 솔루션을 사용할 수도 있다.

※ 저자 소개

토마스 브랜드(Thomas Brand)는 2015년에 석사 논문을 쓰면서 아나로그디바이스와 인연을 맺었다. 졸업 후 아나로그디바이스에서 수습 기간을 마치고, 2017년에 필드 애플리케이션 엔지니어가 되었다. 현재는 중부 유럽의 주요 산업용 고객들을 지원하는 업무를 맡고 있으며, 산업용 이더넷을 전문 분야로 하고 있다. 모스바흐 산학협력 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다.