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Hi-Z 버퍼로 AFE 설계를 간소화하는 방법

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글/립하아 캐스트로우 (Leaphar Castro), TI 고속 증폭기 팀 마케팅 엔지니어

고주파 신호와 빠른 과도 펄스를 안정적으로 캡처하려면 오실로스코프 및 능동 프로브와 같은 광대역 데이터 수집 시스템에는 다음을 수행할 수 있는 고성능 AFE(아날로그 프런트 엔드) 신호 체인이 필요하다.

• 높은 신호 대 잡음비를 보장하기 위해 1 VPP 신호(최소한)를 지원한다.

• 테스트 중인 장치의 부하를 방지하기 위해 500MHz의 높은 입력 임피던스(Hi-Z)까지 DC를 지원한다.

• 높은 신호 충실도를 유지하기 위해 낮은 노이즈와 왜곡을 제공한다.

• 높은 DC 정밀도를 제공한다.

이러한 설계 문제를 극복하는 한 가지 방법은 DC 정밀도와 크고 넓은 신호 대역폭을 얻기 위해 저주파 및 고주파 신호 체인을 인터리브하는 복합 루프 기반 접근 방식을 만드는 것이다.

시스템 요구 사항을 충족하는 복합 루프 기반 회로 구현의 복잡성을 고려할 때 엔지니어는 일반적으로 그림 1과 같이 맞춤형 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)를 설계하거나 여러 개별 구성 요소를 사용해야 한다. 두 옵션 모두 ASIC 관련 전문 지식에 대한 필요성과 추가적인 설계 복잡성을 포함하여 단점이 있다. 이 두 접근 방식은 성능과 비용 측면에서도 균형을 이룬다. 개별 구현은 ASIC보다 저렴하지만 ASIC의 성능 수준에 필적할 수 없다.

이 글에서는 개별 버퍼 복합 루프 구현과 새로운 BUF802 Hi-Z 버퍼 단일 칩 구현의 설계 문제를 비교 검토해 보겠다.

개별 버퍼 복합 루프 아키텍처

그림 1에서 Hi-Z AFE의 개별 구현은 정밀 증폭기와 복합 루프에 구성된 개별 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET) 기반 소스 팔로워 회로를 사용한다. 루프는 그림 2와 같이 입력 신호를 저주파 및 고주파 구성 요소로 분할하고 두 구성 요소를 두 개의 다른 회로(전달 함수)를 통해 출력으로 가져오고 이들을 재결합하여 순출력 신호를 재생한다.

[그림 1] 정밀 앰프 아날로그 프런트 엔드가 있는 개별 버퍼 합성 루프

[그림 2] 개별 복합 루프 저주파 및 고주파 경로

저주파 경로는 순전달 함수에 우수한 DC 정밀도를 제공하는 반면, JFET 소스 팔로워 기반 고주파 경로는 순전달 함수가 넓은 신호 대역폭과 낮은 잡음 및 왜곡을 가질 수 있도록 한다. 그림 2에 표시된 회로의 주요 과제 중 하나는 평탄한 주파수 응답을 보장하기 위해 두 경로를 원활하게 인터리빙하는 것이다. 두 경로의 전달 함수가 일치하지 않으면 순전달 함수 주파수 응답의 불연속성이 발생하여 신호 충실도가 손실된다.

복합 루프 아키텍처의 목표

DC 또는 저주파에서 CHF(고주파 커패시터)는 열리고 전압 출력(VOUT)은 저주파 경로의 정밀 증폭기에 의해 제어된다. 알파 및 베타 저항 네트워크의 비율은 DC 또는 저주파 이득을 제어한다.

고주파에서 CHF 단락 및 정밀 증폭기는 제한된 이득-대역폭 곱을 고려할 때 대역폭이 부족하다. 개별 버퍼는 JFET 소스로 작동하고 음-양-음 이미터 팔로워는 VOUT을 결정한다. 그림 3에서 이득(G)이라고 하는 개별 버퍼 단계는 고주파수 경로 이득을 결정한다.

[그림 3] 개별 버퍼 복합 루프 아키텍처

중간 주파수에서는 저주파 및 고주파 경로가 모두 출력을 결정하기 때문에 평탄한 주파수 응답을 보장하려면 개별 이득과 극점과 영점의 상호 작용을 신중하게 조정하는 것이 중요하다. 그림 4와 같이 동일한 구성 요소인 CHF와 RHF(고주파 저항)가 저주파 경로와 고주파 경로의 극을 결정하기 때문에 중간 주파수에서 이득 균등화를 구현하는 것은 어렵다.

복합 루프는 낮은 1/f 잡음과 빠른 오버드라이브 복구를 달성하려면 주파수 응답이 평탄하고 크로스오버 주파수 영역이 높아야 한다.

[그림 4] 개별 버퍼 주파수 응답

개별 구현의 복잡성

그림 5와 같이 저주파 및 고주파 경로의 상호 의존성을 고려할 때 평평한 주파수 응답을 달성하려면 CHF 및 CF(보상 커패시터) 값이 수십 나노패럿이다. 그러나 이러한 값은 수십에서 수백 헤르츠의 크로스오버 주파수 범위를 유발하여 신호 체인의 DC 잡음 성능을 제한할 수 있다.

[그림 5] 저주파 및 고주파 경로의 상호 의존성

복합 루프를 개별적으로 구현할 때의 또 다른 문제는 정밀 증폭기의 개방 루프 이득의 극점과 RHF 및 CHF의 저항-커패시터 네트워크의 극점이 저주파 경로의 2극 네트워크에 기여하여 불안정성을 초래한다는 것이다. 정밀 증폭기(그림 3에서 감마 네트워크로 표시)에 추가 네트워크를 구현하면 이러한 불안정성을 보상할 수 있지만 더 평평한 주파수 응답을 달성하기 위해 조정이 필요하므로 작동 범위 전체에 걸쳐 부드러운 주파수 응답을 생성하는 복잡성이 더 추가된다.

BUF802로 복합 루프 구현

개별 합성 루프 구현의 주요 제한 사항 중 하나는 저주파 및 고주파 경로 간의 상호 의존성과 보상을 위한 추가 감마 네트워크의 필요성이므로 TI의 새 BUF802 Hi-Z 버퍼는 장치 내부에 보조 경로가 있다. 정밀 증폭기의 출력을 보조 경로에 연결하면 복합 루프가 생성되는 동시에 저주파 및 고주파 경로 간의 격리가 보장된다. 서로 다른 주파수 경로를 분리하면 더 높은 크로스오버 주파수 영역이 생성되고 감마 네트워크와 보상 회로가 제거된다. 저주파 및 고주파 신호 구성 요소는 그림 6과 같이 BUF802 내부에서 재결합되고 OUT 핀에서 재생산된다.

[그림 6] 내부 BUF802가 있는 복합 루프 정밀 증폭기

결론

BUF802와 같은 통합 Hi-Z 버퍼는 복합 루프 기반 구현의 복잡한 문제를 해결하는 데 도움이 된다. 입력/출력 클램프와 같은 BUF802의 통합 보호 기능은 신호 체인의 후속 단계를 보호하여 오버드라이브 복구 시간, 입력 커패시턴스를 줄이고 시스템 신뢰성을 높이는 데 도움이 된다.

오늘날의 응용 분야에 대한 AFE를 고려할 때 일반적으로 추가 대역폭이 필요한 미래의 측정 요구 사항도 염두에 두어야 한다. BUF802가 제공하는 기능과 이점은 측정 정확도 면에서나 미래의 테스트 요구 사항에 적절한 시스템 설계 투자에나 도움이 된다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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