많은 기기가 아날로그 센서 기능을 포함함에 따라, 가장 널리 사용되는 전자부품 중 하나인 연산증폭기의 사용이 지속적으로 늘고 있다. 시스템 설계자는 복잡한 센서 기반 애플리케이션에 사용되는 정밀 연산증폭기를 선택하기 위해 사양과 성능에서 최적의 조합을 찾는 동시에 가격적인 균형을 맞추기 위해 다양한 측면을 살펴야 한다.

 
글 | 타마라 슈미츠(Tamara Schmitz)
선임 애플리케이션 엔지니어 겸
글로벌 교육 코디네이터
인터실(Intersil Corporation)

 

컨수머, 산업, 과학, 기타 애플리케이션 분야에 사용되는 기본 빌딩 블록 중 연산증폭기(Op Amps)는 전자 기기에 가장 널리 사용되고 있다. 대부분 저가 애플리케이션에서의 요구사항은 단순하므로 디바이스 선택은 비교적 쉬운 편이다. 그러나 좀 더 고가의 센서 입력 프로세싱 설계 구현에 필요한 최적의 정밀 연산증폭기를 선택하는 데는 어려움이 있다.
연산증폭기의 선택은 특히 센서 종류 및 설치 환경이 열악한 동작 환경에서 일관된 성능을 구현하기 위해 필요한 초저전력, 저 노이즈, 제로-드리프트, 레일-투-레일 입력 및 출력, 우수한 열 안정성, 반복성과 같은 특별한 요구사항을 필요로 할 때 어려워질 수 있다.
복잡한 센서 기반 애플리케이션에 사용되는 정밀 연산증폭기를 선택하기 위해, 설계자는 사양과 성능에서 최적의 조합을 찾는 동시에 가격적인 균형을 맞추기 위해 다양한 측면을 살펴야 한다. 특히 초퍼 안정화 연산증폭기(제로 드리프트 증폭기)는 시간과 온도가 바뀌는 환경에서 매우 낮은 오프셋 전압 및 제로 드리프트(zero-drift)를 위한 우수한 솔루션을 제공한다. 초퍼 연산증폭기는 내장 칩에서 구현되는 연속 보정 메커니즘을 통해 높은 DC 정밀도를 제공한다.
비록 모든 상황에 일괄적으로 적용되는 만능 공식은 없지만, 다음의 예제는 연산증폭기 선택이 중요한 애플리케이션의 목적 달성에 어떻게 도움을 줄 수 있는지 제시한다.

무게 측정 및 압력 센서
일반적으로 무게 측정 및 압력 감지 애플리케이션은 스트레인 게이지(strain gage)와 같이 높은 민감도의 아날로그 프런트-엔드 센서를 사용하여 매우 정밀한 측정치를 제공하지만, 매우 약한 신호를 출력한다. 설계자들은 고정밀 무게 측정 애플리케이션을 위해 브리지 센서 네트워크를 사용할 수 있는데, 이 방식에서 공통 모드 추출과 10~20 PPM 정밀도를 제공하기 위해 선택된 이득 저항은 개별 연산증폭기를 쌍으로 연결시킨다. 이와 같은 고도의 수작업 설계는 상대적으로 큰 입력에 대해 매우 작은 신호 차이를 추출하기 위해 엄격한 연산증폭기 성능을 필요로 한다.
이러한 작은 신호를 성공적으로 증폭시키기 위해 연산증폭기는 매우 낮은 입력 오프셋 전압과 최소한의 오프셋 온도 드리프트, 넓은 이득 대역폭과 레일 입력/출력 스윙을 갖춰야 한다(물론, 작은 입력 신호에 대해 레일-투-레일 입력 스윙은 필요치 않다). 또한 연산증폭기는 0.1 Hz에서 10 Hz 사이의 DC 환경에 가까운 매우 낮고 안정적인 주파수 노이즈 특성을 제공해야 한다.
고정밀 무게 측정 브리지 네트워크 센서 애플리케이션을 위해, 설계자는 1/f부터 1 mHz까지 매우 낮은 입력 오프셋 전압과 낮은 노이즈를 갖춘 단일 제로 드리프트 연산증폭기를 찾아야 한다.



그림 1은 10 Hz부터 0.1 Hz 범위에 걸쳐 뛰어난 노이즈 전압(nV)을 갖추어 DC까지 거의 일정한 노이즈 대역을 제공하는 초퍼 안정화 제로 드리프트인 ISL28134 연산증폭기의 예이다. 근본적으로 안정적인 초퍼 기반 설계를 활용하는 ISL28134는 노이즈 이득 오류를 최소화시키면서 고 이득 애플리케이션에 최적의 성능을 제공하는 최대 10 PPM의 노이즈 이득을 포함하고 있다.
저전력이 매우 중요한 요건인 휴대형 무게 측정 애플리케이션용으로는 ISL28133을 고려해볼 수 있다. 이 제품은 초저전력(최대 25 μA) 및 저전압 오프셋(최대 6 μV) 특성과 초퍼 안정화 설계를 결합하여 DC까지 평탄한 노이즈 대역과 거의 제로에 가까운 드리프트를 제공한다. 또한 5 V 대신 10 V의 높은 레퍼런스 전압을 사용하는 다른 스트레인 게이지 애플리케이션을 위해서는 ISL28217 또는 ISL28227을 고려해볼만 하다.

전류 감지 & 제어 애플리케이션
전류를 감지하는 방법은 특정한 애플리케이션 요건에 따라 매우 다양하며, 여기에는 저항을 사용하는 션트 센서(shunt sensor), 홀 효과(Hall Effect) 센서, 계기용 변류기(current transformers)가 있다. 이번 예제에서는 션트 센서 애플리케이션에 사용되는 연산증폭기 요구사항을 살펴볼 것이다. 현재의 션트 저항 기법은 높은 정밀도를 제공하면서 저렴한 가격과 다양한 요구사항 및 설치 시나리오에 적용할 수 있는 장점을 제공한다.
기본적으로 션트 센서 방법론은 측정되는 전원 소스 경로에 저항을 배치한다. 저항 강하가 전력 효율성에 영향을 미치기 때문에, 가능한 낮은 저항값을 사용하는 것이 권장된다. 또 다시 이는 저항으로 인해 전류 감지 애플리케이션이 상대적으로 낮은 전력 강하 차이를 큰 이득 값으로 증폭시켜야 함을 의미한다.
따라서 연산증폭기 회로는 높은 공통 모드 범위와 높은 정밀도를 제공해야 한다. 그리고 특히 배터리 애플리케이션 전류 감지에서는 저전력이 중요한 요구사항이다. 임베디드 전류 감지 회로는 감시되는 제품의 BOM (Bill-of-Materials) 비용을 크게 높이지 않도록 상대적으로 저렴해야할 필요가 있다.
추가로 많은 산업, 유틸리티 및 통신용 전류 감지 애플리케이션에서 연산증폭기의 드리프트는 극한의 온도와 연장된 시간 범위에 걸쳐 최소화되어야 한다. 예를 들면, 전신주 최상단에 설치된 전류 센서는 상대적으로 열악한 환경변화에 노출되므로 관리 비용을 발생시키지 않으면서도 오랫동안 일정한 성능을 제공할 필요가 있다.



많은 션트 기반 전류 감지 애플리케이션은 가장 작은 크기의 패키지에 저전력과 고정밀도 기능을 결합시킨 초퍼 기반의 제로 드리프트 증폭기인 ISL28133 혹은 ISL28233과 같은 연산증폭기로 설계된다. 또한 그림 2처럼 이러한 초퍼 안정화 CMOS 소자는 극한의 온도와 긴 시간 모두에 걸쳐 매우 뛰어난 성능의 낮은 드리프트를 제공한다.
이미 전류 감지는 다양한 산업분야(컨수머, 산업, 통신, 유틸리티 등)에 걸쳐 가장 널리 사용되는 애플리케이션들 중 하나이며, 새로운 전자 기기의 확산과 친환경 전력관리 기법의 중요성 증가로 더욱 중요해지고 있다. 위에서 설명한 초퍼 안정화 정밀 연산증폭기는 임베디드 전류 감지 애플리케이션에서 증가하고 있는 수요를 지원하는 데 필요한 매우 낮은 오프셋 전압과 오프셋 드리프트, 레일-투-레일 입력과 출력, 저전력 특성을 제공한다.

휴대형 유해 환경 안전 감시기
최종 애플리케이션 예제는 다양한 센서 입력을 하나의 디바이스로 결합했으며, 잘 설계된 연산증폭기 회로가 소형 휴대형 기기 내부의 멀티 센서 신호 체인을 효율적으로 처리하는 데 도움이 될 수 있음을 보여준다. 유해환경 감시에 사용되는 휴대형 기기는 최소의 크기에 기능을 극대화시키기 위해 다수의 센서를 결합시키고 있다. 이러한 기기는 가연성 가스 센서, 산소 센서 및 촉매 열 대역 센서를 결합시킬 수 있다.



그림 3의 블록 다이어그램처럼 ISL28194와 같은 다수의 초저전력 연산증폭기를 사용하는 방식은 소형 휴대형 기기 내부의 멀티 센서 신호 체인에 다양한 이점을 제공한다.
일반적으로 이러한 안전기기는 항상 켜진 상태로 동작할 필요가 있으므로, ISL28194 초저전력 프로파일(최대 450 nA와 아이들 시 2 nA)은 성능의 절충 없이 연장된 배터리 수명을 보장한다. ISL28194는 1.8 V에서 5.5 V의 단일 전원 동작 환경을 위해 설계되어 2개의 1.5 V 알카라인 배터리로 동작하는 휴대형 기기에 적합하다. 또한 다수의 ISL28194 신호 체인은 단일 ADC(ISL26132)로 공급될 수 있으므로 전체 시스템 레벨 회로 복잡도와 부품수를 최소화할 수 있다.
일반적으로 가연성 가스 센서, 산소 센서 및 열 센서의 안정화에 최대 10초가 소요될 수 있으므로, 연산증폭기의 대역폭은 덜 중요하지만 센서가 일정한 바이어스를 지닐 필요가 있다. 또한 앞의 예제처럼 센서 출력은 매우 작은 신호인 경향이 있으므로, 연산증폭기는 큰 이득 단계에 걸쳐 평탄한 피크-투-피크 노이즈와 드리프트 특성을 제공해야 한다.

준비돼 있는 연산증폭기 대안
가장 널리 사용되는 전자부품 중 하나인 연산증폭기의 사용이 지속적으로 늘고 있다. 본문에서 설명한 예제를 포함하여 산업 및 컨수머 기기의 모션, 근접성, 빛, 기타 센서의 사용으로 더욱 많은 기기가 아날로그 센서 기능을 포함함에 따라 연산증폭기 사용처가 기하급수적으로 증가하고 있다.
뛰어난 설계의 가장 첫 번째 기준은 정밀도와 성능에 있어서 시스템의 동작 목적을 달성하는 것이므로 높은 이득 시나리오에서 저 노이즈, 낮은 드리프트, 정밀도는 언제나 성공의 핵심 요소이다. 다행히, 이제 시스템 설계자는 가장 까다로운 성능과 정밀도 요구사항을 효과적으로 만족시키면서 전력 사용량, 크기, 부품수, 전체 가격의 균형을 맞추어 주는 다양한 정밀 연산증폭기 대안을 선택할 수 있다. ES