전압 비교기가 단일칩 마이크로컨트롤러 업계에 모습을 드러내기 시작한 것은 1990년대 말이었다. 당시 이 같은 변화는 단순히 비용 절감으로 비추어졌다. 비교기의 경우 실리콘은 덜 필요하면서도 여전히 마이크로컨트롤러가 2개의 아날로그 전압을 비교할 수 있었다. 이러한 전압 비교기에 대한 ‘단일 비트 ADC’적 견해는 1990년대 하반기를 거쳐 21세기 초까지 계속 이어졌다.

Keith Curtis / 마이크로칩 테크놀로지 보안, 마이크로컨트롤러, 기술 개발 부문 수석 애플리케이션 엔지니어

   8비트 마이크로컨트롤러가 많은 혼합신호 애플리케이션에 도입되기 시작하면서 마이크로컨트롤러를 사용하는 아날로그 출신의 설계자들이 늘기 시작했다. 그 결과 형성된 새로운 부류의 혼합신호 마이크로컨트롤러 설계자들은 유연성과 전압 비교기의 전력에 익숙했으며, 이러한 자신들의 역량을 개척하기 시작했다. 온칩 전압 비교기를 사용하는 센서-디지털 변환, 로직 게이트, 증폭기, 심지어 전력 변환 같은 애플리케이션이 나타나기 시작했다.
   그러나 안타깝게도 혼합신호 마이크로컨트롤러 설계자들의 수가 전압 비교기에 대한 ‘입소문’을 효과적으로 퍼트릴 정도에는 못 미치고 있어, 본 글은 설계자들이 평범한 비교 전압기로 생성할 수 있는 다양한 혼합신호 애플리케이션에 눈을 뜰 수 있도록 제시하고 있다. 이 주제를 광범위하게 다루려면 수백 페이지의 분량에 이르겠지만, 몇 가지 가능한 애플리케이션의 다양한 샘플링을 제시하도록 하겠다.

센서- 디지털 변환 

   먼저 센서-디지털 변환부터 시작해  보자. 대부분의 아날로그 센서는 측정하는 환경적 요인에 비례하여 저항,인덕턴스, 전기용량의 변화를 만든다. 서미스터는 온도에  비례하여 저항이 달라지고, 습도 센서는 전기용량, 일부 근접 센서는 인덕턴스에 따라 달라지기까지 한다. 기존의 변환 방법으로 저항, 전기용량, 인덕턴스를 전압으로 변환한 후에, 다시 전압을 ACD를 사용하여 디지털 값으로 변환할 수도 있을지 모른다. 그러나 센서 출력을 바로 디지털 값으로 변환할 수 있다면 어떨까?
  이 시점에서 평범한 전압 비교기가 등장한다. 간단한 완화 발진기를 사용하여 저항, 전기용량, 인덕턴스를 가변 주파수로 변환한 후에 타이머 주변장치를 사용하여 이 주파수를 측정할 수 있다 (그림 1의 2개 발진기 회로 참조). 간편함이라는 확실한 장점 이외에 2개 회로 모두 유입 신호를 평균화하는 기능이 내재되어 있어 상대적으로 소음에 면역되어 있다. 이들의 분해능 (resolution) 역시 샘플이 카운트되는 시간의 길이에 따라 결정된다.
   2개 회로에서 모두 R1, R2, R3가 히스테리시스 (hysteresis)를 제공하여, 비교기의 출력 상태를 사용하여 비교기의 트립 (trip) 수준을 높게 또는 낮게 이동시킨다. 왼쪽 회로에서 R4와 L1이 작동 주파수를 정하고, 오른쪽 회로에서는 R1와 C1이 정한다. R4와 C1 이나 L1을 저항, 전기용량, 인덕턴스 센서와 대체함으로써, 주파수가 센서 값에 의해 결정되는 가변 주파수 발진기를 생성할 수 있다. 그 다음에는 주파수가 타이머0과 타이머1을 사용하여 디지털 값으로 변환된다. 타이머1은 발진기 주파수에서 카운트 하고, 타이머0은 샘플 기간을 정한다.   타이머0이 한바퀴 돌면, 타이머1은 정지되고 변환의 결과가 타이머1에서 회수된다.
    몇 개의 외부 부품, 일부 소프트웨어, 2개의 내부 타이머가 결합되면서, 설계자가 비교기를 사용하여 저항, 인덕턴스, 전기용량을 측정하는 간단한 방법을 사용할 수 있게 된다. 이 밖에 설계자는 타이머1의 카운트 가능 기간을 늘려서 컨버터의 분해능을 확대할 수도 있다.
   뿐만 아니라 온칩 비교기를 갖추고 있는 대부분 신규 마이크로컨트롤러에는 2:1 이나 4:1의 아날로그 멀티플렉서나 반전 입력도 함께 있다. 따라서 설계자 들이 간단히 각각 센서에 R4를 더하고 센서/저항기 접합 부분을 다양한 멀티플렉서 입력에 라우팅하여 4개 센서 사이 에서  컨버터를 다중화할 수 있다.


로직 게이트 연산

    로직 게이트를 만들기 위해서는 다이오드 로직과 몇 개의 저항기를 결합시켜   필요한 로직 기능을 만들기만 하면 된다. (그림 2)에는 다소 복잡한 XOR 기능과 더불어 AND와 OR 기능을 실행하는 간단한 회로가 표시되어 있다.
    (그림 2)의 왼쪽 회로는 AND와 OR  두 개 기능 모두에 사용된다. 회로를 AND로 만들기 위해서는 VDD/2위쪽으로 반전 입력을 설정하는 R3와 R4 값을 선택한다. OR 기능으로 만들기 위해서는 VDD/2 약간 아래쪽으로 반전 입력을   설정하는 값을 선택한다(R1와 R2는  값이 같아야 한다).
     AND 구성에서 A와 B 모두 비반전   입력을 VDD/2점 위로 풀링할 정도로   충분히 높아야 하기 때문에, 출력이 올라간다. OR 구성에서는 A나 B가 비반전  입력을 VDD/2로 풀링할 만큼 높아야   하기 때문에, 출력이 높게 풀링된다. NAND나 NOR를 만들기 위해서는 간단히 반전과 비반전 입력을 교환하면 된다.
     (그림 2)의 왼쪽 회로는 XOR 회로에 사용된다. A나 B중 하나가 낮은 경우에는 반전 입력이 0.7V에 고정되고, 입력이 높은 다른 하나는 높은 출력을 생성한다. A와 B가 모두 높은 경우에 반전 입력은 VDD에 풀링되고 비반전 입력 쪽의 입력이 VDD 약간 밑으로 고정되면서, 출력이 낮아진다.
     주의한 점은 로직 회로에서는 전압기의 출력 드라이브가 로직을 용이하게    드라이브할 수 있도록, 선택된 저항기 값이 모든 전류를 1~10mA 범위에 유지시킬 정도로 충분히 커야 한다.


피드백 및 출력 전압 생성 

    다음으로 비교기가 어떻게 저주파수 연산 증폭기로 사용되는지 살펴보겠다. 가변 듀티 사이클 (variable-duty-cycle) 디지털 신호는 충분히 낮은 주파수의 저역 필터 (low-pass filter)를 통해 펄스 체인을 간단히 필터링하는 방식으ㅋ에서 연산 증폭기를 만들기 위해서 필터의 동일한 평균법 기능을 사용하여 피드백과 출력 전압을 생성하도록 하겠다(그림 3의 연산 증폭기의 스키메틱 참조).
     비반전 회로에서는 정상 연산 증폭기 회로에서와 마찬가지로 R1과 R2가 이득을 고정시킨다. C1과 R3/C2는 필터링으로 작용하여 비교기 출력에서 PWM 디지털 신호를 평균화하여, 이를 피드백과 회로의 선형 출력에 대한 DC 수준으로 사용한다. 반전 회로에서는 R4와 R5가 이득을 고정시키고, C3와 R6/C4가 평균화 필터로 작용하여 디지털 PWM을 선형 전압으로 변환시킨다. 주: 반전 토폴로지에서 회로의 가상 접지를 생성하기 위해 R7과 R8가 필요하다.
    마지막으로 전원 회로를 스위칭해 보자. 대체 전압을 생성하는 한 가지 방법은 출력으로부터 나온 전압 피드백에 의해 게이트되는 PWM 스위치 신호를   생성하는 것이다. 이 회로에서 한 개의 비교기가 램프 파형을 생성하고, 두 번째 비교기가 출력 전압으로부터 나온 피드백을 제공한다. (그림 4)의 스키메틱에서 2개의 비교기로 어떻게 이를 실행하는지 보여 주고 있다.
     이 회로에서 U1a 비교기는 펄스 생성기로써, 위의 디지털 발진기에 대한 센서와 유사하게 R4, R5, C1으로 정해지는 주파수에서 작동한다. R5는 C1의 충전 전압이 1.5V 선에서 절대 아래로 내려가지 않도록 하기 위해 회로에 포함된다. U1b가 U1a의 비반전 입력을 약 0.7V로 풀링하여 발진을 끄는 방식으로 발진기의 동작을 제어하기 때문에 이 같은 역할이 중요하다. 주: 발진기는 꺼짐(off)쪽으로 돌려졌을 때 출력을 낮게 풀링하여, Q1 역시 꺼질 수 있도록 설계되어 있다.
    발진기가 작동할 때 Q1이 정기적으로 켜져, L1에서 전류 흐름을 구축한다. Q1이 꺼지면 L1의 전류 흐름이 D3쪽으로 치우치고 C2를 충전하여, 출력 전압을  충전한다. C2의 출력 전압 샘플이 확장되어 D2의 전송 전압과 비교된다. 출력 전압이 너무 높으면, U1b가 발진기를 끈 후에 C2가 부하로 방전시켜, 출력 전압을 낮춘다. 출력 전압이 원하는 전압 아래로 내려가면, U1b의 출력이 높아지고 발진기가 재가동되면서, 전류를 다시 C2로 보낸다.

결론

   이제 모두 마쳤다. R/C/L 센서 출력을 디지털 값으로 변환하는 회로, 로직 게이트, 증폭기, 심지어 스위치 전원까지, 모두 별개의 부품과 비교기에서 구축된다. 
   이제 다음에 마이크로컨트롤러를 찾아 볼 때는 비교기가 있는 부분을 발견하게 될 것이다. 그러면 시간을 갖고, 비교기를 사용하여 구축할 수 있는 복잡한