[디지키 테크포럼] 시스템 전원 설계 위한 음전압 레일 구현 가이드②-통신 인터페이스 노이즈 억제와 정밀 계측 위한 음전압 조건

디지털·통신 회로의 일부 인터페이스에서는 양·음전압으로 논리 1·0을 구분한다. RS232 표준이 해당 사례다.

이 경우 논리 1에 대응하는 전압은 -12V다. 논리 0에 대응하는 전압은 +12V다.

음전압은 장거리 케이블 전송 시 외부 간섭 내성을 높이는 데 쓰인다. 또한 음전압은 공통 모드 잡음 저감에도 기여한다.

이 같은 전압 조건은 산업용 직렬 통신에서 충족될 필요가 있다. 산업용 환경에서는 이러한 조건이 통신의 전제 가운데 하나로 쓰인다.

음전압이 없으면 통신 오류가 발생할 가능성이 있다. 음전압이 없으면 패킷 손실 가능성도 커진다.

이러한 방식은 산업용 PLC의 직렬 통신 포트와 장비 디버깅용 RS232 포트에서 활용된다. 차동 통신 모듈과 산업용 제어 장치 간 데이터 통신에서도 활용된다.

표준 신호 레벨을 구현하려면 전압 레일로 ±10~±12V가 필요하다. 음전압의 크기가 증가하면 장거리 신호 전송에서 오류 내성이 향상된다.

칩에 내장된 차지 펌프를 활용하면 단일 5V 전원 레일에서 음전압을 생성할 수 있다. 이에 따라 충분한 음전압 구성을 단일 전원 조건에서 보완할 수 있다.

고속 연산 증폭기에 단일 양전압만 공급하면 출력 전압은 0V 이하로 하강할 수 없다. 이 같은 단일 양전원 구동의 결과로 교류(AC) 신호의 음전압 구간이 절단된다.

음전압 구간이 절단되면 원 신호를 완전히 복원하기가 곤란하다. 따라서 교류(AC) 신호를 다루는 경우에는 음전압 구간의 보존이 중요하다.

정밀 신호 수집이 필요한 분야의 예로는 광전 검출과 고임피던스 센서의 미세 신호 측정이 있다. 이런 분야에서는 교류(AC) 신호 전체 파형의 선형 증폭이 요구된다.

전체 파형을 선형 증폭하기 위한 전원 구조로는 별도 음전압 레일을 갖춘 양전원 구조가 필수다. 일반적인 음전압 레일 수준은 -2.5V다.

LTC6268은 fA 수준 미세 전류 감지 회로용 광대역 정밀 연산 증폭기다. LTC6268과 관련해서는 음전압 레일의 잡음·리플·전압 안정성에 대한 요구 조건이 매우 엄격하다.

음전압 전원의 품질은 장비의 신호 수집 정확도를 좌우한다. 특히 -2.5V 음전압 레일이 이 글의 중점 대상이다. 이 음전압 레일에서 전압 왜곡이나 과도한 잡음이 발생하면 미세 광전 신호가 잡음에 묻힐 수 있다. 그 결과 측정 데이터 전체가 무효화될 가능성이 있다.

회로 구성에서는 연산 증폭기의 양(+) 전원이 +2.5V로 설정된다. 연산 증폭기의 비반전 입력(+)은 시스템 접지(0V)에 직접 연결된다. 연산 증폭기의 음(-) 전원은 -2.5V로 공급된다.

포토다이오드의 애노드는 +2.5V에 연결된다. 포토다이오드의 캐소드는 연산 증폭기의 반전 입력에 연결된다. 이와 같은 연결로 포토다이오드에는 역방향 바이어스가 적용된다.

포토다이오드에 역방향 바이어스를 적용하면 접합 커패시턴스가 크게 감소한다. 접합 커패시턴스가 감소한 결과 회로의 대역폭이 확대된다.

빛이 입사하면 포토다이오드에서 광전류(IPD)가 발생한다. 이 광전류(IPD)는 캐소드에서 연산 증폭기 반전 입력 단자로 흐른다. 광전류(IPD)는 회로의 입력 신호이다.

광전류(IPD)의 크기는 pA~nA 수준이다. 광전류(IPD)는 매우 작은 신호이다. 따라서 -2.5V 음전압 레일에서 전압 왜곡이나 과도한 잡음이 발생하면 이 미세 광전 신호가 잡음에 묻힐 수 있고, 그 결과 측정 데이터 전체가 무효화될 가능성이 있다.

이 회로의 적합 소자는 LTC6268 고속 정밀 연산 증폭기다. LTC6268은 FET 입력단과 입력 바이어스 전류 fA 수준의 특성을 가져 미세 광전류 손실을 최소화하며, 초저잡음 입력 전류 특성으로 미세 광전 신호 검출에 적합하다. 또 LTC6268은 20kΩ 피드백 저항 구성에서 폐루프 대역폭 65MHz의 특성을 갖는다.

이 회로에서 20kΩ 피드백 저항은 트랜스임피던스 변환의 핵심 소자이며, 20kΩ 트랜스임피던스 이득으로 광전류(IPD)를 출력 전압으로 선형 변환한다. 다만 기생 피드백 커패시턴스는 저항 단자와 PCB 배선, 포토다이오드 접합에서 발생하며, 이는 피드백 저항과 병렬 연결 등가로 거동한다. 이 기생 커패시턴스와 20kΩ 피드백 저항은 RC 저역통과 필터를 형성하면서 대역폭 축소를 일으키고 고주파 발진 가능성도 만든다.

이에 따라 구동 조건으로는 -2.5V 음전압 레일이 필요하며, 이는 출력 전압의 음 방향 변화를 가능하게 하기 위한 것이다. 실제 회로 설계에서는 기생 성분 영향 감소를 목적으로 보상 커패시터를 추가하는 대응이 반영된다.

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출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=408291

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• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=408291