[TECH] 전자회로 대표적 아날로그 빌딩 블록 ‘OP앰프’ 기본 특성 이해해야 용도에 따른 최적화 된 기기 선택 가능 OP 앰프는 전자회로를 구성하는 대표적인 아날로그 빌딩 블록이다. 미세한 신호를 증폭(앰프) 한다. 전자기기에서는 '없어서는 안될 존재'다. 단순히, ‘OP 앰프’라고 하지만 다양한 제품군이 있다.예를 들면, 통신기기에 사용하는 OP 앰프와 계측기, 오디오 비주얼(AV) 기기에 사용하는 OP 앰프는 다르다. 각각의 용도에 적합한 특성을 가진 OP 앰프를 선택해야만 한다. 적어도 OP 앰프의 입력 오프셋 전압과 온도 드리프트, 입력 바이어스 전류, 입력환산 잡음 전압 밀도, 슬루율(Slew Rate, SR) 이득 대역폭(GB) 적, -3dB 주파수 대역, 소비전력 등의 기본특성을 이해하고 용도에 따라 충분한 검토가 필요하다.본보는 칩원스탑(Chip one stop)의 협조를 받아 아날로그 디바이스(Analog Devices)의 IPT 일본 부문 브로드 마켓 매니저를 맡은 고바야시 준이치로부터 고정밀 OP 앰프의 상품 구색과 최적의 사용방법, 기술적 이유 등에 들어봤다. (문의자: 기술 저널리스트 야마시타 카츠미) -. 아날로그 디바이스의 IPT 부문에서는 어떤 OP 앰프를 취급하고 있는가?▲ IPT 부문은 'Instrumentation and Precision Technology'의 약자이며, 표시된 이름처럼 높은 정밀도가 요구되는 용도로 제공하는 OP 앰프나 A-D/D-A 컨버터, 아날로그 스위치 등을 담당하고 있다. -. 고정밀 OP 앰프의 구체적인 애플리케이션은 어떤 것이 있나▲ 주로 계측기/시험기, 로봇, 산업기기, 의료기기 등에서 사용되고 있다.-. 고정밀 OP 앰프는 어떤 제품이 있는가?▲ 높은 정밀도가 요구되는 계측기 및 분석기기를 구성하는 시그널 체인에서는 크게 3종류의 OP 앰프가 사용되고 있다. 초단 앰프와 중단 앰프, ADC(A-D 컨버터) 드라이버 등 3개다. 각각의 역할에 따라 OP 앰프에 요구되는 특성은 다르다. 초단 앰프의 역할은 센서 등에서 검출한 미세한 신호를 최초에 증폭하는 데 있다. 이 단계에서 신호에 잡음이 들어가게 되면 나중에 제거할 수 없기 때문에 초단 앰프가 전자기기의 최종적인 성능을 결정해버리는 경우가 많다.초단 앰프에는 2종류가 있다. 하나는 미세한 전압을 증폭하는 OP 앰프. 즉 소스 임피던스가 낮은 OP 앰프다. 다른 하나는 미세한 전류를 증폭하는 OP 앰프. 즉 소스 임피던스가 높은 OP 앰프다.중단 OP 앰프는 멀티플렉서의 후단에 넣는다. 왜 여기에 OP 앰프가 필요한가라고 묻는 경우가 있는데, 중단에서는 불필요한 주파수 대역의 신호를 제거해야 한다. 이른바 필터링이 필요해진다. 그래서 OP 앰프와 저항, 콘덴서를 사용해 필터를 구성하는 것이다. ADC 드라이버는 미세한 신호를 증폭해 필터링한 후에 A-D 컨버터에 전달하는 역할을 한다. A-D 컨버터를 구동(드라이브)하기 위한 OP 앰프다.-. 제로 드리프트는 어떻게 실현하고 있나 그림2:초퍼 안정화 회로에서 제로 드리프트를 실현, 초핑(변조) 주파수는 4.8MHz로 높다.▲ ADA4522에서는 초퍼 안정화 방식을 채용하고 있다. 입력신호에 대해 4.8MHz라는 높은 주파수 변조를 건다. 그러면 직류 부근에 있었던 오프셋 성분이 고주파 영역으로 내밀린다. 그 후, 로 패스 필터는 고주파 영역의 노이즈를 제거할 수 있다. 이렇게 낮은 입력 오프셋 전압을 달성한다.-. 초퍼 안정화 방식을 채용하는 제로 드리프트 앰프는 경쟁업체도 제품화하고 있다. ADA4522의 특징은 무엇인가? ▲ 6상의 멀티 페이즈 동작을 채용하고 있는 것이다. 일반적인 제로 드리프트 앰프는 광대역 화이트 노이즈를 저감할 수 없다는 과제를 안고 있다. 이를 해결한 것이 ADA4522에서 채용한 멀티 페이즈 동작이다.초퍼 안정화 회로를 6개 준비해 각각을 시분할로 동작시킨다. 각각의 회로 동작 주파수가 800kHz이므로 등가적으로 4.8MHz로 움직이게 된다. 멀티 페이즈 동작의 메리트는 노이즈를 보나 낮게 억제되는 점에 있다. 일반적으로 2상이라면 노이즈는 1/√2로, 3상이라면 1/√3으로 억제된다. 6상이라면 노이즈는 1/√6으로 억제되는 계산이 된다. 즉 1/2.45로 억제되는 것이다제로 드리프트 앰프는 입력 오프셋 전압이 낮은 것은 당연하다. 그러나 제로 드리프트를 실현하기 위해 CMOS 프로세스를 채용하면 아무래도 화이트 노이즈가 커진다. 그래서 일반적으로 제로 드리프트 앰프에서는 낮은 입력 오프셋 전압 다음으로 낮은 노이즈가 강하게 요구되고 있다. 화이트 노이즈가 크면 예를 들어, 전자저울에 적용한 경우, 측정치가 움직여 버려 좀처럼 안정되지 않는 사태를 초래한다. -. 화이트 노이즈의 크기는 OP 앰프의 어떤 특성 때문에 발현되는 것인지 궁금하다▲입력환산 잡음 전압 밀도 및 피크 투 피크의 입력환산 잡음 전압에 나타난다. 예를 들어, ADA4522의 입력환산 잡음 전압 밀도는 5.8nV/√Hz이며 빼어나게 낮다. 경쟁업체 제품은 10nV/√Hz를 넘어 버리는 것이 적지 않다. 피크 투 피크 입력환산 잡음 전압은 117nV이다. 유저 중에는 100nV을 요구하는 경우가 있지만, 거기에 상당히 가까운 현실적인 이상치라고 할 수 있을 것이다. 회로 연구에서 ESD 보호 다이오드의 영향을 배제-. 펨토 암페어 앰프인 ADA4530의 기술적인 포인트는 무엇인가?▲ 포토다이오드를 제로 바이어스 상태에서 사용하면 어둠 속에서는 전류가 전혀 흐르지 않음과 동시에 밝기와 출력전류 사이의 직선성을 높게 얻을 수 있다. 이 특성을 충분히 살리기 위해서는 초단 앰프의 입력 바이어스 전류를 매우 적게 억제할 필요가 있다. ADA4530에서는 입력 바이어스 전류를 ±20fA에 억제하고 있다. 극히 적은 전류 값이다.-. 입력 바이어스 전류를 억제한 이유가 있다면▲ 입력 바이어스 전류가 적은 OP 앰프는 기본적으로 FET 입력을 채용하기 때문에 정전기 방전(ESD) 보호 다이오드가 입력부에 필요하다. 일반적으로 이 ESD 보호 다이오드의 리크 전류가 고온에서 입력 바이어스 전류가 증가하는 원인이 되고 있었다. ADA4530에서는 입력부의 회로 구성을 고려해 ESD 보호 다이오드의 영향을 경감하는 데 성공했다. 이 결과, 입력 바이어스 전류를 극한까지 억제할 수 있게 됐다.40년 전의 OP 앰프가 지금도 아직 현역-. 중단 앰프에서 중시되는 특성은 무엇인가?▲ 입력 오프셋 전압이 낮은 것, 입력 바이어스 전류가 적은 것, 온도 의존성이 작은 것, 주파수 특성이 우수한 것, 소비전력이 적은 것 등을 들 수 있다. 즉 OP 앰프의 모든 특성에서 비교적 양호한 숫자가 요구된다. 말하자면 우등생적인 특성이 필요하다는 것이다.-. 왜 특성이 우수한 신제품으로 모두 교체가 안되는 것일까▲ 이유는 크게 나누면 2가지가 있다. 하나는 OP07을 중단 앰프에 채용하고 있던 전자기기에 신제품으로 교체하면 전자기기의 성능이 변화할 가능성이 크다. 그것이 좋은 방향으로 변화했다고 해도 그 결과, 안전규격이나 통신규격 등을 재신청이 필요할 가능성이 크다. 이 절차의 부담이 매우 무겁다. 그래서 설계변경을 하지 않고 OP07을 계속 사용하는 유저도 있다.또 다른 이유는, OP 앰프의 특성이 높아졌다 해 그것을 탑재하는 전자기기의 성능이 좋아진다고는 할 수 없는 것이다. OP07과 비교하면, 그 이후의 세대제품은 모두 특성이 향상하고 있다. 노이즈도 슬루율도 대역폭도 DC 성능도 크게 개선되고 있다. 그러나 OP07에서 대체하면 대역폭이 넓어졌기 때문에 넓은 주파수 영역의 노이즈를 줍게 돼버려 전자기기 전체로 보면 노이즈 특성이 열화해 버리는 케이스가 생긴다. 설계자로서는 큰 리스크다. 그래서 신제품으로 교체하지 않고 OP07을 계속 사용하고 있다.소비전류를 약 1/20로-. ADC 드라이버용으로 OP 앰프의 최신 동향에 대해 알려달라▲ 16비트 이상의 고정밀, 1메가 샘플 초당 이상의 ADC를 사용하는 경우, 지금부터 5~10년 전에는 ADC 드라이버의 소비전력 쪽이 A-D 컨버터의 소비전력보다 10배 정도 컸었다. 그러나 최근에는 ADC 드라이버의 소비전력은 매우 낮게 억제돼 있다. 제조공정이 종래의 바이폴라 기술에서 CMOS 기술로 변한 것이 크다. ADC 드라이버에서 중시되는 특성으로는 SN 비와 다이내믹 레인지, 주파수 대역폭 등을 들 수 있다.-. 현재 ADC 드라이버의 대표적인 제품은 무엇인가?▲ ADC 드라이버의 대표적인 제품으로는 'LTC6363-1'을 들 수 있다. 소비전류는 2mA로 적기 때문에 발열의 관점에서도 소비전력의 관점에서도 전자기기의 설계를 저해하는 존재는 아니다. 기존 제품은 40mA 정도였기 때문에 약 1/20로 삭감한 셈이다. 소비전류는 적은데도 불구하고 20비트 분해능, 1M 샘플 초당 A-D 컨버터를 구동해 102dB의 SN 비를 실현하고 있다. 과거에는 100dB의 SN 비를 얻기도 힘들었던 것을 생각하면 102dB라는 숫자는 상당히 높은 수치다.-. 향후 모터 드라이버 IC 시장을 어떻게 예측하나▲ 중국향 가전제품의 인버터화 비율은 40% 정도이기 때문에 모터 드라이버 IC 시장은 앞으로도 더욱 성장할 것으로 보고 있다. 게다가, PM2.5의 문제도 있기 때문에 공기청정기도 확대할 것이다. 'SMA6860MH 시리즈'는 공기청정기에 최적화 돼 있다. 이 밖에 중동과 동남아, 인도 등의 시장도 향후 기대할 수 있다. 이러한 성장시장을 커버하기 위해 2018년 4월에 디자인 센터를 태국에 개설했다. 당사의 모터 드라이버 IC의 매출 확대에 크게 기여할 것으로 기대한다.

[TECH] 전자회로 대표적 아날로그 빌딩 블록 ‘OP앰프’

기본 특성 이해해야 용도에 따른 최적화 된 기기 선택 가능

기사입력 2019-04-26 13:02:45

[산업일보]
OP 앰프는 전자회로를 구성하는 대표적인 아날로그 빌딩 블록이다. 미세한 신호를 증폭(앰프) 한다. 전자기기에서는 '없어서는 안될 존재'다. 단순히, ‘OP 앰프’라고 하지만 다양한 제품군이 있다.

예를 들면, 통신기기에 사용하는 OP 앰프와 계측기, 오디오 비주얼(AV) 기기에 사용하는 OP 앰프는 다르다. 각각의 용도에 적합한 특성을 가진 OP 앰프를 선택해야만 한다. 적어도 OP 앰프의 입력 오프셋 전압과 온도 드리프트, 입력 바이어스 전류, 입력환산 잡음 전압 밀도, 슬루율(Slew Rate, SR) 이득 대역폭(GB) 적, -3dB 주파수 대역, 소비전력 등의 기본특성을 이해하고 용도에 따라 충분한 검토가 필요하다.

본보는 칩원스탑(Chip one stop)의 협조를 받아 아날로그 디바이스(Analog Devices)의 IPT 일본 부문 브로드 마켓 매니저를 맡은 고바야시 준이치로부터 고정밀 OP 앰프의 상품 구색과 최적의 사용방법, 기술적 이유 등에 들어봤다. (문의자: 기술 저널리스트 야마시타 카츠미)

고바야시 준이치 씨

-. 아날로그 디바이스의 IPT 부문에서는 어떤 OP 앰프를 취급하고 있는가?
▲ IPT 부문은 'Instrumentation and Precision Technology'의 약자이며, 표시된 이름처럼 높은 정밀도가 요구되는 용도로 제공하는 OP 앰프나 A-D/D-A 컨버터, 아날로그 스위치 등을 담당하고 있다.

-. 고정밀 OP 앰프의 구체적인 애플리케이션은 어떤 것이 있나
▲ 주로 계측기/시험기, 로봇, 산업기기, 의료기기 등에서 사용되고 있다.

-. 고정밀 OP 앰프는 어떤 제품이 있는가?

▲ 높은 정밀도가 요구되는 계측기 및 분석기기를 구성하는 시그널 체인에서는 크게 3종류의 OP 앰프가 사용되고 있다. 초단 앰프와 중단 앰프, ADC(A-D 컨버터) 드라이버 등 3개다. 각각의 역할에 따라 OP 앰프에 요구되는 특성은 다르다. 초단 앰프의 역할은 센서 등에서 검출한 미세한 신호를 최초에 증폭하는 데 있다. 이 단계에서 신호에 잡음이 들어가게 되면 나중에 제거할 수 없기 때문에 초단 앰프가 전자기기의 최종적인 성능을 결정해버리는 경우가 많다.
초단 앰프에는 2종류가 있다. 하나는 미세한 전압을 증폭하는 OP 앰프. 즉 소스 임피던스가 낮은 OP 앰프다. 다른 하나는 미세한 전류를 증폭하는 OP 앰프. 즉 소스 임피던스가 높은 OP 앰프다.
중단 OP 앰프는 멀티플렉서의 후단에 넣는다. 왜 여기에 OP 앰프가 필요한가라고 묻는 경우가 있는데, 중단에서는 불필요한 주파수 대역의 신호를 제거해야 한다. 이른바 필터링이 필요해진다. 그래서 OP 앰프와 저항, 콘덴서를 사용해 필터를 구성하는 것이다. ADC 드라이버는 미세한 신호를 증폭해 필터링한 후에 A-D 컨버터에 전달하는 역할을 한다. A-D 컨버터를 구동(드라이브)하기 위한 OP 앰프다.

-. 제로 드리프트는 어떻게 실현하고 있나

그림2:초퍼 안정화 회로에서 제로 드리프트를 실현, 초핑(변조) 주파수는 4.8MHz로 높다.

▲ ADA4522에서는 초퍼 안정화 방식을 채용하고 있다. 입력신호에 대해 4.8MHz라는 높은 주파수 변조를 건다. 그러면 직류 부근에 있었던 오프셋 성분이 고주파 영역으로 내밀린다. 그 후, 로 패스 필터는 고주파 영역의 노이즈를 제거할 수 있다. 이렇게 낮은 입력 오프셋 전압을 달성한다.

-. 초퍼 안정화 방식을 채용하는 제로 드리프트 앰프는 경쟁업체도 제품화하고 있다. ADA4522의 특징은 무엇인가?

▲ 6상의 멀티 페이즈 동작을 채용하고 있는 것이다. 일반적인 제로 드리프트 앰프는 광대역 화이트 노이즈를 저감할 수 없다는 과제를 안고 있다. 이를 해결한 것이 ADA4522에서 채용한 멀티 페이즈 동작이다.

초퍼 안정화 회로를 6개 준비해 각각을 시분할로 동작시킨다. 각각의 회로 동작 주파수가 800kHz이므로 등가적으로 4.8MHz로 움직이게 된다. 멀티 페이즈 동작의 메리트는 노이즈를 보나 낮게 억제되는 점에 있다. 일반적으로 2상이라면 노이즈는 1/√2로, 3상이라면 1/√3으로 억제된다. 6상이라면 노이즈는 1/√6으로 억제되는 계산이 된다. 즉 1/2.45로 억제되는 것이다

제로 드리프트 앰프는 입력 오프셋 전압이 낮은 것은 당연하다. 그러나 제로 드리프트를 실현하기 위해 CMOS 프로세스를 채용하면 아무래도 화이트 노이즈가 커진다. 그래서 일반적으로 제로 드리프트 앰프에서는 낮은 입력 오프셋 전압 다음으로 낮은 노이즈가 강하게 요구되고 있다. 화이트 노이즈가 크면 예를 들어, 전자저울에 적용한 경우, 측정치가 움직여 버려 좀처럼 안정되지 않는 사태를 초래한다.

-. 화이트 노이즈의 크기는 OP 앰프의 어떤 특성 때문에 발현되는 것인지 궁금하다
▲입력환산 잡음 전압 밀도 및 피크 투 피크의 입력환산 잡음 전압에 나타난다. 예를 들어, ADA4522의 입력환산 잡음 전압 밀도는 5.8nV/√Hz이며 빼어나게 낮다. 경쟁업체 제품은 10nV/√Hz를 넘어 버리는 것이 적지 않다. 피크 투 피크 입력환산 잡음 전압은 117nV이다. 유저 중에는 100nV을 요구하는 경우가 있지만, 거기에 상당히 가까운 현실적인 이상치라고 할 수 있을 것이다.

회로 연구에서 ESD 보호 다이오드의 영향을 배제
-. 펨토 암페어 앰프인 ADA4530의 기술적인 포인트는 무엇인가?
▲ 포토다이오드를 제로 바이어스 상태에서 사용하면 어둠 속에서는 전류가 전혀 흐르지 않음과 동시에 밝기와 출력전류 사이의 직선성을 높게 얻을 수 있다. 이 특성을 충분히 살리기 위해서는 초단 앰프의 입력 바이어스 전류를 매우 적게 억제할 필요가 있다. ADA4530에서는 입력 바이어스 전류를 ±20fA에 억제하고 있다. 극히 적은 전류 값이다.

-. 입력 바이어스 전류를 억제한 이유가 있다면
▲ 입력 바이어스 전류가 적은 OP 앰프는 기본적으로 FET 입력을 채용하기 때문에 정전기 방전(ESD) 보호 다이오드가 입력부에 필요하다. 일반적으로 이 ESD 보호 다이오드의 리크 전류가 고온에서 입력 바이어스 전류가 증가하는 원인이 되고 있었다. ADA4530에서는 입력부의 회로 구성을 고려해 ESD 보호 다이오드의 영향을 경감하는 데 성공했다. 이 결과, 입력 바이어스 전류를 극한까지 억제할 수 있게 됐다.

40년 전의 OP 앰프가 지금도 아직 현역
-. 중단 앰프에서 중시되는 특성은 무엇인가?
▲ 입력 오프셋 전압이 낮은 것, 입력 바이어스 전류가 적은 것, 온도 의존성이 작은 것, 주파수 특성이 우수한 것, 소비전력이 적은 것 등을 들 수 있다. 즉 OP 앰프의 모든 특성에서 비교적 양호한 숫자가 요구된다. 말하자면 우등생적인 특성이 필요하다는 것이다.

-. 왜 특성이 우수한 신제품으로 모두 교체가 안되는 것일까
▲ 이유는 크게 나누면 2가지가 있다. 하나는 OP07을 중단 앰프에 채용하고 있던 전자기기에 신제품으로 교체하면 전자기기의 성능이 변화할 가능성이 크다. 그것이 좋은 방향으로 변화했다고 해도 그 결과, 안전규격이나 통신규격 등을 재신청이 필요할 가능성이 크다. 이 절차의 부담이 매우 무겁다. 그래서 설계변경을 하지 않고 OP07을 계속 사용하는 유저도 있다.
또 다른 이유는, OP 앰프의 특성이 높아졌다 해 그것을 탑재하는 전자기기의 성능이 좋아진다고는 할 수 없는 것이다. OP07과 비교하면, 그 이후의 세대제품은 모두 특성이 향상하고 있다. 노이즈도 슬루율도 대역폭도 DC 성능도 크게 개선되고 있다. 그러나 OP07에서 대체하면 대역폭이 넓어졌기 때문에 넓은 주파수 영역의 노이즈를 줍게 돼버려 전자기기 전체로 보면 노이즈 특성이 열화해 버리는 케이스가 생긴다. 설계자로서는 큰 리스크다. 그래서 신제품으로 교체하지 않고 OP07을 계속 사용하고 있다.

소비전류를 약 1/20로
-. ADC 드라이버용으로 OP 앰프의 최신 동향에 대해 알려달라
▲ 16비트 이상의 고정밀, 1메가 샘플 초당 이상의 ADC를 사용하는 경우, 지금부터 5~10년 전에는 ADC 드라이버의 소비전력 쪽이 A-D 컨버터의 소비전력보다 10배 정도 컸었다. 그러나 최근에는 ADC 드라이버의 소비전력은 매우 낮게 억제돼 있다. 제조공정이 종래의 바이폴라 기술에서 CMOS 기술로 변한 것이 크다. ADC 드라이버에서 중시되는 특성으로는 SN 비와 다이내믹 레인지, 주파수 대역폭 등을 들 수 있다.

-. 현재 ADC 드라이버의 대표적인 제품은 무엇인가?
▲ ADC 드라이버의 대표적인 제품으로는 'LTC6363-1'을 들 수 있다. 소비전류는 2mA로 적기 때문에 발열의 관점에서도 소비전력의 관점에서도 전자기기의 설계를 저해하는 존재는 아니다. 기존 제품은 40mA 정도였기 때문에 약 1/20로 삭감한 셈이다. 소비전류는 적은데도 불구하고 20비트 분해능, 1M 샘플 초당 A-D 컨버터를 구동해 102dB의 SN 비를 실현하고 있다. 과거에는 100dB의 SN 비를 얻기도 힘들었던 것을 생각하면 102dB라는 숫자는 상당히 높은 수치다.

-. 향후 모터 드라이버 IC 시장을 어떻게 예측하나
▲ 중국향 가전제품의 인버터화 비율은 40% 정도이기 때문에 모터 드라이버 IC 시장은 앞으로도 더욱 성장할 것으로 보고 있다. 게다가, PM2.5의 문제도 있기 때문에 공기청정기도 확대할 것이다. 'SMA6860MH 시리즈'는 공기청정기에 최적화 돼 있다. 이 밖에 중동과 동남아, 인도 등의 시장도 향후 기대할 수 있다. 이러한 성장시장을 커버하기 위해 2018년 4월에 디자인 센터를 태국에 개설했다. 당사의 모터 드라이버 IC의 매출 확대에 크게 기여할 것으로 기대한다.

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김지성 기자 intelligence@kidd.co.kr

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