4.6 Instrumentation Amplifier ( 정밀기기용, 계측용증폭기 ) 4.5 절에서는부하의영향을두루살펴보았다. 741 Op Amp. 의입력임피던스가 2M 옴이고출력임피던스가 75 옴이라는것도알았다. 이정도수준의입출력임피던스가정밀 / 정확계측용도로충분할까? 자고로계측은정확하고정밀해야한다. 정확하다는기술용어와정밀하다라는기술용어는고정밀계측이라는마케팅용어에모두포함되어있는데, 실상을구분할수있어야한다. 이런식이다. 조준사격을했는데, 매우우수한탄착군은형성되었지만표적중앙에서는많이벗어났다고한다면, 정밀했지만정확하지는못한것이다. 영점조정을하던지해서탄찬군이표적중앙에몰리도록해야한다. 고정확 / 고정밀계측을위해서그림 4-4-3 의차분증폭기를사용한다고해보자. 어떤문제가야기될까? 그림 4-4-3 을그림 4-6-1 에새로그렸다. R1 R2 V1 - IOP1 Vo R3 R4 V2 그림 4-6-1. 차분증폭기 그림 4-6-1 의차분증폭기회로가계측용도로사용된다고해보자. V1 신호가 R1 을거쳐 Op Amp. 의음의입력단으로전달되고있다. Vi 애서바라본입력임피던스는 R1 이기에, R1 이충분히크지않으면심각한 Loading Effect 를겪을수있다. 그렇다고, R1 을키우자니이득때문에 R2 가커져야하는데한계가있다. 너무큰 R 은부정확하기도하지만, 열잡음도커진다. 저항에서의열잡음은저항값의제곱근에 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 1
비례한다. 게다가증폭회로가불안정해질수있다. 어떻하면좋을까? 안타깝지만돈좀 더쓰자. 이럴때, 아날로그버퍼가이용된다. 그림 4-6-2 회로처럼꾸며보자. 신호원에다가아날로그버퍼를다달았다. IOP2 - R1 R2 V1 - IOP1 Vo - IOP3 R3 R4 V2 그림 4-6-2. 아날로그버퍼를추가한차분증폭기 Op Amp. 가무려세개나쓰였다. 신호원에아날로그버퍼가사용되었다보니, 부하효과에대한고민은이제끝이다. 대체로고정밀 / 고정확시스템은고가이면서원가에큰부담을갖지않으니, 정밀 / 정확만하다면그림 4-6-2 회로처럼 3 개의 Op Amp 로하나의 Op Amp 를대체한들큰부담이되랴? 문제는오히려기판면적을많이차지한다는점이나생산공수가많이든다는점등이다. 그래서, 반도체회사들이이런요구를해소시켜상품화한것이비로 Instrumentation Amplifier 이다. 제품카테고리가형성될정도로인기있는분야이면서반도체회사입장에서는고부가가치분야이다. 그림 4-6-2 회로에서 V2 신호원쪽에삽입된아날로그버퍼는생략할수도있다. 이경우는 Op Amp. 2 개로 Instrumentation Amplifier 를구현한것인데, 요즘은거의 3 개의 Op Amp. 로 Instrumentation Amplifier 를구현한다. 결코싸지않다는단점이있다. 대역폭도그다지넓지않고. 본격적으로파고들어보자. 실제부품을예로들어보겠다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 2
ADC를 위한 아날로그 필터 설계 (주)싱크웍스 INA101 이라는 부품이 있다. 서구에서는 101 이라는 숫자는 시작에 많이 쓴다. INA101 은 Burr Brown 사가 만든 자사 최초의 Instrumentation Amplifier 이다. Burr Brown 은 명품 아날로그 반도체를 만든다고 평이 나있는데, 지금은 Texas Instruments 에 합병되어서 TI 제품으로 나온다. 그림 4-6-3 은 INA101 의 내부 구조를 보여준다. 짐작들 하셨겠지만, INA 는 INstrumentation Amplifier 의 앞머리글자로 조합해 만든 것이다. 그림 4-6-3. INA101 내부 그림 4-6-3 을 보면 Op Amp. 세 개의 존재를 확인할 수 있다. 이 Op Amp.의 주요 특징을 ti.com 의 제품 페이지에서 발췌해 그림 4-6-4 에 옮겨두었다. 한번 음미해보자. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 3
그림 4-6-4. INA101 제품특징 이득을최고 1 천배까지설정할수있다고나와있다. 참고로, Instrumentation Amplifier 의 이득설정은무지하게쉽다. 그림 4-6-3 을보시라. R 만유독칩바깥에나와있지 아니한가! 그렇다. R 의 G 는게인을뜻하는것으로게인조절용저항을개발자가 적절히선택해서달아주세요라는의미이다. 비선형도가매우낮고, CMRR 이무려 106dB 나된다. 계측용으로쓰이다보니안타깝게도대역폭 (Bandwidth) 은그다지크질못하다. 전류소비는좀많은편이고, 가격이 1 천개기준으로개당 7.95 불이다. 웬만한마이크로프로세서보다더비싸다. 산조상님이라그렇다. 새로나온 Instrumentation Amplifier 들은많이저렴해졌다. 좀싼것을알아보자. ti.com 에서 Amplifier and Linear 페이지로들어가면 Instrumentation Amplifier 카테고리를찾을수있다. 글쓰는현재 43 종이등재되어있다. Difference Amplifier 제품군도 INA 로시작하는것들이있는데, 이부분은조금아쉽다. 절대로헥갈려서는안된다. Difference Amplifier 제품군은하나의 Op Amp. 로이뤄져있다. 암튼, INA101 은너무비싸다. TINA 라이브러리가있는제품중에값싼제품으로 INA332 가검색된다. 1 천개기준으로 0.54 불. 이정도면성능만뒷받침된다면돈쓸용의가충분히있을법하다고본다. 그런데, 내부구조가조금이상하다. 처음배우시는분들에게부적합해서탈락. 그림 4-6-2 회로와같은정석적인 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 4
ADC를 위한 아날로그 필터 설계 (주)싱크웍스 형태를 취하면서, 4.4 절에서 설명을 미뤘던, Sense 와 Reference 단자까지 함께 설명할 수 있는 INA163 을 골랐다. 1 천개 기준으로 2.9 불이라 싸지는 않다. 내부 구조는 다음과 같다. 그림 4-6-5. INA163 내부 구조. 그림 4-6-2 와 비교해보시라. 전형적인 Instrumentation Amp. 라는 것을 확인할 수 있을 것이다. 제품 특징을 보니, 1/f 노이즈가 1nV/ @1KHz 일 정도로 매우 작다. 대단하다. T.H.D(Total 엄청나게 Harmonic Distortion) 수준도 낮다. T.H.DN(Noise) 가 0.002%@1KHz, G=100 이다. 무슨 말인고 하니, 1KHz 정현파를 100 배 증폭시켜서 얻은 결과의 스펙트럼을 분석해보면, 고조파와 노이즈 합이 0.002%에 불과하다라는 것이다. 이득이 100 일 때, 대역폭은 800 KHz 나 된다. Instrumentation Amp. 치고는 상당히 큰 편이다. CMRR 은 100dB 이상이나 된다. CMRR 의 주파수 특성도 좋다. CMRR 그래프를 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 5
ADC를 위한 아날로그 필터 설계 (주)싱크웍스 보니, 이득을 100 배로 설정했을 때, 10KHz 에서 CMRR 이 약 95dB 수준이다. Brovo! 돈 값 하는 듯. 그림 4-6-5 에서 부분을 한번 봐주시라. 바로 그 밑에 이득 공식이 나와있다. 이 칩의 이득 공식은 =1 6000 이다. 예를 들어, 601 배의 이득을 원하다면, 매우 정밀/정확한 저항으로 10 옴을 에 달면 된다. 이처럼 대부분의 Instrumentation Amp.에서는 제조업체가 이득 공식을 제품 설명서에서 명시하여 배포하고 있어서 사용하기가 한결 더 편하다. 돈을 좀 쓰니 이런 대접을 다 해준다. 하지만, 진짜 이 공식이 맞는지 한번 쯤은 짚어봐야 안되겠는가? 이번 기회에 한 번 해보자. 어떻게 풀어 낼 수 있을까? 잘 보면, 지금껏 배웠던 내용들이 눈에 쏙 들어올 것이다. 잘 안보이면 주위에 혹시 담배 갑이 있으면 아래 그림처럼 와 죄측 영역을 가려보기 바란다. 담뱃갑이 없으면 지폐라도 꺼내서 그림 4-6-6 처럼 가려보자. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 6
ADC를 위한 아날로그 필터 설계 (주)싱크웍스 그림 4-6-6. 일부를 가린 Instrumentation Amp. 보이는가? 4.4 절에서 배웠던 차분 증폭기가 보인다. 차분 증폭기 푸는 법을 잘 모르겠으면 4.4 절 다시 한번 읽어보자. 그리고, 그림 4-6-6 을 보고 다시 한번 풀어보자. 저항이 모두 6K 옴이니, 와 = 와 6 ( 6 의 관계식은 다음과 같다. ) (4 6 1) 여기까지 구하신 분들은 지폐를 살짝 오른쪽으로 옮겨서 그림 4-6-7 처럼 가려보자. 그림 4-6-7. 다른 부분을 가린 Instrumentation Amp. 이것 참! 때문에 조금 복잡 미묘해진 듯 하다. 회로가 좀 복잡 미묘하다 싶을 때에는 조상님을 찾지 말고, 키르히호프(Kirchhoff) 할아버지를 떠올리자. 얼마인가? 를 따라 위로 흐르는 전류는 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 에 흐르는 전류는 라 하자. 그렇다면, 페이지 7
I = (V V ) R (4 6 2) 이다. 이전류가 A2 증폭기의궤환경로에있는 3k 옴저항에도흐르고, A1 증폭기의 궤환경로에있는 3k 옴저항에도흐른다. 그렇다면, 각각의저항에서발생하는전압 강하를더하거나빼거나하면, V = 3k I V V = V 3k I 가된다. 위두수식을빼면, V V = V V 6k I 가된다. 여기에 (4-6-2) 수식을대입하면, V V = V V 6k (V V ) R 이된다. 위수식에서, V V = V 으로바꾼후, (4-6-1) 수식에대입해보자. 그러면, V = 1 6k R V tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 8
이도출된다. 비싼증폭기라제품설명서에이득공식이나와있기는하지만, 한번쯤은이 득관계를직접규명을해봐야, Op Amp. 좀써봤네! 라고말할수있지않을까? tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 9