4.7 Op Amp. 의 Sense 핀과 Ref. 핀의사용법 * 본게시글은출판예정인가칭 'ADC 를위한아날로그필터설계 ' 서적의일부를선공 개하는것입니다. 저작권은주식회사싱크웍스에있습니다. 일부 Op Amp. 중에는 Sense 와 Ref. 핀을가지고있는제품들이있다. 앞서 4.4 절에서살펴본 INA157 과같은차분 (Difference) 증폭기에도이핀들이있고, 4.6 절에서배운 INA163 과같은 Instrumentation Amplifier 에도이핀이있다. 어떤용도로쓰일까? 다음은 4.4 절에서도본 INA157 내부구조도이다. 그림 471 INA157 4.6 절에서다뤘던 INA163 의마지막 Op Amp. 역시그림 471 과같은구조이기에그림 471 으로 Sense 핀과 Ref 핀용도와사용법을설명하면부족함이없겠다. 먼저그림 4 71 에서 Sense 핀을보도록하자. 이핀이만약에개방 (Open) 되어있다면, 궤환 (Feedback) 경로가구성되지않기에증폭기로사용이어렵겠다. 따라서, Sense 핀은 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 1
어떤식으로든출력단에접속되어야한다. Ref. 핀처리방법은여러가지가있을수있겠는데, 만약차분증폭기가필요하다면 Ref 핀은접지에접속되어야한다. 여기까지는지금까지배웠던내용인데, 하필이면왜 Sense 라는말과 Ref. 라는말을이핀에다가부쳤을까? 이유가있을테니, 캐내어보자. 먼저, Ref 핀을이용한불완전접지해소법에대해서살펴보자. 구현하고자하는시스템규모가큰공간이나면적을차지한다면접지에문제가발생할수있다. 결과적으로접지가 0V 아닌상황이벌어질수있는데이를불완전접지라한다. 불완전접지를그림 472 와같이모델링해볼수있겠다. 그림 472. 모델링한불완전접지 : 와 의전위가다름 그림 472 의회로를보면, 신호원의 () 단자와 Op Amp. 의 () 입력단이동일한접지기호에연결되어있는것을확인할수있다. 그런데, 물리적으로두접지간의거리가제법멀어지면, 접지간에저항값이라던지, 기생커패시턴스, 인덕턴스성분등으로인하여, 전위차가발생하는경우가종종생긴다. 제법멀리떨어진센서등과결속할때이런문제들이발생한다. 등가모델로표현하자면다음과같이표현할수있다. Op Amp. 쪽접지 를주접지로간주하고, 접지와 접지사이의전압강하를 Vz 라하면, 그림 473 과같은등가모델로불완전접지를표현할수있겠다. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 2
Z Vz 그림 473. 불완전접지등가회로 더이상 에는접지기호가없다. 임피던스성분 Z 로주접지 와연결된형태다. 문제는 Z 의정체를모른다는것이고, 시변 (Time varying) 할수도있다는점이다. Vz 를 고려한입출력관계식은어떻게되는가? 중첩의원리를적용하여서구해보자. V = (V V ) 수식을통해서알수있듯이, 불완전접지로인해서발생한 V 까지도증폭이된다. 큰일이다. 접지간거리를최소화한다던지하더라도 Vz 를완전히없애기는불가능하다. 어떻게할까? 그래서, Ref. 핀이만들어졌다. 그림 474 를보자. Sense Z Vz Ref. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 3
그림 474. Ref. 핀을이용한불완전접지해소법 그림 473 회로에는일반적인 Op Amp. 가사용되었다. 그림 474 회로에서는 INA157 같은 Ref 핀을가진차분증폭기가사용되었다. Sense 핀은아직안배웠으니일단출력단에바로물려놓자. Ref 핀은 접지에연결하자. 접지간전위차를 Vz 로표시했다. 주의할것이하나있다. 그림 474 의, 저항은반도체패키지내부의저항이기에실제회로를전혀복잡하질않다는점을주의해야한다. 그림 474 회로의전달함수를구해보면 Vz 가어떻게제거되는지를정확히그리고쉽게이해할수있다. 중첩의원리를적용하여, 에대한응답을구해보자. Vz 를 0 으로만들어야한다. V = V 이다. 이제, Vz 에의한응답을구해보자. 영향을 0 으로만들어야한다. 즉, 단락 (short) 시켜야한다. 그러면회로가어떻게되는가? Z Vz 그림 475. Vz 에의한출력을구하는회로 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 4
Vz 가위쪽 을거쳐서 Op Amp 의 () 입력단을전달된다. 동시에, 아래쪽 을 거쳐서 Op Amp. 의 () 입력단으로도전달된다. Op Amp. 두입력단전위는동일하다. 그렇다면차분증폭기의출력은 0 이다. 따라서, 두결과를중첩하여응답을구하면, V = V 이다. 어떤가? 간단히설명하자면, Op Amp. 양단입력차만증폭하는차분증폭기의성질과 Ref. 핀을이용하여, 불완전접지로발생하는전압을제거하는것이다. Ref. 핀을잘활용하면, 불완전접지로인해서야기된전압을차분증폭기양입력단에똑같이전달하기에차분과정에서없어져버리는것이다. 이제는 Sense 핀의활용방법을알아보자. 그림 476 을보자. RL 이멀리떨어져있다. 책이좀더컸으면실감나도록멀리그렸을것인데, 좀아쉽지만, 많이멀다고해보자. 멀리떨어진장치등을구동하는예가되겠다. RL 그림 476. 멀리떨어진부하를구동하는예 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 5
그림 476 에서 과 가각각 1K 옴및 10K 옴이라면, RT 를고려하지않은이득은 10 배이다. 이제 RT 를고려해보자. 도선이제법길어서 RT 가 100 옴이나된다고해보자. 그리고, RL 또한 100 옴이라고한다면, 그림 476 회로전체의이득은 5 배에불과하다. 즉, 도선에의해서 Loading Effect 가심각하게발생한것이다. 그림 477 에도선의저항까지고려한등가회로를그려놓았다. 그림 477 회로가애초계획했던시스템전체이득 10 배를달성할려면 를 20K 옴으로바꿔주면되겠는데, 문제는도선의저항이얼마인지정확히모른다거나시간에따라변한다거나한다면어떻게해야할까? 그렇다고포기할수는없는노릇이다. 이럴때, Sense 핀이필요하다. RT RL 그림 477. 도선저항을 RT 로모델링한등가회로 그림 476 회로를그림 478 회로처럼꾸며보자. RT 에의해서출력저하가발생한다는점, 즉, Loading Effect 가발생한다는점잘아시리라본다. 원치않는바다. 어떻게극복할수있을까? 저항값이작은도선을사용하는것은비현실적일수도있기에, Sense 핀을이용하여이를극복한다. 다음회로를보자. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 6
Sense RL Ref 그림 478. Sense 핀을이용한무손실장거리부하구동예 그림 478 회로는 Sense 핀의의미가확다가올법한회로다. 목표지점의전압을감지하여피드백시키는역할을 Sense 핀이한다. 전체적으로는차분증폭기를꾸며야하기에, Sense 핀으로부터 지점까지, 그리고, Ref 핀부터부하의접지지점까지는, 그림 478 과처럼동일한도선으로똑같은길이로회로를구현해야한다. 이렇게되면, 는 RT 가되어우리가흔히보는차분증폭기가된다. 그림 479 회로가등가회로다. RT Sense RT RL R3 RT Ref. 그림 479. 그림 478 의등가회로 tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 7
그림 479 와같은회로가형성이되면, 도선의저항은 Op Amp. 출력저항으로바뀌게된다. 따라서, 원격에따른출력전압저하에대한우려도사악가시게된다. 반대로, 도선의저항만큼 가크진형국이기에전체적인이득은조금커진다.. 필요하다면, Ref. 핀을부하쪽접지가아닌, 가까운쪽접지에물려도된다. Ref. 핀의또다른사용예가있다. Ref 핀에가변저항을달아조절하면출력신호의 Offset 을조정할수있다. 하지만, 고신뢰성제품이나양산제품에가변저항을사용하는것을무척이나좋아하지않는필자이기에소개에서빼버렸다. 궁금하신분은 TINA 로차분증폭기의 입력단에연결된 저항을 control object 로설정하여값을바꿔가며시뮬레이션해보시기바란다. 출력오프셋이달라짐을확인할수있을것이다. 다음편은 4.8 단전원시스템에서 Op Amp. 사용하기 입니다. 4 장목차 4.1 Op Amp. 실제부품의이해와핀설명 4.2 전원공급과전류흐름 4.3 RRIO(Rail to Rail Input Output) 4.4 CMRR 과 PSRR 4.5 Loading Effect 4.6 Instrumentation Op Amp. tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 8
4.7 Op Amp. 의 Sense 핀과 Ref. 핀의사용법 4.8 단전원시스템에서 Op Amp. 사용하기 4.9. FDA(Fully Differential Op Amp.) tms320.co.kr/mcublog.co.kr 페이지 9