강력한 신호 생성기의 출력 스테이지 설계 방법

2020년 06월 01일

글: 토마스 브랜드(Thomas Brand) 필드 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

신호 생성기는 지정된 전기 신호를 발생하기 위한 것으로 시간이 지날수록 점점 더 발전해 왔다. 이러한 신호가 사인파, 사각파, 삼각파 같이 단순하면서 주기적인 파형이면 이러한 신호 파형을 생성하는 장치를 함수 생성기라고 한다. 흔히 이러한 생성기는 전기 회로나 어셈블리의 기능을 검사하기 위해서 사용된다.

입력에는 정해진 신호를 인가하고 출력에는 원하는 측정 장비(오실로스코프 등)를 연결한다. 그렇게 해서 사용자가 검사를 할 수 있는데, 이러한 출력 스테이지를 설계하기가 설계자들에게는 까다로운 과제이다. 이 글에서는 전압 이득 증폭기(VGA)와 전류 피드백 증폭기(CFA)를 사용해서 간단하면서도 비용을 줄일 수 있는 출력 스테이지 설계 방법에 대해 설명한다.

통상적인 신호 생성기는 25mV ~ 5V 범위의 출력 전압을 제공한다. 50W 혹은 그 이상의 부하를 구동하기 위해 출력단에 강력한 디스크리트 부품을 사용하거나, 여러 개의 부품을 병렬로 사용하거나, 또는 값비싼 ASIC을 사용할 수도 있다. 릴레이를 사용해서 다양한 증폭 또는 감쇠 수준으로 스위칭 해서 출력 레벨을 조절하는 방법도 많이 쓰인다. 릴레이를 다양한 이득으로 스위칭 하기 위해서는 어느 정도의 불연속적 동작이 발생한다. 그림 1은 기존 신호 생성기 출력 스테이지의 개략적인 블록 다이어그램을 보여준다.

그림 1: 기존 신호 생성기 출력 스테이지 블록 다이어그램

최신 증폭기 IC들을 사용하면 릴레이가 필요 없이 부하를 직접 구동할 수 있다. 따라서 생성기 출력 설계를 간소화하고 복잡성과 비용을 줄일 수 있다. 이러한 출력의 두 가지 주요 요소는 높은 속도와 전압 및 전류를 제공하는 강력한 출력 스테이지 구축과, 연속 선형 정밀 조절이 가능한 가변 증폭기이다.

그림 2: VGA를 사용한 신호 생성기 출력 스테이지 블록 다이어그램

먼저 원래의 입력 신호를 VGA를 통해서 증폭하거나 감쇠해야 한다. VGA의 출력 신호는 입력 신호에 상관없이 원하는 크기로 설정이 가능하다. 예를 들어서 10의 이득으로 2V의 V_OUT을 위해서는 VGA 출력을 0.2V로 레귤레이트 해야 한다. 애석하게도 많은 VGA들이 이득 범위가 제한적이다. 이득 범위가 45dB 이상인 경우가 드물다.

아나로그디바이스의 저전력 VGA 제품인 AD8338은 0dB ~ 80dB까지 이득 범위를 프로그램 할 수 있다. 이상적인 조건 하에서는, 별도의 릴레이나 스위치 소자들을 추가하지 않고도 신호 생성기에 0.5mV ~ 5V까지 출력 크기를 연속으로 프로그램 할 수 있다. 이러한 기계적 부품들을 제거할 수 있으므로 불연속성을 피할 수 있다. 디지털-아날로그 컨버터(DAC)와 직접 디지털 합성(DDS) 소자들이 종종 차동 출력을 갖고 있기 때문에, AD8338은 완전 차동 인터페이스를 제공한다.

또한 유연한 입력 스테이지를 통해서, 입력 전류에서의 어떠한 비대칭성도 내부 피드백 루프를 통해 보정할 수 있다. 이와 동시에, 내부 노드들은 1.5V로 유지된다. 일반적인 조건에서는 최대 1.5V의 입력 신호가 500W의 입력 저항으로 3mA의 전류를 발생시킨다. 입력이 예컨대 15V 같이 더 높은 경우에는 입력 핀에 더 높은 저항이 필요할 것이다. 이 저항의 크기를 동일한 3mA의 전류를 발생시키도록 정할 수 있다.

시중에 출시된 많은 신호 생성기는 50W의 부하(사인파)로 250mW(24dBm)의 최대 유효 출력 전력을 제공한다. 하지만 이것은, 예를 들어서 HF 증폭기를 테스트하거나 초음파 펄스를 발생할 때처럼 높은 출력 전력을 필요로 하는 애플리케이션으로는 충분하지 않다. 이러한 이유로 전류 피드백 증폭기를 함께 사용한다.

ADA4870은 ±20V의 공급 전압을 위해 출력단에서 17V 전압으로 1A의 전류를 구동할 수 있다. 최대 부하일 때에는 최대 23MHz까지 사인파를 발생할 수 있어, 널리 사용되는 임의 파형 생성기에서 프런트엔드 드라이버로 사용하기에 이상적이다. 출력 신호 스윙을 최적화하기 위해서는, ADA4870을 10의 이득으로 설정하면 되는데, 이 때 요구되는 입력 크기는 1.6V이다. 하지만 ADA4870은 접지 참조 입력이고 앞쪽의 AD8338은 차동 출력이므로, 두 부품 사이에 차동-대-접지 참조 변환을 위한 차동 수신기 증폭기를 연결해야 한다.

AD8130은 270MHz의 이득-대역폭 곱(GBWP)과 1090V/ms의 슬루율을 특징으로 하므로, 바로 이러한 용도로 사용하기에 매우 적합하다. AD8338의 출력은 ±1V로 제한되므로, AD8130의 중간 이득은 1.6V/V가 되도록 설계해야 한다. 그림 3은 이러한 회로의 전체적인 구성을 나타낸다. 이 회로는 22.4V(39dBm) 크기와 50W 부하로 20MHz의 대역폭을 제공한다.

그림 3: 디스크리트 부품들을 사용해서 설계한 신호 생성기 출력 스테이지 회로

고전력 VGA(AD8338), 강력한 CFA(ADA4870), 차동 수신기 증폭기(AD8130)를 조합하면 컴팩트한 고전력 신호 생성기 출력 스테이지를 비교적 손쉽게 설계할 수 있다. 기존의 출력 스테이지와 비교할 때, 이 방법은 시스템 신뢰성을 높이고, 작동 수명을 길게 하며, 비용을 낮출 수 있다.

참고문헌
Hunter, David. “Two New Devices Help Reinvent the Signal Generator.” Analog Dialogue, October 2014.

저자 소개

토마스 브랜드(Thomas Brand)는 석사 논문 과정이던 2015년에 아나로그디바이스에 입사했다. 졸업 후 아나로그디바이스에서 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE) 수습 기간을 마치고, 2017년에 FAE가 되었다. 현재는 산업용 이더넷 분야에 특화되어, 중부 유럽의 주요 산업 분야 고객들을 지원하고 있다. 독일 모스바흐 협력교육 대학에서 전기공학을 전공했으며, 콘스탄츠 응용과학 대학에서 국제 무역 석사학위를 취득했다. 문의: thomas.brand@analog.com