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올바른 신호 경로 IC를 선택하면 화상과 음성 모두 최고의 성능을 갖는 제품을 제작할 수 있다. 이러한 신호 경로 IC 각각에는 잡음이나 리플이 없는 “깨끗한” 전력이 필요하게 되고, 전력 관리는 종종 시스템 설계의 마지막 단계로 구현된다. 그림 1은 신호 경로에 전력이 공급되는 방식을 보여주는 시스템 예이다.

그림 1. 신호 경로 IC 성능에 영향을 미치는 전력 공급장치 설계(▶별첨 그림1)

신호 경로 IC 성능에 영향을 미치는 전력 공급장치 설계

전력 공급장치가 아날로그 신호 무결성에 영향을 주고, 궁극적으로 전반적인 시스템 성능에 영향을 미친다는 사실은 너무나도 당연한 것이다. 신호 경로 성능을 개선하는 한 가지 간단한 방법은 올바른 전력 공급장치를 선택하는 것이다. 전력 공급장치를 선택할 때 아날로그 신호 경로 성능에 영향을 미치는 주요 요인은 전력 공급장치 라인에서의 잡음 또는 리플이다. 전력 공급장치의 잡음 또는 리플은 Op 앰프의 출력에 결합되어 PLL(Phase-Locked Loop) 또는 VCO(Voltage-Controlled Oscillator)에서 지터를 증가시키거나 ADC에서 SNR을 떨어뜨린다. 전력 공급장치에서 잡음과 리플이 작으면 신호 경로 성능도 향상된다.
 
전력 공급장치 라인에서 잡음과 리플이 발생하는 원인은 매우 다양하다. 시스템 자체의 고속 데이터 및 고주파수 신호가 잡음을 일으키는데, 그 이유는 인쇄 회로 기판(PCB) 트레이스 및 와이어링 요소가 잘못 부착될 경우 안테나처럼 동작할 수 있기 때문이다. 마이크로컨트롤러, FPGA(Field Programmable Gate Array), CPLD(Complex Programmable Logic Device) 등과 같은 디지털 IC는 공급되는 전류량이 상황에 따라 다르며, 시스템에 전자기 장애(EMI)를 일으키는 빠른 edge rate를 특징으로 한다. 실리콘 IC는 절대 0도(켈빈 온도) 이상의 온도에서 분자가 무작위로 이동하면서 충돌하기 때문에 내부 열 잡음이 발생한다. 

신호 경로에서 잡음과 리플을 최소화하는 방법으로는 신중한 시스템 PCB 레이아웃 설계, 적절한 공급 바이패싱, 올바른 전력 공급장치 선택 등 세 가지가 있다. 시스템에 따라 달라지는 PCB 레이아웃에서는 올바른 구성 요소 배치, 신호 경로 트레이스 길이 최소화, 확실한 접지 확보 등을 고려해야 한다.

공급 레일 바이패싱은 잡음을 걸러내기 위해 대부분의 아날로그 IC 데이터시트에서 권장하는 방법이다. 신호 경로 IC는 별도의 아날로그, 디지털 및 PLL 전력 공급장치 입력을 가질 수 있으며, 각각 권장되는 바이패싱이 다르다. PLL 공급 및 아날로그 공급은 잡음과 리플에 매우 민감하므로, 바이패스 커패시터, 레지스터-커패시터(RC) 필터 및 EMI 억제 필터는 신호 경로 전력 공급장치로 유입되는 잡음과 리플을 최소화 해준다.

올바른 전력 공급장치를 사용하면 신호 경로 IC에 대한 잡음과 리플을 줄일 수 있다. 전력 공급장치를 선택할 때 설계자는 우선 스위칭 컨버터와 리니어 레귤레이터 중에서 선택하게 된다. 스위칭 컨버터는 전체 시스템에서의 전력 소비를 줄이도록 높은 효율성을 제공하며, 리니어 레귤레이터는 공급 레일에서의 잡음/리플을 줄여주는 사용하기 쉬운 솔루션을 제공한다. 리니어 레귤레이터를 사용하면 잡음과 리플을 줄여 신호 경로 성능을 개선할 수 있다.

PSRR(전력 공급 제거비)
 
아날로그 신호 경로 IC는 부품이 전력 공급장치 라인에서 잡음과 리플을 제거하는 방법을 정의한다. 이 매개변수를 PSRR(전력 공급 제거비)이라고 하며(그림 2 참조), 이는 디바이스로 들어가는 잡음/리플 대 디바이스에서 나오는 잡음/리플의 비율을 나타낸다. PSRR은 데시벨(dB) 단위로 측정되며 해당 방정식은 다음과 같다.

그림 2. 입력에서 출력으로 전환될 때 리플/잡음이 감소하는 크기를 나타내는 PSRR(전력 공급 제거비)(▶별첨 그림2_1, 2_2)

여기에서, V1은 입력 전압 변화이고 V2는 출력 전압 변화를 나타낸다. 이 방정식의 결과 값은 음수이다. 공급자가 PSRR을 양수로 지정해도 문제는 없지만, 이 경우는 V1/V2가 아닌 V2/V1을 사용한 것이기 때문이다. 혼동을 피하기 위해 PSRR의 절대값만을 확인해야하며, 설계자는 출력에서의 잡음/리플을 줄이기 위해 최대한 큰 절대값 PSRR을 원하게 된다. 예를 들어 80 dB(출력 리플이 입력 리플보다 10,000배 더 작음)이 20 dB(출력 리플이 입력 리플보다 10배 더 작음)보다 좋은 것이다.

그림 3은 LMP7711 고정밀 Op 앰프에 대한 PSRR 그래프이다. LMP7711은 1 kHz에서 PSRR이 90 dB인 고정밀 Op 앰프이다. 양의 레일과 음의 레일 모두에 대해 PSRR이 존재하고 리플 주파수 증가에 따라 PSRR도 감소(절대값 감소)한다는 점을 명심해야 한다. 리니어 레귤레이터를 사용하여 신호 경로에 전력을 공급하면 잡음/리플이 감소하는데, 그 이유는 리니어 레귤레이터 역시 입력에서 출력으로 잡음/리플을 제거하기 때문이다. LP5900은 저잡음 100 mA LDO로, 1 kHz에서 PSRR이 85 dB이며, LP5900(저잡음 LDO)을 사용하여 LMP2011(고정밀 Op 앰프)에 전력을 공급하면 전력 공급장치에 대한 잡음/리플이 감소하게 된다(그림 4 참조). 1 kHz 리플/잡음은 85 dB에서 LDO에 의해 제거된 다음 90 dB에서 고정밀 Op 앰프에 의해 제거된다.

그림 3. LMP7711 PSRR 다이어그램과 주파수에 대한 LP5900 LDO(Low Dropout) 리니어 레귤레이터 PSRR(▶별첨 그림3)

그림 4. 아날로그 신호 경로에서의 잡음/리플 감소를 위해 리니어 레귤레이터를 사용한 앰프 전력 공급(▶별첨 그림4)

저잡음 리니어 레귤레이터

애플리케이션에서 신호 경로 성능을 개선하는 한 가지 간단한 방법은 리니어 레귤레이터를 사용하여 신호 경로 IC에 전력을 공급하는 것이다. 리니어 레귤레이터는 필요한 전력 공급장치 레일을 생성하는 쉬운 방법을 제공하며, 전력 공급장치 라인에서 잡음/리플을 제거하는 이점을 가지고 있다. LP5900은 미국계 아날로그 반도체 제조사인 내셔널 세미컨덕터가 개발한 저잡음 리니어 레귤레이터 모델 중 하나로, 아날로그 및 RF 신호 경로의 IC에 전력을 공급하며, 저잡음 앰프, 전압 조절식 오실레이터(VCO) 및 RF 수신기와 기타 IC에 적용할 수 있다. 이 부품과 함께 올바른 회로 설계와 외장 커패시턴스 선택을 통해 신호 경로에서의 잡음/리플 성능을 효과적으로 개선할 수 있다.
이를 통해 25mA의 낮은 정적 전류로 출력 잡음이 업계 최저 수준으로 감소하며, 전력 공급장치 리플이 최대한 억제된다. LP5900 리니어 레귤레이터의 출력 잡음은 6.5mVRMS로 매우 낮다는 것이 특징이다. 또한 바이패싱 커패시터를 추가할 필요가 없으며, PSRR(전력 공급 제거비)가 75dB로 높다. 이 모델은 회로 보드에서 매우 작은 공간만을 차지하는 소형의 0.47mF 세라믹 커패시터 2개를 내장하고 있어 재료 비용을 절감할 수 있다. 또한 LP5900의 압력 강하는 80mV에 불과하여, 전압 조절식 전력을 제공하기 위해 매우 작은 전력 전압을 이용할 수 있게 된다. 최악의 경우에도, 출력 전압의 정확도가 ±3%를 초과하지 않으며, 출력 전류는 100mA에 이를 수 있다. VIN과 GND 사이에 가해지는 전압은 전압 출력(VOUT)보다 1V 이상 커야 한다. 최대 전압은 5.5V이고 최소 전압은 2.5V이다. GND를 기준 전압으로 하여 부하를 VOUT에 연결할 수 있다.
LP5900은 보드 공간을 절약하고 부품 수를 줄일 수 있도록 휴대용 애플리케이션에 맞게 특수 설계되었다. LDP(Low DropOut) 레귤레이터와 마찬가지로 LP5900 또한 안정적인 전압 공급을 위해 외부 커패시터가 필요하며, 이러한 커패시턴스에는 입력 커패시턴스 및 출력 커패시턴스가 포함된다. 최적의 성능을 얻으려면 올바른 선택이 필수이다. 커패시턴스를 선택할 때는 다음과 같은 요인을 고려해야 한다.

안정성을 높이기 위해 입력 커패시턴스는 출력 커패시턴스보다 크거나 같아야 하며, 0.47μF 커패시턴스를 적용하고 입력 핀과 접지 사이에 이 커패시턴스를 연결하는 것이 좋다. 특별한 설계를 통해 LP5900은 전압 출력쪽에서 소형 세라믹 커패시터 구현을 가능하게 한다. 애플리케이션 회로에서는 직렬 임피던스 범위가 5mΩ - 500mΩ인 커패시터(0.47μF - 10μF)를 적용하는 것이 적합하고, 커패시터는 VOUT 핀과 접지 사이에 연결해야 한다. 출력쪽에 탄탈 커패시터 또는 필름 커패시터를 적용할 수는 있지만 비용과 크기 문제가 있어 권장하지는 않는 것이 일반적이다. 출력 커패시턴스는 레귤레이터의 안정성을 보장하기 위해 최소 커패시턴스 값 요구 사항과 상응하는 직렬 임피던스(5mΩ - 500mΩ 범위)를 만족해야 한다. 또한 LP5900은 부하가 없는 상태에서 전압 조절 성능을 유지할 수 있다.

그림 5: LP5900의 전형적인 애플리케이션 구조 회로 다이어그램(▶별첨 그림5)