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혁신적인 소프트웨어와 하드웨어의 등장으로 엔지니어들 사이에서 아날로그 설계에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 

글/ 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

모든 것이 디지털로 변해가는 세상에서 가장 고가의 시계는 여전히 아날로그 방식이다. 이것은 계속해서 정확한 시간을 표시하는 기기를 만들기 위해서 고도의 장인적인 기술이 필요하기 때문이다. 아날로그 시계는 우리에게, 자연세계는 디지털이 아니므로 아날로그 설계 능력을 갖춘 엔지니어는 언제나 필요할 것이라는 점을 상기시킨다. 그런데 안타깝게도 아날로그 설계는 시대에 뒤떨어지고 어렵다는 오해 때문에 전문 능력을 갖춘 엔지니어가 점점 귀해지고 있다.

과거에는 아날로그 설계가 까다로운 수작업적 계산과 복잡한 시험 장비와 경험적인 어림 짐작을 필요로 함으로써 일종의 흑마술처럼 여겨졌으나, 이제는 달라지고 있다. 오늘날 아날로그 디자이너들은 이전에 디지털 디자이너들만 사용할 수 있던 혁신적인 하드웨어와 소프트웨어 툴들을 사용할 수 있게 되었다. 이 글에서는 기존에 아날로그 설계 엔지니어들이 회로를 설계할 때 사용하는 접근법에 대해서 살펴보고, 새로운 툴들이 어떻게 동일한 작업들로 큰 변화를 가져오고 있는지 설명한다. 그럼으로써 차세대 엔지니어들 사이에 아날로그 회로 설계에 대한 인기가 다시 높아질 것으로 기대된다.

아날로그 신호 체인

빛, 열, 압력 같은 자연 현상은 아날로그이다. 다시 말해서 그 양이 연속적으로 변화한다. 센서(트랜스듀서)가 이 신호를 아날로그 전압으로 변환해서 전자 제어 시스템으로 전달한다. 이 전압 신호는 크기가 매우 작고, 센서로 원치 않게 유입되는 여타 신호들로 인해서 오염될 수 있다. 그러므로 그 자체로는 디지털 마이크로컨트롤러로 처리하기에 적합하지 않다. 이를 극복하기 위해서 아날로그 엔지니어들은 아날로그 신호 체인이라고 하는 일련의 회로를 사용한다. 이들 회로를 사용해서 센서 출력을 처리해서 시스템이 사용할 수 있도록 만든다(그림 1).

그림 1: 아날로그 신호 체인

위의 블록 다이어그램에서 증폭기는 센서 신호의 크기를 키우고, 필터 회로는 원치 않는 신호와 잡음을 제거한다. 센서 출력을 증폭과 필터링을 거쳐서 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 전달하면, ADC는 이 신호를 시스템 마이크로컨트롤러가 처리할 수 있는 디지털 형식으로 변환한다. 이 작업이 말로는 간단한 것처럼 보여도, 다양한 타입의 센서와 동작 조건을 고려해야 하기 때문에 아날로그 신호 체인을 설계하기가 결코 만만치 않다. 그러면 기존에 아날로그 필터 회로 설계가 왜 그렇게 시간이 많이 걸려야만 하는지 살펴보자.

기존의 필터 설계

아날로그 필터 회로는 통상적으로 다수의 능동 및 수동 부품으로 이루어진다(연산 증폭기, 저항, 커패시터, 경우에 따라서 인덕터). 그런데다 작업을 더 복잡하게 하는 것으로서, 필터 타입이 다양하고 각각의 타입마다 사양이 다르다. 필터 설계를 위해서 맨 먼저 할 일은 애플리케이션으로 필요로 하는 필터 타입을 결정하는 것이다. 필터 타입은 다음과 같은 것을 들 수 있다:

• 저역통과 필터(LPF): 고주파 신호 제거

• 고역통과 필터(HPF): 저주파 신호 제거

• 대역통과 필터(BPF): 지정된 신호 대역 내의 신호만 통과

그 다음에는 필터 사양에 부합하는 필터 전달 함수를 선택해야 한다.

• 대역폭: 감쇠를 일으키지 않고(진폭 감소가 아주 조금이거나 거의 없음) 통과하도록 허용하는 주파수 대역을 말한다.

• 롤오프(roll-off): 감쇠 비율 다시 말해서 필터가 센서 신호로 원치 않는 주파수 성분을 얼마나 가파른 경사로 제거할 것인지를 정의한다.

• 위상: 입력과 출력 신호 사이에 상대적인 지연을 말한다. 위상은 신호 체인으로 피드백 루프를 사용할 때 중요하다. 루프 안정성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

전달 함수(transfer function)는 필터의 주파수 응답(입력과 출력 신호 사이의 관계)을 기술하는 복잡한 수학적 공식이다. 아날로그 디자이너는 원하는 필터 타입(버터워스, 베셀, 체비세프 등)으로 주파수 응답이 사전에 계산된 것에 되도록 가깝게 만들어야 한다. 원하는 성능으로 가장 적합한 필터 타입을 선택한 다음에는 실제 회로를 구현하기 위해서(혹은 시뮬레이션을 위해서) 부품들 값을 계산해야 한다. 이 작업을 마친 다음에는 필터 성능을 평가해서 원하는 사양을 충족하는지 확인한다. 그러므로 이 모든 작업에 많은 시간이 걸리고 일이 어려울 수 있다. 최상의 결과를 달성할 때까지 여러 번 반복 작업을 해야 할 수도 있다.

새로운 시대의 필터 설계

위에서 설명한 아날로그 설계 절차는 많은 이들에게 이미 익숙할 것이다. 그런데 최근에 아나로그디바이스(Analog Devices)의 Analog Filter Wizard 같은 첨단 툴들을 이용할 수 있게 됨으로써 많이 달라지고 있다. 이 소프트웨어는 처음에 필터를 선택하는 것에서부터 실제 프로토타입을 구현하는 것에 이르기까지 필터 설계 전반에 걸쳐서 작업을 완벽하게 자동화한다. 디자이너가 먼저 필터(LPF, HPF, BPF)를 선택하고 사용자 친화적 GUI로 필터 사양을 입력하기만 하면 필터 주파수 응답을 시각적으로 표시하고 조절할 수 있다(그림 2).

그림 2: Analog Filter Wizard를 사용해서 필터 주파수 응답 설정

사양 값을 입력하거나 슬라이더를 움직이는 것으로서 간편하게 조절을 할 수 있다. 원하는 주파수 응답을 설정한 다음에는 툴이 자동으로 그에 해당되는 회로를 표시한다(그림 3). 디자이너가 일일이 필터 타입 별로 전달 함수를 매칭시킬 필요가 없다. 회로 부품 값도 자동으로 구해지므로 수학적으로 계산할 필요가 없다. 툴이 단순히 “이상적인” 회로 모델을 제안하는 것을 넘어서, 디자이너가 부품 허용오차를 지정할 수도 있다. 그러므로 회로의 실제 성능에 대한 감을 잡을 수 있다. 또한 일체의 SPICE 파일을 제공하므로(디버깅 불필요) 온도나 전압에 따른 영향을 쉽고 빠르게 시뮬레이션할 수 있다. 

그림 3: 원하는 주파수 응답에 해당되는 필터 회로 표시

차세대 하드웨어

소프트웨어뿐만 아니라 하드웨어 툴 역시도 몰라보게 발전하고 있다. 기존에 아날로그 엔지니어들은 자신의 회로를 시험하기 위해서 시험실로 가야 했다. 전원장치, 오실로스코프, 신호 발생기 같은 복잡한 장비들을 필요로 하고 이러한 장비들은 이동성이 떨어지기 때문이다. 이러한 장비들을 회로로 연결하면 각종 와이어와 프로브가 복잡하게 얽히고 결함을 추적하기가 어려울 수 있다. 그런데 이제 이러한 복잡한 셋업을 단일의 USB 구동 디바이스로 대체할 수 있게 되었다. 

디질런트(Digilent)의 Analog Discovery 2라고 하는 이 디바이스는 주머니에 쏙 들어갈 만한 크기로 오실로스코프, 신호 발생기, 전원장치 기능을 결합했다. 그러므로 아날로그 엔지니어가 랩탑만을 사용해서 빠르게 회로를 셋업하고 성능을 평가할 수 있으며, 시험실을 찾을 필요가 없게 되었다. 좀더 특수한 디자인은 여전히 전문적인 랩 장비가 필요할 것이지만, 많은 범용 애플리케이션을 위해서는 디질런트의 이 장비를 사용해서 훌륭하게 일을 해낼 수 있을 것이다.

그림 4: 디질런트(Digilent)의 Analog Discovery 2를 사용해서 3개 랩 장비를 대체할 수 있다.

아날로그 회로가 없으면 우리가 당연하게 여기는 디지털 세상도 존재할 수 없다. 아날로그 신호는 양이 연속적으로 변화하므로, 아날로그 회로를 설계하는 것을 까다롭게 한다. 그런데 정교한 설계 툴들(소프트웨어와 하드웨어)이 등장함으로써 까다로운 설계 작업의 많은 부분을 자동화할 수 있게 되었다. 아날로그 설계 엔지니어를 찾는 수요는 언제나 계속될 것이며, 이러한 첨단 툴들을 사용할 수 있게 됨으로써 젊은 엔지니어들 사이에 아날로그 설계에 대한 인기가 다시 높아질 것으로 기대된다.