개요: 로그 앰프의 등급 가운데 DC 로그 앰프는 넓은 동적 범위의 센서 신호를 압축해 주는 매우 강력하고도 경제적인 솔루션으로 자리잡고 있다. 이 기사에서 다루는 DC 로그 앰프의 전반적인 전송 기능은 바이폴라 트랜지스터의 VBE-IC 전송 특성에서 나온 것이다. 이 기사에서는 최근 통합형 DC 로그 앰프 안에 들어있는 회로 블록들과 로그 앰프의 성능에 영향을 미치는 여러 오류들, 그리고 MAX4206 기능에 대한 설계 실례에 대해 설명한다. 마지막으로 로그 앰프의 성능을 최적화하기 위한 보정 및 설계 사항에 대해 자세히 다룬다.
엔지니어들은 지난 반 세기 동안 신호 압축과 연산에 로그 앰프를 사용해 왔다. 연산 작업을 필요로 하는 애플리케이션에서 디지털 IC가 대부분의 로그 앰프를 대체하고 있지만, 엔지니어들은 신호를 압축하는데 계속해서 로그 앰프를 사용하고 있다. 따라서 로그 앰프는 여전히 비디오, 광섬유, 의료용, 테스트 및 계측, 무선 시스템 등 대부분의 애플리케이션에서 핵심 부품으로 자리잡고 있다.
그 이름이 의미하듯이, 로그 앰프의 출력은 수학의 로그 함수 입력과 관련이 있다(상수가 서로 다른 로그 기반의 함수와 연관 있으므로, 수학식 로그 기초는 중요하지 않다). 로그 함수를 이용하여 시스템에 들어온 신호의 동적 범위를 압축할 수 있다. 넓은 동적 범위의 신호를 단축하는 데는 몇 가지 중요한 이점이 있다. 로그 앰프와 낮은 비트의 ADC를 결합하여 보드 공간과 시스템 비용을 절약할 수 있다. 그렇지 않으면 높은 비트의 ADC를 사용해야 할 수도 있다. 게다가 낮은 비트의 ADC는 이미 주어진 시스템이나 고유의 마이크로컨트롤러에 주로 사용되고 있다. 또한 로그 파라미터 변환은 측정량을 데시벨로 평가하거나, 센서가 exponential 혹은 near-exponential하는 전송 특성을 나타내는 경우 등 여러 애플리케이션에서 유용하게 사용된다.
1990년대에 광섬유 통신 산업에서는 로그 앰프 회로를 사용하여 특정 광 애플리케이션에서 광 밀도를 측정하기 시작했다. 그 이전만 하더라도 정밀 로그 앰프 IC는 매우 고가이면서 크기도 커서 가격 부담이 크지 않은 일부 전자 시스템에만 사용했다. 정밀 로그 앰프 IC의 유일한 대체 솔루션은 개별 부품들로 구성된 로그 앰프였다. 개별 부품들로 구성된 로그 앰프는 넓은 보드 공간을 필요로 할 뿐만 아니라 온도 변화에도 매우 민감하며, 설계와 보드 레이아웃 시 신중을 기해야 했다. 또한 넓은 입력 신호 범위에 대한 적합한 성능을 보장하기 위해 정밀하게 정합된 부품들이 필요했다. 그 후 반도체 제조업체에서 온도 민감성을 줄이고 기능성을 추가한 소형이면서도 저가의 통합형 로그 앰프를 개발했다.
로그 앰프의 등급
로그 앰프에는 주요 세 가지 등급이 있다. 첫 번째 등급은 DC 로그 앰프로, 일반적으로 DC 신호를 천천히 바꾸어 대역폭을 약 1MHz까지 확장한다. 가장 보편적인 방법은 pn 접합부에서 고유의 로그 I-V 전송 특성을 이용하는 것이다. 이 DC 로그 앰프들은 유니폴라 입력(전류 또는 전압) 상에서 동작하며, 주로 다이오드, 트랜스다이오드, 트랜스리니어, 트랜스임피던스 로그 앰프로 적용된다. DC 로그 앰프는 일반적으로 전류 입력으로 인해 넓은 동적 범위의 유니폴라 포토다이오드 전류를 절대 또는 환산 비율로 모니터링하는 데 사용된다. 포토다이오드 전류 모니터링은 광통신 장비에 반드시 필요할 뿐만 아니라, 화학 또는 생물학 샘플링 장비에도 광범위하게 사용된다. 그 밖의 DC 기반 로그 앰프에는 RC 회로의 시간과 전압의 대수 관계를 기반으로 한 로그 앰프도 있다. 하지만 이 회로들은 고온에 대한 민감성 뿐 아니라 폭넓게 변하는 신호에 따른 해상도나 컨버전 시간과 같은 매우 복잡한 특성을 갖고 있다.
두 번째 등급의 로그 앰프는 베이스밴드 로그 앰프로 알려져 있다. 이 회로는 AC 신호 압축이 필요한 애플리케이션(주로 특정 오디오 및 비디오 회로)에서 베이스밴드 신호를 신속하게 바꿔준다. 이 앰프는 순간적인 입력 신호 로그에 비례하게 출력을 제공한다. 베이스밴드 로그 앰프의 전용 앰프를 "진정한 로그 앰프(true log amp)라고 하는데, 이것은 바이폴라 입력을 수용하고, 입력 극성을 유지하는 압축된 출력 전압을 제공한다. 이 로그 앰프는 동적 범위 압축용으로 무선 IF 단과 의료용 초음파 수신 회로에 사용되기도 한다.
마지막으로 세 번째 등급의 로그 앰프는 복조 로그 앰프(demodulating log amp) 또는 연속 검파 로그 앰프(successive detection log amp)이다. 이 앰프는 RF 신호를 압축하고 복조하여 조정 신호의 로그 곡선을 만들어 준다. 송신출력전력을 제어하기 위해 측정되는 RF 신호강도를 받는 RF 송수신기 애플리케이션에 로그앰프 복조가 주로 사용된다.
보편적인 DC 로그 앰프
DC 로그 앰프의 보편적인 pn 접합을 기반으로 한 바이폴라 트랜지스터는 I와 V의 대수 관계를 만드는 데 사용된다. 그림 1에서 보는 바와 같이 BJT(bipolar junction transistor)는 op 앰프의 피드백 경로에 위치한다. 이 로그 앰프는 npn형 또는 pnp형으로, 선택한 트랜지스터의 종류에 따라 각각 그림 1a 및 1b와 같이 전류 싱킹 또는 전류 소싱 회로로 나뉜다. (-) 피드백으로 인해 op 앰프는 BJT의 기본 전극 연결 상에서 충분한 출력 전압을 제공하는데, 이것은 소자의 컬렉터를 통해 가능한 모든 입력 전류를 끌어들이기 위함이다. 부동 다이오드 방식은 op 앰프 출력 전압이 입력과 관련된 오프셋을 갖도록 야기한다. 반면에 그라운드 기반 방식은 이러한 문제를 만들지 않는다.
그림 1a. DC 로그 앰프의 기본 BJT 방식은 (-) 출력 전압을 야기하는 전류 싱킹 입력을 갖는다.
그림 1b. BJT를 npn에서 pnp로 변경하면, 로그 앰프는 전류 소싱 회로가 되고 출력은 (+)가 된다.
입력에 직렬 저항을 사용하면, DC 로그 앰프는 전압 입력 장치 역할도 할 수 있다. 입력 전압은 레퍼런스로 op 앰프의 가상 접지를 이용하여 저항을 통해 비례 전류로 전환된다. 분명 op 앰프 입력 관련 오프셋을 최소화함으로써 전압을 전류로 정확하게 변환시킬 수 있다. 바이폴라 트랜지스터 접근방식은 온도 변화에 민감하지만, 레퍼런스 전류와 칩 내부의 온도 보상회로를 사용하여 민감도를 크게 줄일 수 있다. 이것은 앞으로 언급할 것이다.
세부 사항<
그림 2의 회로는 두 개의 입력, IIN과 IREF를 갖는 BJT 로그 앰프를 보여준다. 앞서 설명했듯이, 전류는 IIN이 op 앰프 A1을 야기하여 해당 출력 전압을 만들었다는 것을 보여준다.
여기서: k = 1.381 x 10-23 J/°K T = 절대 온도 (°K) q = 1.602 x 10-19°C IC = 컬렉터 전류 (mA 또는 IIN와 IS의 유사 단위) IIN = 로그 앰프 입력 전류 (mA 또는 IC와 IS의 유사 단위) IS = 역포화 전류 (mA 또는 IIN와 Ic의 유사 단위)
(공식 1에서 "In"은 일반 대수 함수 표현에 사용한다. "Log10"은 이후 공식에서 기본-10 대수 함수 표현에 사용한다).
그림 2. 두 개의 기본 BJT 기반의 입력 구조를 사용할 경우, VOUT1에서 VOUT2를 제하면 출력에서 IS 온도 상관관계를 제거하게 된다. 남은 "PTAT" 상관관계는 서로 다른 앰프의 이득 설정 저항과 함께 적절하게 선택된 RTD 저항성질을 이용한 온도 검출기를 이용하여 최소화시킬 수 있다.
이 공식에서 IIN에 대한 VOUT1의 대수 상관관계를 분명하게 설명한다 하더라도, IS와 kT/q 기호는 온도에 따라 결정되고, VBE 전압에서 크게 변동될 것이다. IS에서 야기한 온도 상관관계를 제거하기 위해, 두 번째 접합 전압은 서로 상이한 회로를 통과한 VOUT1에서 제하여, A3와 주위의 저항을 구성한다. 두 번째 접합 전압은 VOUT1와 동일한 방법으로 형성된다. 단, IREF는 입력 전류 역할을 한다. 두 접합을 만드는데 사용하는 트랜지스터는 거의 이상적인 비율로 구성되어야 하며, 적절한 상쇄를 위해 열 접촉 장치 가까이에 두어야 한다.
IREF에는 두 가지 장점이 있다. 첫째 x축 "log-intercept" 전류를 설정한다. 전류는 로그 앰프 출력 전류를 이론상 제로로 만들어 준다. 둘째 사용자가 절대 측정은 물론, 비율환산 측정을 할 수 있도록 해준다. 비율환산 측정은 광 센서 및 광 시스템에 주로 사용하는데, 감쇠 광원과 레퍼런스 광원을 반드시 비교해야 할 때 사용한다.
공식 5는 온도에 영향을 받는데, VDIFF가 절대 온도(PTAT)에 비례하기 때문이다. 온도 보상 회로를 추가(일반적으로, RTD[resistive temperature detector]를 갖춘 op 앰프 증폭단을 추가하거나 이와 유사한 장치를 추가하여 이득의 한 부분으로 통합시킨다)함으로써, 남은 PTAT 오류를 실질적으로 제거하여 이상적인 로그 앰프 관계를 만든다.
여기서 K는 새로운 비례상수로, 로그 앰프 이득이라고도 알려져 있으며, V/decade로 표시한다. log10을 ILOG/IREF 비율에 적용하여 10진 저항 ILOG의 수가 IREF의 위에 있는지 아니면 아래에 있는지를 결정하기 때문에, K를 곱하여 원하는 볼트 단위를 만든다.
통합 설계는 DC 로그 앰프에 매우 적합하다. 중요한 온도 상관관계 부품들을 물리 회로상에 할당하여 부품들을 추적, 최적의 온도를 만들 수 있기 때문이다. 게다가 잔존하는 여러 가지 오류들을 생산과정에서 교정할 수도 있기 때문이다. 잔존하는 모든 오류들을 정리하여 로그 앰프 데이터시트로 문서화했다.
최신형 DC 로그 앰프
그림 3의 기능 회로도는 오늘날 전형적인 DC 로그 앰프, MAX4206을 보여준다. 오늘날의 DC 로그 앰프는 이전 세대와 같이 op 앰프 입력 구조, BJT 피드백, 차동 앰프 및 온도 보상을 취하고 있다. 에미터에서 (-) 전압을 야기하는 요소를 제거하기 위해, BJT 트랜지스터의 회로 연결을 단일 전원을 갖추도록 재배치했다. 연결되지 않은 op 앰프는 일반적으로 이후의 이득, 오프셋 조정 또는 PID 제어용으로 사용된다.
그림 3. MAX4206과 같은 전형적인 DC 로그 앰프는 보상회로와 출력 앰프와 같은 부품들을 통합하고 있다. 따라서 동작 시 추가적인 부품을 필요로 하지 않는다.
최근 로그 앰프는 예전과 달리, 소형 패키지(MAX4206은 4mm x 4mm, 16핀 TQFN 패키지이다) 안에 모든 전자부품들을 통합하고 있다. 2001년 전만 하더라도, DC 로그 앰프는 14에서 24핀 수의 훨씬 큰 DIP 패키지로만 상용화가 가능했었다. 예전의 DC 로그 앰프들은 20달러에서 100달러로 상당히 고가였지만, 오늘날은 5 내지 15달러의 가격대에서 공급되고 있다.
단일 전원 동작은 최근 일부 DC 로그 앰프에서 선보인 새로운 기능으로서, 단일 전원 ADC/시스템으로 사용하기에 적합하다. MAX4206은 +2.7V ~ +11V의 단일 전원 또는 ±2.7에서 ±5.5V의 듀얼 전원으로 동작할 수 있다. 단일전원 공급 동작으로 인해 이 로그 앰프들은 보통 입력 터미널에서 일반적으로 0.5V의 일반모드 전압을 유지하는데, 이것은 접합 BJT에 적절한 바이어스를 유지하기 위함이다. 이 로그 앰프들은 전류 입력 장치이기 때문에, 내부에서 생성된 공통 모드 전압은 보통 오늘날 대부분의 전류 측정 애플리케이션에서 문제가 되지 않는다.
오늘날 대부분의 DC 로그 앰프에는 온 칩 전류 레퍼런스가 내장되어 있다. 이 레퍼런스를 로그 앰프의 레퍼런스 입력에 연결할 수 있으므로, 비율 측정 보다는 로그 앰프의 주요 전류 입력에 나타난 전류의 절대 측정을 수행한다. MAX4206의 경우, 레퍼런스 전류는 0.5VDC 전압 소스, 전압 대 전류 컨버터 및 10:1 current mirror를 통해 얻는다. 원하는 레퍼런스 전류를 프로그래밍하기 위해서는 외부 저항이 필요하다.
DC 로그 앰프의 새로운 온 칩 기준전압은 연결되지 않은 op 앰프의 앰프 오프셋 조정을 돕는데 사용된다. 이 레퍼런스는 또한 범용으로 사용할 수 있다.
애플리케이션 예
DC 로그 앰프의 대표적인 애플리케이션은 의문의 여지 없이 빛의 측정과 관련된 애플리케이션이다. 일반적으로 두 가지 방법을 사용한다. 첫 번째로, 로그 입력에는 싱글 포토다이오드를 연결하고, 레퍼런스 입력에는 레퍼런스 전류를 연결한다. 두 번째 방법은 두 개의 포토다이오드를 이용하여, 하나는 로그 입력에 다른 하나는 레퍼런스 입력에 연결한다. 빛 휘도의 절대 측정을 필요로 할 경우에는 첫 번째 방법을 이용하고, 빛 휘도의 로그 비율("로그비")을 측정할 때는 두 번째 방법을 이용한다.
그림 4에서는 이 두 가지 방법에 대한 일반 회로를 보여준다. 그림 4a의 경우, 싱글 포토다이오드는 광섬유 채널의 빛을 측정하는데, 광섬유 탭에서 발산한 빛을 관찰하여 측정한다(1% 전송). PIN 포토다이오드가 그림에 표시되어 있다. 하지만 갑자기 많은 양의 포토다이오드는 보다 높은 감도에 사용될 수도 있다(높은 전압을 사용하여 포토다이오드를 바이어스 시키려면, 적절한 전력을 공급하도록 주의를 기울여야 한다). 포토다이오드의 출력 전류는 보통 투사 광 파워에 비례하고(일반적인 포토다이오드 감도는 0.1A/mW이다), MAX4206은 동적 범위의 5 데케이드(decade) 상에서 동작하기 때문에, MAX4206과 같은 회로는 10µW에서 1W 크기의 광섬유를 확실하게 측정할 수 있다. MAX4206의 온도 범위가 -40°C ~ +85°C에서 동작하도록 되어있다 하더라도, 동작 온도와 광 주파수를 바꾸면 포토다이오드의 성능에 악영향을 미칠 수 있다는 것을 염두에 두어야 한다.
그림 4a. 광 휘도를 측정하는 로깅(logging) 애플리케이션은 로그 앰프의 입력에 포토다이오드를 두어 손쉽게 만들 수 있다.
많은 광섬유 모듈에서 볼 수 있는 고속 트랜스임피던스 앰프(TIA)와 같이 포토다이오드의 양극을 다른 회로를 위해 남겨놓은 경우, 정밀 current mirror/모니터가 포토다이오드의 음극에 사용할 수 있다. MAX4007 제품군은 이러한 애플리케이션에 매우 적합하다. 보다 자세한 사항은 MAX4206 및 MAX4007 데이터 시트를 참조하길 바란다.
두 개의 포토다이오드를 로깅 애플리케이션에 사용할 때는 레퍼런스 광원을 레퍼런스에서 도출된 감쇠 광원에 비교하기 위함이다. 이러한 방법으로 주어진 매개체에서 야기된 감쇠를 광원 휘도의 최소한의 작은 변화와 상관없이 측정할 수 있다. 이러한 종류의 애플리케이션은 대부분 광 기반의 가스-센서 애플리케이션에서 주로 찾아볼 수 있다. 그림 4b에서, 광원 출력은 정확하게 두 경로로 나눠진다. 첫 번째 경로는 레퍼런스 PIN 포토다이오드에 투사되는데, 이것의 양극은 MAX4206의 REFIIN 입력에 공급된다. 두 번째 경로는 90° mirror 반사로 다른 한쪽의 PIN 포토다이오드로 들어간다(LOGIIN 입력에 연결된다). 보정을 통해 레퍼런스 포토다이오드의 전류가 1mA로 측정될 때, 다른 한쪽의 포토다이오드 전류는 빛에 의한 감쇠에 따라 1mA 또는 그 이하로 측정될 것이다. 입력 전류를 1mA 또는 그 이하로 고정함으로써, MAX4206 5 데케이드(decade)의 넓은 동적 범위를 충분히 이용하게 된다.
그림 4b. 로그비 애플리케이션은 두 개의 포토다이오드를 이용하고, 보통 광 감쇠를 측정한다.
또 한가지 언급해야 할 사항은 MAX4206이 10nA에서 1mA를 초과하는 입력 전류에 대해 동작을 보장하지는 않지만, 입력과 출력 사이를 단조롭게 유지하는 동안에 이 범위를 초과하게 소자를 동작시키는 것도 종종 가능하다.
DC 로그 앰프의 오류 소스
오늘날의 DC 로그 앰프는 여전히 이전 세대의 제품들과 똑 같은 한계점을 지니고 있다. 공식 6은 거의 이상적인 DC 로그 앰프에 가깝다. 가장 정확한 공식을 얻으려면, 이득의 오류에서 나타난 용어, 바이어스 전류, 오프셋 및 선형성 또한 고려하지 않으면 안 된다. 이것은 온도와 시간 관계의 변화에 따라 더욱 부정확해질 수 있으므로 특히 중요하다.
BJT 기반 DC 로그 앰프를 나타내는 것 보다 포괄적인 공식은 아래와 같다.
여기서 K는 이득 변수이고, IBIAS1와 IBIAS2는 각각 LOGIIN 입력 및 REFIIN 입력과 관련된 바이어스 전류이다. VCONF는 로그 적합 오류이고, VOSOUT는 출력과 관련된 오프셋이다. K, ILOG, IREF과 VOUT는 앞에서 정의했다. 대부분의 애플리케이션에서, 바이어스 전류와 관련된 오류는 입력 및 레퍼런스 전류에 비해 매우 작기 때문에, 오류 공식에서 제외시킬 때가 많다. 로그 적합 오류는 다른 모든 오류 소스를 제로로 만들었다고 가정했을 때, 공식 6의 이상적인 로그 관계식에서 가장 큰 편차를 만든다. 로그 적합 오류는 주로 다른 형태로 나타나기 때문에 이상적인 플롯에서의 작은 편차는 쉽게 발견할 수 있다(그림 5a).
그림 5a. 일반적인 로그 적합 오류 플롯은 보통 입력 전류와 동작 온도 기능으로 나타난다.
레퍼런스 전류 IREF는 눈에 띄게 바로 나타나지 않는다 하더라도, 초기 부정확도, 온도 편차 및 수명과 관련된 변화로 구성된 가장 큰 오류 소스일 가능성이 있다. 로그 앰프 동작에 대한 전반적인 오류 계산을 할 때, 이 오류들이 포함되어야 한다.
이와 같은 비이상적인 변화에 따른 영향이 그림 5b의 이동 곡선으로 나타나있다(그림에서는 설명을 위해 이 영향들을 과장되게 표현했다). 그림에서 100nA의 로그 인터셉트와 1V/decade의 이득을 갖는 검은선이 이상적인 곡선이다. 출력 오프셋 오류는 검은선 위 아래로 이동하는데, 초록선으로 표시되었다. 이득 오류는 오프셋 변화 전송 특성을 선회하는데, 푸른선으로 표시되었다. 붉은선은 비선형 및 출력 마진 오류를 통합한 결과를 보여준다.
그림 5b. 로그 전송 함수의 공식 7에서 나타난 서로 다른 오류의 영향을 보여준다. 이 오류들은 명확성을 위해 과장되게 나타났다.
실제로 로그 앰프 제조업체들은 이 섹션에서 나타나는 많은 오류들을 최소화한다. 설계자들은 추가 보정과 온도 모니터링을 통해, 이 오류들에 대한 영향을 줄일 수 있다. 설계자들은 주로 로그 앰프의 출력을 디지털화한 후, 교정을 수행하기 위해 보정표를 이용한다.
DC 로그 앰프 구현
DC 로그 앰프의 성능은 앰프 내에 있는 회로의 성능과 거의 일치한다. 우수한 설계와 레이아웃 기법은 입력 누설 전류와 교차된 부품 온도 편차를 최소화 시켜준다. 하지만 우수한 설계와 레이아웃만으로는 대부분의 로그 앰프 애플리케이션에서 필요로 하는 성능을 충분히 보장해 줄 수 없다. 특히, 입력 전류 및 온도 범위를 초과하여 동작할 경우에는 더욱 그렇다. 애플리케이션의 요건과 동작 조건에 따라, 적절한 보정 과정을 실행하여 누적 오류들을 최소화하지 않으면 안 된다.
다음은 DC 로그 앰프를 실행할 때 고려해야 할 사항이다.
원 포인트 보정
이것은 "극소화" 기법으로, 그림 5b의 임시 성능 라인(붉은 라인)을 효과적으로 수직 이동시키면, 붉은 라인이 이상 성능 라인(검은 라인)과 한 지점에서 교차하게 된다. 특정 동작 온도에서 일반 입력 및 레퍼런스 전류가 해당 로그 앰프 입력에 적용된다. 정상적으로 동작하는 동안 원하는 결과에서의 편차 결과를 실제 로그 앰프 출력에서 제한다.
장점: 보정이 신속하고, 최종 제품 테스트에서도 실행할 수 있으며, 많은 연산을 필요로 하지 않는다. 한 개의 트리밍 저항으로도 아날로그 도메인에서 보정을 실행할 수도 있다.
단점: 이득 및 오프셋 오류가 전반적인 교정 과정 동안 하나로 통합된다. 입력과 온도가 보정 조건에 따라 변하기 때문에 교정값의 적합성이 떨어진다.
투 포인트 보정
이 기법은 앞의 기법보다 조금 더 복잡하긴 하지만, 그 결과가 훨씬 우수하다. 그림 5b의 "붉은" 라인을 효과적으로 회전하고 수직으로 이동하여 이상적인 "검은" 라인에 접근하도록 한다. 다시 한번 일반적인 동작 온도를 선택한다. 입력 전류가 원하는 동작 범위를 측정한다. 하나의 레퍼런스 전류를 보정과 동작 양쪽에 이용하면, 과정이 크게 간략해진다.
장점: 보정이 꽤 신속하고, 이득 및 오프셋 오류를 크게 줄일 수 있다. 이득과 오프셋 연산을 적용하여 디지털 도메인 또는 이득 및 오프셋 트리밍 저항을 가진 아날로그 도메인에 보정을 실행할 수 있다.
단점: 입력과 온도가 변하기 때문에 교정값의 적합성이 떨어진다.
멀티 포인트 보정
이 기법은 중요한 샘플 포인트를 통해 보정 데이터 표를 만든다. 샘플은 하나의 동작 온도에서 이루어진다. 샘플 포인트 사이에 삽입하여 교정을 실행한다.
장점: 입력 조건을 충분히, 전략적으로 선택하므로 이득, 오프셋 및 비선형성 오류를 최소화할 수 있다.
단점: 일부 삽입이 필요하므로, 관련된 연산 수가 증가한다. 입력과 온도가 변하기 때문에 교정값의 적합성이 떨어진다.
온도 조정을 통한 보정
이 기법도 멀티포인트 보정과 비슷하게 테스트 온도를 고려하여 온도에 추가 여유를 둔다.
장점: 이 기법은 이득, 오프셋, 비선형성 및 전반적인 오류에 영향을 미치는 온도 관련 변동 사항들을 크게 줄여 준다. 적은 수량의 고성능 제품을 생산할 때 매우 적합하다.
단점: 온도를 측정하기 때문에 최종 제품 테스트 과정에서 보정 시간이 더 길어진다. 샘플 데이터를 여러 차원에서 삽입하기 때문에 필요한 연산 소스도 크게 증가한다. 온도 모니터링 회로도 추가로 필요하다.
적절한 입력 마진 유지
로그 앰프 출력은 동작 시, 전원 레일과 인접하게 놓아서는 안 된다. 전원과 인접하면, 로그 앰프 출력의 소싱과 싱크 능력을 제한하기 때문이다. 이것은 전류를 레퍼런스 전류 이하 또는 최대 입력 전류와 비슷하게 측정하려고 할 때, 간과하기 쉬운 부분이다. 가장 낮을 것이라고 예상하는 입력 전류 보다 더 낮은 레퍼런스 전류를 선택하도록 한다. 최대 입력 전류가 인가되었을 때, 로그 앰프의 최대 출력 전압이 나올 수 없도록 이득이 설정되어야 한다. 대부분의 설계에서, 똑 같은 입력 전류와 레퍼런스 전류는 출력을 중간 지점에 놓기 때문에, 듀얼 전원 로그 앰프도 도움이 될 수 있다.
장점: 최악의 입력 조건에서 정확성과 응답 시간이 길어진다.
단점: 이용 가능한 출력 범위가 약간 줄어든다.
부품 선택
형태가 같고 낮은 온도 계수를 갖는 외부 저항을 이용한다. 이것은 저항의 절대값이 성능에 영향을 미치는 저항인 경우 특히 중요하다(예를 들면, 레퍼런스 전류 발생기 회로). 이득, 오프셋과 같은 저항 비율에 영향을 받는 파라미터들은 온도 변화에 덜 민감하다. 보상 회로들의 온도 안정성은 일반적으로 그리 중요하지 않다. 작은 전류를 측정할 때 누설 문제를 사전에 막기 위해, 누설이 적은 PC 소재도 고려하지 않으면 안 된다.
장점: 외부 부품으로 인해 발생되는 추가적인 성능 감소를 최소화 해준다.
단점: 낮은 온도 계수를 갖는 부품은 일반적으로 조금 더 비싸지만, 이 부품들로 인한 성능 향상을 고려해 보면, 비용 투자 가치가 충분하다.
일정한 온도 노출
로그 앰프 회로의 어떤 부분도 온도에 노출되어서는 안 된다. 이것은 회로의 다른 부품들과 상당히 다른점이다. 이와 같이 사전에 주의를 기울임으로써 온도에 의해 야기된 회로의 모든 변화들을 보다 세심하게 관찰할 수 있다.
장점: 보정 과정에서 추가적인 여유가 제한된다.
단점: 레이아웃 설정이나 전체 회로 사이즈에 있어 불편함이 있을 수 있다.
결론
정리하자면, DC 로그 앰프 IC는 특정 아날로그 설계에 매우 적합하도록 작고 사용이 편리하며 경제적인 회로로 발전했다. 로그 함수는 넓은 동적 범위의 신호를 간편하게 압축하고, exponential 또는 near-exponential하는 전송 특성을 갖도록 한다. 로그 함수를 이용한 압축은 넓은 동적 범위의 신호를 디지털화 할 필요가 있는 ADC 비트 수를 감소시켜준다. DC 로그 앰프 IC의 회로 구현을 단순화하고, 적은 노력으로 최적의 효과를 거둘 수 있다. 보정 과정으로 로그 앰프의 성능을 향상시킬 수 있지만, 보정 작업이 모든 애플리케이션에 꼭 필요한 것은 아니다.
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K는 이득 변수이고, IBIAS1와 IBIAS2는 각각 LOGIIN 입력 및 REFIIN 입력과 관련된 바이어스 전류이다. VCONF는 로그 적합 오류이고, VOSOUT는 출력과 관련된 오프셋이다. K, ILOG, IREF과 VOUT는 앞에서 정의했다. 대부분의 애플리케이션에서, 바이어스 전류와 관련된 오류는 입력 및 레퍼런스 전류에 비해 매우 작기 때문에, 오류 공식에서 제외시킬 때가 많다. 로그 적합 오류는 다른 모든 오류 소스를 제로로 만들었다고 가정했을 때, 공식 6의 이상적인 로그 관계식에서 가장 큰 편차를 만든다. 로그 적합 오류는 주로 다른 형태로 나타나기 때문에 이상적인 플롯에서의 작은 편차는 쉽게 발견할 수 있다(그림 5a).
