개요: 이 애플리케이션 노트는 헤테로다인 트랜시버 애플리케이션의 이득 측정을 위해 자동화 테스트 시스템에 MAX2016 RF 검출기를 이용하는 것에 대해 설명한다. 그리고 이득 측정 및 조정(calibration), 오프셋만을 이용한 이득 측정, 오프셋 및 기울기 조정을 이용한 이득 측정 등 3가지 기법의 품질 및 측정 정확도를 비교한다.
개요
듀얼 RF 전력 검출기로서 MAX2016은 단일 RF 블록이나 더 복잡한 헤테로다인 트랜시버의 이득을 측정할 수 있다. 이 소자의 중요한 특징은 온칩 비교기 회로가 내장되어 있어 2개의 입력 전력 레벨의 차를 계산할 수 있다는 것이다. 이 회로를 이용하면, 이득 = POUTPUT - PINPUT = POUTA - POUTB = POUTD라는 간단한 이득 계산이 가능해진다. 하지만 측정의 정확도에 대한 요구를 충족하기 위해서는 신중함이 필요하다.
애플리케이션에 따라 한 번의 조정이 필요할 수 있는데, 이는 라인 및 커플러 손실의 차이와 부품마다 달라지는 변동을 보상하기 위해서이다. 이 애플리케이션 노트에서는 RF 이득 측정에 이용되는 기본적인 조정 방법론에 대해 설명한다. 그리고 두 가지의 일반적인 애플리케이션 예를 소개한다. 첫 번째 예는 헤테로다인 트랜시버의 이득 측정에 관한 것이다. 두 번째 예는 공장 자동 시험 장비(ATE) 애플리케이션에서 조정된 MAX2016이 어떻게 저속 고비용 전력 측정기를 대체하는지를 보여준다. ATE 예에서는 조정을 할 때와 하지 않을 때의 정확도도 비교해서 보여준다. 두 예 모두, 측정 셋업을 적절하게 조정하는 것이 중요함을 보여준다.
일반적인 RF 트랜시버 이득 측정
MAX2016의 전력 검출기는 DC에서 2.5GHz에 걸친 넓은 주파수 범위를 가지므로, 단일 이득 블록(그림 1a)이나 전체 헤테로다인 수신/송신 라인업(그림 1b)의 이득을 측정하도록 쉽게 구성할 수 있다.
그림 1a. 단일 RF 이득 블록의 이득 측정
그림 1b. 헤테로다인 수신기의 이득 측정
위의 두 가지 구성 모두, 측정 불확실성이 이득 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 부품간의 편차 뿐만 아니라, 라인 편차와 커플러 손실로 인해 절대 이득 측정을 선택하지 않을 수도 있다. MAX2016은 2개의 동일한 로그 검출기를 포함하는데, 기울기 및 절편 위치의 미미한 차이로 인해서 이득 차이의 출력에 작은 오차가 발생할 수 있다.
이러한 변동을 보정하는 간단한 방법은, 출하 전 테스트에서 일회 기울기와 절편을 조정하는 것이다. 그림 2는 헤테로다인 수신기에 대한 테스트 구성이다. 그림에서 보듯이 수신기 프런트 엔드로 알려진 전력 레벨의 RF 신호를 주입한다. 그러면 외부 전력 검출기를 이용해 하향변환 신호의 수신 전력 레벨을 구할 수 있다. 하향변환 신호를 곧바로 샘플링할 수 없다면, 트랜시버의 온보드 고속 ADC를 이용해 수신 전력 레벨의 근사값을 구할 수 있다. 대다수 수신기가 동적 범위를 향상시키기 위해 일정한 형태의 가변 이득 증폭기/가변 전압 증폭기(VGA/VVA)를 이용하므로, 테스트와 테스트 이후의 측정에서 이 라인업의 이득을 변경해서 VOUTD 응답 대비 이득의 기울기 및 절편을 구할 수 있다. 응답의 기울기 및 절편을 트랜시버의 비휘발성 메모리(NVM)에 저장함으로써, 이후의 VOUTD 측정을 절대 이득 값으로 맵핑할 수 있다. 정확도를 더욱 높이기 위해서는, 이득 대비 VOUTD의 다중 값을 이용한 포괄적인 행렬을 생성하여 NVM에 저장할 수 있다. 그런 다음 보간 알고리즘(interpolating algorithm)을 구현해서 특정한 VOUTD 측정값의 이득을 계산할 수 있다. 그림 3은 이러한 두 가지 방법을 설명한다.
그림 2. 출하전 이득 조정 셋업 - 수신기 테스트
그림 3. 헤테로다인 수신기의 이득 조정 방법
MAX2016의 내부 로그 검출기 두 개가 온도에 대해 함께 잘 맵핑되기 때문에, 트랜시버의 절대 이득을 계산할 때 온도 오프셋을 보정할 필요가 없다. 정확도를 더욱 높이고자 할 때는 물론, 온도 오프셋을 측정해서 NVM으로 입력할 수 있다. 현재 동작 온도를 측정하고 온도 양극단을 보간하여 VOUTD 대비 이득 알고리즘이 이들 오프셋을 추가할 수 있다.
ATE 애플리케이션에서 2개 전력 측정기 대신 MAX2016 이용
위에서 언급했듯이, DUT(Device Under Test: 테스트 대상 장치)의 이득을 측정하기 위한 가장 간단한 방법은 dBm으로 입력 및 출력 전력을 측정하고 출력 전력에서 입력 전력을 빼서 이득을 구하는 것이다. 기존에 광대역 전력을 가장 정확하게 측정하기 위한 유일한 방법은 전력 측정기를 이용하는 것이었다. 하지만 전력 측정기는 속도가 느리기 때문에, 테스트 시간이 신속해야 하는 생산 현장에는 이용되지 않았다. 그러나 이제는 신속한 응답 시간(100ns 이내)을 보이는 MAX2016의 듀얼 로그 검출기로, 생산 현장에서 신속한 이득 측정이 가능하게 되었다. 위 예에서 보았듯이 DUT의 입력 전력을 MAX2016의 한 포트로 연결하고, 동시에 DUT의 출력 전력을 MAX2016의 두 번째 포트에 연결하면, 간단하게 이득을 측정할 수 있다. VOUTD 핀에서 이득에 비례하는 DC 전압(VOUTD_MEAS)을 포착할 수 있다. 다음 공식을 이용해 이득을 계산할 수 있다.
조정을 하지 않고 MAX2016 데이터 시트의 VOUTD_OFFSET 및 VOUTD_SLOPE 값을 이용하면 이 공식을 이득 (dB) = (1.0 - VOUTD_MEAS) / 0.025로 간략하게 만들 수 있다. 좀 더 자세한 내용은 MAX2016 데이터 시트를 참조한다.
이 간소한 공식은 이득 계산을 위해서는 유용하지만, 이득 측정의 정확도를 향상시키기 위해서는 더 철저한 조정이 권장된다. 즉, 다중 조정 단계를 구현하여 다양한 절대 정확도를 달성할 수 있다. 다음은 VOUTD_OFFSET 및 VOUTD_SLOPE의 정확한 값을 측정하기 위한 조정 기법에 대해 설명하고 있다. 사용자가 원하는 정확도 정도에 따라 둘 중 하나 또는 두 조정 방식 모두를 선택할 수 있다. 또한 아래에서 VOUTD_OFFSET 조정만 이용할 때와 VOUTD_OFFSET과 VOUTD_SLOPE 조정을 이용할 때 얻어지는 정확도를 비교한다.
일반적인 테스트 셋업
더 정확한 VOUTD_OFFSET 값을 얻기 위해서는, MAX2016의 입력 포트를 동일한 전력 레벨로 구동해야 한다. VOUTD 핀의 DC 레벨은 VOUTD_OFFSET과 동일하다. MAX2016 입력 포트의 하나와 직렬로 조정을 거친 감쇠기를 이용해 VOUTD 값을 측정함으로써 VOUTD_SLOPE를 구할 수 있다. 그런 다음 특정 VOUTD_OFFSET 및 감쇠기 손실에 대해 VOUTD_SLOPE를 구할 수 있다. 그림 4는 이 특성 분석을 위한 테스트 셋업이다. 이득 측정/조정 기법의 일부로서 MAX2016EV 킷을 이용했다.
그림 4. 일반적인 테스트 셋업
이 셋업에서는 VOUTD_SLOPE를 조정하기 위해 고정 전력 감쇠기를 이용했다. 하지만 이 결과를 이득을 갖는 소자에도 동일하게 적용할 수 있다. 선택한 주파수 및 정확한 감쇠는 MAX3654 VGA의 테스트 요구에 따른 것이다. 이 소자는 AGC 기능을 갖는 CATV 트랜스임피던스 앰프이며, 0dB에서 20dB까지의 이득 가변 범위를 갖는다. 다른 애플리케이션은 요구조건에 맞추기 위해서 다른 주파수 및 감쇠기 값을 선택할 수 있다.
VOUTD_OFFSET 및 VOUTD_SLOPE 조정
먼저 URV5 RF 전력 측정기를 이용해 다수의 감쇠기를 측정했다. 이 측정은 그림 4의 A 지점에서 이루어졌으며, 케이블 손실을 고려해서 감쇠가 적절히 이루어지고 있는지를 측정했다.
그런 다음 각각의 테스트 주파수로 VOUTD_OFFSET 및 VOUTD_SLOPE 값을 측정했다.
VOUTD_OFFSET을 측정하기 위해, 감쇠기를 바이패스하고 MAX2016에 대한 두 포트를 동일한 신호 레벨로 구동했다. 이렇게 얻어진 VOUTD에서의 DC 전압이 VOUTD_OFFSET에 대한 조정 값이다.
VOUTD_SLOPE를 측정하기 위해 조정을 거친 10dB 감쇠기를 삽입하고 VOUTD의 DC 전압을 다시 측정했다(이 값을 VOUTD_MEAS라고 한다). 그러면 VOUTD_OFFSET과 VOUTD_MEAS 및 감쇠기 값 10dB이 주어졌으므로, 공식 1을 이용해 VOUTD_SLOPE 값을 계산할 수 있다. 공식 1에서는 감쇠기 값이 -10dB의 이득으로 표현되었다는 것에 유의해야 한다. 10dB 감쇠기를 선택한 이유는, 이 값이 MAX3654의 이득 범위의 중간이기 때문이다. 표 1은 VOUTD_OFFSET과 VOUTD_SLOPE 값이다.
표 1. 오프셋 및 기울기 조정 수치
VOUTD_OFFSET (V)
VOUTD_SLOPE (mV/dB)
At 50MHz
1.044
27.8
At 900MHz
1.043
26.3
조정 정확도 비교
6개의 감쇠기(각각 1, 2, 8, 10, 12, 20dB)에 대해 각각의 테스트 주파수로 VOUTD를 측정했다. 계산을 통해 다음 3가지 경우의 측정된 감쇠 및 결과적인 정확도를 구했다.
조정 안 함
오프셋만 조정
오프셋 및 기울기 조정
그 결과가 표 2에서부터 표 6까지이다.
표 2. 데이터 시트에 나와있는 값을 이용한 MAX2016 측정 오차 (VOUTD_OFFSET = 1.0V, VOUTD_SLOPE = 25mV/dB)
VOUTD (V)
CALIBRATED ATTENUATION (dB)
MEASURED ATTENUATION (dB)
MEASUREMENT ERROR (dB)
1.022
0.9
0.9
0.0
0.993
2.0
0.3
-1.7
0.827
7.9
6.9
-1.0
0.763
10.1
9.5
-0.6
0.713
11.9
11.5
-0.4
0.481
20.2
19.2
-1.0
표 3. 오프셋 조정만을 이용한 MAX2016 50MHz 측정 오차
(데이터 시트에 기술된 대로 VOUTD_SLOPE = 25mV)
VOUTD (V)
CALIBRATED ATTENUATION (dB)
MEASURED ATTENUATION (dB)
MEASUREMENT ERROR (dB)
1.022
0.9
0.9
0.0
0.993
2.0
2.0
0.0
0.827
7.9
8.7
0.8
0.763
10.1
11.2
1.1
0.713
12.0
13.2
1.2
0.481
20.2
22.5
2.3
표 4. 오프셋 및 기울기 조정을 이용한 MAX2016 50MHz 측정 오차
VOUTD (V)
CALIBRATEDB ATTENUATION (dB)
MEASURED ATTENUATION (dB)
MEASUREMENT ERROR (dB)
1.022
0.9
0.8
-0.1
0.993
2.0
1.9
-0.1
0.827
7.9
7.8
-0.1
0.763
10.1
10.1
0.0
0.713
12.0
12.0
0.0
0.481
20.2
20.2
0.0
표 5. 오프셋 조정만을 이용한 MAX2016 900MHz 측정 오차 (데이터 시트에 기술된 대로 VOUTD_SLOPE = 25mV)
VOUTD (V)
CALIBRATED ATTENUATION (dB)
MEASURED ATTENUATION (dB)
MEASUREMENT ERROR (dB)
1.021
0.9
0.9
0.0
0.994
2.0
2.0
0.0
0.834
7.9
8.4
0.5
0.774
10.1
10.8
0.7
0.720
12.0
12.9
0.9
0.509
20.2
21.4
1.2
표 6. 오프셋 및 기울기 조정을 이용한 MAX2016 900MHz 측정 오차
VOUTD (V)
CALIBRATED ATTENUATION (dB)
MEASURED ATTENUATION (dB)
MEASUREMENT ERROR (dB)
1.021
0.9
0.9
0.0
0.994
2.0
1.9
-0.1
0.834
7.9
8.0
0.1
0.774
10.1
10.1
0.0
0.720
12.0
12.1
0.1
0.509
20.2
20.3
0.1
생산 테스트를 위해 MAX2016을 RF 검출기로 구현하는 데에 대한 결론
위의 데이터를 통해 몇 가지 사항을 알 수 있다.
첫째, 조정을 이용하지 않을 때의 오차가 상당하다는 것이다(표 2). MAX3654 VGA 같은 소자의 이득을 생산 현장에서 비조정된 MAX2016으로 테스트하려면, 높은 오차를 허용하기 위해 VGA 테스트 한계가 매우 넓어야 한다. 이를 위해서는 데이터 시트의 이득 사양도 넓어져야 하므로, 설계자들이 선호하지 않게 된다.
둘째, 0.9dB 및 2.0dB 감쇠기는 오프셋 조정만으로 오차를 관리할 수 있다(표 3 및 표 5). 이는 한 가지 값의 DUT 이득만을 측정해야 할 경우에 유용하다. DUT 보드가 DUT 출력에서의 감쇠가 예상되는 DUT 이득과 동일하도록 설계되었다면, 전력 검출기 포트에 대한 입력 레벨이 대략적으로 동일하다. 이득 사양의 분포도가 2dB 미만이라고 하자. 그러면 0.9dB 및 2.0dB 감쇠기의 정확도 데이터에 따라, 일반적인 이득의 작은 편차를 정밀하게 측정하기 위해 오프셋 조정만이 필요하다는 것을 알 수 있다. 그러나 감쇠 값이 증가함에 따라 정확도가 급격하게 저하된다는 점에 유의해야 한다. 그러므로 이 기법은 MAX3654 같은 VGA에서는 높은 이득 편차를 발생시키는 문제가 있다.
표 4와 표 6의 데이터에서는, 넓은 범위에 걸쳐 이득을 측정할 때 오프셋 및 기울기 조정을 모두 이용해야 가장 우수한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 조정을 하기 위해서는, DUT 보드 하드웨어가 MAX2016 전력 검출기를 동일한 레벨로 구동하고 조정 감쇠기로 스위칭할 수 있어야 한다.
그림 5는 MAX2016의 입력에서 필요한 RF 스위칭의 한 구현 방법이다. DUT 이득 측정은 A 지점의 스위치를 통해 이루어지며, 오프셋 조정은 B 지점의 스위치를 이용해 이루어진다. 기울기 조정은 C 지점의 스위치를 이용해 이루어진다. 기울기 조정에 이용되는 감쇠기 값은 DUT 이득 사양의 값과 동일하다. 기울기 조정을 실행한 값(10dB)으로부터 먼 감쇠에 대해서는 여전히 오차가 매우 작음을 유의한다. 이 데이터를 통해 VOUTD 대비 이득 곡선의 비선형성이 매우 낮으며 한 번의 기울기 조정만이 필요하다는 것을 알 수 있다.
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