개요: Op 앰프는 아날로그 회로 설계의 기본 구성요소이며, 소형화와 성능 향상을 동시에 구현하는 전략을 추구해왔다. 이 애플리케이션 노트에서는 op 앰프가 지향하는 방향과 극복해야 할 트레이드오프를 조명해 본다.
머리말
전자기기 시장이 지속적으로 성장하면서 고성능 Op 앰프에 대한 수요도 꾸준히 증가하고 있다. 높은 대역폭, 낮은 전력, 높은 정확도는 신제품에 요구되는 주요 파라미터 중 일부이다. 이러한 규격이 계속 향상되고는 있지만 이상적인 op 앰프는 아직 미결 과제로 남아있고, op 앰프 설계는 여전히 여러 가지를 절충해야만 하는 게임일 수 밖에 없다. 다행히 대부분의 애플리케이션은 하나의 파라미터가 나머지 다른 파라미터보다 더 중요하며, 절충이 가능하다. 그렇다면 이제 목표는 이상적인 op 앰프를 생성하는 것이 아니라, 특정 애플리케이션을 위한 최상의 op 앰프를 생성하는 데 있다.
다양한 애플리케이션을 위한 Op 앰프 최적화
배터리 구동 제품이 증가하면서 적은 전력을 소비하는 op 앰프에 대한 수요가 늘고 있다. 이처럼 휴대용 애플리케이션에 사용되는 Op 앰프는 적은 전류를 소비하면서 보통 하나의 낮은 (+) 전원 전압에서 동작해야 한다. 저전류 소비에 대한 고객의 요구는 설계자에게 매우 어려운 과제를 안겨주는데, 일부 op 앰프는 적은 전류를 소비하면서도 고주파에서 또는 저잡음으로 동작하도록 요구되기 때문이다.
휴대용 기기가 소형화되면서 보드 공간은 중요한 요소가 되었다. 이에 따라 소형 패키지에 대한 요구가 증가하고 있다. 이전에 많이 이용된 표면 실장 패키지 중 하나가 SO (small outline) 패키지로, 이 패키지는 사실 SOT23, SC70과 같은 일부 신형 패키지나 심지어 UCSP와 같은 칩 스케일 패키지에 비교했을 때 그리 "작지" 않다(그림 1). 이러한 소형 패키지의 감소된 기생 인덕턴스와 커패시턴스는 AC 성능을 향상시키지만, 종종 더 높은 오프셋 오류를 발생시키는데 이러한 패키지를 사용할 경우 실리콘 다이에 스트레스를 더욱 증가시키기 때문이다. 다행히 이러한 높은 오프셋은 숙련된 IC 설계를 통해 낮출 수 있다.
그림 1. MAX4292는 초소형 칩 스케일(UCSP) 패키지로 제공되는 듀얼 정밀 op 앰프이다.
공정 기술의 향상은 고성능 저가 op 앰프의 개발을 촉진시켰다. 이전 방식의 op 앰프는 순수한 바이폴라 공정을 사용하여 제작되었지만, 새로운 설계는 CMOS, BiCMOS, 컴플리멘터리 바이폴라(CB) 등 여러 공정을 조합하여 사용할 수 있다. Op 앰프의 경우 CMOS가 비용측면에서 우세한 공정으로 등장하고 있으며, 한때 CMOS 공정의 도입에 따른 성능 제한(예, 잡음)은 공정 기술의 향상과 더불어 점차 줄어들고 있다. 일반적으로 고성능 소자는 다양한 공정의 조합을 필요로 한다.
표준 op 앰프는 다양한 애플리케이션에 맞게 다양한 방식으로 수정되었다. 현재, 설계자는 심지어 오디오와 비디오를 포함해서 정밀, 계측, 전류 감지, 고속 등 다양한 op 앰프 유형 중에 선택해야 한다. 소자에 대한 향상은 애플리케이션 별로 많이 이루어져 왔다.
정밀 op 앰프는 보통 고대역폭을 제공하지는 않지만, 오프셋 전압과 오프셋 편차 규격은 항상 우수하다. 보증 오프셋 전압은 1mV까지 낮출 수 있다. 오토제로잉(autozeroing)과 초퍼 안정화(chopper-stabilization) 기법은 오프셋 편차의 영향을 최소화하여 온도의 변화에도 이러한 규격을 유지할 수 있도록 해준다. 일반적으로 초퍼 안정화 기법을 적용한 op 앰프는 신호 경로에서 op 앰프에 필연적으로 존재하는 오프셋 전압을 지속적으로 교정하는 nulling (또는 "초퍼") 앰프가 내장되어 있다. 따라서 온도 변화에도 뛰어난 오프셋 전압 규격을 구현할 수 있다.
낮은 오프셋 전압 외에도 낮은 전원 전압 동작은 rail-to-rail 또는 Beyond-the-Rails™ 입력 단과 rail-to-rail 출력 단의 중요성을 증가시킨다. Rail-to-rail 입력을 사용하면 입력 전압이 (-)에서 (+) 전원의 범위를 가질 수 있으며, Beyond-the-Rails 입력을 사용하면 입력 전압이 소자의 레일을 초과할 수 있다. 더 중요한 것은 rail-to-rail 출력은 출력이 어느 레일에서나 밀리볼트 이내에서 스윙하도록 보장한다는 점이다. 특히 이 점은 낮은 전압에 의해 구동되는 op 앰프의 줄어든 동적 범위 전체를 최대화하고자 할 때 극히 중요하다. 1V 이하의 전원 전압을 다룰 경우 입력 공통 모드 범위 및 출력 전압 범위의 모든 비트가 매우 중요해질 수 있다.
고속 신호 프로세싱이 빠르게 발전하면서 단일 종단 및 차동 입력을 모두 갖춘 정밀 고속 op 앰프에 대한 필요성이 증가되고 있다. 새로운 고속 데이터 컨버터를 제작하는 많은 설계자들은 보다 낮은 전력 소비와 전원 전압에 초점을 맞추고 있다. 어느 IC 유형을 사용하든 간에 속도와 전력은 언제나 절충 관계에 있다. 고속 op 앰프는 1GHz의 수준까지 대역폭을 제공할 수 있지만, 소자의 전원 전압이 낮을 경우 이러한 성능은 달성하기 어렵다. 현재 3V 전원 전압으로 수백 메가헤르츠를 쉽게 달성할 수 있지만 IC 제조업체는 여전히 임계값을 최대한 높이려고 노력하고 있다.
또한 Op 앰프는 오디오 및 비디오 애플리케이션용으로 특화되고 있다. 오디오 앰프는 기존 정밀 앰프와 달리 가청 주파수 범위 내에서 우수한 동적 성능을 달성하기 위해 특수하게 설계된다. 오디오 앰프의 새로운 트렌드는 Maxim의 DirectDrive™ 앰프와 같이 차지 펌프를 통합하는 방향으로 나아가고 있다. 이렇게 하면 대형 DC 블로킹 커패시터(보통 부피가 큰 전해질 유형)가 필요 없고 단일 전원으로 동작할 수 있다. DirectDrive 기술을 사용하면 앰프의 주파수 응답을 DC까지 확장시켜 저주파수에서 총 고조파 왜곡 성능을 향상시킨다. DirectDrive 기법은 비용과 보드 공간을 줄일 수 있으며, 이것이 경쟁적인 휴대형 오디오 시장에 중요한 장점이 되고 있다(그림 2).
그림 2. 차지 펌프 내장 단일 전원 헤드폰 앰프는 부피가 큰 DC 블로킹 커패시터가 필요 없다.
비디오 앰프는 새로 등장하는 다양한 비디오 애플리케이션에 대응하기 위해 더욱 전문화되고 통합되고 있다. 듀얼 ±5V 전원을 사용하는 제품이 여전히 존재하지만, 대부분의 최신 비디오 앰프는 단일 전원으로 동작하면서 1개 또는 2개의 150Ω 부하를 구동하도록 설계되고 있다. 휴대형 디지털 비디오 제품 시장이 성장함에 따라 비디오 앰프는 3V와 같은 저전원 전압으로 이동하기 시작했으며, 이러한 경향은 IC 설계자에게 또 다른 도전이 되고 있다. 단일 전원 동작과 더불어, 많은 비디오 앰프가 앤티 앨리어싱 또는 DAC 스무딩(smoothing) 애플리케이션을 위한 재구성 필터를 내장하고 있다. 일부 비디오 앰프는 심지어 블랙 레벨(black-level) 또는 백 포치(back-porch) 클램프를 포함하고 있어 외부 바이어싱 또는 클램핑 회로가 필요 없다. 오디오 앰프와 마찬가지로 비디오 앰프도 DirectDrive 기술을 이용하여 앰프가 비디오 신호에서 (-) 동기 펄스를 받아들일 수 있도록 하므로 외부 바이어싱이 필요 없다.
결론
Op 앰프는 아날로그 회로 설계에 사용되는 가장 기본적인 구성요소 중 하나이다. 따라서 op 앰프는 빠르게 발전하는 전자산업과 함께 발맞추어야 한다. 더 낮은 전력, 더 작은 패키에 대한 보편화된 요구는 이미 육안으로는 식별하기 어려운 패키지(UCSP 패키지) 안에 들어가는 마이크로파워 op 앰프의 개발을 촉진시켰다. 그러나 op 앰프는 여기에 머물지 않고 발전을 거듭하고 있다. 제조업체는 설계와 공정 기술의 지속적인 향상에 따라 업계의 증가하는 요구조건에 부합하는 op 앰프의 개발을 계속할 것이다.
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