개요: 디지털 스틸 카메라, 휴대전화, 휴대용 미디어 플레이어와 같은 수많은 휴대기기에 컴포지트 비디오 출력 연결이 추가되고 있다. 이들 기기에서 비디오 DAC는 컴포지트 비디오 신호를 생성하고, 이 신호는 반드시 저역통과 필터링되어 출력 커넥터에 도달하기 전에 증폭되어야 한다. 설계 엔지니어들은 이미 비디오 필터 앰프 선택 시 전력 소비, 전체 비용, 사이즈, 비디오 품질을 고려하고 있다. 본문에서는 차세대 비디오 필터 앰프가 어떻게 배터리 수명을 연장시킬 수 있는지 살펴보고 차세대 휴대기기에 대한 추가적인 요건들에 대해 설명한다.
디지털 스틸 카메라, 휴대전화 및 휴대용 미디어 플레이어와 같은 휴대기기가 증가함에 따라 컴포지트 비디오 출력 연결 또한 증가하고 있다. 이러한 장비에서 비디오 필터 앰프는 비디오 신호를 생성하는 비디오 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 따르고 있다. 오늘날의 3.3V 비디오 필터 앰프는 비디오 신호를 처리하는 데 약 45mW의 전력을 소비하여 배터리 전력에 상당한 드레인을 야기할 수 있다.
배터리 수명은 모든 휴대장치에 있어 중요한 문제로, 배터리 수명을 연장할 수 있는 시스템 IC는 어떤 것이든 중요한 이점을 갖게 된다. 이 요소는 사용자들이 휴대용 시스템에 보다 이끌리게 하는데, 충전 횟수가 적을수록 기동성이 더욱 보장되기 때문이다. 배터리 수명 연장으로 버려지는 배터리 수가 줄어들고 충전 가능 배터리의 충전을 위해 그리드에 덜 의존하게 되므로 결국 환경에 긍정적인 영향을 미친다. Maxim의 최신 비디오 필터 앰프는 1.8V로 동작하고 불과 12mW의 전류를 소비하여 3.3V 비디오 필터 앰프와 비교했을 때 70% 가까이 전력 소비를 줄여준다.
전력은 모두 어디에 사용되는가?
간단히 분석해보면, 각 회로는 자체적으로 동작할 때와 부하 구동 시에 전력을 소모한다. 그림 1에서 전원은 회로에 전체 전류(IT)를 공급하며 IQ는 op 앰프의 누설 공급 전류이고, IL은 부하 전류이다.
그림 1. 접지 저항 부하를 갖는 단일 전원 op 앰프
전력은 전류와 공급 전압을 곱하여 산출한다. 누설 공급 전력(PQ), 부하 소비 전력(PL) 및 전체 소비 전력(PT)은 다음 공식에 따라 일차항으로 산출된다.
PQ = VDD × IQ
PL = VDD × IL
PT = PQ + PL = VDD × (IQ + IL)
실제 애플리케이션에서 실제 전력 소모를 최소화하기 위해서는 PQ와 PL 모두를 절감해야 한다. VDD, IQ 및 IL의 모든 조합을 줄임으로써 이러한 목적을 달성할 수 있다.
일반적으로 IC 데이터 시트는 IQ 또는 PQ에 대한 사양만을 제공하며, 일반 신호 및 일반 부하의 평균 전력 소모는 거의 설명해주지 않는다. 회로는 셧다운되거나 아니면 완전히 인에이블 되기 때문에(비디오 필터 앰프가 비디오 부하로 비디오 신호를 구동할 경우), PQ는 모든 휴대형 비디오 필터 앰프에 거의 쓸모 없는 정보다. 배터리를 절약하기 위해서 비디오 부하가 없을 경우에는 비디오 필터 앰프를 셧다운시켜야 한다. 비디오 부하가 없는데 비디오 필터를 동작시킬 경우 배터리가 소모된다.
3.3V 비디오 필터 앰프의 전력 소비
3.3V 비디오 필터 앰프가 비디오 부하로 비디오 신호를 구동할 때, 전력 소모는 표 1과 같이 증가한다. 평균 소비전력은 비디오 필터 앰프가 50% 플랫 필드(flat-field)의 비디오 신호를 150Ω의 접지 부하로 구동하는 것을 의미한다. 50% 플랫 필드 신호는 텔레비전에서 회색 화면으로 나타나며 일반적인 비디오 신호의 프록시로 사용된다. (PL은 그림의 내용에 따라 좌우된다. 블랙 화면은 최소한의 전력이 소모되는 반면 흰색 화면은 최대 전력을 필요로 한다.) 부품의 PQ는 크게 차이가 나더라도 평균 소비 전력이 얼마나 비슷한지에 대해 주목한다.
표 1. 여러 비디오 필터 앰프의 평균 전력 및 무부하 전력
Company
Part
Supply Voltage (V)
Average Current (mA)
Average Power (mW)
IQ (mA)
PQ (mW)
Output Style
Maxim®
MAX9502
3.3
13.5
44.6
5.3
17.5
Positive DC bias
TI®
OPA360
3.3
12.2
40.1
6
19.8
Zero DC bias
Maxim
MAX9503
3.3
13.2
43.4
12
39.6
DirectDrive®
비디오 신호를 비디오 부하로 구동할 때의 전력 소모 증가는 비디오 앰프의 출력 종류에 따라 크게 달라진다. MAX9502는 포지티브 DC 바이어스를 통해 비디오 신호를 출력한다(그림 2 참조). 출력 신호의 포지티브 DC 바이어스를 유지하면 전체적인 전력 소모가 증가된다. 따라서 MAX9502는 대략 8.7mA(그림 2b의 굵은 청색선으로 표시된 전압을 150Ω으로 나누어 산출)를 소싱해야 한다.
그림 2. 50% 플랫 필드 신호의 입/출력을 보여주는 MAX9502G 애플리케이션 회로
그림 2a. 이러한 50% 플랫 필드의 파형은 해당 비디오 필터 앰프에 입력된다.
그림 2b. MAX9502G의 출력 파형에서 청색선은 50% 플랫 필드 신호의 대략적인 DC 평균을 나타낸다.
출력 시, OPA360(표 1 참조)은 두 개의 AC 커플링 커패시터로 구성된 SAG 네트워크와 연동할 수 있다(그림 3). 이 커패시터는 출력과 부하 사이의 DC 연결을 차단한다. 따라서 앰프는 출력 시 바이어스를 유지하기 위해 전류를 공급하거나 줄일 필요가 없으므로 전력 증가를 최소화할 수 있다.
그림 3. 50% 플랫 필드 신호의 경우, OPA360 애플리케이션 회로는 커패시터가 출력과 부하 간 DC 연결을 차단하여 전력 증가를 최소화한다.
그림 3a. OPA360 출력 파형의 청색선은 50% 플랫 필드 신호의 대략적인 DC 평균을 나타낸다.
특허를 받은 Maxim의 DirectDrive 기술*을 통해 MAX9503은 제로 DC 바이어스에 가깝게 비디오 신호를 출력하지만 AC 커플링 커패시터는 필요 없다(그림 4 참조). 이러한 기술을 통해 MAX9503은 접지면 이하로 출력을 내릴 수 있는데, 칩에 장착된 반전형 차지 펌프가 네거티브 전원 전압을 생성하기 때문이다. DirectDrive 기법으로 PQ는 증가되지만, MAX9503의 평균 소비 전력은 MAX9502 및 OPA360과 같은 수준을 유지하는데 그 이유는 PL이 낮기 때문이다. MAX9503은 보다 적은 전류를 소싱해야 하는데, 이는 DC 바이어스가 접지에 가깝기 때문이다.
그림 4. 50% 플랫 필드 신호는 MAX9503G 애플리케이션 회로를 통해 처리된다.
그림 4a. MAX9503G 출력 파형의 청색선은 50% 플랫 필드 신호에 대한 대략적인 DC 평균을 나타낸다.
차세대 전력 소비 전략: 1.8V 비디오 필터 앰프
MAX9509는 최초로 출시된 Maxim 최신 비디오 필터 앰프 제품으로, 그림 5에 표시된 바와 같이 평균 소비 전력과 PQ 모두를 상당히 절감할 수 있다. 전원 전압(VDD)은 3.3V에서 1.8V 수준으로 감소하였는데, 이는 현재 휴대폰에 점차 도입되고 있는 디지털 I/O 전압이다. 누설 공급 전류 (IQ) 또한 12mA에서 3.1mA로 감소되었다(표 2 참조).
그림 5. 50% 플랫 필드 신호를 처리하는 MAX9509 1.8V 애플리케이션 회로로 전력 소모가 상당히 절감되었다.
그림 5a. 50% 플랫 필드 파형이 MAX9509에 입력된다. 그림 2a에 사용된 파형 진폭의 1/4이다.
그림 5b. MAX9509의 출력 파형에서 청색선은 50% 플랫 필드 신호의 대략적인 DC 평균을 나타낸다.
표 2. MAX9509의 평균 전력 및 무부하 전력
Company
Part
Supply Voltage (V)
Average Current (mA)
Average Power (mW)
IQ (mA)
PQ (mW)
Output Style
Maxim
MAX9509
1.8
6.5
11.7
3.1
6
DirectDrive
새로운 1.8V 디지털 I/O 전압을 사용하여 비디오 회로를 설계할 때 고려해야 할 특수한 사항은 보충 설명, 1.8V 비디오 필터 앰프 회로에 대한 고려사항을 참고한다.
DirectDrive는 비디오 필터 앰프가 1.8V 전원 전압으로 동작할 때 반드시 필요하다. 전압 모드 출력 단이 있는 앰프는 컴포지트 비디오 신호를 출력하는 데 최소 2VP-P를 스윙해야 한다. 1.8V 단일 전원으로 동작하는 기존 앰프는 2VP-P 출력 신호를 처리할 수 있는 충분한 여유가 없다. 그러나 DirectDrive 기술을 사용할 경우, 내장된 반전형 차지 펌프가 잡음이 심한 -1.8V의 전원을 생성하고 네거티브 선형 레귤레이터가 이 -1.8V 전압을 차지 펌프 잡음이 최소인 -1V로 높인다. 따라서 -1V ~ +1.8V 범위의 공급 전압으로 MAX9509는 이제 2VP-P 비디오 신호를 출력하는 데 꼭 맞는 헤드룸을 제공하게 되었다.
낮은 공급 전압, 낮은 IQ, 그리고 DirectDrive 출력단의 조합으로 MAX9509의 평균 소비 전력(표2)은 표 1에 나와 있는 3.3V 소자들에 비해 상당히 낮다. 이는 MAX9509가 탑재된 시스템과 3.3V 소자를 사용한 시스템에 동일한 배터리를 사용할 경우 배터리가 최대 70%까지 줄어든 전력을 앰프에 공급하므로 결국 배터리 수명이 연장됨을 의미한다. 따라서 배터리 폐기 횟수가 줄어들고 충전 가능 배터리의 충전을 위한 파워 그리드 의존도가 낮아져 사실상 환경에 직접적인 영향을 미친다.
놀라운 것은 MAX9509의 평균 소비 전력이 3.3V 비디오 필터 앰프의 PQ보다 낮다는 점이다. 이와 같이 낮은 전력 레벨로 고속 동작하는 회로에서 생기는 한 가지 문제는 잡음이 상당히 증가한다는 것이다. 이는 회로가 정상치보다 낮은 전류 레벨로 동작하기 때문이다. MAX9509는 설계 단계에서 잡음문제를 철저히 고려하여 64dB의 매우 우수한 최고 신호대 잡음비(SNR)를 가지므로 가전 제품용으로도 매우 여유있게 사용할 수 있다. 비디오 화면에서 육안으로 확인할 수 있으려면, 최고 SNR은 약 40dB 수준이어야 한다.
필터 및 앰프와 동일한 다이에 잡음이 있는 차지 펌프를 확보하는 것이 주요한 설계 문제다. 차지 펌프는 미세한 비디오 파형으로 스위칭 잡음이 유입될 가능성이 있다. MAX9509의 차지 펌프와 비디오 신호 경로 회로 사이를 분리하는 것이 매우 효율적으로, 이렇게 하면 주파수 스윕에서 차지 펌프의 잡음이 크지 않을 뿐만 아니라 (그림 6) 시간 영역에서 거의 인식할 수 없다(그림 7).
그림 6. MAX9509의 잡음 대 주파수 측정 시 차지 펌프 주파수 스파이크를 식별할 수 없다.
그림 7. 1VP-P 비디오 신호에 대해 시간 대비 측정된 MAX9509의 출력(아래). 스파이크는 1.4mVP-P이다. 위의 그래프는 차지 펌프 플라잉 커패시터 상판의 전압이다.
사용자의 관점에서는 MAX9509로 신호 출력을 표시하는 비디오 화면에서 광대역 잡음이나 차지 펌프 잡음을 육안으로 확인할 수 없다.
저전력 비디오 필터 앰프의 나아갈 방향
저전력 비디오 필터 앰프는 최근 많은 발전을 이루었으나, IC 설계자들에게는 여전히 과제가 남아 있다. 비디오 부하 감지에 대해 생각해보자. 가령, 비디오 필터 앰프가 부하를 전기적으로 감지하여 시스템을 운영하는 마이크로컨트롤러에 부하의 상태를 제공할 수 있다면 비디오 출력 회로를 비디오 부하가 유효한 경우에만 동작하게 할 수 있다. 따라서 시스템은 비디오 전력을 보다 지능적으로 관리할 수 있게 된다. 현재의 비디오 부하 감지 방법은 잭이 삽입되는 것을 기계적으로 감지하고 비디오 출력 회로가 동작하는 방식이다. 케이블의 다른 쪽 끝이 텔레비전이나 기타 비디오 모니터의 잭에 실제 삽입되어 있지 않은 경우, 배터리 전원을 사용한다. 비디오 부하를 전기적으로 감지하는 것의 또 다른 이점은 표준 커넥터보다 비용이 많이 들고 공간이 더 많이 필요한 기계식 잭 감지 커넥터 대신 표준 커넥터만 있으면 된다는 점이다.
전력 소모를 줄이는 일은 휴대기기에서 항상 중요한 문제였지만 높은 에너지 비용과 지구 온난화 문제로 인해 일반 전자 장비에서도 그 중요성이 더해가고 있다. 따라서 더욱 더 지능적인 전력 관리 기능이 아날로그 칩에 통합되고 있는 추세이다. 비디오 필터 앰프의 경우, 전력 소모가 낮아야 할 뿐만 아니라 비디오 부하 감지, 비디오 입력 감지 및 동작 모드를 통해 반복적으로 회로를 제어해야 한다. 가장 어려운 문제는 크게 비용을 들이지 않고도 지능적인 전력 관리 기능을 추가하는 것인데, 비디오 칩이 거의 모든 저가 가전 제품에 사용되고 있기 때문이다.
보충 설명: 1.8V 비디오 필터 앰프 회로에 대한 고려사항
보다 나은 기능을 갖춘 합리적 가격의 제품 설계와는 별도로 전 세계 기업들은 보다 환경 친화적인 시스템 설계를 위해 최선을 다하고 있다. 환경 친화적 제품 설계에는 전력 소모를 줄이고 lead-free/RoHS 준수 패키지로 제공되는 IC가 필수적이다.
MAX9509 저전력 비디오 필터 앰프 설계 시 특별히 고려했던 사항은 다음과 같다. 바이어스 전류값은 가장 생산적인 공급 전류를 할당하도록 선택되었고 레이아웃은 기생 소자를 줄이고 좋은 소자 정합을 이루는 기법이 사용되었다. 최종적으로 회로의 모든 브랜치에 사용된 전류에 대해 신중한 연구와 분석이 뒤따랐다. 이러한 노력으로 전력 소비를 최적화하고 회로의 대역폭을 필요한 주파수 응답 및 비디오 성능을 유지하는 데 필요한 수준으로 줄였다.
MAX9509의 전력 소비를 이전 세대 비디오 필터 앰프보다 낮출 수 있었던 것은 신중한 회로 설계와 Maxim의 첨단 BiCMOS 공정 기술 때문이다. 이전 비디오 설계의 모든 회로를 분석하고 최적화함에 따라 전력 소모를 최소화한 동시에 애플리케이션 용도별로 적합한 성능을 유지하도록 했다. 예를 들면, MAX9509에서 전원 레일 간에 바이어스 전류가 미러링되는 횟수가 줄어들었고, 생성된 네거티브 레일의 사용도 최소화되었다. 또 독점적인 회로를 사용하여 이러한 편향된 전류로 앰프가 동작되어 발생될 수 있는 왜곡 현상을 제거하였다. MAX9509는 첨단 아날로그 공정 기술을 사용하여 전력 소모를 줄였으며 이로써 특정 비디오 신호 경로에 해당하는 최적의 부품 선택이 가능하게 되었다(예: 바이폴라 vs. MOS). 5극 필터를 갖는 MAX9509는 6극 필터를 갖는 이전 세대 앰프에 필요했던 추가 바이쿼드(biquad) 필터단이 필요 없다(그림 8과 그림 9). 5극과 6극 필터의 필터 사양의 차이점은 가전 제품에서는 거의 찾아 볼 수 없고, 바이쿼드 필터단이 제거됨에 따라 전체 소비 전류가 10% 이상 절감되었다.
그림 8. 6극 필터를 갖는 이전 세대의 비디오 필터 앰프
그림 9. MAX9509는 5극 필터만 갖고 있으며 바이쿼드 필터단이 제거되어 전체 소비 전류가 10% 절감된다.
필터와 앰프 회로의 세심한 분리를 통해 신호 경로의 각 블록 조건을 최적화하여 주어진 시스템 사양에 필요한 전체 전류의 사용량을 줄일 수 있다. 예를 들면, MAX9509에서는 이득 8을 얻기 위해 이득 4의 프리앰프가 필터에서 사용된다. 따라서 최종 비디오 앰프에서는 2V/V 이득만이 필요하게 되므로(그림 9), 비디오 앰프의 전력 필요 요구 조건이 줄어들었다. 두 앰프의 전체적인 전력 소모는 줄이면서 기능에 맞게 최적화된 것이다.
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