일반적으로 계측 증폭기는 높은 공통 모드 전압이 존재하면서 작은 차동 신호를 증폭해야 할 필요가 있는 애플리케이션에 사용된다. 이러한 애플리케이션 중 일부는 초저 오프셋 및 드리프트, 낮은 이득 오차, 높은 CMRR(common-mode rejection ratio)을 갖는 매우 높은 정밀도의 증폭기를 필요로 한다. 이 글을 통해 설계자는 이러한 애플리케이션에 오토제로 계측 증폭기 사용을 고려해볼 수 있을 것이다.
*미국 특허 #6,559,720
오토제로 계측 증폭기는 높은 정밀도의 오프셋 전압, 드리프트, 이득 및 CMRR을 제공하지만 오토제로 주파수와 그 배수에서 적지 않은 잡음이 발생된다는 단점이 있다. 오토제로 주파수는 계측 증폭기의 가용 대역폭을 벗어난다. 계측 증폭기의 출력이 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 제공되는 일부 애플리케이션에서는 이러한 잡음이 문제가 될 수 있다.
이 애플리케이션 노트에서는 오토제로 잡음을 감소시키는 간단한 필터링 기법에 대해 설명한다. 이 방법은 새로운 간접 전류 피드백 구조를 채택하는 오토제로 계측 증폭기와 함께 최소한의 외부 부품을 사용한다.
일반적인 애플리케이션에 계측 증폭기
계측 증폭기를 사용하는 주요 의료 시스템 애플리케이션 중 하나가 ECG (electrocardiogram) 시스템이다. ECG 장비는 여러 개의 피부 표면 센서를 사용하여 심장 박동을 모니터링하는 데 사용된다. ECG 센서는 쌍으로 사용되어 수백 마이크로 볼트에서 큰 오프셋 전압이 존재하는 경우 수 밀리 볼트에 이르기까지 매우 작은 차동 신호를 감지한다. 예컨대 환자의 왼팔과 오른팔 사이에 오프셋이 200mV라고 한다면 그러한 차동 AC 신호가 DC 공통 모드 전압을 제거하는 계측 증폭기에 의해 증폭된다. 또한 고역통과 필터링이 수행되어 각 센서의 잠재적인 차동 DC 성분을 제거한다.
계측 증폭기는 종종 증폭 체인의 첫 번째 단에 위치하므로 높은 입력 임피던스 및 높은 CMRR을 제공해야 한다. 또 입력 차동 신호의 서브 밀리볼트 범위 때문에 앰프는 0.05Hz ~ 150Hz 표준 대역폭 내에서 높은 이득을 가져야 한다. 전체 아날로그 체인은 최대 1,000의 이득을 가질 수 있으므로 첫 번째 단(계측 증폭기)에 이득은 20 ~ 100 정도로 예상해볼 수 있다. 이렇게 높은 이득으로 인해 입력 오프셋 전압(VOS)은 충분한 출력 동적 범위 보장을 위해 반드시 낮아야 한다.
인접한 장비에 대한 잡음 내성과 50Hz/60Hz 전력선은 모든 ECG 장비의 기본적인 요구사항이다. 그러므로 50Hz/60Hz 주파수에서 계측 증폭기가 강력한 CMRR과 PSRR을 갖는 것이 중요하다. 마지막으로 많은 휴대용 ECG 시스템에서 셧다운 기능이 내장된 저전력 소자는 필수적인 요건이다.
간접 전류 피드백 구조
계측 증폭기에 새롭게 도입된 특허를 획득한 Maxim의 간접 전류 피드백 구조는 3개의 op 앰프를 내장하는 기본 구조(그림 1)에 비해 몇 가지 중요한 장점을 제공한다. 간접 전류 피드백 구조에 대한 보다 자세한 정보는 Maxim 웹사이트를 참조한다.
그림 1. 계측 증폭기를 위한 기존 3-op 앰프 구조. 점선은 이 저항이 소자의 외부에 있음을 나타낸다.
그림 2의 A 및 B 블록은 차동 입력 전압으로부터 출력 전류를 발생시키고 공통 모드 입력 신호를 제거하는 2개의 트랜스컨덕턴스 증폭기이다. C 블록은 네거티브 피드백에 저항 R1과 R2를 제공하는 고이득 증폭기이다. 네거티브 피드백은 증폭기 A와 B의 2개의 차동 입력을 같게 한다. 이 경우 증폭기의 차동 입력 VIN에 대한 출력의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
VOUT = VIN × (1 + R2/R1)
여기서,
VIN = VIN+ - VIN-
이 간접 전류 피드백 구조는 기존 방법에 비해 다음과 같은 두 가지 중요한 장점을 갖는다.
입력 공통 모드 전압이 1차 단계에서 제거된다. 이에 따라 계측 증폭기는 단일 전원 전압으로 전력을 공급받을 수 있으며 동시에 여전히 모든 이득에서 접지 또는 접지 미만 감지가 가능하다.
증폭기의 이득은 2개의 내부 및 정합 저항의 비에 의해 설정되며, 이 설계는 이득 정확도를 향상시킨다.
오토제로 증폭기의 기본 원리
증폭기의 오프셋 전압을 지속적으로 교정하기 위해 오토제로 증폭기는 널링 증폭기 1개를 신호 경로와 병렬로 연결하고 보통 수십 kHz 수준에서 오토제로 주파수(fC)로 내부 발진기를 사용한다. 동작은 그림 3에서 보듯이 오토제로 단계와 증폭 단계의 2 단계로 나뉘어진다. 오토제로 단계에서 두 스위치는 모두 위치 1로 설정되며 커패시터 C1은 널링 증폭기 A2의 오프셋 전압까지 충전된다. 주 증폭기 A1의 오프셋 전압(C2에 의해 저장)은 NULL 핀을 통해 교정된다. 증폭 단계에서 스위치는 위치 2로 설정된다. C1이 널링 증폭기의 오프셋 전압을 저장하며 (오프셋 전압은 NULL 핀에 의해 지속적으로 교정되고) A1의 오프셋 전압은 A2에 의해 측정되고 C2에 의해 저장된다.
그림 3. 오토제로 증폭기의 기본 동작 회로도
오토제로 증폭기는 샘플링된 데이터 시스템을 구성한다. 결과적으로 이 증폭기는 샘플 또는 오토제로 주파수(fC)와 신호 주파수(fS) 간의 합과 차를 생성한다. 따라서 앨리어스를 방지하기 위해 신호 대역폭은 fC의 절반보다 낮은 값으로 제한된다.
오토제로 기법은 증폭기에서 VOS를 몇 마이크로 볼트 수준까지, 그리고 오프셋 전압 드리프트는 10분의 몇 마이크로 볼트/°C 수준까지 크게 낮출 수 있게 해준다. fC가 잡음 코너 주파수보다 충분히 높을 경우 1/f 잡음도 계속 영(null)이 된다. 이론적으로 오토제로 증폭기는 1/f 잡음을 갖지 않는다. 그러나 초핑 동작(chopping action)은 광대역 백색 출력 잡음을 증가시킨다.
오토제로 주파수 주변 잡음 감소시키기
MAX4209는 오토제로 회로를 내장하고 있어 매우 높은 DC 정밀도를 제공하는 간접, 전류 피드백 계측 증폭기이다. MAX4209의 출력이 ADC에 제공되는 애플리케이션에서 출력 잡음의 필터링은 중요하다. 출력 잡음은 백색 광대역 성분 및 fC와 그 배수에 존재하는 스퍼로 구성된다. 특히 이 필터링은 ADC의 샘플 주파수와 fC 간의 차가 관심있는 대역폭 내에 있을 때 중요하다.
이 애플리케이션 노트에서 설명된 실험은 고정 이득 100을 갖는 MAX4209H를 사용하여 수행되었다. 이 증폭기의 신호 대역폭은 7.5kHz이고 fC는 약 45kHz이다. 외부 커패시터 C를 증폭기의 OUT과 FB 핀 사이에 내부 저항 R2와 병렬로 배치하여 간단한 1차 저역통과 필터를 구현하였다. 이 필터의 전극은 C와 R2에 의해 결정된다. MAX4209H에서 R2는 99kͅ이다. 잡음 측정에는 그림 4의 회로를 사용한다.
그림 4. MAX4209H 잡음 측정에 사용되는 회로
그림 5와 6에는 입력 기준 잡음 그래프가 나와 있다. C를 사용하지 않을 때, C = 1nF 및 C = 10nF인 경우로 구분하여, 3가지 다른 측정이 수행되었다. C를 사용하지 않을 때 -3dB 대역폭은 MAX4209H에 의해서만 제한된다(7.5kHz 신호 대역폭으로 인해).
그림 5. 피드백 커패시터를 사용하지 않을 때, 1nF 및 10nF 커패시터를 사용할 때 MAX4209H의 입력 기준 잡음 밀도 프로파일
그림 6. 피드백 커패시터를 사용하지 않을 때, 1nF 및 10nF 커패시터를 사용할 때 MAX4209H의 입력 기준 전체 RMS 잡음 프로파일
애플리케이션에 따라 신호 대역폭에 대한 원하는 잡음 감소와 제한 간에 절충이 필요할 수 있다. 다음 표에는 커패시터를 사용하지 않을 때, C = 1nF 또는 C = 10nF의 세 가지 경우로 구분하여 이러한 절충이 요약되어 나와 있다.
커패시터 (nF)
-3dB 대역폭 (Hz)
전체 입력 기준 잡음 (µVRMS)
없음
7500
117
1
1600
84
10
160
38
애플리케이션에서 잡음 감소가 충분하지 않은 경우에는 피드백 커패시터 이외에 외부 부품을 추가로 사용할 수 있다면 증폭기의 출력에 간단한 저역통과 RC 필터를 연결하면 잡음 감쇄를 더욱 향상시킬 수 있다. 그림 7과 8은 출력 저역통과 필터와 RL = 39Ω 및 CL = 760nF를 갖는 입력 기준 잡음 프로파일을 보여준다. 이들 값으로 RC 필터 전극은 5kHz 주변에 위치하며 45kHz의 fC에는 약 18dB 감쇄가 제공된다.
그림 7. 외부 RC 출력 필터와 다양한 피드백 커패시터 값을 갖는 MAX4209H의 입력 기준 잡음 밀도 프로파일
그림 8. 외부 RC 출력 필터와 다양한 피드백 커패시터 값을 갖는 MAX4209H의 입력 기준 전체 RMS 잡음 프로파일
결론
일부 애플리케이션은 높은 공통 모드 전압이 존재하는 곳에서 매우 작은 입력 신호를 분해해야 한다. 이러한 경우 계측 증폭기는 오프셋 전압, 드리프트, 이득 및 CMRR에 대해 매우 정밀한 특성을 제공해야 한다. 오토제로 간접 전류 피드백 계측 증폭기는 이러한 특성을 제공해줄 수 있지만 출력 잡음이 증가한다는 단점이 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 MAX4209 간접 전류 피드백 증폭기에 외부 부품 1개, 커패시터 또는 최대 3개의 외부 부품을 추가함으로써 출력 잡음을 감소시키는 매우 간단한 방법을 설명하였다.
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