전자 장비, 전체 신호 체인 정확도 중요해
ADI DAC 오차율 계산기, DAC 연결 부품들
각각의 오차 분포를 계산해 신호 체인 향상


전자 장비는 센서, 액추에이터, 증폭기, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 디지털-아날로그 컨버터(DAC), 마이크로컨트롤러(MCU) 등 다양한 전자 부품들로 구성되어 신호 체인 형태도 다양하다. 따라서 전체 신호 체인의 정확도가 매우 중요하다.

정확도를 높이려면, 전체 신호 체인에서 개별 고리들의 오차를 계산하고 최소화해야 한다. 이 분석은 신호 체인의 복잡도에 따라 만만치 않은 작업이 될 수 있다.

아나로그디바이스(ADI)의 토마스 브랜드(Thomas Brand) 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)는 ‘DAC 신호 체인의 오차 계산 방법(How to Best Calculate the Digital-to-Analog Converter Signal Chain Error Budget)’이란 글을 통해 편리하게 DAC 신호 체인 오차를 정확하게 계산할 수 있는 툴을 제시했다. 이 툴을 사용하면 DAC와 연결되는 부품들 각각의 오차 분포를 계산할 수 있다.

ADI 정밀 DAC 오차율 계산기(Precision Error Budget Calculator)는 개발자가 애플리케이션에 가장 적합한 부품을 선택할 수 있도록 돕는다. 통상적으로 DAC는 신호 체인에 단독 사용되지 않고, 전압 레퍼런스와, 레퍼런스 버퍼로서 사용되는 연산 증폭기와 연결된다. 추가 부품들의 오차는 각각 계산해서 더해야 한다.

브랜드 FAE는 ‘그림 1’을 예로 들어 각 부품이 오차에 어떤 영향을 주는지 설명했다. 전압 레퍼런스는 크게 네 개의 오차 요인을 갖는다. 첫 번째는 최초 오차로, 생산 테스트에서 25℃ 온도로 측정했을 때 출력 전압의 변화를 나타낸다. 여기에 온도 계수 오차, 부하 레귤레이션 오차, 라인 레귤레이션 오차가 더해져 총 네 개의 오차가 존재하는데, 최초 정확도와 온도 계수 오차의 비중이 크다.

연산 증폭기에선 출력이 0V가 되도록 입력에 인가해야 하는 낮은 차동 전압인 ‘입력 오프셋 전압 오차’와 폐쇄 루프 이득을 설정하는 데 사용되는 공차에 의해 발생하는 이득 오차인 ‘저항 공차’의 영향이 가장 크다. 그 밖에 바이어스 전류, PSRR(power supply rejection ratio), 개방 루프 이득, 입력 오프셋 전류, CMRR 오프셋, 입력 오프셋 전압 드리프트 등으로 인한 오차들이 있다.

DAC는 데이터 시트 상에 다양한 오차들을 표기하고 있다. 예를 들어서 적분 비선형성(INL) 오차는 특정 입력 코드에 대해서 이상적 출력 전압과 실제 측정된 출력 전압 간의 차와 관련된 것이다. 또 다른 오차들로서 이득, 오프셋, 이득 온도 계수 오차를 들 수 있다. 이 오차들을 한데 묶어서 TUE(total unexpected error)라고 한다. 여기에는 INL, 오프셋, 이득 오차뿐 아니라 전원 전압과 온도에 따른 출력 드리프트를 비롯한 모든 DAC 오차를 포함한다.


통상적으로 각 오차 요인들은 상관적이지 않기 때문에, 신호 체인에서 총 오차를 계산하기 위한 가장 정확한 방법은 위의 RSS(root sum square) 공식을 사용하는 것이다. 각 부품의 오차를 계산하는 것은 상당히 번거로운 작업이다. 오차 계산 툴을 활용하면 이 계산을 쉽고 빠르고 정확하게 할 수 있다.

◇ 정밀 DAC 오차율 계산기 사용 방법

먼저, 오차율 계산기를 실행하고 세 가지 DAC 유형 중에서 선택한다. 이것들은 전압 출력 DAC, 복합 DAC, 4mA-20mA 전류 소스 DAC다. 다음에는 원하는 온도 범위와 전원 전압 리플을 선택한다. 전원 전압 리플은 PSRR 오차와 관련해서 중요하다. 값들을 입력하면 계산 툴이 신호 체인에 있는 각 부품의 오차 분포를 계산하고 ‘그림 2’ 같은 차트를 생성한다.

예시의 경우, 총 오차에서 가장 큰 비중을 전압 레퍼런스가 차지하고 있다. 보다 정밀한 레퍼런스 모듈을 사용하면 이 신호 체인을 향상시킬 수 있다.

DAC 오차에 있어서는 내부의 반전 증폭기 비교에 사용돼 정확도를 높이는, DAC에 통합된 저항들이 결정적 역할을 한다. 내부 저항이나 내부 반전 증폭기를 포함하지 않는 DAC는, 그림 2에서 보듯이 이들 파라미터를 별도로 표기할 수 있다.

ADI 오차율 계산기는 신뢰할 수 있고 사용하기 편리한 계산 툴이다. 이 툴을 활용하면 정밀 DAC 신호 체인을 손쉽게 생성하고 설계를 신속히 평가할 수 있다.