고전압의 발생 가능성은 산업용 애플리케이션에서 항상 염려되는 부분이다. 고전압으로부터 회로를 보호하는 방법을 찾는 것은 개발자에게 언제나 중요한 과제였고 앞으로도 그럴 것이다. 이 설계 팁은 개발자가 OTT(Over-The-Topⓡ) 증폭기를 사용해 이를 달성하는 방법을 보여준다.

때로는 산업용 애플리케이션에서도 시스템 전원보다 높은 전압이 발생한다. 전위가 차량용 전장기기에서만큼 높지는 않지만 일반적인 시스템 전압보다는 높을 수 있다.

일부 시스템 전압은 보통의 많은 연산 증폭기를 사용하기에는 너무 높을 수 있다. 이는 아날로그 프런트 엔드(AFE)에 큰 문제가 된다. 예를 들어 전압이 높으면 일반적인 증폭기의 내부 입력 다이오드가 켜질 수 있다.

이러한 상태가 오래 지속될수록 오작동이나 심지어 고장이 발생할 가능성도 높아진다.

이럴 때, 개발자는 예를 들면 외부 다이오드나 저항과 함께 외부 보호 회로를 사용하여 대응하는 예방 조치를 취할 수 있다.

그러나 이처럼 별도의 부품을 사용하면 그만큼의 보드 공간이 필요하고 누설 전류, 추가 정전용량, 잡음과 같은 단점들도 뒤따를 수 있다. 이러한 이유로 OTT 기술을 탑재한 통합 IC 솔루션이 최고의 선택이 될 수 있다.

■ OTT 작동 원리

이해를 돕기 위해 최신 세대 ADA4098-1 또는 ADA4099-1의 내부를 살펴보기로 한다. 이들 OTT 연산 증폭기에는 각각 2개의 입력단이 있다.

첫 번째는 음의 전원(-VS) 및 양의 전원(+VS)보다 최대 약 1.25V 낮은 전압 사이의 입력 신호에 작동하는 PNP 트랜지스터로 구성되는 공통 이미터 차동단이다.

두 번째는 공통 모드 전압이 +VS ∼ 1.25V 또는 그 이상인 입력 신호로 작동하는 추가적인 PNP 트랜지스터로 구성되는 공통 베이스 입력단이다. 내부 회로의 예는 그림 1에 나와 있다.

첫 번째 단은 트랜지스터 Q1과 Q2로 설계되고, 두 번째 단은 트랜지스터 Q3 ∼ Q6로 구성된다.


 


따라서 이러한 입력단은 서로 다르지만 보완적인 두 가지 동작 범위를 제공한다. 2개 입력단의 오프셋 전압은 엄격하게 트림되어 데이터 시트에 제공된다.

입력의 공통 모드 전압이 +VS에 근접하면 두 번째 단이 활성화되고 연산 증폭기는 OTT 모드가 된다. 이러한 상태는 다양한 애플리케이션에서 과전압의 경우가 될 수 있다.

예를 들어 하이 사이드 전류 측정의 경우, 전압이 일시적이더라도 기생 또는 부하 관련 영향으로 인해 시스템 전원 전위를 초과할 수 있다.

일반적인 증폭기는 신호 전압을 전원 전압 범위까지 허용한다. 입력이 이 범위를 훨씬 초과하면 통상적으로 내부 다이오드가 켜지고 상당한 전류가 다이오드를 통과해서 흐른다.

신호 전압과 전류에 따라 이러한 스파이크는 증폭기의 동작을 방해하거나 최악의 경우 통합 회로에 고장을 일으킬 수 있다.

이러한 문제가 발생하는 일반적인 연산 증폭기와 달리 OTT 증폭기는 최대 80V의 차동 입력 전압을 견딜 수 있다.

이 상태에서 출력 레벨이 양의 전원(+VS)으로 포화된다. 출력은 이러한 상태에서 데이터 시트 제한 내에서 전류를 싱크하거나 공급할 수 있다. 입력이 정상 동작 범위(-VS ∼ +VS)로 돌아오면, 출력 레벨도 DC 정확도에 피해를 주거나 저하되는 일 없이 일반적인 선형 범위로 돌아간다. 이 경우는 최대 70V의 공통 모드 전압과도 유사하다.

■ OTT 기술을 적용한 증폭기의 애플리케이션 사례와 팁

그림 2에서 몇 가지 전류 측정 사례들을 확인할 수 있다. ADA4098-1은 저전력 버전인 반면, ADA4099-1은 이보다 더 높은 대역폭과 높은 전압 상승률을 갖는다.


 


로우 사이드 측정에서 이득은 저항 R2와 R3에서 나온다. 다이오드 D1은 낮은 부하 전류에서 단일 전원 정확도를 향상시킨다.

하이 사이드 전류 측정에서 1kΩ 및 100Ω(상단) 저항은 이득에 결정적이다. 증폭기 입력의 저항은 다른 무엇보다 필터링 기능을 제공한다. 이 경우, 1% 저항이 최적이다. 가능한 입력 바이어스 전류가 이러한 저항을 통해 전압 강하를 발생시키므로, 여기서는 1%와 같은 엄격한 허용오차가 전압 강하 범위를 최소화하는 데 도움을 줄 수 있다.

ADA4098-1의 출력은 두 전원의 45mV 내에서 레일-투-레일로 무부하 상태에서 스윙할 수 있다. 출력은 24mA를 소싱하고 35mA를 싱크할 수 있다. 증폭기는 내부적으로 보상되며, 200pF(최소)의 부하 정전용량을 구동할 수 있다. 50Ω 직렬 저항을 출력과 더 높은 용량성 부하 사이에 삽입하여 증폭기의 용량성 부하 구동 성능을 확장할 수 있다.

출력 VOUT이 더 낮은 전위로 회로를 구동하고 이 다운스트림 회로에 자체 전압 레일을 위한 보호 다이오드가 있는 경우, 저항을 VOUT에 배치하는 것이 합리적이다. 이렇게 하면 다운스트림 회로에 흐를 수 있는 전류가 제한된다.

ADA4098-1에는 핀이 하이로 어서트(assert)될 때 증폭기를 매우 낮은 셧다운 상태에 놓는 전용 SHDN 핀이 있다. 로직 하이는 -VS 핀에 대해 SHDN 핀에 인가되는 1.5V 이상의 전압으로 정의된다. 그러면 VOUT 핀이 하이 임피던스 상태에 놓인다. 다른 방법으로, 양의 전원을 제거하면 증폭기를 효과적으로 저전력 상태에 놓을 수 있다. 이들 두 가지 오프 모드에서 OTT는 여전히 활성화되며, -VS를 통해 최대 70V의 전압이 입력 핀에 인가될 수 있다.

전류 또는 전력 측정 외에, OTT 증폭기의 또 다른 용도는 센서 프런트 엔드 또는 4mA ∼ 20mA 전류 루프이다. 자세한 정보, 추가 애플리케이션 예 및 계산은 데이터 시트에서 확인할 수 있다.

■ ADI 5세대 OTT 증폭기 실험실에서 회로 설계까지 최신 과전압 보호 제공

지금까지 오버더톱 증폭기가 어떻게 과전압에 대한 보호를 제공하는지 알아보았다. 지능적이고 정밀한 내부 회로를 탑재함으로써 OTT 증폭기는 견고성과 정밀성을 동시에 제공한다.

아나로그디바이스의 5세대 OTT 증폭기는 실험실에서 회로 설계까지 최신 과전압 보호를 제공한다. ADA4098-1 및 ADA4099-1과 같은 OTT 연산 증폭기는 레일 이상의 더 높은 전압 허용오차를 제공하면서 더 낮은 오프셋 오차와 잡음 값을 달성한다.

※ 저자소개 : 하칸 우엔루(Hakan Uenlue) 아나로그디바이스(Analog Devcies, Inc.) 선임 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)는 슈투트가르트 대학에서 전기전자공학 석사 학위를 받았다. 하드웨어 개발자 및 필드 애플리케이션 엔지니어로 근무한 후 2015년에 아나로그디바이스에 입사했다.