상단여백
HOME 컴퓨팅인사이트 테크니컬리포트 포토
높은 정확도를 제공하는 범용 연산 증폭기의 설계 상 유의점 ②
그림 1. 입력 오프셋 전압과 결과 출력 오프셋 오류의 비교. 7mV 및 3.5mV 입력 오프셋이 있는 증폭기는 현저한 출력 오프셋 오류가 있다.

지난 글에 이어 이번 글에서는 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 감지 저항값의 설정과 출력 정확도를 높이기 위해 고려해야할 사항에 대해 알아본다.

LM321와 NCS20071 범용 연산 증폭기들을 초퍼 안정화 아키텍처로 VOS=±25μV(microvolt)의 최대 오프셋을 갖는 새로운 정밀 연산 증폭기인 NCS21911와 비교해 보자. 

실제로 오프셋 전압은 얼마나 차이가 있을까? 그림 1과 같이 고정된 50mV 션트(shunt) 하락이 있는 상황에 대해 생각해 보자.

그림 2의 VOS = 7 mV 예제에서 더 자세히 볼 수 있다.

그림 2. 로우-사이드 전류 감지 및 입력 오프셋 전압이 출력 오류에 기여한다.

이 회로 예시에서 NCS21911과 같은 정밀 연산 증폭기를 선택하면, 입력 오프셋 전압으로 인한 오류가 거의 무시해도 좋을 정도로 줄어든다. 또한 출력 정확도가 향상될 뿐만 아니라 감지 저항기의 크기를 줄이고도 여전히 필요로 하는 정확도를 유지할 수 있는 여유를 가진다.

낮은 오프셋 전압은 그림 3에서와 같이 동일한 정확도를 유지하면서 감지 저항기 값을 감소시키는 것이 가능하므로 시스템 효율이 크게 향상될 수 있다. 

감지 저항 크기가 감소하면 어떻게 될까? 감지 저항기를 통해 소비되는 전력은 작은데 이는 더 낮은 전력량과 더 적은 비용의 저항기를 사용할 수 있다는 의미다. 또한 물리적으로 더 작은 감지 저항기는 PCB의 공간을 덜 차지하게 된다. 전반적으로 시스템의 효율성이 향상되고 전력 소모가 줄어든다.

그림3. 정정된 정확도 요구 사항의 입력 오프셋 전압과 그에 따른 션트 하락의 비교. 더 작은 션트 하락으로 인해 효율성이 향상된다.

많은 애플리케이션에서 감지 저항을 통과하는 부하 전류는 가변적이다. 간혹 0A 가까이서 전류 측정을 시도하는 경우 오류가 현저히 증가한 것으로 나타난다. 이는 정상적인 현상으로 예상하고 있어야 한다. 전류가 0으로 떨어지면 오류 비율은 무한대로 나타난다. 

이 전류 감지 회로는 전류를 측정하도록 설계되었다. 그러나 전류가 없을 때는 정확한 측정을 할 수 없다. 그림 4는 전류가 증가함에 따라 정확도가 어떻게 향상되는지를 보여준다. 

입력 오프셋 전압으로 인해 오류가 어떻게 변화되는지에 주목해야 한다. NCS21911의 25μV 오프셋은 감지 전압이 감소하더라도 상대적으로 정확한 측정을 가능케 한다.

그림 4. 입력 오프셋 볼트로 인한 오류

효율성과 정확성을 단지 조금 개선하는 것처럼 보여도 이는 결과적으로 BOM(재료비), PCB 비용과 전기료 등의 비용절감으로 이어질 수 있다. 

덜 비싼 연산 증폭기를 선택하면 비용을 많이 절약할 수 있는 반면, 합리적인 가격의 정밀 연산 증폭기를 사용하면 궁극적으로 시스템 수준에서 절감 효과가 있다는 점을 고려해야 한다.

범용 연산 증폭기는 많은 애플리케이션에서 잘 작동한다. 심지어 레거시 LM321도 회로가 맞게 설계된 전류 감지 어플리케이션에서 작동할 수 있다. 

명심해야 할 점은 상대적으로 높은 출력 오류를 예상해야 한다는 것이다. 또한 감지 저항기는 입력 오프셋 전압보다 충분히 더 큰 전압 강하를 얻기 위해 크기가 더 커야 한다.

로우 사이드 전류 감지의 경우, 정밀 연산 증폭기로 전환하면 정확도와 시스템 효율이 향상된다. NCS21911 정밀 연산 증폭기는 표준 핀아웃을 갖추고 있어서, LM321 및 NCS20071과 같은 범용 연산 증폭기를 간단하게 대체할 수 있다.

 

글 : 파르하나 사르더(Farhana Sarder) / 프로덕트 매니저 / 온세미컨덕터

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

<저작권자 © IT비즈뉴스-아이티비즈뉴스, 무단 전재 및 재배포 금지>

최태우 기자의 다른기사 보기
icon인기기사
Back to Top