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ATE 핀 일렉트로닉스를 위한 레벨 설정 DAC 교정

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글/민하즈 셰이크(Minhaaz Shaik), 제품 애플리케이션 엔지니어, ADI 

머리말

자동화 테스트 장비(ATE)는 한 번에 한 개 또는 여러 개의 디바이스에 대해서 단일 혹은 일련의 테스트를 실시하도록 설계된 테스트 장비이다. 다양한 유형의 ATE를 사용해서 전자 장치, 하드웨어, 반도체 부품을 테스트한다. ATE 시스템이나 테스트 장비에는 타이밍 디바이스, DAC, ADC, 멀티플렉서, 릴레이, 스위치 같은 장치들이 지원 블록으로 사용된다. 이러한 핀 일렉트로닉스 디바이스들은 정밀한 전압과 전류로 신호와 전원을 제공한다. 이들 정밀 신호는 레벨 설정 DAC에 의해 설정된다. ATE 포트폴리오에서 어떤 핀 일렉트로닉 디바이스는 교정 레지스터를 갖고 있으며, 어떤 디바이스는 교정 설정을 오프칩에 저장한다. 이 글에서는 DAC의 기능, 오차, 그리고 이득 및 오프셋 조정을 통한 교정 절차에 대해서 설명한다.

[그림 1] 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 블록 다이어그램

디지털-아날로그 컨버터(DAC)

DAC는 디지털 입력을 그에 상응하는 아날로그 출력 레벨로 변환하는 데이터 컨버터이다. N-비트 DAC는 2N의 출력 레벨을 지원한다. 비트 수가 높을수록 DAC의 출력 분해능이 높아진다.

위의 블록 다이어그램을 보면, 먼저 N-비트 디지털 입력을 DAC 직렬 레지스터에 제공한다. 전압 스위치와 저항 가산(resistor summing) 네트워크가 디지털 입력을 아날로그 출력 레벨로 변환한다. 그림 2는 DAC의 전달 특성을 보여준다. 3비트 DAC는 23 디지털 입력으로 8개 아날로그 출력 레벨을 제공한다.

[그림 2] 3비트 DAC의 이상적인 전달 함수

DAC 오차

하지만 실 세계에서는 컨버터가 이상적이지 않다. 저항 값, 보간, 샘플링 같은 것들이 변동적이기 때문에 DAC 전달 함수가 선형적이지 않을 것이다. 이러한 오차를 나타내는 지표가 미분 비선형성(DNL)과 적분 비선형성(INL)이다. DNL은 출력 레벨이 이상적 값으로부터 벗어나는 최대 편차이다. 이는 2개의 연속적인 출력 전압 레벨 사이의 차로부터 도출할 수 있다. INL은 입력/출력 특성이 이상적 전달 함수로부터 벗어나는 최대 편차이다. INL 오차는 이득과 오프셋을 조정함으로써 낮출 수 있다.

그림 3의 INL은 실제 전달 함수와 이상적 전달 함수 사이의 차이를 보여준다. DAC의 이득 오차는 실제 전달 함수의 선형 근사 기울기가 이상적 전달 함수 기울기와 얼마나 일치하는가를 나타낸다. 이득을 조정하는 것은 그래프 상에서 선형 근사 각도에 영향을 미친다. 오프셋 오차는 측정 값과 선택한 제로 오프셋 지점 사이의 차이를 나타낸다. 오프셋을 조정하면 그에 따라 전체적인 선형 근사가 위아래로 움직인다. 단일 코드의 INL은 주어진 지점에서 이득 오차와 오프셋 오차의 합이다. 교정이 끝나면, 전달 함수는 이득 오차와 오프셋 오차를 최소화하도록 조정하고서 양 끝점을 이어서 그려진 선으로 표시될 수 있다.

[그림 3] INL 오차 전달 함수

교정 절차

사용자는 이득과 오프셋을 조정해서 DAC 비선형성을 낮추는 교정 절차를 수립할 수 있다. 다음은 교정 절차를 단계적으로 설명한 것이다.

N-비트 DAC의 경우: 

이득 조정(GC): 

DAC는 바이너리 값이 낮은 쪽과 높은 쪽에서 선형성이 저하된다. 그러므로 교정 지점을 외곽 바이너리 값의 5 ~ 10% 이내에서 선택하거나 EC 테이블 ATE 핀 일렉트로닉스를 위한 레벨 설정 DAC 교정권장 교정 지점을 선택한다. 아래 계산에서는 5% 교정 지점을 선택하고 있다.

• DAC 입력을 최저 바이너리 값 위 5%로 설정한다. 이 전압 출력을 계산해서 IDEAL1로 기록한다. 출력 전압을 측정해서 MEAS1로 기록한다.

• DAC 입력을 최대 바이너리 값 아래 5%로 설정한다. 이 전압 출력을 계산해서 IDEAL2로 기록한다. 출력 전압을 측정해서 MEAS2로 기록한다.

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오프셋 조정(OC): 

원하는 제로 오프셋 지점은 애플리케이션마다 다를 수 있다. 특정한 애플리케이션에 가장 적합한 값을 선택하도록 한다. 어떤 사용자는 정확한 접지 레퍼런스 지점을 위해서 제로 볼트를 사용하고자 할 수 있고, 또 어떤 사용자는 전반적인 INL 오차를 최소화하기 위해서 동작 범위의 중간 지점을 선택할 수도 있다.

• 전압-대-코드 방정식 기울기로 단위 이득이 되도록 이득을 조정한다.

• 원하는 제로 오프셋 전압 지점을 선택하고 이것을 IDEAL3으로 기록한다. 업데이트된 전압-대-코드 방정식을 사용해서 코드를 계산한다. 계산된 코드를 프로그램하고 출력 전압을 측정해서 MEAS3으로 기록한다.

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사례 1

MAX32007을 예로 들어보자. MAX32007은 레벨 설정 DAC와 PMU 스위치를 통합한 8채널 DCL이다. MAX32007은 VDH, VDL, VDT/VCOM, VCH, VCL, VCPH, VCPL 레벨 설정에 내부 DAC들을 사용한다. 이들 DAC는 교정 레지스터를 포함하지 않는다. 이들 DAC는 다음과 같은 순서로 교정한다:

• 데이터 시트에서 설명한 대로 MAX32007 EV 키트에 전원을 켠다.

• SMB 커넥터 DATA0A와 NTRM0A를 1.2V로 연결한다.

• SMB 커넥터 NDATA0A와 TRM0A를 50Ω 종단을 통해서 접지에 연결한다.

• 이 EV 키트를 USB 케이블을 통해서 윈도우 10 PC에 연결한다. MAX32007 EV 키트 소프트웨어(GUI)를 연다.

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• 그림 4와 같이 DAC 전압 레벨과 드라이버 설정을 적용한다. VDH DAC 최소 동작 값은 -1.5V이고, 최대 동작 값은 4.5V이다. 제로 오프셋 지점의 값은 1.5V이다.

[그림 4] 평가 보드 소프트웨어를 사용한 MAX32007의 DAC 레벨 설정

• VDH = -1.5V를 인가하고 출력 전압 값을 측정한다.

• VDH = 4.5V를 인가하고 출력 전압 값을 측정한다.

• 이득 조정 = 측정 출력 전압 값들의 차/이상적 값들의 차. 예를 들어서 (4.501 - (-1.497)) / (4.5 - (-1.5)) = 0.999667이다.

• 이득 조정 후에는 다음과 같이 된다:

이득 조정을 적용하려면 메뉴(Menu) → 옵션(Options) → 교정(Calibration) 순으로 이동한다. 그러면 그림 5와 같이 표시된다.

[그림 5] MAX32007의 DAC 교정 메뉴

• VDH = 1.5V를 인가하고(이득 조정 후의 코드 사용) 출력 전압 값을 측정한다.

• 오프셋 조정 = 측정 출력 값 - 이상적 값. 예를 들어서 (1.502 - 1.5) = 0.002이다.

• 이득과 오프셋 조정 후에는 다음과 같이 된다.

사례 2

이번에는 MAX9979를 보자. MAX9979는 레벨 설정 DAC와 PMU를 통합한 듀얼 DCL이다. VDH, VDL, VDT, VCH, VCL, VCPH, VCPL, VCOM, VLDH, VLDL, VIN, VIOS, CLAMPHI/VHH, CLAMPLO 레벨 설정에 내부 DAC들을 사용한다. 이들 DAC는 교정 레지스터를 포함한다. 사례 1에서는 DAC 입력 코드를 조정해서 INL 오차를 최소화하도록 했다. 이와 달리, 사례 2에서는 DAC 입력 코드는 그대로 두고 교정 레지스터로 출력 스테이지 버퍼를 조정해서 INL 오차를 최소화한다(그림 6). 

[그림 6] 교정 레지스터를 사용한 DAC INL 오차 조정

이들 DAC는 다음과 같은 순서로 교정한다.

• 데이터 시트에서 설명한 대로 MAX9979 EV 키트에 전원을 켠다.

• SMB 커넥터 DATA0A와 NTRM0A를 1.2V로 연결한다.

• SMB 커넥터 NDATA0A와 TRM0A를 50Ω 종단을 통해서 접지에 연결한다.

• 이 EV 키트를 USB 케이블을 통해서 윈도우 10 PC에 연결한다. MAX9979 EV 키트 소프트웨어(GUI)를 연다.

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• 그림 7과 같이 DAC 전압 레벨과 드라이버 설정을 적용한다. VDH DAC의 최소 권장 값은 -1.5V이고, 최대 권장 값은 4.5V이며, 제로 오프셋 지점 값은 1.5V이다.

[그림 7] 평가 보드 소프트웨어를 사용한 MAX9979의 DAC 레벨 설정

• VDH = -1.45V를 인가하고 출력 전압 값을 측정한다.

• VDH = 6.5V를 인가하고 출력 전압 값을 측정한다.

• 이득 조정 = 측정 출력 전압 값들의 차/이상적 값들의 차. 예를 들어서 (6.501V - (-1.455V))/(6.5V - (-1.45V)) = 1.0007V이다.

• 이득 조정 후에는 다음과 같이 된다:

이득과 오프셋 조정을 적용하기 위해서는 메뉴(Menu) → 옵션(Options) → 변경(Change) → 교정(Calibration) 순으로 이동한다. 그러면 그림 8과 같이 표시된다. 이득과 오프셋 조정을 이득과 오프셋 코드로 환산하는 것은 MAX9979 데이터 시트에서 볼 수 있다. 

[그림 8] MAX9979의 교정 레지스터 설정

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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