누구에게나 집은 안전하고 평온한 곳이어야 하며, 오늘날에는 이러한 문제를 홈 경보 시스템을 설치함으로써 해결할 수 있다. 홈 보안 시스템의 발달로 외출 중에도 집안에서 발생한 사건을 알려주는 SMS메세지를 받아볼 수 있다. 그러나 홈 경보 시스템을 설치하면 안심이 되는 동시에 골칫거리가 생기기도 한다. 누구도 경보 오작동을 연발하는 보안 시스템으로 고통 받고 싶지는 않을 것이다. 경보 시스템은 전자 장비에 일정한 수준의 장해 내성을 요구하는 표준을 준수해야 한다. 실제로 GSM (Global System for Mobile Communication, 글로벌 이동 통신 시스템) 모듈 내장 시스템의 다양한 센서 신호는 전자파 장해에 더욱 민감하다. 강화된 시스템 설계를 지원하기 위해 내셔널 세미컨덕터는 경보 및 기타 시스템에서 센서 신호 조정용으로 사용할 수 있는 EMI(Electro-magnetic Interferences, 전자파 장해) 내성 보강 Op 앰프를 출시했다.
경보 시스템 개요
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그림 1의 블록 다이어그램은 홈 경보 시스템을 보여준다. 시스템에는 센서(유선 또는 무선 센서), 마이크로 컨트롤러, GSM 모듈 및 전력 관리 장치가 내장된다. 다양한 센서를 사용할 수 있는데, 인체 움직임을 감지하는 PIR(Pyroelectric Infrared, 초전성 적외선) 센서, 문이나 유리 방벽 센서, 온도 센서, 연기 센서 등이 있다. 블록 다이어그램에서 보듯이 시스템은 USB 포트를 통해 전력을 공급받거나 배터리로 구동될 수 있다. 즉, 전력 소모량을 매우 낮춰서 배터리 수명을 최대한 연장해야 한다. 시스템의 다양한 블록에 각기 다른 전압 레일이 필요한데, 휴대용 장비용으로 권장되는 LM3668 벅-부스트 DC/DC 컨버터와 초저 노이즈 LDO LP5900을 사용하면 된다.
온도를 모니터하려면 아날로그 온도 센서 LM94022를 사용할 수 있다. 센서의 낮은 작동 전류(일반적으로 5.4μA)와 1.5V 수준에 불과한 공급 전압 때문에 전력 소모량을 낮게 유지해야 하는 시스템에 매우 유용하다.
PIR 센서 신호 조정
이제 인체의 열을 감지할 수 있는 PIR 센서의 신호 조정 회로에 대해 자세히 설명하려고 한다. PIR 센서의 출력 전압은 감지된 적외선 방출량의 함수이며, 보통 0.5~ 1mV 범위의 진폭과 0.02~16Hz 범위의 주파수를 갖는다. 그림 2는 센서의 신호를 조정하는 회로를 보여준다. LPV521에 통합된 두 가지 스테이지가 증폭과 밴드 패스 필터링 기능을 제공한다. 보데(Bode) 게인 선도에서 보듯이 증폭은 4Hz에서 2000이며, 이때 3dB 차단 주파수는 0.6Hz~8Hz이다.
활성 필터 제작에 사용되는 Op 앰프는 극도로 긴 배터리 수명이 요구되는 분야용으로 설계된 단일 나노파워 552 nW 앰프인 LPV521이다. 1.6V~5.5V 범위의 작동 전압과 351 nA의 공급 전류가 결합된 제품으로, 원격 센서 나노파워 분야용으로 아주 적합하다. LPV521은 신중하게 설계된 CMOS 입력 스테이지로 -40℃~125℃ 범위 온도에서 최대 50pA 입력 바이어스 전류로 경쟁 제품을 능가하며 Rail-rail 입출력 성능도 제공한다. LPV521은 PowerWise 제품군에 속하며 매우 우수한 전력 대 성능비를 자랑한다(그림 2참조).
R1=10kΩ R3=33kΩ R5= 33kΩ R7=150kΩ
C1=1μF C3=10μF C5=10 μF R8=100kΩ
R2=36kΩ R4=1.5MΩ R6=1.5MΩ
C2=0.1μF C4=0.01μF C6=0.01μF
R2는 부하 레지스터이고, PIR 센서 데이터시트에서 일반적으로 권장되는 값으로 출력 센서 전류를 전압으로 변환하는 데 사용된다.
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EMI 강화 Op 앰프의 유용성
경보 오작동에 대한 내성을 최적 수준으로 유지하기 위해 일반적으로 경보 시스템에서 광범위한 EMI 필터링을 구현하게 된다. 신호 경로에서 EMI에 가장 민감한 부품은 센서와 Op 앰프 사이의 인터페이스이다. 이 구간의 신호는 매우 낮은 진폭과 긴 유선을 사용하여 장해에 대한 감도를 높인 아날로그 신호이다. Op 앰프와 아날로그-디지털 컨버터(ADC)간 인터페이스는 증폭으로 인해 진폭 수준이 높아지기 때문에 감도가 떨어지며 일반적으로 유선 길이는 짧아진다.
센서와 Op 앰프 사이 인터페이스는 중요한 지점이므로 내셔널 세미컨덕터는 무선 주파수(RF) 장해의 영향을 줄여서 아날로그 시스템의 정확도를 유지하는 전자파 장해(EMI) 필터 통합형 제품을 출시했다.
EMI 강화 Op 앰프를 쉽게 식별하려면 데이터시트에 Op 앰프의 EMI 성능을 수치 값으로 설명하는 새로운 매개변수가 필요하다. 다음 수치 측정값이 Op 앰프가 EMI를 제거하는 정도를 보여주므로 EMI 내성 강도 및 성능을 기준으로 Op 앰프를 비교하여 순위를 매길 수 있다. CMRR과 마찬가지로 EMIRR(EMI Rejection Ratio, EMI 거절비)이 적용된 RF 신호의 변경 대 그로 인한 오프셋 전압의 변경 비율로 지정된다.
EMIRR은 다음과 같이 정의된다.
EMIRRVRF_RPAK = 20log(VRF_PEAK/ΔVOS)
이때 Vrf_peak는 적용된 비변조 신호의 진폭이고, delta Vos는 결과로 나타나는 입력 참조 오프셋 전압 전이다.
무선 데이터 전송, 휴대폰, Bluetooth 모듈 및 기타 컴퓨터 주변기기의 사용이 증가하면서 많은 분야에서 EMI가 점점 더 문제가 되고 있다. EMI 강화 Op 앰프는 온칩 필터를 사용하여 앰프의 입력에 RF 주입 등의 원하지 않는 신호를 제거함으로써 높은 주파수의 노이즈가 앰프를 통해 그리고 회로로 전파되는 현상을 방지한다. 통합형 EMI 필터를 사용하면 신호 무결성을 유지하고 PC 보드의 공간을 절약할 수 있으며 추가 비용을 유발하는 외장형 필터가 불필요하다는 등의 여러 가지 장점이 있다.
연기 센서의 신호 조정
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그림 3에서는 연기 센서 인터페이스를 사용한 EMI 강화 센서 신호 조정의 다른 예를 보여준다. 광 연기 센서는 LED, 렌즈, 광다이오드로 구성된다. 연기가 발생되면 연기의 특성과 밀도에 비례하여 광선이 직선 경로를 벗어나 흩어진다. 직선에서 편향된 광선이 광감성 광다이오드에 도달하면 그에 비례하는 전류로 변환된다. 이 전류는 LMV831에 구현된 트랜스임피던스 앰프 구성을 사용하여 전압으로 변환된다. 이 Op 앰프에는 CMOS 입력이 있으며, 전력 소모량, 낮은 입력 바이어스 전류 공급, -40℃~+125℃의 폭넓은 온도 범위, 내구력 강한 범용 부품으로 인정 받을 수 있는 탁월한 성능을 특징으로 한다. 또한 모든 장해를 최소화 해주는 EMI 강화 기능도 있어서 EMI에 민감한 분야용으로 이상적인 제품이다.
그림 4는 LMV831과 EMI 강화 기능이 없는 표준 앰프에 대한 EMIRR 대비 주파수를 비교한 결과를 보여준다. EMI 측정을 구현하는 방법에 대한 자세한 내용은 애플리케이션 노트 AN1698에서 확인할 수 있다. 다양한 정밀도, 속도 또는 전력 소모 요구 조건을 지원하기 위해 내셔널 세미컨덕터는
강도 높은 시스템 설계에 사용되는 광범위한 EMI 강화 Op 앰프를 공급한다. LMP2021/22 (단일/이중), LMV861/62, LMV851/52/54(단일/이중/사중), LMV831/32/34가 해당하는 제품이다.
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결론
무선, Bluetooth, Wi-Fi 신호의 유비쿼터스 특성과 무선 통합 감지 시스템의 급속한 성장으로 전자파 장해(EMI)가 고정밀 신호 경로의 설계에서 더욱 중요한 고려 사항이 되었다. RF 신호는 Op 앰프 대역을 벗어 나지만 RF 캐리어 전환으로 Op 앰프의 DC 오프셋이 변조될 수 있다. 이렇게 추가된 오프셋 전압이 대상 신호로 증폭되고 그에 따라 측정 오류가 발생하고, 결국 경보 오작동을 초래할 수 있다. EMI 강화 Op 앰프는 온칩 필터를 사용하여 입력 및 전력 공급 핀에서 이러한 원하지 않는 RF 신호를 거부하므로 고정밀 신호 경로의 무결성이 유지된다.
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기자 : 뉴스관리자 기자 
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