신호 발생 애플리케이션은 이미지 주파수를 좀 더 바깥쪽으로 밀어내고 출력 필터의 복잡성을 낮추기 위해높은 샘플 레이트를 필요로 한다. 여기서는 오늘날 신호 발생 애플리케이션이 직면하고 있는 문제들을  해결하는 데 필요한 샘플 레이트와 성능을 제공하는 리니어 테크놀로지의 LTC2000에 대해 살펴본다.

고속 신호 발생 애플리케이션을 설계할 때는 대역폭과 분해능을 가장 중요하게 고려해야 한다. 오늘날 신호 발생 애플리케이션은 고속 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 이용, 단일 톤에서 수백MHz 대역폭의 복잡한 다채널 파형에 이르기까지 다양한 유형의 파형을 발생시킨다. 이들 애플리케이션은 아날로그 성능을 떨어뜨리지 않으면서 정확한 파형들을 발생시킬 수 있도록 빠른 DAC를 필요로 한다.

대부분의 신호 발생 애플리케이션에서는 위상 잡음(Phase Noise)이 동작 채널 수와 채널 간격을 제한하는 요소이다. 위상 잡음은 통상적으로 DAC 클록 입력을 구동하는 클록에 의해 정해진다.
DAC에서 어떤 위상 잡음이 첨가되면 이것이 출력 스펙트럼에 나타나고, 발생시키는 신호를 제한할 수 있다. 어떤 범용 신호 발생 애플리케이션에 이용해도 적합한 DAC는 가능한 한 빨라야 하며, 잡음이 낮고 선형성이 높을 뿐만 아니라 첨가 위상 잡음이 매우 낮아야 한다. 이러한 요구사항 중 어느 하나라도 충족하지 못한다면 발생되는 파형이 애플리케이션의 요구를 충족시킬 수 없을 것이다.

첫 번째 고려 사항 … 대역폭

신호 발생 애플리케이션 설계 시 가장 중요하게 생각해야 하는 부분은 대역폭이다. 디자이너들이 가장 먼저 하는 질문은 아마도 ‘해당 신호를 발생시키기 위해서는 얼마만큼의 대역폭이 필요한가’일 것이다. 어떤 특정한 시그널링 프로토콜이나 특정한 애플리케이션을 위해서는 일정한 대역폭이 필요하다. 

디자이너가 달성하고자 하는 대역폭은 해당 대역폭보다 적어도 두 배만큼 빠른 DAC를 이용해야 발생시킬 수 있다. 대역폭과 샘플 레이트(fs) 사이의 이 관계는 해리 나이퀴스트(Harry Nyquist)에 의해 정의된 것으로, 샘플링 시스템에서 신호가 어떻게 동작하는지 나타내고 있다.

DC에서 fs/2에 이르는 신호를 발생시킬 수는 있지만, 대부분의 경우 출력 스펙트럼에 나타나는 신호의 이미지 때문에 실용적이라고 할 수 없다. 이미지는 N?fs±fout 지점에서 발생된다(fout은 발생시키는 신호의 주파수).
그러므로 출력 스펙트럼상에 나타나는 이미지를 감쇠시키려면 복원 필터가 필요하다. 발생시키는 신호가 fs/2까지 되지는 않으며 이에 가깝게 근접한다고 해도, 필터의 한계 때문에 이미지들을 필터링하기 어려울 것이다.

복원 필터는 실제 소자들을 이용해 아날로그 도메인으로 구현하는 것이다. 디지털 필터와 달리 이들 소자들은 이상적이지 않으며, 따라서 비이상적인 통과 대역으로 리플과 삽입 손실을 발생시킨다. 보통 이들 필터는 차수가 높을수록 더 많은 리플과 삽입 손실을 발생시키며, 이상적인 필터 설계를 더 어렵게 만든다. 신호의 대역폭이 fs/2에 가까울수록 샘플링 프로세스에서 발생된 이미지를 감쇠시키기 위해 더 높은 차수의 필터가 되어야 한다.

이와 같이 높은 차수의 필터는 더 많은 소자 부품을 필요로 하며, 더 많은 삽입 손실과 통과 대역 리플을 발생시킨다. 샘플 레이트가 빠른 DAC를 이용하면 대역폭이 그만큼 늘어나며, 그러면 필터에 대한 요구를 완화시킬 수 있다. 이렇게 함으로써 필터에 더 적은 수의 소자를 이용할 수 있고 덜 복잡하게 할 수 있다. 또한 디자인을 간소화하고 더 우수한 성능을 나오게 할 수 있다.

리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LTC2000은 고성능 16비트의 고속 DAC로, 샘플 레이트가 2.5Gsps이다. 그러므로 fs/2 주파수는 1.25GHz이며, 800MHz 신호 대역폭의 신호 이미지는 1.7GHz에서 시작된다. 그러면 해당 주파수 대역과 이미지 주파수 사이에 900MHz가 남는다. 900MHz의 보호 대역을 이용할 수 있다면 간단한 저역통과 필터를 이용하여 이미지를 편리하게 필터링할 수 있다. 

샘플 레이트가 낮은 DAC를 이용하면 해당 주파수에 더 가깝게 이미지가 발생될 것이고, 그러면 더 복잡한 필터가 필요해질 것이다. fs/2에 이르는 신호를 발생시킬 때의 또 다른 문제는, 어떤 DAC이든 SINC(sin(x)/x) roll-off를 일으켜 주파수가 상승함에 따라 발생 신호가 감쇠된다는 점이다. 이 roll-off는 샘플 주파수(fs)에서 0이 되므로 정확히 샘플 레이트로 나타나는 신호를 발생시킬 수 없게 한다. 결과적으로 신호는 단순한 DC 전압이 될 것이다.

실제 애플리케이션에서는 나이퀴스트 영역(DC부터 fs/2까지)의 60% 정도 SINC 감쇠 없이 이용할 수 있다. DC에서 신호 레벨이 0dB일 경우, 나이퀴스트의 60% 지점에서는 이 신호 레벨이 6dB 낮아질 것이다. 경우에 따라서는 디지털 도메인으로 이 roll-off의 역을 구현함으로써 신호의 roll-off를 교정할 수 있다. 또한 DAC는 일정한 진폭으로 파형을 발생시킬 수도 있다. 더 높은 속도의 DAC를 이용하면, DAC의 출력 주파수가 상승함에 따라 SINC roll-off를 낮출 수 있다.

‌두 번째 고려 사항 … 위상 잡음

신호 발생 애플리케이션에서 고려해야 할 사항으로 출력위상 잡음도 있다. 출력 신호에 존재하는 위상 잡음은 신호들을 얼마나 가깝게 할 수 있는지 제한하고 발생시킬 수 있는 변조 차수를 제한한다. 신호 발생 과정 중 더 많은 위상 잡음이 들어갈수록 발생되는 신호의 SNR은 낮아지고 비트 오류율은 높아진다.

지터는 시간 도메인에서 신호의 제로 크로싱 정확도를 측정한 것이다. 완벽한 신호라면 각 구간별로 동일한 시간 지점에서 제로 크로싱이 이루어질 것이다. 하지만 실제로는 이러한 제로 크로싱이 일어나는 지점에 시간적으로 어느 정도 분포가 존재한다. 이 분포를 주파수 도메인으로 변환하면, 위상 잡음을 기본 톤 주변의 스펙트럼 누출로 볼 수 있다.

만약 다수의 톤 간격이 서로 가깝다면, 어떤 한 톤은 인접 톤들의 스펙트럼 누출에 의해 SNR이 저하될 수 있고 그에 따라 신호의 비트 오류율과 신호의 정확도가 떨어질 것이다. 발생되는 신호로 유입되는 위상 잡음을 낮추면 이와 같은 신호 무결성 저하를 막을 수 있다.

신호 발생 시스템으로 위상 잡음을 일으키지 않도록 하는 가장 손쉬운 방법은, 위상 잡음이 극히 낮은 클록을 이용하는 것에서부터 시작한다. 위상 잡음이 낮은 클록은 발생 신호로 더 적은 위상 잡음이 유입되도록 한다. 또 한 가지 짚고 넘어가야 할 부분은, 발생되는 신호와 클록 샘플 레이트의 비에 비례하여 신호로 유입되는 클록의 위상 잡음이 감소한다는 것이다. 

다시 말해, 높은 샘플 주파수 클록을 이용하여 저주파 신호를 발생시키면 동일한 클록을 이용하여 고주파 신호를 발생시킬 때보다 출력 신호로 더 적은 위상 잡음을 발생시킨다는 뜻이다. 발생되는 스펙트럼이 광대역이면 스펙트럼 상단쪽에서 발생되는 신호는 하단 주파수의 신호보다 위상 잡음이 더 높을 것이다.

LTC6946은 외부 VCO 없이 370MHz∼5.7GHz의 신호를 발생시킬 수 있는 주파수 합성기 IC이다. 이 IC는 위상 잡음이 뛰어나고 스퓨리어스 성분이 극히 낮으므로 신호 발생 애플리케이션의 클록 소스로 이용하는 데 최적이다. LTC6946을 이용하여 LTC2000 고속 DAC를 구동하면 대다수 위상 잡음이 까다로운 신호 발생 애플리케이션에 이용하기에 적합할 정도로 충분히 낮을 것이다.

그림 1은 LTC6946을 이용하여 LTC2000을 구동하는 회로 예이다. 그리고 그림 2는 LTC6946과 LTC2000의 위상 잡음 플롯이다. LTC6946에는 내부 VCO가 포함되는데, 이 방법은 편리한 대신 위상 잡음을 증가시킬 수 있다. 외부 VCO를 이용하는 LTC6945를 사용하면 더 낮은 위상 잡음을 달성할 수 있다. LTC6945, LTC6946 주파수 합성기 모두 잡음을 일으키는 가장 주된 소스는 VCO이다.

그림 1. LTC2000과 LTC6946의 블록 다이어그램

LTC2000은 65MHz 출력 톤을 발생시킬 때 1MHz 오프셋 지점에서 첨가 위상 잡음이 －165dBc/rHz이다. 그러므로 클록의 위상 잡음이 LTC2000의 첨가 위상 잡음의 대부분을 차지한다는 것을 알 수 있다. 출력 신호를 저하시키는 기타 잡음을 방지하려면 아날로그 출력 섹션에서 적절한 레이아웃 기법들을 적용해야 한다.

그림 2. LTC2000과 LTC6946의 위상 잡음 (Fout＝80MHz)

세 번째 고려 사항 … 적절한 RF 레이아웃

인쇄 회로 보드를 설계할 때 적절한 설계 및 레이아웃 원칙을 지키지 않으면 고성능 DAC와 클록 소스를 이용할 때의 이점을 제대로 살리지 못할 것이다. 적절한 대칭성, 바이패싱, 분리를 이루지 않을 경우, 아날로그 출력 신호가 훼손되고 잡음과 기타 스퍼(SPUR)가 유입될 수 있다.

그림 3. LTC2000의 회로 예

그림 3은 LTC2000의 회로 예를 나타낸 것이다. LTC2000은 500MHz까지의 신호에 대해 158dBm/rHz 이상으로 잡음 스펙트럼 밀도가 우수하여 넓은 범위의 주파수에 대해 신호 대 잡음비를 높게 유지한다. 또한 SFDR(Spurious Free Dynamic Range)이 500MHz까지 75dB 이상으로 우수하고, 1GHz까지 출력 주파수에 대해 68dB 이상으로 우수하다. LTC2000의 성능을 극대화하려면 적절한 레이아웃이 필요하다. 

DAC에서의 출력은 차동 쌍(Differential Pair)으로 취급해야 하며, 되도록이면 대칭적으로 배선해야 한다. 출력 네트워크에 어떤 비대칭성이 있으면 차동 신호 사이에 전압차가 발생할 수 있다. 이러한 전압차는 공통 모드 외란(Disturbance)을 발생시켜 출력 스펙트럼으로 원치 않는 왜곡과 잡음을 일으킬 수 있다. 각 출력의 전송 라인을 대칭적이게 하면 이와 같은 외란을 방지할 수 있다.

그림 4. LTC2000의 권장 레이아웃 예

그리고 그림 4는 샘플 레이아웃을 나타낸 것이다. 전송 라인을 따라 비아(via)들까지 양쪽에 대칭적으로 배치되도록 세심하게 주의해야 한다. 비아 라인을 배치하면 전송 라인은 발생 신호에 방해 신호가 적게 결합하도록 도울 수 있다.

적절한 레이아웃 기법과 함께 비아를 이용하면 방해 신호로부터 아날로그 출력을 보호할 수 있다. 신호 발생 DAC는 클록 입력, 아날로그 출력, 데이터 입력의 3개 포트를 갖고 있으므로 레이아웃이 어려워진다. 만약에 데이터 입력을 출력이나 클록에 가깝게 배선하면, 이들 신호로 결합을 일으키고 출력 스펙트럼에 스퍼가 나타나게 될 것이다.

마찬가지로, 만약 불량한 레이아웃 때문에 클록이 아날로그 출력에 결합을 발생시키면 신호 무결성을 저해할 것이다. 그러므로 디지털 섹션, 클록 신호, 아날로그 출력 섹션 사이에 적절한 장벽이 생기도록 보드를 설계하면 최상의 DAC 성능을 달성할 수 있다.

대부분의 경우 디지털 신호, 클록 신호, 아날로그 출력을 회로 보드 상 각각 다른 층에 배선함으로써 이 신호들 사이의 상호작용을 최소화하는 것이 좋다.
그림 4는 LTC2000의 레이아웃 예로서 디지털 신호, 클록, 아날로그 출력을 어떻게 격리시켰는지 보여준다. 이 그림에서 디지털 트레이스는 보드 내부 층에 배선하고 비아들을 통해 LTC2000의 패드로만 모습을 나타내고 있다. 

클록 트레이스는 되도록 짧게 하고 비아들로 둘러싸 이 신호를 격리시켜 디지털 트레이스나 아날로그 출력 가까이에 가지 않도록 했다. 출력 트레이스는 되도록 대칭적이게 하고 장벽을 둘러쳐서 아날로그 출력을 방해 신호들로부터 보호했다. 이러한 레이아웃 가이드라인을 따르고 깨끗한 샘플 클록을 이용하면, LTC6946과 LTC2000은 까다로운 신호 발생 애플리케이션에 적합한 깨끗한 파형을 발생시킬 수 있을 것이다.

신호 발생 애플리케이션은 높은 샘플 레이트를 필요로 한다. 샘플 레이트가 높으면 모든 DAC에서 불가피하게 존재하는 SINC roll-off를 줄일 수 있다. 샘플 레이트가 2.5Gsps에 이르는 LTC2000은 까다로운 신호 발생 애플리케이션에 이용할 수 있도록 충분한 대역폭을 제공할 뿐만 아니라 뛰어난 스펙트럼 및 잡음 성능을 제공한다.

신호 발생 애플리케이션은 인접한 톤들 사이에서 간격을 가까이 하기 위해 깨끗하고 위상 잡음이 낮음 샘플 클록을 필요로 한다. LTC2000은 LTC6946을 이용함으로써 클로킹 시 외부 VCO 없이도 뛰어난 위상 잡음 성능을 달성한다. LTC2000은 출력 스펙트럼에서 첨가 위상 잡음을 거의 검출할 수 없다. 적절한 레이아웃을 구현하고 LTC2000의 주요 신호들 주변에 장벽을 치므로 대다수 까다로운 신호 발생 애플리케이션에 이용하는 데 적합한 잡음과 스펙트럼 성능을 달성한다. 

따라서 스퓨리어스 성분을 포함시키지 않고 신호를 나오게 할 수 있으며 최소한의 필터링만 필요로 하게 된다. LTC2000은 수백MHz에 이르기까지 높은 스펙트럼 순도로 저잡음 신호를 발생시키는 데 최적이다.

Clarence Mayott _ Linear Technology