Instrumentation Op-Amp (IN-AMP)

종합설계 아이템을 Op amp 설계로 정하고 나서 Low noise sensor 인터페이스와 LNA 구조 등등에 대해서 공부하고 있다.

 

우리가 사용하는 스마트폰의 터치 센서 같은 경우에는 capacitive sensor로써 인체의 접촉에 따라 커패시터 성분이 변하게 되고 이때 바이어스 전압의 차이를 만들어내서 신호를 생성하는 구조로 되어 있다. 반면에 압력 센서나 온도 센서같은데 많이 사용되는 구조는 resistive sensor 구조이다. 이러한 저항성 센서에 많이 사용되는 구조가 아래에서 설명할 Wheatstone bridge 구조이다. 압력이나 온도의 변화에 따라서 저항 성분이 바뀌게 되고 이에 따라 바이어스전압의 차이를 만들어서 신호를 생성하는 구조로써 capacitive sensor와 개념 자체는 비슷하다.

 

 

다음과 같이 bridge sensor의 구조가 나와있다. 압력이나 온도변화에 따라서 저항이 변하는데, 위와 같이 맞은 편 저항끼리 서로 같은 양의 저항 변화를 갖는 센서 구조가 많이 사용되고 있다. 이러한 구조가 신호를 만들어 내는 과정에서 Linearity가 더 우수하기 때문이다. bridge sensor의 가운데 node 두개가 출력이며 amp 단에선 입력으로 사용하게 된다.

Thevenin 등가회로를 각 중간노드에서 따져 보면 Vexc/2 의 CM 성분이 있고, Vsig/2의 Differntial 성분이 나타나게 된다. 따라서 따로 DC Common mode 전압을 주지 않아도 Vexc가 곧 DC biasing의 효과를 낸다.

 Figure 2.를 보면 R1, R2 그리고 R3, R4가 매칭이 될 때에 Vo가 위의 식으로 나오는 것을 알 수 있다. R1=R2, R3=R4 가 나오게 된 것을 유도해보면 다음과 같다.

 위의 식에서 좌변은 Sig- 전압을 GND에 물리고 Gain을 구한 식이고, 우변은 Sig+를 GND에 물리고 Gain을 구한 식이다. 만일 이 두 gain의 크기가 같다면 CM gain은 0이 나올 것이라고 직관적으로 생각해 볼 수 있다. 이 식을 계속 풀면 R1/R3 = R2/R4의 비율을 만족할 때 출력 전압이 다음과 같이 나오는 것을 볼 수 있다.

 

 

위의 식은 진짜로 CM gain이 rejection 되는지를 확인하는 과정이다. 두 입력단에 같은 전압 Vicm을 주고 흐르는 전류 를 구해서 출력 전압을 구한 뒤에 CM gain식을 나타낼 수 있는데, 이 때 위에서 언급한 조건, R1 = R2, R3 = R4를 만족하게 되면 Acm은 0이 나옴으로써 실제로 CM gain이 사라지는것을 확인하였다.

위의 그림은 Bridge Sensor를 실제 값을 대입한 경우이다. 각 저항을 1kΩ으로 놓고 Excitation 전압을 5V를 사용한다. Full-scale input이라고 하면 sensor가 받아들일 수 있는 최대 입력을 가한 경우를 의미한다. 이 경우에 저항의 변화량은 10Ω이라고 하면 이 때 만들어지는 전압차이는 50mV가 된다.

여기서 Sensitivity라는 값을 정의하게 되는데 Sensitivity는 Full-scale 입력이 들어왔을 때의 Signal전압을 가해준 Excitation 전압으로 나눠준 것을 의미한다.

즉 Sensitivity가 높으면 높을수록 더 약한 압력에도 Vsig이 크게 움직일 수 있다는 것을 의미한다.

위의 회로는 앞선 Bridge Sensor의 등가회로를 OP amp의 signal source로 사용한 경우이다. Thevenin 등가저항은 500Ω 이다. 출력 전압을 5V로 만들어 주기 위해서 Vsig=50mV 이므로 gain은 100V/V 가 필요하다. 이 때 source단에 있는 Rsig 저항을 고려해서 amp의 open loop gain은 50% 더 높게 150V/V로 설계해야 회로 전체 Overall Gain은 100V/V가 나오게 된다는 것을 유의한다.

이와 같은 회로의 단점은 방금 언급한 것 처럼 Source단의 저항 때문에 신호 크기가 Amp단으로 들어갈 때 약해진다는 단점이 있다. 또한 Amp의 입장에서 1kΩ 저항을 작게 해야 Amp의 Open Loop Gain이 커지게 되는데 1kΩ 저항이 작아지면 Amp의 입력 임피던스가 작아지기 때문에 여기서 Trade off가 발생한다.

따라서 이러한 단점을 극복한 회로가 다음 회로이다.

위의 회로를 보면 각각의 차동 신호는 서로 다른 Amp의 입력으로 들어간다. 그리고 first stage에 있는 amp는 마치 source follower처럼 동작하므로 Source단에 어떠한 저항이 있더라도 first stage 이후에는 그 영향을 무시할 수 있게 된다. 이것이 위의 회로에서 Sig+, Sig- 의 뒤에 저항이 모델링되어있지 않은 이유이다.

이같은 회로를 Instrumentation Amplifier라고 부르고 실제로 의료기기, 악기, 차량 등 여러 분야에서 많이 활용되고 있는 회로이다.

이 회로의 Gain은 가운데에 있는 Rg 저항을 조절해서 선택적으로 조절하는 방식을 많이 사용한다.

 

[그림 출처]

[Signal Conditioning Wheatstone Resistive Bridge Sensors Application Report / James Karki / SLOA034 - September 1999]