아날로그 프론트엔드 3종

한 줄 요약 — 신호원의 종류가 첫 단 구조를 결정합니다. 전류원·전압원·저항성 센서 각각의 표준 해법을 봅니다.

케이스 A — 트랜스임피던스 증폭기 (포토다이오드)

신호원 등가회로

포토다이오드는 전류원 + 큰 병렬 용량입니다.

포토다이오드 하나를 세 소자가 병렬로 붙은 것으로 봅니다. 셋 다 같은 두 단자(애노드·캐소드) 사이에 나란히 있습니다.

전류원이므로 “입력 임피던스(impedance)입력 임피던스(impedance)입력 임피던스 input impedance회로가 신호원에서 전류를 얼마나 적게 빼앗는지를 나타내는 값으로, 신호원 임피던스의 100배는 돼야 안전합니다.자세히 보기 →가 낮아야” 합니다. 전압 측정과 정반대입니다 (2-05).

회로

가상 접지가 포토다이오드 양단 전압을 0으로 유지 → 접합 용량이 충방전되지 않아 선형성이 좋습니다.

★ 핵심 설계 — 피드백 커패시터

$R_f$와 반전(inverting) 노드의 총 용량 $C_{in}$($= C_j + C_{amp} + C_{PCB}$)이 극을 만들어 발진합니다 (13-04).

설계 예제

요구: $I_{ph}$ = 100 nA(최대), 출력 1 V, 대역폭(bandwidth) 10 kHz 소자: PD 용량 50 pF, OPA140(GBW 11 MHz, $I_B$ 10 pA)

1) $R_f$ 결정

2) $C_{in}$ 추정

3) $C_f$ 계산

4) 대역폭 확인

목표 10 kHz를 만족합니다 ✅

⚠️ 0.29 pF은 PCB 기생 용량(parasitic capacitance)기생 용량(parasitic capacitance)기생 용량 parasitic capacitance부품·배선·케이블이 원치 않게 갖는 커패시턴스로, 고임피던스 신호원에서 대역폭을 가장 먼저 잡아먹습니다.자세히 보기 →보다 작습니다. 실제로는:

• 피드백 저항 양단의 기생 용량(0.1~0.5 pF)만으로 보상될 수 있음
• 레이아웃이 회로의 일부 — $R_f$를 짧게, 아래 플레인(plane) 제거, 가드링 (15-06)
• 실측으로 최종 조정

5) 잡음 확인

⚠️ OP앰프 전압잡음이 $(1+C_{in}/C_f)$배로 증폭됩니다. 이것이 TIA의 지배적 잡음원이고, $C_{in}$이 클수록 심각합니다.

대책: 작은 PD 사용, $C_f$를 키움(대역폭 희생), 저잡음 OP앰프, 역바이어스로 $C_j$ 감소

⚖️ TIA 트레이드오프

💡 TIA에서는 $R_f$를 최대한 크게 하는 것이 잡음에 유리합니다. 신호는 $R_f$에 비례하고 저항 잡음은 $\sqrt{R_f}$에 비례하므로, SNR이 $\sqrt{R_f}$로 개선됩니다. 대역폭이 허용하는 한 크게 잡으세요.

케이스 B — 계측 증폭기 생체전위 프론트엔드

신호원

회로

입력단 — 전극 두 개가 각각 같은 대칭 구조를 지납니다.

그다음은 한 줄로 이어집니다.

옆가지 하나 — DRL(Driven Right Leg) 회로가 계측 증폭기에서 공통 모드를 받아 기준전극으로 되먹입니다. 공통 모드를 20~30 dB 더 눌러 줍니다.

설계 근거

계측 증폭기 선택

⚠️ 직렬 보호 저항 10 kΩ이 열잡음 12.9 nV/√Hz를 추가합니다. 전극 임피던스가 낮으면 이것이 지배적일 수 있으니 값을 조정하세요.

⚖️ 트레이드오프

케이스 C — 서미스터/열전대 온도 프론트엔드

C-1. NTC 서미스터 (저항성)

단순한 분압기입니다. 위가 고정 저항 $R_{ref}$, 아래가 온도에 따라 저항이 변하는 NTC이고, 중간점을 ADC가 읽습니다.

설계 요령:

💡 비율 측정이 핵심 기법입니다. $V_{ADC} = V_{ref}\frac{R_{NTC}}{R_{ref}+R_{NTC}}$이고 ADC도 $V_{ref}$ 기준이면, $V_{ref}$의 오차·잡음이 완전히 상쇄됩니다.

자기 발열 계산:

NTC 10 kΩ, 여기 3.3 V, 열저항(thermal resistance)열저항(thermal resistance)열저항 thermal resistance전력 1 W 를 흘렸을 때 온도가 몇 도 오르는지로, 부품이 탈지 안 탈지를 여기서 계산합니다.$$T_J = T_A + P R_{\theta JA}$$자세히 보기 → 100 °C/W:

허용 가능하지만, 0.01 °C 정밀도가 필요하면 여기 전압을 낮추거나 펄스 여기를 씁니다.

C-2. 열전대

첫 단: 저잡음 바이폴라 계측 증폭기 (소스 임피던스가 낮으므로 $e_n$이 중요)

냉접점 보상: 단자대 온도를 별도 센서로 측정해 소프트웨어로 보정

⚠️ 열전대는 옵셋과 드리프트가 치명적입니다. 41 µV/°C이므로 옵셋 41 µV = 1 °C 오차. 초퍼 안정화(chopper-stabilized) 소자($V_{OS}$ < 10 µV)를 쓰세요.

시뮬레이션으로 확인

# examples/16-case-studies/tia-photodiode.yaml
meta:
  name: 포토다이오드 TIA
  lesson: docs/16-case-studies/02-afe-examples.md
  note: CF를 0/0.3p/2p로 바꾸며 스텝 응답의 링잉과 대역폭을 비교
components:
  - {ref: VP,  type: vdc, value: 5}
  - {ref: VN,  type: vdc, value: -5}
  - {ref: IPH, type: ipulse, params: {i1: 0, i2: 100n, td: 10u, tr: 100n, tf: 100n, pw: 100u, per: 250u}}
  - {ref: CJ,  type: c, value: 50p,   label: PD 접합 용량}
  - {ref: RSH, type: r, value: 1G,    label: PD 션트 저항}
  - {ref: RF,  type: r, value: 10MEG}
  - {ref: CF,  type: c, value: 0.3p}
  - {ref: U1,  type: opamp, model: OPA140}
nets:
  VCC: [VP.p, U1.'v+']
  VEE: [VN.p, U1.'v-']
  IN:  [IPH.p, CJ.1, RSH.1, RF.1, CF.1, U1.'in-']
  OUT: [U1.out, RF.2, CF.2]
  GND: [VP.n, VN.n, IPH.n, CJ.2, RSH.2, U1.'in+']
analyses:
  - {type: tran, tstep: 100n, tstop: 500u}
  - {type: ac, sweep: dec, points: 50, fstart: 10, fstop: 10MEG}
expect:
  - {measure: v, node: OUT, at: 100u, analysis: tran, value: -1.0, tol: 5%}

CF = 0이면 심한 링잉과 발진이, 0.3 pF이면 깔끔한 응답이 나옵니다.

🔌 세 케이스 비교

⚠️ 이상과 실제의 차이

연습문제

문제 1. TIA에서 $R_f$를 1 MΩ에서 10 MΩ으로 바꾸면 SNR은?

exercises/16-02-tia-snr.yaml

문제 2. 계측 증폭기(instrumentation amplifier)계측 증폭기(instrumentation amplifier)계측 증폭기 instrumentation amplifier두 입력 모두 임피던스가 높으면서 차동만 증폭하는 구조로, 전극 측정의 표준 첫 단입니다.자세히 보기 → 입력에 100 pF 커패시터를 각각 접지로 달았습니다. 두 커패시터(capacitor)의 오차가 ±10%면 10 kHz에서 CMRR은?

exercises/16-02-cap-mismatch-cmrr.yaml

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