아나로그디바이스(Analog Devices)의 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 시스템 설계 엔지니어에게 콤팩트하면서 고도로 맞춤화가 가능한 통합 솔루션을 제공한다. 이 솔루션을 사용함으로써 설계를 간소화하고, 성능을 향상하고, 개발 시간을 단축할 수 있다¹. 이 솔루션은 첨단 성능을 구현하고 제품 출시를 앞당기고자 하는 고객들에게 엄청난 이점을 제공한다.

글: 로벤 파쿨라난(Lloben Paculanan) 제품 애플리케이션 매니저, 레진 가르시아(Regine Garcia) 제품 애플리케이션 엔지니어
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)



VLSI(very large-scale integrated) 회로 기술의 급격한 발전으로, 신호 처리 기술은 텔레콤과 오디오 시스템부터 산업 자동화와 차량용 전자장치에 이르는 다양한 애플리케이션에서 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 애플리케이션에 사용하도록 우수한 성능의 정밀한 신호 체인 블록을 개발하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다. 

이 글에서는 ADI의 정밀 신호 체인 μModule 솔루션이 어떻게 시스템-인-패키지(SiP) 기술을 활용한 이종 집적을 통해서 이러한 시장의 요구를 충족하고 있으며, 또한 시스템 설계 엔지니어를 위해서 콤팩트하고도 고도로 맞춤화 가능한 통합 솔루션을 제공하는지 설명한다. 이 솔루션을 사용함으로써 설계를 간소화하고, 성능을 향상하고, 개발 시간을 단축할 수 있다1. 이 솔루션은 첨단 성능을 구현하고 제품 출시를 앞당기고자 하는 고객들에게 엄청난 이점을 제공한다.²

정밀 신호 체인 μModule 기술이란? 

정밀 신호 체인 μModule은 다양한 회로들을 통합하면서도 높은 수준의 성능을 제공하는 SiP(system-in-package) 기술이다. ADI의 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 갈수록 축소되는 폼팩터에서 집적도를 높이는 것을 목표로 한 것으로서, 최고 수준의 디바이스들, iPassives? 기술, 첨단 2.5D/3D 어셈블리 기술을 적용하여 시스템 요소들을 지능적이고 효율적으로 통합한다(그림 1)¹.

이들 μModule 디바이스는 신호 체인에 신뢰할 수 있는 빌딩 블록을 제공함으로써, 시스템 설계자가 높은 수준의 통합을 실현하고 개발 시간을 단축하며 더 높은 속도 성능을 달성하고 합리적인 가격대로 전력 소모를 낮추도록 한다. 뿐만 아니라 이 디바이스는 추가적인 외부 회로 디버깅이나 최적화 작업이 필요 없다1.

주요 특징 및 이점

통합의 장점

정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 여러 아날로그 및 디지털 부품을 단일 모듈로 통합함으로써 신호 체인 설계에 있어서 획기적인 진보를 가져올 것으로 기대된다. μModule은 ADI의 뛰어난 신호 컨디셔닝 IC에 iPassives 기술을 결합하고 SiP 기술을 적용함으로써 탄생하게 되었다. 이들 디바이스를 활용하면 최고 수준의 성능과 견고성을 달성하면서 개발 시간을 크게 단축할 수 있다². IC에 여러 개의 트랜지스터를 포함하는 것과 마찬가지로, 아주 작은 면적에 많은 고품질 수동 부품들을 포함할 수 있다.

이로써 예전에는 보드 차원의 솔루션이었던 시스템을 이제는 하나의 디바이스에 포함할 수 있게 되었다. 이들 모듈은 증폭, 필터링, 아날로그-디지털 변환 같은 기능들을 통합함으로써 시스템 설계자가 개별 부품들을 사용해서 복잡한 신호 체인을 설계할 필요가 없다. 이로 인해 인터커넥트로 인한 기생성분(인덕턴스, 커패시턴스, 저항)도 크게 줄어들었다.

이 모든 점들이 어우러져서 매우 뛰어난 성능의 완전한 솔루션을 제공한다. 극히 콤팩트한 패키지로 개발 시간을 단축하고 비용을 크게 줄일 수 있다2. 이러한 통합은 공간적으로 효율적인 풋프린트에서 완전한 솔루션을 제공함으로써 물리적인 풋프린트를 줄일 뿐만 아니라, 신호 체인의 성능과 신뢰성을 극대화한다. 수동 부품들을 동일한 시간에 동일한 조건으로 제조함으로써 제조 시의 매칭을 향상시킨다².

이 솔루션은 디바이스 차원에서 이미 부품 선택, 최적화, 레이아웃을 하고 있으므로 설계자가 설계 반복을 줄일 수 있다. ADI는 자체적인 반도체 제조 공정을 사용해서 탁월한 성능과 고도로 맞춤화가 가능한 정밀 신호 컨디셔닝 시스템 제품들을 생산한다².

그림 2는 이 솔루션을 사용해서 풋프린트를 크게 줄일 수 있다는 것을 보여준다. 뿐만 아니라 이 솔루션은 총 소유비용을 절감하고 시스템 설계자들의 개발 시간을 단축한다.

 

성능 상의 이점

정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 프런트엔드 IC 설계와 제조 기술의 한계를 극복하고 뛰어난 성능을 제공하도록 설계되었다³. 신중한 부품 선택, 정밀 아날로그 설계 기법, 향상된 레이아웃 최적화로 이 모듈은 우수한 신호 무결성, 낮은 잡음, 정확한 신호 프로세싱을 가능하게 한다. 센서 데이터 포착이든, 신호 증폭이든, 또는 아날로그 도메인과 디지털 도메인 간의 변환이든, 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 품질을 떨어트리지 않으면서 우수한 성능의 신호 프로세싱을 가능하게 한다.

ADI의 iPassives 기술은 일관된 기계적 환경을 보장한다. 이를 위해 트레이스 저항이나 인덕턴스 같은 인터커넥트 기생성분을 최소한으로 유지되며, 약간 있는 것들은 아주 쉽게 예측할 수 있고 안정적으로 처리된다². 그림 3은 다양한 입력 주파수와 서로 다른 이득에서의 ADAQ4003의 탁월한 성능을 보여준다.

맞춤화와 유연성 

고도의 통합 성능을 제공하면서도, 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 시스템 설계자가 신호 체인을 설계할 때 유연성을 가질 수 있게 한다. 그림 4에서 보는 것과 같이 모든 부품들의 지능적인 파티셔닝을 통해, 사용자는 각 애플리케이션의 필요에 따라서 신호 체인의 파라미터와 특성들을 맞춤화할 수 있다.

이들 솔루션은 조절 가능한 이득, 대역폭, 필터링 옵션, 그리고 그 밖에 다양한 맞춤형 기능들을 통해 다양한 설계 요구 사항을 충족하는 범용적인 플랫폼을 제공한다.

 

총 소유 비용 절감

어떠한 시스템이든 전체 수명 동안에는 이차적인 비용들이 발생하기마련이다¹. 디스크리트 디바이스들은 특성상 동작 온도와 회로 수명에 걸쳐서 어쩔 수 없이 성능 저하를 일으킨다. 정밀 신호 체인 μModule 솔루션을 사용하는 시스템은 제조 시의 성능과 수율에 영향을 미치는 수동 부품들을 μModule 디바이스 안에 통합함으로써 이러한 이차 비용들을 줄일 수 있다¹.

그림 5는 디스크리트 신호 체인 대신 정밀 신호 체인 μModule 솔루션을 사용했을 때 이차 비용들을 얼마나 절감할 수 있는지 보여준다.



신호 체인 μModule의 데이터 시트에서 표기하고 있는 한계들은 전체적인 신호 체인 성능을 나타낸다. 따라서 제조 시에 일관된 성능과 높은 수율을 구현함으로써 제조 라인에서 수율 문제가 발생하는 것을 줄이고 기술 지원 비용을 최소화하며 제조 쓰루풋을 극대화한다¹.

또한 수동 부품들은 모든 전자 서브시스템에서 필수적인 요소이기 때문에⁵, 이들 부품을 서브스트레이트에 통합함으로써 성능 향상의 가능성을 제공한다. 이러한 통합을 통해 온도에 따른 오차 요인들을 제거할 수 있는 것이다. 뿐만 아니라, 제조 시에 온도에 대한 신호 체인 보정이 필요 없다(그림 6).

이러한 보정 작업에는 상당한 시간과 비용이 드는 것으로 잘 알려져 있다. PCB 상에 디스크리트 부품 수와 인터커넥트를 최소화함으로써 솔더 접합부를 줄이기 때문에 시스템 신뢰성 또한 높일 수 있으며, 이는 곧 필드 지원 비용을 줄일 수 있게 해준다1.

 

사용 편의성과 신속한 프로토타입 개발

정밀 신호 체인 μModule 솔루션을 사용함으로써 설계 작업을 간소화하고 개발 시간을 크게 단축할 수 있다. 중심 뼈대가 이미 설계, 제조, 특성분석, 테스트를 마쳤기 때문에 설계 시간을 줄일 수 있는 것이다.

정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 사전에 구성된 신호 체인을 제공하며, 평가 보드와 소프트웨어 개발 키트를 비롯한 풍부한 지원 자원을 활용해서 우수한 성능을 달성하고 설계 작업을 간소화할 수 있다. 그림 7은 정밀 신호 체인 μModule 솔루션의 성능을 가늠해볼 수 있는 샘플 신호 체인 키트를 보여준다.

 


설계자의 관점에서 봤을 때, ADI의 iPassives 기술은 정밀 신호 체인 μModule 솔루션을 사용해서 극히 짧은 개발 시간에 시스템을 설계할 수 있도록 하는 유연한 설계 툴이라고 볼 수 있다². 시스템 설계자는 복잡한 회로 차원의 구현을 붙들고 씨름할 필요 없이 시스템 차원 설계와 기능성에 집중할 수 있다. 쉽고 빠르게 프로토타입을 개발하고 시스템 검증을 할 수 있어 새롭게 떠오르는 혁신적인 애플리케이션에 대해 시스템 정의에서부터 부품 공급까지의 일정을 공격적으로 가져갈 수 있다.

다양한 분야의 다양한 요구를 충족하기 위해, ADI는 다양한 구성의 통합형 및 특수 목적 컨버터 포트폴리오를 제공한다. 보다 자세한 정보는 ADI의 정밀 신호 체인 μModule 솔루션 페이지에서 확인할 수 있다.

산업별 주요 애플리케이션

정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 다양한 산업 분야의 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 대표적인 사례들은 다음과 같다:

통신

대부분의 무선 통신 제품은 신호를 매끄럽게 전송 및 수신하기 위해서 디지털, 아날로그, RF 전자장치들을 필요로 한다. 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 이를 제공함으로써 트랜시버, 기지국, 네트워크 인프라의 성능을 향상시킨다. μModule 솔루션은 RF 회로와 디지털 회로를 분리함으로써, 잡음에 민감한 RF 전자장치들의 디지털 요소들에 의해 발생하는 전자기 간섭(EMI)을 완화할 수 있는 효과적인 솔루션을 제공한다⁶.

하나의 예로서, ADAQ8092(그림 8)는 3개의 공통적인 신호 처리 및 컨디셔닝 블록을 통합한 듀얼 채널 시스템-인-패키지(SIP)로서, 다양한 복조기 애플리케이션 및 데이터 수집 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 디바이스는 전체적인 신호 체인을 형성하는데 필요한 모든 능동 및 iPassives 부품들을 통합함으로써 디스크리트 솔루션에 비해서 풋프린트를 최대 6배까지 줄일 수 있다.

전원 공급 디커플링 커패시터를 내장하여 전원전압 변동 제거(power supply rejection) 성능을 향상시킴으로써, 견고한 DAQ 솔루션을 제공한다. ADAQ8092는 3.3V ~ 5V 아날로그 및 1.8V 디지털 전원으로 작동한다. 디지털 출력은 CMOS, 더블 데이터 레이트(DDR) CMOS, DDR LVDS일 수 있다.

 
 

산업 자동화 

산업용 애플리케이션은 최근의 반도체 기술 발전에 힘입어 세 가지 측면에서 혁신을 이루고 있다. 전력 밀도와 에너지 효율, 디지털 전원 제어의 보편화, 그리고 안전이 그것이다⁷. 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 산업 자동화 시스템에서 정밀한 신호 처리가 가능케 함으로써 정확한 측정, 제어, 구동을 보장한다.

산업용 통신 네트워크는 기계와 제어 시스템들 사이에 실시간 통신이 이루어질 수 있도록 하여 스마트하고 안전한 제조환경을 구축한다. 정밀 신호 체인 μModule 솔루션을 참신한 연결 솔루션과 함께 사용하면 언제든 사람을 안전하게 보호하는 디지털 제어 시스템을 개발할 수 있다⁷. 

시스템 안전은 사람의 안전을 지키고 환경을 보호하기 위해서 중요하다⁷. 최근에 개발되고 있는 새로운 반도체 공정 기술들은 안전 모니터링 시스템의 통신 속도 부족, 높은 전력 소모, 상당한 크기, 신뢰성에 대한 우려를 불식시켜준다.

정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 공간 절약, 낮은 전력 소모, 뛰어난 신뢰성, 통신 속도 측면에서 통합적인 접근법을 제공한다.
산업 자동화 시스템은 여러 센서 노드들로부터 데이터를 수집하고 이 데이터를 중앙의 모니터링 시스템으로 전송해서 데이터 분석을 수행한다. 상태 기반 모니터링(CbM)은 다양한 유형의 센서들을 사용해서 장비 상태를 연속적으로 모니터링하는 예방정비 전략이다. CbM은 제조 설비에서 추이를 파악하고, 결함을 예측하며, 장비 수명을 계산하고, 안전을 높일 수 있게 해준다⁸. 

CbM 애플리케이션을 위해, ADAQ7768-1은 IEPE 센서, 저항성 브리지, 전압, 전류 입력을 비롯한 다양한 유형의 입력들을 지원한다(그림 9). ADAQ7768-1은 두 가지 디바이스 구성 방법을 사용할 수 있다. 사용자는 SPI를 통해서 레지스터를 수정해서 디바이스가 어느 구성을 사용할지 선택하거나, 또는 간단한 하드웨어 핀 스트래핑 기법을 사용해서 디바이스를 사전에 정의된 다양한 모드로 동작하도록 구성할 수 있다1.

차량용 테스트 솔루션

혁신적이면서 최적화된 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 견고한 인터커넥션과 기계적 견고함, 높은 신뢰성, 콤팩트한 디자인, 경제적인 비용으로 차량용 분야의 요구를 충족한다⁹. 인포테인먼트 시스템, 파워트레인 제어, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 같은 애플리케이션에 이들 솔루션을 사용해서 보다 향상된 안전성과 편의성, 차량 성능을 달성할 수 있다.

하지만 기술적 진보는 복잡성을 높임으로써 시뮬레이션과 검증을 위해 새로운 기법들을 필요로 한다. 비실용적인 시뮬레이션 작업을 피하기 위해 디지털 트윈 기법을 활용할 수 있다. 디지털 트윈은 실제 물리적 시스템을 가상으로 표현한 것이다¹. 이 기법을 활용하면 비용을 절감하고 개발 시간을 단축할 뿐 아니라 전반적인 시스템을 최적화할 수 있다.

차량용 분야의 예로서 HIL(hardware-in-the-loop)은 전자 제어 유닛(ECU), 파워 스티어링 시스템, 서스펜션 시스템, 배터리 관리 시스템(BMS), 그 밖에 다른 차량용 서브시스템과 같은 복잡한 실시간 시스템을 테스트하기 위해 사용되는 디지털 트윈 기법이다.

신호 컨디셔닝, 데이터 수집, 신호 생성, 절연을 포함하는 ADI의 포괄적인 포트폴리오는 HIL 시뮬레이터에 사용하도록 최적화된 솔루션들을 제공한다. 특히 신호 스케일링 기능이 있는 ADAQ23878을 사용하면 최종 시스템의 부품 수를 줄일 수 있다. 이 디바이스는 저잡음 완전 차동 ADC 드라이버(fully differential ADC driver, FDA), 안정적인 레퍼런스 버퍼, 고속 18비트 15MSPS 연속 근사 레지스터(SAR) ADC를 비롯한 여러 공통적인 신호 처리 및 컨디셔닝 블록들을 단일 디바이스로 통합하고 있기 때문이다1. 
 

맺음말

IC 기술 분야의 새로운 트렌드는 SiP 기술의 이종 집적 기술을 활용함으로써 개발 작업을 간소화하는 것이다¹⁰. 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 신호 체인 설계에 대한 시스템 설계자의 접근법에 일대 변화를 예고한다.

이 솔루션은 높은 수준의 통합과 우수한 성능, 유연성, 사용 편의성을 제공하면서도 뛰어난 신호 처리 능력은 그대로 유지한다. 기술이 계속해서 진보함에 따라서 정밀 신호 체인 μModule 솔루션은 다양한 산업 분야에서 혁신적인 애플리케이션을 가능케 하고 전자 시스템의 발전에 기여할 것으로 기대된다.


감사의 말씀

이 글을 작성하는 데 기술적인 자문을 해 주신 스튜어트 세르비스(Stuart Servis)에게 감사드린다.


참고문헌

1 “Precision Signal Chain ?Module Solutions.” Analog Devices, Inc.
2 Mark Murphy and Pat McGuinness. “Use of Integrated Passives in Micromodule SIPs.” Analog Dialogue, Vol. 52, No. 10, October 2018.
3 Man-Lung Sham, Y. C. Chen, L. W. Leung, Jyh-Rong Lin, and Tom Chung. “Challenges and Opportunities in System-in-Package (SiP) Business.” 2006 7th International Conference on Electronic Packaging Technology, August 2006.
4 Maithil Pachchigar. “μModule Data Acquisition Solution Eases Engineering Challenges for a Diverse Set of Precision Applications.” Analog Devices, Inc., November 2020.
5 Michael Scheffler and Gerhard Tr?ster. “Assessing the Cost Effectiveness of Integrated Passives.” Proceedings of the Conference on Design, Automation and Test in Europe, February 2000.
6 King L. Tai. “System-In-Package (SIP): Challenges and Opportunities.” Proceedings of the 2000 Asia and South Pacific Design Automation Conference, January 2000.
7 Domenico Arrigo, Claudio Adragna, Vincenzo Marano, Rachela Pozzi, Fulvio Pulicelli, and Francesco Pulvirenti. “The Next ‘Automation Age’: How Semiconductor Technologies Are Changing Industrial Systems and Applications.” ESSCIRC 2022- IEEE 48th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC), September 2022.
8 “Condition-Based Monitoring.” Analog Devices, Inc.
9 Yangang Wang, Xiaoping Dai, Guoyou Liu, Daohui Li, and Steve Jones. “An Overview of Advanced Power Semiconductor Packaging for Automotive System.” CIPS 2016; 9th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, March 2016.
10 K.M. Brown. “System in Package: The Rebirth of SIP.” Proceedings of the IEEE 2004 Custom Integrated Circuits Conference.


저자 소개

로벤 파쿨라난(Lloben Paculanan)은 아나로그디바이스(Analog Devices) 필리핀 제너럴 트라이어스의 제품 애플리케이션 엔지니어이다. 2000년에 ADI에 입사하여 다양한 테스트 하드웨어 개발 및 애플리케이션 엔지니어링 직책을 거쳤으며 현재는 정밀, 고속, 정밀 신호 체인 μModule 개발을 맡고 있다. 제이비어 대학 ? 아테네오 드 카가얀에서 산업 공학 및 기술 학사학위와 엔버가 대학에서 컴퓨터 공학 학사학위를 취득했다.

레진 가르시아(Regine Garcia)는 2023년에 아나로그디바이스 필리핀 제너럴 트라이어스에 입사했으며, 제품 애플리케이션 엔지니어로서 정밀 신호 체인 μModule 개발을 맡고 있다. 필리핀 바기오 시티에 있는 세인트 루이스 대학에서 전자 통신 공학 학사학위를 취득했다.