MCU에 아날로그 비교기가 필요한가요?

작성 날짜: 유월 22, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

이 산업용 컴퓨터는 통합 아날로그 비교기가 있는 MCU로부터 혜택을 받을 수 있습니다.

대학에서 전자 공학 수업을 들을 때 LM358 오프앰프를 사용해 내 첫 오프앰프 아날로그 비교기를 만들었던 것이 기억납니다. 이러한 간단한 회로는 고객을 위한 실제 시스템에 설계하기 시작할 때까지 실용적인 용도가 있는 것처럼 보이지 않습니다. 아날로그 비교기는 오프앰프 회로에서 양의 피드백으로 쉽게 구축할 수 있지만, 오프앰프 IC와 피드백 루프의 추가 구성 요소로 항상 보드에 일부 공간을 차지하게 됩니다.

아날로그 비교기와 MCU를 함께 사용하는 것은 어떨까요? MCU는 통합된 기능과 I/O를 많이 제공하며, MCU와 함께 비교기 출력을 받아들이는 한 가지 방법은 GPIO 중 하나를 사용하는 것입니다. 더 나은 옵션은 통합 비교기 회로가 있는 MCU를 찾는 것이며, 이는 외부 오프앰프 회로나 비교기 IC의 필요성을 없앨 것입니다. 여기에 이러한 회로가 설계에서 어떻게 작동하는지와 이 기능을 포함하는 인기 있는 MCU에 대해 설명합니다.

아날로그 비교기란?

아날로그 비교기는 기본적으로 1비트 아날로그-디지털 변환기입니다. 비교기에 입력된 전압이 어떤 임계값을 초과하면, 장치는 낮은 전압 값과 높은 전압 값 사이의 상태를 전환합니다. 아날로그 비교기는 반전 또는 비반전 장치일 수 있습니다. 비반전 장치에서는 입력 신호의 상승 에지가 비교기 출력을 낮은 전압 출력 상태에서 높은 전압 출력 상태로 전환하도록 트리거하며, 하강 에지에서는 그 반대가 됩니다. 반전 비교기의 경우 동작이 반대로 됩니다.

오프앰프 아날로그 비교기 회로에서는 일반적으로 출력이 외부 참조 전압보다 입력 전압이 전환될 때 포화되도록 보장하기 위해 양의 피드백이 사용됩니다. 즉, 오프앰프는 입력 신호의 상승 또는 하강 에지에서 레일 대 레일로 스윙합니다. 이는 두 전압 수준에서 포화되는 2상태 출력을 생성하는 간단한 방법이며, 저수준 노이즈에 대한 일부 면역도 제공합니다.

히스테리시스가 있는 및 없는 아날로그 비교기 출력 전압.

저수준 노이즈 면역을 제공하기 위해, 아날로그 비교기 회로는 일부 히스테리시스를 가질 수 있으며, 노이즈 마진은 히스테리시스 창의 크기에 따라 달라집니다. 위에 표시된 것처럼 입력 삼각파로 인한 스위칭에 대한 히스테리시스의 영향입니다. 입력 신호에 일부 변동이나 노이즈가 있을 경우, 히스테리시스 창 내의 어떤 변동도 스위칭을 유발하지 않습니다. 여러 비트의 해상도를 가진 ADC에서는 이러한 경우가 아니며, 양자화 수준 간의 더 작은 전압 차이가 유지됩니다.

오피앰프 회로에서, 히스테리시스 창의 크기는 피드백 루프 내의 전체 저항과 참조 전압과 비반전 입력 사이의 저항의 비율에 의해 결정됩니다. 이 두 값을 설정함으로써, 비교기의 히스테리시스 창을 특정 응용 프로그램과 노이즈 마진에 맞게 조정할 수 있습니다. 이는 아날로그 비교기가 통합된 MCU가 히스테리시스 창의 크기나 임계 전압을 설정하기 위해 이러한 외부 저항이 필요하지 않기 때문에 빛나는 부분입니다.

MCU에 아날로그 비교기를 통합하는 장점

MCU에 직접 통합된 아날로그 비교기는 MCU와 아날로그 인터페이스를 통합하기 위한 다른 방법들에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다.

간소화된 스위칭. 2개의 전압 상태 간의 차이를 감지하기만 하면 되는 경우, 외부 오피앰프 회로와 ADC 채널을 사용하는 것보다 통합된 아날로그 비교기가 더 나은 옵션입니다. 입력 전압이 실제로 포화되었는지 추정하기 위해 펌웨어에 수치적 임계값과 변환을 프로그래밍할 필요가 없습니다.
프로그래밍 가능한 히스테리시스. 히스테리시스 창의 크기는 MCU의 펌웨어에서 프로그래밍할 수 있으며, 운영 중에 동적으로 설정될 수도 있습니다. 원한다면, GPIO 입력의 노이즈 마진보다 히스테리시스 창을 넓게 설정하여 스위칭 이벤트를 감지하는 매우 견고한 회로를 만들 수 있습니다.
더 많은 외부 노이즈 면역성. 오피앰프 출력과 MCU 입력 사이의 급전선은 입력에 노이즈가 주입될 수 있는 또 다른 지점을 만들어, 이로 인해 MCU의 ADC/GPIO에서 부정확한 읽기가 발생할 수 있습니다. 아날로그 비교기를 MCU에 통합함으로써, 시스템에 노이즈가 들어올 수 있는 추가 지점을 제거했습니다.
비교 가능한 입력으로 부품 수 감소. 통합된 아날로그 비교기가 있는 MCU를 사용하면 MCU에서 과도한 수의 입력을 사용하지 않고도 BOM 비용을 줄일 수 있습니다.
프로그래밍 가능한 전파 지연. 아날로그 비교기의 전파 지연은 입력 신호가 스위칭 임계값을 넘어서고 출력 상태가 변하기 시작하는 순간 사이의 시간으로 정의됩니다. 통합된 비교기가 있는 일부 MCU는 이 수량을 프로그래밍할 수 있습니다. 전파 지연을 늘리면, MCU는 스위칭하는 동안 더 적은 전력을 소비하게 됩니다.

통합된 아날로그 비교기가 있는 인기 있는 MCU

요즘 시장에서는 상위 제조업체들로부터 다양한 MCU를 찾을 수 있습니다. 다음은 통합된 아날로그 비교기 기능뿐만 아니라 다양한 다른 인터페이스를 포함하는 인기 있는 MCU입니다:

NXP Semiconductors, S08PB

ON Semiconductor의 S08PB MCU는 간단한 임베디드 컴퓨팅 응용 프로그램을 위한 작은 8비트 장치입니다. 이 특정 장치는 더 적은 주변 장치를 가지고 있으며, 불필요한 주변 장치를 제거함으로써 많은 다른 인기 있는 MCU보다 작은 패키지에 두 개의 아날로그 비교기를 포함합니다. 아날로그 시스템을 위한 유용한 기능으로는 통합된 오피앰프, 고정밀 RTC 카운터, 두 개의 플렉스 타이머 모듈레이터, 12채널 ADC(12비트 해상도)가 있습니다.

NXP Semiconductors의 MC9S08PB8MTG MCU에 대한 블록 다이어그램. MC9S08PB8MTG 데이터시트에서.

STMicroelectronics, STM32 시리즈

STMicroelectronics의 STM32 시리즈는 중간 처리 능력과 높은 버스 폭이 필요한 임베디드 제품에 사용되는 가장 인기 있는 MCU 라인 중 하나입니다. 이 장치들은 32비트 버스 폭으로 최대 72 MHz(Arm Cortex-M4 코어)까지 작동합니다. 또한 고해상도 ADC(12비트)와 다양한 디지털 인터페이스(CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) 및 높은 I/O 수를 특징으로 합니다.

Texas Instruments, MSP430

Texas Instruments의 MSP430 MCU 패밀리는 다양한 패키지로 제공되며 아날로그 컴퍼레이터를 포함하는 16비트 MCU의 범위입니다. 이 MCU들은 최대 25 MHz까지 작동하며 통합 SRAM/FRAM, 플래시 메모리, ADC, SPI/UART 및 기타 인터페이스 및 기능을 포함합니다.

Texas Instruments의 MSP430FR5727 MCU에 대한 기능 블록 다이어그램. MSP430FR5727 데이터시트에서.

혼합 신호 설계를 지원하는 기타 구성 요소

MCU는 디지털 및 아날로그 구성 요소 모두와 인터페이스해야 하므로 혼합 신호 설계를 위한 출발점이어야 합니다. 시스템에 필요한 기타 구성 요소에는 다음이 포함됩니다:

아날로그 컴퍼레이터가 통합된 MCU 또는 다른 프로세서를 선택해야 할 때, Octopart의 고급 검색 및 필터링 기능을 사용하여 필요한 모든 부품을 찾을 수 있습니다. Octopart의 전자 부품 검색 엔진을 사용하면, 완전한 유통업체 데이터 및 부품 사양에 접근할 수 있으며, 모두 사용자 친화적인 인터페이스에서 자유롭게 이용 가능합니다. 임베디드 프로세서 및 컨트롤러 페이지를 확인하여 필요한 구성 요소를 찾아보세요.

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