PMU 측정 방식을 이용한 이론 및 설계(1)

1.설명

Parametric Measurement Unit(PMU)의 약자로 DUT(Device Under Test)에 대한 전압 및 전류를 생성하여 DUT에 흐르는 전압과 전류를 감지하는 아날로그 신호이다. 이 전압과 전류를 정밀 ADC를 사용하여 아날로그 출력을 디지털화하여 테스트 결과를 읽을 수 있다. 본 내용은 Terminating resistance(종단 저항) 측정 방식에 대해서 설명한다.

 

2.핀 구성

아래의 그림과 같은 블랙 박스로 구성되어 있다.

 

 

-VCC,VSS핀: PMU블록의 시스템 전원으로 VCC는 +15V, VSS는 -15V를 인가한다.

 

-VIN핀:  PMU블록에 인가하기 위한 전압으로 DAC으로 출력 전압을 생성하여 이 핀에 인가한다. 이 인가된 전압은

              FORCE_OUT으로 통해 LOAD에 인가된다.

 

-RSENSE+,RSENSE-핀: 인가된 전압으로 인가된 전류 설정을 위한 용도로 사용된다.

                                        이 시스템에서는 최대 ±250mA까지 설정할 수 있고, 이 범위내에서 SENSING 저항을 계산

                                        하여 사용한다.

 

-FORCE_OUT핀: DAC로 생성된 전압은 이 핀을 통해 출력된다.

 

-nGAIN_IN+,-nGAIN_IN-핀: VMSR_OUT핀의 출력 전압 Gain 설정을 위해 적절한 저항을 삽입하여 사용한다.

                                               PMU 블록 내부의 AMP입력이 10KΩ으로 연결되어 있으므로 nGAIN_IN+과

                                               nGAIN_IN- 사이에 20KΩ를 연결하면 x2배 증폭되어 출력된다.

 

-pGAIN_IN+핀: nGAIN_IN+와 nGAIN_IN-사이에 연결된 GAIN 저항과 동일한 값을 적용하고, 연결된 저항의

                          한쪽 PAD를 GND로 연결하거나 offset 전압(Voffset)을 인가하여 사용한다.

 

-VMSR_OUT핀: RSENSE 저항과 FORCE_OUT핀에 연결된 저항으로 흐르는 전류를 전압으로 읽는 핀이다.

                           VMSR_OUT=Gain저항 x ILOAD x RSENSE+Voffset의 계산식으로 정의된다.

 

-VOUT핀:  FORCE_OUT핀으로 인가되는 전압으로 RSENSE저항보다 FORCE_OUT에 연결된 LOAD 저항이 클

                  경우 VIN과 동일한 전압이 읽히고, RSENSE저항보다 LOAD 저항이 작을 경우는 다른 전압이 읽힌다.

 

3.이론

아래의 시뮬레이션 그림과 같이 VIN=1V, RSENSE 저항은 49.9Ω, RG1과 RG2는 각각 1KΩ를 연결하고 

RLOAD는 0.1Ω을 연결하여 VMSR_OUT과 VOUT을 측정을한다.

측정 결과는 VMSR_OUT=1.27V, VOUT=25.52mV, IL=253.53mA가 각각 읽힌다. 시뮬레이션상에서는 RLOAD를 알기 때문에 실제 알수 없는 부하를 어떻게 계산하는지에 대해서는 아래와 같은 식을 사용하여 계산한다.

VMSR=(GAIN x (ILOAD x RSENSE))+Voffset의 식이므로,

GAIN=내부 AMP 입력 저항이 10KΩ이고, 외부 GAIN저항을 1KΩ을 연결하였기 때문에 VMSR값은 x0.1배로 감쇠된다.

RSENSE저항은 49.9Ω을 연결하였고, Voffset은 0V이다. VMSR 계산을 위해 아래와 같은 식으로 ILOAD를 알아야 한다.

ILOAD= (VMSR/RSENSE)/GAIN=(1.27/49.9)/0.1≒0.2545mA로 계산된다(※.상기 블록에서 IL와 약간 차이가 나는 부분은 VMSR 값이 1.27V의 반올림값이기 때문, VMSR 상세값은 1.2658V이다.)

 

최종 RLOAD계산은 아래와 같은 식을 사용하여 계산한다.

RLOAD=VOUT/ILOAD=0.02552/0.2553=0.09996Ω 혹은 0.02552/0.2545=0.1002Ω이다.

 

다음 시뮬레이션 그림은 RSENSE 저항보다 큰 부하의 RLOAD가 연결되었을 때 VMSR_OUT과 VOUT을 보여 준다.

RG1과 RG2를 각각 20KΩ으로 연결하였다.

ILOAD=(VMSR/RSENSE)/GAIN=(0.00285/49.9)/2 ≒28.56uA의 출력 계산이 나온다.

RLOAD=VOUT/ILOAD=1.0016/0.00002856=32017.543Ω으로 실제 계산상과 이론상과 차이가 난다.

이는 실제 출력 전류 IL과 이를 리턴 받는 AMP자체의 Offset 전압으로 인해 나타나는 현상이다.

이러한 현상을 해결하기 위한 방법이 Calibration(교정)이다.

 

다음 시뮬레이션은 부하가 없는 상태에서 VMSR과 VOUT값을 보여준다.

VMSR=0.00084625이고, VOUT=1V, IL=0A이다. Ideal한 AMP는 VMSR값이 0V가 나와야 하지만, 아직은 세상에 0V가 나오는 AMP는 없고, 다만 0V에 가까운 낮은 Offset 전압을 가진 AMP들은 다양하게 있다. 더더욱이나 AMP하나를 사용하는게 아니라 여러 종류의 AMP를 조합하여 사용할 경우 더더욱 어렵다.

 이런 경우 Calibration 방법을 사용하여 측정한다.

부하기 없는 Open상태에서 각 RSENSE마다 각 Gain마다 VMSR값과 VOUT을 측정한다. OPEN상태에서 VOUT은 입력대비 출력이 1:1이기 때문에 의미는 없으나 내가 설정한 전압값이 정상적으로 들어가는지 혹은 정확하게 원하는 전압값이 들어가는지 읽어 보는 것도 괜찮은 방법중의 하나이다.

 

상기 시뮬레이션에서 49.9KΩ을 연결한 VMSR값과 OPEN상태에서 VMSR값을 먼저 뺀값을 VMSR_CAL이라고 정의하자.

VMSR_CAL=VMSR(49.9KΩ)-VMSR(OPEN)=0.00285-0.00084625=0.00200375

ILOAD=(VMSR_CAL/RSENSE)/GAIN=(0.00200375/49.9)/2 ≒20.07uA

RLOAD=VOUT/ILOAD=1/0.00002007=49825.61Ω의 교정된 저항값을 읽을 수 있다. 또한 각 Gain설정마다 RG2에 연결된 저항의 한쪽 PAD를 Voffset 전압을 걸어 빼거나 더해서 측정하는 방법이 있다.(다음 그림 참조)