[첨단 헬로티]
가까운 미래에, 1조 개 이상의 센서가 전 세계에서 사용되며, 이러한 센서가 검출한 데이터를 유효 활용함으로써 전세계적 사회 문제를 해결한다는 ‘트릴리온 센서 시대’가 올 것으로 전망되고 있다. 현재, 전 세계의 많은 기업이 이러한 트릴리온 센서 시대를 실현하기 위한 전략을 강화하고 있다.
설계 난이도가 높은 AFE
트릴리온 센서 시대를 실현하기 위해서는 다양한 전자기기에 센서를 탑재할 필요가 있다. 스마트폰 및 태블릿 단말기, 웨어러블기기, 민생기기 및 FA 기기, 의료기기, 전력 그리드 기기, 자동차 등에 탑재해야 한다. 또한, 데이터 취득을 목적으로 하는 IoT (Internet of Things) 단말기에도 센서를 탑재해야 한다.
여기에서 문제가 되는 것은 이러한 센서를 전자기기에 탑재하는 설계 작업이다. 일반적으로 센서의 출력은 미세한 아날로그 신호이다. 이는 압력 센서, 온도 센서, 가속도 센서, 광 센서, 자기 센서 등 모두 동일하다. 따라서, 어떠한 센서를 사용하든지 출력을 그대로 마이컴으로 전달할 수는 없다. 센서의 출력을 OP Amp 등에서 증폭하고 필터를 통해 파형을 조정하여, A-D 컨버터를 통해 디지털 신호로 변환한 후, 마이컴으로 전달할 필요가 있다. 이러한 회로를 ‘아날로그 프론트 엔드(Analog Front End / AFE）’라고 한다.
이러한 아날로그 프론트 엔드의 설계는 매우 까다롭다. 탑재하는 센서의 특성을 파악하고, 최적의 앰프 IC 및 필터 IC, A-D 컨버터 IC 등을 선택하여 회로 전체의 구성을 결정한다. 그리고 프린트 기판의 레이아웃을 설계하여 조립하고, 마지막으로 설계를 검증해야 한다. 이 때, 원하는 특성을 얻지 못했다면, 처음부터 다시 설계를 실시해야 한다.
뿐만 아니라, 센서로부터 출력되는 아날로그 신호는, 그 종류에 따라 달라진다. 전압 진폭이 달라지면, 주파수 특성 및 노이즈 특성, 출력 임피던스 등도 달라진다. 센서에 따라서는 아날로그 전압 출력이 아니라, 아날로그 전류 출력인 것도 있다. AFE 설계자는 이러한 출력 특성을 충분히 파악해야 하므로, 설계 난이도가 매우 높다고 할 수 있다.
문제는 설계 난이도뿐만이 아니다. 애초에 AFE를 설계할 수 있는 아날로그 회로 설계자가 없는 기업도 적지 않다. 전자기기의 디지털화에 따라, 업계에서는 아날로그 회로 설계자가 급감하고 있기 때문이다.
1개의 IC로 다양한 센서에 대응
이러한 문제를 해결하지 않으면, 트릴리온 센서 시대는 결국 암초에 부딪치게 될 것이다. 로옴은 이러한 문제에 대한 해결책으로서, 다양한 센서에 적용 가능한 아날로그 프론트 엔드 (AFE） IC 「센서 AFE FlexiblePlatformTM」를 개발했다. IC의 형명은 「BD40002TL」이다.
이 IC는 계장 앰프 (Instrumentation Amplifier) 및 OP Amp, A-D / D-A 컨버터, 콤퍼레이터 등의 아날로그 회로 블록과 더불어, 측정 결과의 평균화 처리 및 온도 보정과 같은 수치 연산을 담당하는 마이컴이나, FPGA 등의 디지털 회로 블록을 집적한 것이다. 사용하는 센서에 따라, 아날로그 회로 블록의 조합을 자유롭게 선택할 수 있다. 즉, 전압 진폭 및 주파수 특성, 노이즈 특성, 출력 임피던스 등의 특성이 다른 센서라도, 이 IC 하나로 대응이 가능하다. 예를 들어, 출력전압의 진폭은 0~+5V에 대응한다. 단, 대응하는 센서는 아날로그 전압 출력 제품으로 한정된다. 아날로그 전류 출력 제품에는 사용할 수 없으므로, IC 외부에서 전류전압을 변환하여 접속할 필요가 있다.
이 IC를 채용했을 때 얻을 수 있는 최대의 효과는, 개발 기간의 단축이다. 아날로그 블록 및 디지털 회로 블록 설정에는 로옴이 제공하는 GUI 툴 「RapidMakerTM」를 사용할 수 있다. 이 IC와 GUI 툴을 사용하면, 디스크리트 부품을 사용하여 구성한 경우보다 개발 기간을 대폭 단축할 수 있다.
그 밖에도, 실장 면적의 대폭적인 삭감이 가능하다. 디스크리트 부품을 사용하는 경우에 비해, 실장 면적을 크게 저감할 수 있다. 또한, 단순히 부품 비용만 비교할 경우에는 비용 면에서 증가하는 것 같지만, 설계 비용이나 인건비 등을 고려하면, 매우 큰 메리트를 제공할 수 있다.
글 / 문동수 로옴 세미컨덕터 코리아 테크니컬 센터 책임연구원
