스위치드 커패시터를 쓰는 1980년대 필터 칩 내부

AI 요약

오래된 Harris 집적회로(IC)에서 정체를 알 수 없는 부품을 발견한 뒤, 다이를 열어 현미경으로 분석했습니다. 칩 표면에서 정사각형 커패시터가 줄지어 있는 모습을 확인했고, 다이에 새겨진 HF-10 표기를 단서로 이 부품이 National Semiconductor MF10의 Harris판이라는 사실을 찾아냈습니다. MF10은 1981년 출시된 스위치드 커패시터 필터로, 한 칩에 두 개의 필터를 넣었습니다. 각 필터는 저역 통과, 대역 통과, 고역 통과 출력으로 구성할 수 있습니다.

커패시터로 저항을 구현하는 방법

스위치드 커패시터 회로는 클록의 두 위상에 맞춰 스위치를 번갈아 닫습니다. 첫 번째 위상에서는 커패시터를 입력 전압까지 충전하고, 두 번째 위상에서는 충전된 전하를 출력으로 옮깁니다. 전하가 반복해서 이동하면서 회로는 저항처럼 동작합니다. 등가 저항은 1/(fC)이며, 클록 주파수 f나 커패시턴스 C가 커질수록 저항은 작아집니다.

집적회로 안에서 큰 저항은 면적을 많이 차지하고 값도 부정확합니다. 커패시터와 클록으로 저항을 대신하면 칩 면적을 줄이고, 정확한 클록으로 필터 주파수를 제어할 수 있습니다. 클록 주파수를 바꾸면 필터 특성도 조절됩니다. 커패시터의 절대 용량은 제조 편차로 칩마다 약 20% 달라질 수 있지만, MF10은 커패시터 용량의 비율을 사용합니다. 다이 가운데에는 폴리실리콘 두 층으로 만든 커패시터 72개가 있으며, 같은 크기의 커패시터를 묶어 8:1 또는 16:1 비율을 만듭니다. 동일한 작은 단위를 조합하면 서로 다른 크기의 커패시터 사이 비율을 정밀하게 맞출 수 있습니다.

MF10의 필터 회로와 스위치

각 필터는 연산 증폭기(op amp) 세 개로 구성된 상태 변수 필터(State Variable Filter)입니다. 하나는 신호를 합산하고 나머지 둘은 적분합니다. 이 구성은 고역 통과, 대역 통과, 저역 통과 출력을 함께 제공하며 주파수와 이득, Q값을 각각 조정할 수 있습니다. MF10에서는 외부 저항으로 피드백 연결을 설정합니다. 다이의 위쪽과 아래쪽 회로는 두 필터에 대응하며, 각 필터의 출력은 세 연산 증폭기에서 나옵니다.

적분기의 입력 저항도 스위치드 커패시터로 대체합니다. 연산 증폭기의 피드백 커패시터는 스위칭하지 않으며, 다이의 커패시터 격자에서 8개 또는 16개 단위를 사용합니다. 이에 따라 클록 주파수와 필터 주파수의 비율을 50:1이나 100:1로 선택합니다. 스위치드 커패시터가 전압을 반전하는 회로도 활용합니다. 이 반전은 적분기의 반전과 상쇄되며, 기생 커패시턴스 일부를 상쇄해 필터 정확도를 높입니다.

CMOS 스위치는 NMOS와 PMOS 트랜지스터를 병렬로 묶어 만듭니다. NMOS는 출력을 낮추고 PMOS는 높이는 데 적합해, 두 소자를 함께 쓰면 양방향 신호를 전달하는 스위치가 됩니다. MF10은 두 스위치를 쌍으로 배치해 입력 A와 B를 번갈아 연결합니다. 스위칭 과정에서 생기는 잡음이 출력으로 번지는 일을 줄이려고 트랜지스터 주변에 서로 다른 전압의 절연 링을 두고, 접지된 폴리실리콘 층을 차폐막으로 씁니다.

클록과 세 단계 입력

두 스위치가 동시에 켜지면 입력 신호가 단락될 수 있으므로, MF10은 한 위상이 꺼진 뒤 다른 위상이 켜지도록 비중첩 클록을 만듭니다. 인버터 지연을 이용해 두 클록 위상 사이에 짧은 간격을 둡니다. 외부 클록 하나를 받아 스위치를 구동하는 네 개의 제어 신호를 생성합니다.

필터 비율을 고르는 핀은 고전압, 중간 전압, 저전압 세 가지 상태로 동작합니다. 고전압은 50:1, 중간 전압은 100:1을 선택하고 저전압은 필터를 멈춘 뒤 저전력 모드로 전환합니다. 칩은 전환 임계값이 서로 다른 두 입력 버퍼로 중간 전압을 구분합니다. 트랜지스터 게이트 길이를 다르게 설계해 각 버퍼가 중간 전압을 서로 반대 상태로 판별하게 합니다. 저전력 모드에서는 연산 증폭기 등에 고정 전류를 공급하는 전류 미러 회로를 멈춰 소비 전력을 70% 줄입니다.

MF10은 현재 필터링을 디지털 영역에서 처리하는 방식이 보편화되면서 예전만큼 널리 쓰이지 않습니다. 다만 상태 변수 필터는 하나의 회로에서 세 종류 출력을 얻고 특성을 조절하기 쉬워 신시사이저 분야에서 계속 사용됩니다.

원문: righto.com / 번역·요약: Trawling