블로그 포스팅

사물인터넷과 웨어러블의 보급으로 고감도 센서에 대한 니즈 높아져

독립형 포터블 디바이스나 개인용 전자기기 등 사물인터넷(IoT)과 관련된 수많은 애플리케이션들이 등장하고 있으며, 이에 따라 차세대 인텔리전트 센싱 및 측정에 대한 필요도 점점 커지고 있다. 이런 애플리케이션들은 공통적으로 높은 감도를 필요로 하며, 매우 낮은 전류를 감지할 수 있어야 하고, 대부분 배터리로 동작하기 때문에 전력 소모도 최소화해야 하며, 초소형 폼팩터여야 한다. 또한 많은 첨단 센서와 측정 장치들이 출력 신호로 매우 낮은 전류를 발생시킨다. 이 출력 신호들은 최종적으로 디지털 처리되어야 하는데, 그 전에 우선 낮은 전류 신호는 전압 지향성(voltage-oriented) 신호로 증폭 및 변환되어야 한다. 그 후에 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 처리하고 프로세서로 출력한다. 이 경우 프로세서는 대부분 마이크로컨트롤러(MCU)이다.

대부분의 기성 연산 증폭기(op-amp)는 이런 첨단 센서들이 발생시키는 저전류 출력 신호를 증폭하거나 변환하지 못하기 때문에, 이러한 애플리케이션에는 트랜스임피던스 증폭기(TIA, transimpedance amplifier)를 사용하는 것이 가장 적합하다 그런데 안타깝게도 많은 디스크리트 TIA가 높은 입력 누설 전류 때문에 전압 신호로 증폭하고 변환할 수 있는 전류의 한계를 낮게 설정하고 있다.

예를 들어 대부분의 표준 TIA는 입력 누설 전류가 대략 5nA이다. 따라서 센서의 출력 전류가 5nA보다 작으면 이러한 표준 TIA를 사용해서 변환하거나 증폭할 수 없다는 뜻이 된다. 마이크로컨트롤러에서 누설을 낮추는 방식으로 TIA를 최적화하면 이 딜레마를 해결할 수 있다. 만약 50pA만큼 낮은 누설을 달성할 수 있다면 TIA의 입력 누설 전류를 100배로 향상시킬 수 있다. 여기에 저전류 출력 신호를 발생시킬 수 있는 센서를 결합해 매우 작은 양의 전류까지도 모니터링할 수 있는 지능적인 고감도 센싱 서브시스템을 달성할 수 있다. 그러면 센서가 아주 작은 양의 파라미터 변화까지도 감지하고 센서의 출력 전류에 섬세한 변화를 줄 수 있다. 즉, 센싱 서브시스템이 그 어느 때보다 민감해질 수 있게 되었다.

이와 같은 MCU + TIA 솔루션은 다양한 애플리케이션에 유용하게 사용할 수 있다. 연기 감지기나 일산화탄소 및 이산화탄소를 감지하는 유독가스 감지기 등의 환경 센싱 시스템은 공기 중에 아주 미량의 연기나 일산화탄소에도 민감하게 반응할 수 있게 된다. 물론 이 MCU + TIA 기술은 빌딩 자동화 시스템 내에서 다른 애플리케이션과 결합하는 것도 가능하다. 예를 들어서 스마트 온도조절기로 온도와 습도를 모두 모니터링 하거나, 무선 스위치로 실내 조명이 소모하는 전력을 모니터링하고 제어할 수 있다. 스마트 워치나 피트니스 활동 트래커 같은 웨어러블 기기에도 센싱 서브시스템을 도입할 수 있다. 예를 들어 피부가 민감한 사용자라면 자외선 수치를 감지해 일광화상을 방지할 수 있는 스마트워치가 나온다면 유용할 것이다. 또한 배터리로 동작하는 기기들이 많아지면서 전력 모니터링이 갈수록 더 중요해지고 있다. MCU + TIA 기반 솔루션은 배터리에서 나오는 전류를 센싱하고, 배터리의 잔량을 측정하고, 배터리를 충전해야 할 때 이를 사용자에게 알려줄 수 있다.

이 외에도 애플리케이션을 적용할 수 있는 범위는 방대하다. 만약 TIA가 통합된 MCU를 애플리케이션에 고려 중이라면 TI의 MSP430FR2311 MCU를 추천한다.

추가 정보: