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2016년 대한민국학술원 우수학술도서



에이콘 임베디드 시스템 프로그래밍 시리즈. 오늘날 아날로그 회로와 시스템의 설계는 예전보다 한층 중요해졌다. 디지털 시스템, 무선 통신, 복잡한 산업용과 자동차용 시스템 등이 발전함에 따라 설계자들은 정밀한 아날로그 해법을 개발해야 하는 도전에 직면했다.



이 책은 다양한 회로 설계에 대한 해법을 제시하고, 공통적인 회로 설계의 어려움을 중심으로 한 실제적이고도 우수한 설계 기법을 설명함으로써, 시스템 설계자들에게 도움이 되게 했다. 독자들은 이 책에 나오는 실전 사례에 대한 자세한 내용을 통해 회로의 설계와 응용 해법에 대한 통찰을 이해하고 난해한 실제 문제에 적용할 수 있다.



선형 아날로그 회로와 시스템의 기본을 다룸으로써 엔지니어의 설계 문제 해결에 방향을 제시하고, 고성능 아날로그 제품 설계의 선두 주자인 리니어 테크놀로지 사의 응용 지침서에 바탕을 두고 서술했으며, 독자들은 이를 통해 설계 테크닉과 과정에 대한 실제적인 통찰을 얻을 수 있다.

★ 요약 ★



오늘날 아날로그 회로와 시스템의 설계는 예전보다 한층 중요해졌다. 디지털 시스템, 무선 통신, 복잡한 산업용과 자동차용 시스템 등이 발전함에 따라 설계자들은 정밀한 아날로그 해법을 개발해야 하는 도전에 직면했다. 이 책은 다양한 회로 설계에 대한 해법을 제시하고, 공통적인 회로 설계의 어려움을 중심으로 한 실제적이고도 우수한 설계 기법을 설명함으로써, 시스템 설계자들에게 도움이 되게 했다. 독자들은 이 책에 나오는 실전 사례에 대한 자세한 내용을 통해 회로의 설계와 응용 해법에 대한 통찰을 이해하고 난해한 실제 문제에 적용할 수 있다.



★ 이 책에서 다루는 내용 ★



■ 선형 아날로그 회로와 시스템의 기본을 다룸으로써 엔지니어의 설계 문제 해결에 방향을 제시한다.

■ 고성능 아날로그 제품 설계의 선두 주자인 리니어 테크놀로지 사의 응용 지침서에 바탕을 두고 서술했으며, 독자들은 이를 통해 설계 테크닉과 과정에 대한 실제적인 통찰을 얻을 수 있다.

■ 전력 관리, 스위칭 레귤레이터 설계, 선형 레귤레이터 설계, 데이터 변환기, 신호 조절, 고주파/RF 설계 등의 광범위한 주제를 다룬다.

■ 로버트 돕킨, 짐 윌리엄스, 칼 넬슨 등 아날로그 설계의 전문가들이 편저에 참여했다.



★ 편저자 서문 ★



아날로그와 디지털의 기본적인 차이는 '정보'에 있다.



디지털 정보의 출력은 항상 일정하다. 1과 0의 조합이 정보를 나타낸다. 이 정보는 공급 전압이나 정보를 생성하는 회로와는 상관이 없다. 아날로그에서 출력 정보는 기본적으로 전기적 값(전압, 전류, 전하)이고, 항상 실제 회로의 변수들과 연관돼 있다. 아날로그에서는 해법에 도달하기 위한 방법이 해법의 수준을 결정한다. 온도, 잡음, 지연, 시간 안정도 같은 오차 등이 모두 아날로그 출력에 영향을 주고, 모두 출력을 생성하는 회로의 함수다. 따라서 아날로그 회로는 생각하기가 꽤나 어렵고 경험과 회로 설계 재능을 필요로 한다.



많은 시스템에서 IC와 ASIC이 많이 사용되고 있기 때문에, 엔지니어에게 아날로그 설계를 가르치기 위한 적당한 아날로그 예를 찾는 일은 점점 힘들어지고 있다. 공학 분야에서 기본적인 소자의 단자 특성과 회로의 조립 지식을 가르치기는 하지만, 이는 제품 회로를 설계하거나 최신 IC 설계 기법을 적용하는 데에는 적합하지 않다. 최신 시스템의 아날로그 회로들은 원 설계자의 도움이 없이는 이해하기가 힘들다. 복잡한 아날로그 시스템을 설계하는 능력은 과거에 이룬 것에서부터 배울 수 있는 엔지니어의 능력에 달려있다.



아날로그 설계를 배우는 가장 좋은 방법 중 하나는 아날로그 집적 회로를 공급하는 회사의 응용 지침서와 정보를 이용하는 것이다. 응용 지침서에는 회로도, 측정 결과, 아날로그 회로 설계 시의 기본 결정 과정 등이 나와 있다. 이 내용들은 새로운 설계를 만드는 바탕이 된다.



응용 지침서들은 문제를 해결하는 데 초점을 맞추고 있으므로, 응용 지침서들을 보면서 Spice로 회로를 시뮬레이션하는 것은 엔지니어의 학습에 큰 도움이 된다. 응용 지침들의 아날로그 정보들은 지속성을 갖고 있으며, 20년이 지나도 지금과 동일하게 유용할 것이다. 이 책을 읽는 독자는 좋은 아날로그 설계를 위한 과학적인 접근과 기술을 통해 도움을 얻기 바란다.

- 로버트 돕킨(Robert Dobkin) / 리니어 테크놀로지 사((Linear Technology Corporation)의 공동 설립자, 엔지니어링 부사장 겸 CTO





회로 응용을 만드는 이유



회로 응용 서적을 시작하는 질문치고는 다소 이상해 보일지도 모르겠다. 하지만 이 책을 출판하기로 결정한 요인들은 살펴볼 만한 가치가 있다.



아날로그 회로 응용을 개발하는 것은 집중적이고 광범위한 노력을 요구한다. 가치 있는 응용을 개발하려면 비용이 많이 들고 엔지니어링 시간과 돈을 상당히 써야 한다. 또한 이 시간과 돈을 제품 개발로 돌리면 회사 재정에는 훨씬 쉽게 기여할 수 있다.



이런 우려에도 불구하고 잘 정리된 응용을 만들기 위한 노력은 필요하다. 특히 아날로그 회로 설계는 성격상 다양하고 복잡하며 사용자의 요구 사항이 많아서, 설계자들은 늘 도움이 필요하고 이를 환영한다. 궁극적으로 아날로그 IC의 사용은 당면한 문제를 해결하는 사용자의 능력과 관련이 있다. 특정 경우든 일반적인 경우든, 이와 같은 능력을 향상시키는 일은 모두에게 분명히 이로운 일이다.



이는 간단하면서도 중요한 점이고 모든 응용 개발의 기본이다. 간헐적으로 새로운 제품 아이디어가 떠오르기도 하고 '실제 상황'에서 제품을 테스트하는 방법을 발견하는 부가적인 면이 있기도 하지만 기본적인 목적은 앞에 설명한 바와 같다.



전통적으로 응용 개발은 특정 제품을 성공적으로 사용하기 위한 여러 고려 사항들을 살펴보는 것에서 시작한다. 또한 기본 회로의 예나 개념들이 제시되기도 한다. 이 방법은 유용하지만 여기서 더 확장할 수도 있다. 이 책에 포함된 응용들은 사용자의 실제 설계와 유사한 시스템 기반의 상세 회로들을 중점적으로 다룬다. 또한 많은 기본 내용들이 본문 중간 중간에 설명과 그림으로 포함돼 있다. 간단한 회로 동작을 설명만 하기보다는, 타협 사항, 옵션, 기법 등을 강조했다. 많은 응용 노트에 부록을 추가해서 관련된 주제를 살펴봤다. 이런 방식은 독자들이 제시된 회로들을 특정 문제의 해결책으로 응용할 수 있는 기반을 제공한다.



회로의 예들은 다음을 고려했다. 이 책에서 제시된 회로들은 상대적으로 간단한 것도 있고, 매우 복잡한 것도 있다. 최신 제품의 기능과 사용자의 요구를 반영해 고성능을 강조했다. 이 책에 회로들을 실은 주된 목적은 독자들에게 동기 부여를 일으키는 것이고, 독자가 사고하기 시작한다면 그 목적은 충분히 달성된 것이다.



많은 노력을 들여 회로들을 만들고 설명했지만, 이 회로들이 최상의 완성품이라고 할 수는 없다. 모든 회로는 시제품 수준에서 기판으로 만들어져 실험실에서 측정됐다. 본문에 나온 규격과 성능 값들은 시제품 기판에서 측정되거나 예측된 값이다. 회로 응용의 방대한 내용에 제품 양산을 위한 최악의 경우에 대한 검토나 허용치 분석을 적용할 수는 없다.



이 책은 방대하지만 검토한 내용의 일부에 불과하다. 각고의 노력을 들여 내용을 선택했다. 여기 나온 주제들은 다양한 사항들을 고려해 선택한 결과다. 독자의 관심도, 출판의 적합성, 시간과 공간의 제약, 도서 가치의 지속성 등을 고려했다. 또한 지침서가 최소 10년 동안 유효할지를 고려했다. 이로 인해 특수한 경우의 예는 대부분 제외했다. 독자의 장기적인 이해에 맞는 광범위한 주제들의 소개와 설계를 강조했다. 제시된 회로들은 상용 제품을 사용하고 있지만 개념적으로 향후의 제품에도 적용될 수 있다. 이 때문에 초판 이후 수년이 지난 후에도 일부 응용 내용은 아직도 매우 유용하다.



회로 응용에 대한 기술은 주어진 문제를 즉시 해결하기 위해 완벽하고 상호 연관성이 높게 접근해야 했다. 문제 해결이 독자의 중요한 목적이기 때문이다. 이런 목적에 부합하는 기기와 방법들을 우선적으로 선택해 포함시켰다. 이런 이유로 다양한 사례와 그에 따른 설명은 최대한 완전하고 실제적으로 구성돼 있다. 따라서 우리와 이해관계가 없는 분야에도 상당한 노력을 들였고 22장의 소프트웨어나 6, 7장을 위해 개발된 자성체가 이에 해당한다.



모든 출판물에서 출판의 완성도는 분명히 중요하다. 높은 완성도의 응용 지침서는 회로가 주의 깊게 설계되어야 하고, 상세한 실험실 기법이 제시되어야 하며, 설명이 완전해야 한다. 본문과 그림은 신중하게 구성되고 시각적으로 편하고 읽기 쉽게 제시돼야 한다. 인쇄 상태도 양호해서 글과 그림이 명료하게 읽혀야 한다.



또한 응용 지침서는 효율적이어야 한다. 효율적으로 작성된 지침서는 독자가 원하는 정보를 빠르고 바로 이해할 수 있는 형태로 얻을 수 있게 한다. 지적인 욕구를 만족시킬 만큼 충분한 깊이가 있어야 하지만, 독자가 핵심을 알기 위해 매우 학구적인 접근을 해야 한다고 요구해서도 안 된다. 무엇보다도 유용한 정보를 명료하고 빠르게 전달하는 것이 주목적이다.



마지막으로 글의 문체도 중요하다. 다시 말해, 책은 읽기 편해야 한다. 잘 쓰인 책은 심리적으로 편안함을 준다. 하지만 저자의 문체 또한 출판의 주된 목적에 도움이 돼야지 남용돼서는 안 된다. 저자들은 적절한 균형을 지키려고 노력했다.



이 책의 모든 저자에게 향후의 모든 찬사를 돌린다. 생각의 방향, 내용의 선정, 오류, 누락 등의 모든 잘못에 대한 책임은 전적으로 우리 편저자들의 몫이다.

- 짐 윌리엄스(Jim Williams) / 리니어 테크놀로지 사의 수석 과학자

I부 전력 관리

I-1부 전력 관리 지침

1장 세라믹 입력 캐패시터에 의한 순간 과전압

2장 선형 레귤레이터 출력에서 스위칭 레귤레이터의 잔여 성분 최소화

3장 노트북과 팜탑 시스템의 전력 조정

4장 전압 레귤레이터를 위한 2선 가상 원격 조정



I-2부 스위칭 레귤레이터 설계

5장 LT1070 설계 매뉴얼

6장 시인들을 위한 스위칭 레귤레이터

7장 스텝다운 스위칭 레귤레이터

8장 100μV 출력 잡음을 갖는 단석 스위칭 레귤레이터

9장 고집적 DC/DC 마이크로모듈 레귤레이터 시스템을 이용해 복잡한 FPGA 기반 시스템 구동

10장 고집적 DC/DC 마이크로모듈 레귤레이터 시스템을 이용해 복잡한 FPGA 기반 시스템 구동

11장 스위칭 레귤레이터의 다이오드 켜짐 시간에 따른 고장



I-3부 선형 레귤레이터 설계

12장 저잡음 저전압 강하 레귤레이터의 성능 검사 (12)



I-4부 고전압 고전류 응용

13장 스텝업 변압기 설계에서 기생 캐패시턴스의 영향

14장 고전류 응용을 위한 고효율, 고집적 다상 레귤레이터



I-5부 레이저와 광소자의 전력 공급

15장 초박 LCD 후면 광 인버터

16장 광섬유 레이저용 열전 냉각기 온도 조절 장치

17장 광섬유 레이저용 전류 공급원

18장 애벌란시 광다이오드의 바이어스 전압과 전류 감지 회로



I-6부 자동차용과 산업용 전력 설계

19장 적층 배터리 전압 측정의 개발



II부 데이터 변환, 신호 선처리와 고주파

II-1부 데이터 변환

20장 트랜스듀서 출력의 직접 디지털화 기법

21장 고성능 ADC의 관리와 사용법: 가격에 상당하는 모든 비트를 얻어내기

22장 표준 실험실용 0.1ppm/°C의 20비트 DAC

23장 델타 시그마 ADC 브리지 측정 기법

24장 단일 칩 18비트 DAC의 1ppm 수렴 시간 측정



II-2부 신호 선처리

25장 측정기기용 스위치드 캐패시터 구성 블록의 응용

26장 새로운 쵸퍼 안정화 연산 증폭기의 응용문제와 회로

27장 5V 단일 전원에서 동작하는 선형 회로의 설계

28장 측정기기용 저주파 통과 필터의 응용 사항

29장 신호 선처리를 위한 미소 전력 회로

30장 열전대 측정

31장 스위치드 캐패시터 필터의 신비를 벗기자

32장 브리지 회로

33장 고속 증폭기 기술

34장 단일 전원 동작을 하는 7나노초 비교기

35장 기준전압 회로의 이해와 응용

36장 단석 발진기의 측정기기 응용

37장 광대역 증폭기의 슬루율 검증

38장 RMS→DC 변환기를 사용한 측정기기 회로

39장 저잡음 전압 기준용 775나노볼트 잡음 측정



II-3부 고주파/RF 설계

40장 LT5528 WCDMA ACPR, AltCPR과 잡음 측정

41장 I/Q 변조기에서 위상과 지연 오차를 정확하게 측정