인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

네, opamp를 먼저 standalone으로 설계한 뒤 symbol화해서 BGR top에 넣는 방식은 현업에서도 가장 일반적으로 씁니다. 오히려 그렇게 해야 opamp 단품 성능과 BGR loop 안에서의 시스템 성능을 분리해서 볼 수 있어서 디버깅이 훨씬 빨라져요. 커리큘럼 자체도 BGR 설계와 AMP 설계를 분리해서 다루고 있어서, opamp를 별도 블록으로 보고 계층적으로 조립해보는 접근은 자연스럽습니다.

다만 여기서 많이 실수하는 지점이 하나 있어요. “동작하는 opamp”와 “BGR 안에서 제대로 쓰이는 opamp”는 다릅니다. BGR 내부 입력 common-mode는 보통 Vbe 근처라서 0.6 V ~ 0.9 V 근방에 걸리는 경우가 많고, 출력은 mirror gate나 bias node를 충분히 밀고 당겨야 해서 swing 여유가 생각보다 빡빡합니다. 그래서 standalone opamp가 AC gain 70 dB 이상, PM 60 deg 이상으로 예쁘게 나와도, BGR 안에 넣으면 입력 CM range 부족이나 출력 swing 부족 때문에 저온 SS corner에서 아예 수렴이 꼬이거나 startup 실패가 납니다. 설계 순서는 opamp 단품 검증 후 symbol화까지는 맞는데, 그 다음에는 반드시 BGR 내부 노드 기준으로 다시 DC operating point, loop stability, startup, line regulation, PSRR까지 재검증해야 합니다.

offset은 보통 생각보다 훨씬 직접적으로 Vref 오차로 들어옵니다. 아주 단순하게 보면 opamp가 원래 강제로 맞춰야 할 두 노드를 0 V 차이가 아니라 Vos만큼 차이 나게 만드는 셈이어서, PTAT current가 Iptat = (DeltaVbe + Vos)/R처럼 바뀝니다. 그러면 Vref는 대략 Vref = Vbe + K*(DeltaVbe + Vos) 형태가 되고, 결국 DeltaVref ~= K*Vos로 보시면 감이 빨라요. 예를 들어 BGR의 PTAT scaling factor K가 8~12 수준이면 opamp input-referred offset이 1 mV만 있어도 Vref 오차가 8~12 mV까지 바로 들어올 수 있습니다. 1.2 V reference 기준으로 보면 약 0.67%~1.0%라서, trim 없는 구조에서는 절대 가볍게 볼 수준이 아니에요.

그래서 BGR용 opamp는 “일반 purpose opamp”처럼 만들기보다 “low-offset error amplifier”에 가깝게 잡는 편이 맞습니다. 실무에서는 open-loop gain보다 먼저 offset, input pair matching, CM range, output swing, startup interaction을 봅니다. gain은 60 dB 이상이면 기본은 되지만, precision 쪽으로 가면 70~80 dB 이상을 선호하는 경우가 많고, offset은 pre-layout에서 0.5 mV 이하로 눌러놓고 Monte Carlo mismatch까지 봐서 3sigma 기준 몇 mV가 Vref에 반영되는지 확인합니다. 특히 Vos temp drift가 5 uV/degC만 되어도 K=10이면 Vref drift contribution이 50 uV/degC가 되니까, 1.2 V 기준 약 42 ppm/degC가 추가됩니다. 온도계수 20 ppm/degC대 목표를 잡는 구조라면 이게 치명적일 수 있어요.

offset 보완은 보통 순서가 있습니다. 처음부터 chopper나 auto-zero를 떠올리기보다, 먼저 input pair와 active load의 mismatch를 줄이는 쪽이 훨씬 현실적입니다. 입력쌍 면적을 4배 키우면 랜덤 mismatch sigma는 대략 1/2 수준으로 줄어드는 방향이라서, 면적 몇 천 um^2 늘리는 대가로 수 mV 오차를 잡는 경우가 많아요. 여기에 L을 조금 늘려 1/f noise와 mismatch를 동시에 완화하고, 좌우 배선 저항과 contact 수를 맞춰 systematic offset까지 줄여야 합니다. BGR은 회로도만 대칭이라고 끝나는 게 아니라, 라우팅 기생과 IR drop이 한쪽에만 1~2 ohm 생겨도 미세한 전류 불균형이 offset처럼 보일 수 있어서 layout 영향이 꽤 큽니다.

그 다음 카드가 trim입니다. 양산까지 생각하면 이게 제일 현실적이에요. resistor ratio trim이나 PTAT/CTAT current trim을 넣어서 초기 정확도를 보정하는 방식이 보편적입니다. 예를 들어 untrimmed 오차가 ±15 mV 정도 예상되면 trim range를 ±20 mV 정도 확보하고, 6 bit trim이면 step이 대략 40 mV/64 = 0.625 mV 수준이라서 꽤 쓸 만합니다. 반대로 trim 없이 회로만으로 0.1%급 정확도를 만들겠다고 하면, 공정 mismatch와 패키지 스트레스까지 고려했을 때 개발 일정이 급격히 늘어나는 경우가 많아요. 실무에서는 성능과 일정이 충돌하면, low-offset 설계 + modest trim으로 가는 판단을 자주 합니다.

chopper나 auto-zero는 분명 offset 저감 효과가 좋지만, BGR에서는 늘 정답은 아닙니다. clock이 추가되면서 ripple, spur, charge injection, startup interaction이 생기고, always-on bias block에 디지털 클록을 넣는 순간 노이즈 경로가 하나 더 열립니다. 저전력 PMIC나 일반 SoC housekeeping BGR에서는 오히려 구조 단순화와 trim이 더 나은 선택인 경우가 많아요. 정말 초정밀 reference가 필요해서 initial accuracy와 low-frequency drift를 아주 강하게 눌러야 할 때만 검토하는 편이 안전합니다.

개인적으로는 opamp를 BGR에 넣을 때 먼저 “offset 민감도”를 숫자로 뽑아보시는 걸 권합니다. 시뮬레이션에서 opamp 입력 한쪽에 작은 dc source를 직렬로 넣고 Vos = -2 mV, -1 mV, 0, +1 mV, +2 mV로 sweep해 보세요. 여기서 dVref/dVos가 몇 V/V인지 바로 나옵니다. 이 값이 9 V/V인지 15 V/V인지에 따라 설계 방향이 완전히 달라집니다. 10 V/V 이상이면 low-offset layout과 trim 없이 밀어붙이기 어렵고, 3~5 V/V 수준이면 구조적으로 offset에 덜 민감한 편이라 훨씬 편해집니다. 이걸 먼저 알아야 opamp offset spec을 200 uV로 잡을지 1 mV로 잡을지 감이 생겨요.

그리고 BGR용 opamp는 안정도도 일반 증폭기와 보는 포인트가 조금 다릅니다. BGR loop 안에는 저항, BJT 또는 parasitic PNP, current mirror, startup branch가 다 얽혀 있어서, 단품 opamp PM이 70 deg여도 top-level loop PM이 40 deg 아래로 떨어지는 경우가 있습니다. 특히 post-layout에서 high-impedance bias node에 100 fF ~ 500 fF만 더 얹혀도 pole 위치가 크게 움직입니다. 그래서 symbol화 후에는 opamp를 믿지 말고, BGR top에서 loop break 걸어서 다시 gain/phase를 보는 게 맞아요.

한 줄로 정리하면, opamp를 설계해서 symbol로 넣는 건 맞는 방향이고, offset 보완은 “저오프셋 구조 + matching 강화 + layout 대칭 + trim” 순서로 푸는 게 가장 실무적입니다. chopper는 마지막 카드에 가깝고, 먼저 해야 할 일은 BGR 구조에서 DeltaVref ~= K*Vos가 몇 배인지 뽑아보는 것입니다. 그 숫자 하나만 잡혀도 지금 opamp를 계속 써도 되는지, 입력쌍을 키워야 하는지, trim을 넣어야 하는지가 바로 보일 거예요.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. DO DO님.

BGR 설계 시 OPAMP를 사용하여 성능을 개선할 수 있는가에 대한 질문을 주셨네요.

OPAMP와 BGR 설계

1. OPAMP 사용 이점:

   • OPAMP를 BGR 설계에 포함시키는 것은 전류 및 전압 제어를 보다 정밀하게 할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 전반적인 기준 전압의 정확도 향상, 온도 보정 특성 개선 등의 다양한 이점을 얻을 수 있습니다.
     

2. Symbol 사용:

   • OPAMP를 설계한 뒤 Symbol화하여 BGR 회로 내에 포함시키는 것은 매우 일반적인 접근 방식입니다. 이렇게 하면 전체 회로가 단순화되어 이해와 수정이 용이해집니다.
     

3. Offset 문제 보완:

   • OPAMP는 제조 공정 변동이나 불균형으로 인해 Input Offset Voltage가 발생할 수 있습니다. 이를 보완하기 위해 여러 가지 방법이 사용됩니다:
     
     • 싱글스테이지 디자인: 최소한의 게인을 가진 싱글스테이지 디자인을 활용하여 오프셋을 줄일 수 있습니다.
       
     • 오프셋 캔슬링 기술: 다단 OPAMP의 경우, 오프셋 캔슬링 회로를 도입하여 보정하는 방법이 있습니다.
       
     • Autozeroing 기법: 준정밀한 디자인에서는 Autozeroing을 통해 주기적으로 오프셋을 측정하고 이를 보정하는 방법도 고려해볼 수 있습니다.
       

아래 링크에서 유사한 주제에 관한 답변을 찾을 수 있습니다. 도움이 되실 것 같습니다:
- BGR 설계 시 OPAMP 사용 및 오프셋 보완 방법

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