아날로그 프론트 엔드란?
아날로그 프론트 엔드는 센서 등의 신호를 감지하는 장치와 디지털 신호 처리 장치를 연결하는 아날로그 회로 세트입니다.
Analog Front End의 머리글자를 따서 AFE라고 부르기도 합니다. 또한, 아날로그 프런트엔드의 주요 역할은 센서에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 회로와 연결하기 위해 조정하는 역할을 하기 때문에 신호 조정 회로라고 부르기도 합니다.
센서 등에서 감지한 아날로그 신호는 매우 약하고 잡음 성분이 많이 포함되어 있는 경우가 많기 때문에 이 아날로그 신호의 노이즈 제거, 증폭 등의 조정이 필요합니다.
아날로그 프론트 엔드의 사용 용도
아날로그 프론트 엔드의 사용 용도는 각종 센서 모듈의 제어에 사용됩니다.
현재를 흔히 IoT 시대라고 부르는데, 수많은 센서 모듈 중에서도 IoT 센서 모듈은 IoT 시대에 중요한 역할을 합니다. 기본적인 시스템 구성은 물리현상을 아날로그 값으로 센서를 통해 감지하고, 이를 디지털 신호로 변환한 후 마이컴으로 디지털 처리한 후 무선통신칩으로 클라우드에 업로드하는 흐름입니다.
이 구성에서 센서, 무선통신칩과 함께 중요한 역할을 하는 것이 아날로그 프런트엔드인데, IoT 센서 모듈의 성능을 높이기 위해서는 센서의 특성을 최대한 살리면서 디지털 처리를 할 수 있도록 AFE를 적절히 설계해야 합니다.
아날로그 프론트 엔드의 원리
아날로그 프론트 엔드의 원리는 센서 출력값의 아날로그 정보와 디지털 회로를 정확하게 연결하기 위한 각종 회로적인 궁리에 있습니다. 구체적으로, 일반적인 센서 출력은 노이즈가 많고 신호 자체가 미약하기 때문에 노이즈 제거 및 신호 증폭을 위한 필터와 증폭기를 사용해야 합니다. 필요한 회로는 AFE에 집적된 후 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하기 위한 A/D 컨버터와 일체화됩니다.
A/D 컨버터는 델타 Σ 변조를 이용한 타입이 일반적으로 사용되며, 회로 규모는 취급하는 데이터 양에 따라 16bit에서 32bit 정도까지가 일반적입니다. 증폭기 회로에는 계측 증폭기, 연산 증폭기, 트랜스 임피던스 증폭기 등이 있으며, 광범위한 센서 신호의 조정을 위해 여러 단계의 스위칭 기능이나 이득 조정 기능 등을 가지고 있습니다.
AFE 자체는 SPI 등의 시리얼 통신 제어를 위한 디지털 회로로 동작해야 하며, 이를 위한 시리얼 인터페이스용 디지털 회로도 구비되어 있습니다.
아날로그 프론트 엔드의 기타 정보
반도체 칩은 고성능인 경우가 많으며, 아날로그 프론트 엔드에는 자유도가 높은 디스크리트 제품부터 많은 기능을 집적한 집적형 제품까지 있습니다. 여러 기능이 집적되어 있으면 비교적 편리하게 사용할 수 있습니다.
집적도가 높은 아날로그 프론트 엔드 칩은 아날로그 프런트엔드를 압력센서, 온도센서 등에 집적시킨 것 등 고기능의 제품도 많이 출시되고 있습니다. 앰프나 A/D 컨버터 등을 하나의 칩에 집적하고, 센서 소자의 특성에 따라 AFE부의 특성이나 전류원의 특성을 조정할 수 있는 기능 등을 갖추고 있습니다. 그 이유는 일반적으로 센서 소자는 온도나 강도에 따라 다양한 출력 편차를 갖는 경우가 많기 때문입니다. 그 보정 기능도 AFE로서 매우 중요한 특성이 됩니다.
또한, 광학 센서용 아날로그 프론트엔드에는 광학 소자와 통합되어 패키지로 제공되는 것, 광학 소자를 포함하지 않고 AFE 기능만으로 연결되는 광학 소자를 자유롭게 선택할 수 있는 것 등 다양한 종류가 있습니다.