정밀 증폭기 주변의 금속 접점도 작은 전압원이 된다
op amp의 offset을 보정했는데 fan 방향을 바꾸자 DC 값이 움직인다. 입력 신호는 같아도 작은 접점들의 온도가 달라졌을 수 있다. Thermoelectric Offset은 서로 다른 금속이 만나는 연결과 온도 차이가 함께 만드는 전압 오차다.
회로에는 copper trace, solder, resistor terminal과 connector처럼 여러 금속이 연결된다. 서로 다른 재료의 Seebeck coefficient 차이와 온도 분포가 thermoelectric voltage를 만든다. 하나의 고립된 junction만 보고 두 단자에서 측정되는 전압을 전부 정할 수는 없다. 측정 회로가 되돌아오는 경로까지 포함해 서로 반대 방향의 접점을 살펴봐야 한다.
Analog Devices MT-037 3쪽은 작은 op amp offset을 측정할 때 parasitic thermocouple junction이 큰 오차원이 될 수 있다고 설명한다. 같은 PCB 금속에 연결된 부품 양 끝에는 크기가 같고 부호가 반대인 열기전력이 생길 수 있으며, 두 끝의 온도가 같으면 상쇄된다. component 위치와 airflow가 측정 결과에 영향을 주는 이유다.
원리를 분리한 가상 연결을 놓자. copper 경로에 다른 금속의 부품이 들어가고 양 끝이 다시 copper로 연결된다. 관련 온도 범위에서 두 금속의 coefficient 차이를 일정한 5 μV/°C로 정한다. 외부 reference 경로는 같은 온도의 copper로 이어진다고 가정한다. net 전압의 부호는 Vthermal = Sdiff×(T1−T2)로 정의한다.
첫 접점이 30.0°C, 두 번째가 29.8°C라면 열기전력은 1.0 μV다. 양 끝이 모두 30.0°C로 같아지면 이 이상적인 경로의 결과는 0이다. 금속의 종류가 다르다는 사실만으로 항상 net voltage가 남는 것은 아니다. coefficient와 돌아오는 경로, 온도 차이가 함께 들어간다.
양쪽 온도를 똑같이 20°C 높여 50.0°C와 49.8°C로 만들면 이 일정 coefficient 모델에서는 여전히 1.0 μV다. 반면 heater 때문에 첫 접점만 31.0°C가 되고 두 번째가 29.8°C에 남으면 6.0 μV가 된다. board의 평균 온도나 op amp package의 온도 하나만으로 접점 오차를 정하기 어려운 이유다.
이 전압이 differential input에 직접 더해지고 noise gain이 100인 가상 비반전 회로를 통과하면, output 오차는 첫 조건 100 μV, heater 조건 600 μV다. 이 값은 IC 자체의 input offset이 0이라고 이상화한 결과다. 매우 낮은 offset의 amplifier를 선택했어도 외부 입력 경로가 새로운 voltage source가 될 수 있다.
실제 coefficient는 재료 조합과 온도에 따라 달라질 수 있다. 지정한 5 μV/°C를 어떤 solder나 connector의 보장값으로 사용하지 않는다. 높은 정확도가 필요하면 관련 재료와 온도 조건을 확인하고, 접점 여러 개가 만드는 전압을 정의한 부호대로 합한다. 평균 온도가 같더라도 좌우의 경로가 다르면 differential error가 남을 수 있다.
대칭적인 배치는 재료 경로와 온도 조건을 맞추는 데 도움이 된다. 하지만 좌우 모양만 같은 것은 충분하지 않다. 한 입력 옆에 저항이나 regulator가 발열하고 다른 입력 쪽에 airflow가 집중되면 동일한 connector도 다른 전압을 만들 수 있다. 계측 단계에서 접점의 온도가 안정되는 시간을 포함하고, 정상 운용의 열 분포에서도 결과를 확인한다.
한 번의 zero calibration은 그 순간의 열기전력까지 보정값에 포함할 수 있다. 이후 fan 속도와 부하가 바뀌어 온도 차이가 달라지면 초기 보정으로 남은 변화를 없애지 못한다. amplifier의 intrinsic offset 변화와 외부 thermoelectric voltage를 분리하려면 source와 connector, board의 열 조건을 통제한 측정이 필요하다.
Thermoelectric Offset을 줄이는 핵심은 모든 접점이 없어지기를 기대하는 것이 아니라, 서로 반대인 경로의 재료와 온도를 맞추는 데 있다. 신호의 전기 경로 옆에 열의 경로를 함께 그리면, DC 값이 airflow나 발열에 따라 움직이는 이유와 보정 후에도 남는 오차를 설명할 수 있다.