고속화 시대의 계측.프로빙 입문(9)-원인 불명의 노이즈 발생 메커니즘

고속화 시대의 계측.프로빙 입문-원인 불명의 노이즈 발생 메커니즘

 

고속화 시대의 계측·프로빙 입문 - 이론과 실험으로 배운다!

회로가 점점 더 고속화·고정밀화되고 있는 오늘날에는 회로에서 일어나는 현상을 계측하여 동작을 검증하거나 문제점을 파악하고 동작의 확실성을 확인하기 위한 테크닉이 더욱 고도화되고 있다. 이번 연재에서는 회로 이론의 기본적인 개념을 토대로 어떻게 전자회로를 적절하게 계측해 나가야 하는지에 대해‘이론’,‘ 실례’,‘ 실험’을 묶어서 해설한다.

그라운드의 전위가 어디서나 같다고 생각하면 큰 오산이다 
- 원인 불명의 노이즈 발생 메커니즘

회로에는 다양한 노이즈가 발생하여 계측에 방해가 된다. 그 중에서도 회로 전체가 요동치며 발생하는‘동상 모드 전 압’이라는 노이즈는 회로 2점 사이의 전압(전위차)이나 파형 을 바르게 파악하기 어렵게 만든다. 이 화제는 연재 제6회(본 지 2012년 4월호)에서도 간단하게 소개했다. 
이번에는 동상 모드 전압 발생 메커니즘과 그 영향을 피하 는 계측 테크닉에 대해 소개한다. 여기서는 오실로스코프를 사용한 대책 방법을 소개하지만 어떤 계측기를 사용해도 유 효한 일반론이다. 

노이즈의 원인! 동상(코먼) 모드 전압이란? 

1. 그라운드의 전위가 어디서나 같다고 생각하면 큰 오산 
동상 모드 전압이란 그라운드 장소마다 발생하는 전위차이 다.‘ 그라운드간 전압 차’라는 의미라고 할 수 있다. 그림 1은 발생 원인의 예를 나타낸 것이다. 
그림 1(a)의 예는 그라운드 2개 사이에 루프가 형성되어 있 고, 이 루프 내에서는 주변 회로나 AC 전원(상용 교류 전원) 의 전류에 의해 발생하는 자계가 빠져 나온다. 동상 모드 전 압은 이 자계에 의해 발생하는 기전력(혹은 그 기전력에 의해 흐르는 전류에서 일어나는 전압 강하)이며 그라운드 2개 사 이에서 발생한 전위차이다. 
또한 그림 1(b)의 예는 그라운드 2개 사이에 별도의 회로 전류가 흐르고 있으며, 이것이 이 그라운드 2개 사이의 저항/ 인덕턴스 성분의 전압 강하에 의해서 전위차가 발생한다는 것을 나타낸 것이다. 이것도 동상 모드 전압의 원인이 된다고 할 수 있다. 어쨌든 계측계의 그라운드에 예상 외의 전압이 발생한 것이다. 



2. 그라운드 전위가 변동하면 연결된 회로 전체 전압이 동상으로 변동한다 
그림 2에서도 알 수 있듯이, 동상 모드 전압이라는 것은 본 래의 그라운드 전위가 변동하게 되고 그에 따라 그 그라운드 위치에 연결되어 있는 회로 전체의 전압이 그 변동분만큼 동 상(코먼 모드)으로 변동하게 되는 것이다. 
특히 수MHz 정도를 넘어서는 주파수를 가진 동상 모드 전 압 성분의 경우에는(인덕턴스에 의해) 회로에 영향을 미치기 쉬워진다. 


3. 그라운드에 대한 프로빙이 적절하지 않으면 동상 모드 전압이 계측에 영향을 미친다 
그림 2와 같은‘구조’에서 생각해 보면 회로 내의 차전압 만 프로빙 점에 나타나야 한다. 확실하게 프로빙한다면, 원래동상 모드 전압이 계측 결과에 영향을 미치는 경우는 없어야 한다. 그러나 그림 3과 같이 그라운드에 쉽게 프로브를 접속 하면 동상 모드 전압이 계측계에 노이즈로서 영향을 미치게 되는 것이다. 


동상 모드 전압이 계측에 영향을 미치는 메커니즘 

1. 동상 모드 전압에서는 계측계 신호 입력이나 그라운드가 다른 것으로 보이므로 전위차가 생긴다 
동상 모드 전압에서의 측정기 내부 회로는, 신호 라인에 가 해지는 만큼은 앰프 입력이, 그라운드 라인에 가해지는 만큼은 측정기의 그라운드가 인터페이스로서 보인다. 신호 라인이나 그라운드 라인에서는 각각 동일한 입력 임피던스로 보이지 않는다. 
이러한 상태에서 동상 모드 전압이 측정기 내부에 들어가면, 그림 3과 같이 측정기 내부 부분마다 동상 모드 전압이 다른 전압량이나 위상으로 변환되고 만다. 이와 같이 서로 다른 전압이나 위상 차분은 원래 발생하지 않아야 할‘도깨비 전압’으로, 실제 계측기에서 관측된다. 이것을‘차동 모드(노멀 모드) 전압’으로 변환된다고 한다. 이것은 매우 성가신 문제이다. 



2. 주파수가 높아지면 발생하는 전위차가 커진다 
동상 모드 전압의 주파수가 높은 경우에는 그림 3에 나타난 바와 같이 두 군데를 연결하는 그라운드 라인 상의 인덕턴스에 의한 리액턴스량이 커지므로 동상 모드 전압이 더 크게 영향을 미친다. 따라서 발생하는 차동 모드(노멀 모드) 전압이 더 커지게 된다. 

3. 실험! 동상 모드 전압이 보이는 모습 
오실로스코프를 예로 들어 이 모습을 살펴보자. 그림 4(a)는 일반적인 패시브 프로브로 측정 대상(앰프 기판)에 모의적으로 발생시킨 동상 모드 전압(100MHz의 정현파 노이즈)의 영향을 보기 위한 시험 구성이다. 
원래는 확실한 신호(100kHz의 정현파)만 얻을 수 있지만, 그림 4(b)와 같이 동상 모드 전압(100MHz의 사인파 형태 노이즈)이 혼입되어 노이즈가 실린 파형으로 됐다. 

기본 대책! 동상 모드 전압의 영향을 억제하는 계측 

1. 대책 ① : 페라이트 코어를 이용한다 
(1) 실험! 페라이트 코어의 효과 
동상 모드 전압이 계측에 영향을 주는 메커니즘은 그림 3을 통해 설명했다. 아울러 동상 모드 전압을 저지하는 데에는 사진 1과 같은 페라이트 코어를 활용할 수 있다. 


프로브 케이블을 코어 내부에 통과시키면 동상 모드 전압 을 저지할 수 있다. 또한 프로브 케이블을 여러 차례 코어 내부에 통과시키면 통과된 횟수만큼 동상 모드를 저지하는 성능이 향상된다. 
그림 5는 코어에 프로브 케이블을 3회 감아(오실로스코프 본체에 가까운 쪽으로) 그림 4(b)의 상태에서 계측해 본 것이다. 크기에서 1/2 정도까지 동상 모드 전압에 의한 노이즈가 저감됐다는 것을 알 수 있다. 




(2) 고주파와 저주파는 효과가 떨어진다! 페라이트 코어를 사용한 대책으로는 주파수 의존성이 있다 
이 방법은 페라이트 코어로 형성되는 인덕턴스를 이용하는 것이기 때문에 저지율은 100%가 되지 않는다(실험에서도 100MHz에서 1/2 정도, 즉 6dB 정도만 감쇠됐다). 또한, 주파수 특성이 있기 때문에 낮은 주파수에서는 저지 특성이 떨어진다. 
마찬가지로 높은 주파수에서도 부유용량이나 코어의 자기 주파수 특성 등에 의해 성능이 열화된다.

2. 대책 ② : 오실로스코프의 뺄셈 기능을 사용하여 소거 
(1) 실험! 오실로스코프의 뺄셈 기능 
오실로스코프의 2개 채널 사이는 거의 균형 있게 설계되어 있다. 대략 1∼10MHz 이하의 낮은 주파수에서는 다음과 같 은 방법으로도 동상 모드 전압을 충분히 소거할 수 있다. 이 모습을 간단하게 오실로스코프로 실험해 보자.
그림 6(a)과 같이 2개의 그라운드 리드를 한 점(기준이 되는 한 점. 프로브별로 다른 그라운드 위치에 접속하는 것은 의미가 없다)에 접속하여 원하는 신호(CH₁)와 그 신호의 기준 전위가 되는 그라운드 부분(CH₂)을 계측한다. 이 결과를 오실로스코프 내의 연산(MATH) 기능을 이용하여 뺄셈(CH₁- CH₂)해 각각의 채널에 가해지는 동상 모드 전압의 영향을 없앤다. 
실제 모습을 나타낸 것이 그림 6(b), 그림 6(c)이다. 그림 6(b)은 CH₁과 CH₂를 개별적으로 표시한 모습이고, 그림 6(c)은 연산 기능을 이용하여 동상 모드 전압을 뺄셈으로 소거한 모습이다. 이 그림과 같이 연산 기능을 이용하면 동상 모드 전압에 의한 영향을 경감할 수 있다. 


(2) 주파수가 높아지면 채널간 불균형 때문에 전부 소거할 수 없게 된다 
동상 모드 전압 주파수가 높아지면 CMRR 특성이 악화되므로 채널간 불균형이 보이며, 동상 모드 전압을 전부 소거하지 못하게 된다. 
CMRR은 Common Mode Rejection Ratio의 약자로‘동상 모드 제거비’의 특성을 나타낸다. 이 값이 크면 동상 모드 소거율이 높아진다.

(3) 채널 사이가 매칭되어 있어야 한다 
프로브나 측정기 내부에서 동상 모드가 차동 모드로 변환되는 비율(즉 CMRR)이 채널별로 제각각이면 이 방식은 위력을 발휘하지 못한다. 채널 사이가 높은 정밀도로 매칭되어 있 어야 한다. 
또한 이것은 측정하는 주파수가 상승하면(계측계에 따라 다르지만 수MHz∼) 2개의 채널 사이에서 매칭되지 않는 불 균형한 기생적 성분이 영향을 미치기 쉬워지므로 정밀도 저하가 더욱 더 발생하기 쉬워진다(불균형에 의한 CMRR 특성 열화). 
대책 중 하나로 채널별 동상 모드 전압이 채널 사이에서 같 아지도록(균형) 하기 위해 사진 2와 같이 프로브 2개를 가볍게 비틀어 계측하면 된다. 


3. 대책 ③ : 차동 프로브를 사용한다 
(1) 오실로스코프나 스펙트럼 애널라이저 등에서 사용 가능 
동상 모드 전압에 의해 발생하는 문제를 해결하는 수단 중 하나로 사진 3과 같은 차동 프로브를 활용하는 방법이 있다. 차동 프로브는‘차동’이라는 단어 그대로 2단자간 차전압을 출력으로 얻을 수 있는 것이다. 
원래 차동 프로브는 차동 신호를 관측하기 위해 이용되고 있지만, 동상 모드 전압을 소거하기 위한 계측에도 이용할 수 있다. 
오실로스코프에 차동 프로브를 접속하여 계측하는 방법 외에 스펙트럼 애널라이저 등의 계측기에서도 활용할 수 있다 (프로브의 전원 공급 유닛을 접속해야 한다). 


(2) 실험! 차동 프로브에 의한 신호의 뺄셈 
그림 7(a)은 지금까지 살펴본 회로를 차동 프로브로 계측하는 방법이다. 
그림 7(b)과 같이 100MHz의 동상 모드 전압에 의한 노이즈가 저감되어 본래 파형을 얻었다. 그림 7(c)은 노이즈원을 OFF로 하여 계측한 모습이며 그림 7(b)과 동일한 파형으로 됐다. 그림 7(b)에서 차동 프로브가 확실하게 노이즈를 소거 했다는 것을 알 수 있다. 
또한, 차동 프로브에서 오실로스코프까지의 케이블은 50 Ω의 특성 임피던스로 됐다(오실로스코프도 50Ω입력으로 설정한다). 계측된 신호가 저임피던스로 전송된다. 따라서 케이블이 픽업하는 외래 노이즈의 영향도 패시프 프로브와 비교 했을 때 적어졌다고 할 수 있다. 


(3) 높은 주파수로 되면 동상 모드 전압 노이즈를 제거하는 성능이 떨어진다 
차동 프로브가 동상 모드 전압 노이즈를 소거할 수 있는 저 감도 CMRR 특성은 주파수에 따라 다른데, 낮은 주파수 쪽의 저감율이 높아(양호)진다. 
혼입되는 동상 모드 전압의 주파수 특성을 고려하여 차동 프로브 사양서에 기재되어 있는 CMRR 특성을 확인한 후 계측하도록 한다. 
또한 일반적인 패시프 프로브와 달리 관측할 수 있는 전압 진폭(차동 전압), 동상 전압의 최대 허용값도 상당히 낮아진다. 이것도 계측 전에 반드시 확인해 두어야 한다. 

응용! 절연 계측 회로 제작 

1. 동상 모드 전압차가 수백V 등으로 높을 때 필수적이다 
지금까지는 직류적으로 접속되어 있는 그라운드 사이에 전압차가 발생하여 동상 모드 전압이‘노이즈’로서 나타남에 따라 계측에 영향을 미치는 메커니즘과 그 영향을 피하기 위한 방법에 대해 설명했다. 
여기서는 측정 대상과 계측계 사이에 수백V∼1,000V 등의 매우 높은 동상 모드 전압차(그라운드간 전압차)가 있는 경우 어떻게 계측해야 하는지 설명한다. 

2. 방법 ① : 1비트 출력의 절연형 A-D 컨버터를 이용한 절연 계측 회로 제작 
우선 디지털적으로 신호를 절연 전송해 본다. 그림 8은 AD7400A를 사용한 절연 전송 회로이다. AD7400A는 고정 밀 ΣΔ형 A-D 컨버터의 전단을 구성하는‘ΣΔ 변조기’부 분만 발췌하고, 그 1비트 A-D 변환 출력을 마스터 클록과 함 께 IC 내부의 절연된 2차 측에 전송하는 IC이다. 
A-D 변환하는 신호 측(1차 측)과 1비트 정보 디지털값을 얻을 수 있는 2차 측 그라운드 두개 사이를 완전히 분단(절연)할 수 있다. 
따라서 동상 모드 전압(그라운드간 전압차)의 영향을 받지 않고 절연 계측이 가능하다. 


(1) 2차 측 디지털 필터를 통해 1비트 A-D 변환 신호를 얻는다 
이 방식으로 원하는 1비트 A-D 변환 결과인 디지털값을 얻기 위해서는 일반적으로 AD7400A의 출력을 그림 8의 우측 디지털 필터에 의해 고역 노이즈 성분을 제거한다. 디지털 필터에 대해서는‘sinc³ 필터’라는 것이 매우 간단하고 RTL 로 실현할 수 있다. sinc³ 필터의 Verilog HDL 샘플 소스는 참고문헌 (4)에 기재되어 있다. 

3. 방법 ①의 번외 편 : 1비트 출력의 절연형 A-D 컨버터로 아날로그 전송 실험 
원래 AD7400A의 목적은 1차 측 전압량을 A-D 변환한 디지털값으로 얻는 것이다. 
그러나 여기서는 직류 절연한 후(동상 모드 전압의 영향을 제거하고) 2차 측에서 아날로그량을 얻는 방식에 대해 실험 해 본다. 이 방법이라면 나중에 설명하는 AD202와 같은 이미지로 사용할 수 있다. 
ΣΔ 변조기의 A-D 변환 출력은 1비트이지만 그 비트열 (비트 스트림)을 평균화한 DC/저역 성분이 원래 측정값이다. 따라서 아날로그적으로 이 1비트 A-D 변환 출력을 필터링(여기서는 컷오프 주파수 1kHz)해도 1차 측전압량이 아날로그량으로 얻어지게 된다. 
그림 9는 실험 회로이다. 동작 실증을 위해 매우 간략화했으며, 1차-2차간 전원과 그라운드는 바로 연결되어 있다. 


그림 10은 실험 결과이다. 그림 10(a)은 정현파, 그림 10(b) 은 방형파, 그림 10(c)은 신호 레벨을 낮췄을 때의 모습이다. 이 계측 방법은 DC 오프셋 정밀도를 그다지 좋게 할 수 없다(전원전압이 기준으로 되므로). 그림 10(c)은 입력을 5mV 정도로 했을 때의 파형이며 ΣΔ 변조 노이즈가 보인다. 실제 고정밀로 DC 레벨을 계측한다면 확실하게 디지털 필터를 통해 신호를 얻는 회로로 실현해야 한다. 


4. 방법 ② : 아이솔레이션 앰프 AD202를 사용한 내압 ±2000V 절연 계측 회로 
아이솔레이션 앰프를 사용하면 2개의 그라운드 사이를 분단(절연)하여 아날로그 신호를 전송할 수 있다. 그 결과로 동상 모드 전압(그라운드간 전압차)의 영향을 제거한 절연 계측이 가능해진다. 개념은 AD7400A와 같다. 
그림 11(a)은 아이솔레이션 앰프 AD202[그림 11(b)]를 사용한 절연형 계측 회로이다. 
AD202는 ±2,000V라는 매우 큰 동상 모드 전압차가 있는 환경에서도 신호를 확실하게 전송할 수 있으므로 공업용 등의 악조건에서도 이용할 수 있다. 


5. 방법 ③ : 교류일 경우 트랜스도 사용 가능 
측정 대상의 전기량(전압)이 교류이며 일정 주파수의 범위 내에서 변동하는 것과 같은 제한적인 조건에서는 사진 4와 같은 트랜스를 사용하여 그림 12와 같이 절연 계측하는 방법도 있다. 


그러나 트랜스 자체의 인덕턴스나 측정 대상/계측계 측의 임피던스(트랜스라면 신호원/부하 임피던스에 해당한다) 관계에 따라 저역 컷오프 주파수나 측정 대상에 미치는 영향도가 결정되므로, 저역에서의 신호 전달에 로스가 발생하여 적절한 레벨을 검출할 수 없는 경우도 있다. 따라서 주파수 특성을 확인해 두는 등의 사전 준비가 필요하다. 트랜스 권선 사이의 내압도 확인해 두어야 한다. 

                                                                        ☆ 

연재 제6회∼제9회에서는 아날로그 신호를 정밀하게 계측 하는 테크닉에 대해 소개했다. 반복하지만 아날로그 신호 계측에서는 측정 대상과 계측계를 적절하게 모델화하고 측정 대상과 계측계를 조합하여 오차 요인을 해석하는 것이 매우 중요하다. 특히 기생 인덕턴스 성분이나 기생 용량 성분, CMRR은 주파수가 높아졌을 때 문제가 되므로 충분히 주의 해야 한다.



本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=002&idx=10234