고속화 시대의 계측·프로빙 입문(10) - 맹점! 오실로스코프 자체가 노이즈원

고속화 시대의 계측·프로빙 입문 - 맹점! 오실로스코프 자체가 노이즈원

 

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.


표준 기능이나 직접 제작한 저잡음 프리앰프로 파형을 바르게 포착한다
맹점! 오실로스코프 자체가 노이즈원



오실로스코프는 ‘전자회로 계측에서 없어서는 안 되는 기본 중의 기본!’측정기라고 할 수 있다. 사용할 기회가 많으므로, 경우에 따라서는 부적절한 계측이나 프로빙 할 기회도(유감스럽게도) 많다.
그래서 이번에는 오실로스코프 내부에서 발생하는 노이즈의 영향을 줄이는 테크닉에 대해 소개한다.

오실로스코프 내부에서 발생하는 노이즈

1. 오실로스코프 자체에서 발생하는 노이즈가 원인이 되어 본래 신호에는 없는‘겉보기 노이즈’가 표시된다
전자기기는 기기 내부에서 노이즈가 발생한다. 이 노이즈가 원래 신호에 섞여, 예를 들어 오디오나 라디오 같은 경우 노이즈음으로 들리게 된다.
오실로스코프도 마찬가지이다. 오실로스코프는 계측한 결과가 관면(표시)에 파형으로 나타난다. 이 내부 노이즈에 의해 원래의 파형에서 외관상 노이즈가 실린 파형으로 변화되어 버린다(그림 1).


2. 소신호 측정 시 문제가 된다
그림 2와 같이 오실로스코프의 세로축이 되는 전압은 전압레인지를 크게 하면 감쇠기(입력 분압 회로)로 분압되고, 전압 레인지를 작게 하면 프리앰프로 증폭된다.
신호원의 전압 레벨이 클 때에는 신호를 감쇠시키므로 오실로스코프에서 발생하는 노이즈는 별로 신경쓰이지 않는다. 반대로, 입력 신호 레벨이 작을 때에는 신호가 증폭되므로 그림과 같은 내부 노이즈가 함께 관측되어 버린다. 신호의 전압레벨이 작을 때의 계측에서는 문제가 된다.


3. 내부에서 발생한 것은 광대역에서 일정한 노이즈
오실로스코프 내부에서의 노이즈 발생 메커니즘은 그림 2와 같이 모델화할 수 있다. 프로브에서 발생하는 노이즈(다음 회에 소개 예정)도 있지만 실제로는 내부의 노이즈가 지배적이다.
그림 2를 보면 내부 노이즈원은 오실로스코프의 입력 회로 첫 단에 있다. 이 노이즈 주파수 스펙트럼은 주파수에 관계없이 광대역에 걸쳐 레벨이 일정(화이트 노이즈)해진다.

4. 대역폭이 넓은 오실로스코프나 오래된 오실로스코프는 노이즈가 크다
전압 레인지가 낮은 경우 프리앰프가 레인지에 맞는 비율로 증폭된다. 따라서 그 내부 노이즈가 증폭되어 눈에 띄게된다. 이 노이즈가 계측 결과로 신호와 함께 표시되어 버린다. 원래의 파형 자체에 노이즈가 실려 있지 않아도 그렇게 된다!
노이즈 전압의 크기는 실제로 입력 분압 회로 뒷단에 있는 프리앰프의 성능에 크게 의존한다. 대역폭이 넓은 오실로스코프, 그리고 설계가 오래된 오실로스코프의 노이즈 양이 더 많아진다.

5. 고성능 오실로스코프일수록 노이즈가 크다!?
이 노이즈의 양 자체는 오실로스코프 주파수 대역폭의 제곱근에 비례한다. 즉 오실로스코프의 프리앰프가 아무리 고성능이어도, 주파수 대역폭이 광대역일수록 표시되는 노이즈의 양은 커지게 되는 것이다.
이것은 최근 수GHz 이상의 주파수 대역폭을 가진 고성능 오실로스코프를 사용할 때‘어쩐지 파형에 노이즈가 잔뜩 있다’고 느끼는 이유이다.

6. 패시브 프로브는 겉보기 노이즈가 더 증가한다
또한, 많이 사용되는 패시브 프로브는 그림 3과 같이 프로브 끝의 입력 신호가 10 : 1(1/10)로 저하되어 오실로스코프에 입력된다. 즉 이 시점에서 이미 －20dB의 로스가 발생하는 셈이다.
패시브 프로브를 사용하면 신호가 감쇠되어 버리므로 작은 신호를 적확하게 측정하기에는 좋지 않다. 고성능 오실로스코프를 사용해도 노이즈가 더 증가하면 이익은 고사하고 본전까지 날리는 셈이 된다.



‘겉보기 노이즈’를 줄이는 테크닉

1. 광대역 오실로스코프에서 유효!‘대역 제한 기능’
그림 4와 같이 실제 현장에서는 오실로스코프가 지원할 수 있는 주파수 범위(대역)와 비교했을 때 상당히 낮은 주파수의 신호를 관측하는 경우가 많을 것이다.
그러나 광대역 오실로스코프를 필요 이상으로 사용하게 되면 내부의 광대역 노이즈(광대역 오실로스코프이기 때문에)에 의하여 관측하고 싶은 파형에 노이즈가 잔뜩 실린 것처럼 보이기 쉽다.

(1) 대역폭을 1/4로 하면 노이즈 전압은 1/2이 된다
오실로스코프 중에는 주파수 대역폭을 제한하는 기능을 갖춘 것이 있으므로 그것을 잘 이용한다. 필자가 사용하는 오실로스코프는 풀 대역폭이 1GHz이다.
그림 1에 나타난 것은 주파수 대역폭을 1GHz로 하여 풀 대역으로 설정한 모습이다. 신호에 노이즈가 실려 있는 부분이 보일 것이다.
대역폭을 250MHz로 전환한 모습이 그림 5(a)이다. 예를 들면, 풀 대역 1GHz에서 대역폭을 250MHz로 하여 1/4로 제한하면 노이즈 진폭(전압)을 1/2로 줄일 수 있다(노이즈 진폭은 대역의 제곱근에 비례한다). 낮은 주파수의 신호를 관측한다면 대역폭을 적절하게 억제하여(그렇다고 해도 대역 제한은 1종류∼2종류 정도밖에 선택하지 못하지만) 계측하는 것도 중요하다.
그림 5(b)는 대역폭을 250MHz보다 더 좁은 20MHz로 제한하여 동일한 신호를 관측한 것이다. 보이지 않을 정도로 노이즈가 작아졌다는 것을 알 수 있다.


(2) 무턱대고 대역을 제한한다고 되는 것은 아니다
그렇다고 해도, 단순하게 언제나 대역을 제한해도 되는 것은 아니다.
계측하는 신호의 주파수가 높아지면 이 대역 제한에 의해 파형이 둔해지고 진폭도 감소하며 위상도 변하게 된다. 이와 같은 부분을 사전에 잘 고찰한 후 확실하게 대역 제한을 조작하기 바란다.

2. 반복 파형에서 유효! 오실로스코프의 에버리징 기능을 이용한다
대역 제한 기능을 이용하지 않고도 반복 파형을 관측하면 에버리징(즉 평균화 처리)을 걸어 파형을 깨끗하게 표시할 수 있다.
그림 1과 마찬가지로 대역폭을 풀 대역으로 설정한 상태에 서 에버리징한 파형이 그림 6이다. 이것은 신호 자체에 노이즈가 있는 경우에도 유효하다.


3. 흔히 사용하는 10 : 1이 아니라 1 : 1 패시브 프로브를 사용한다

(1) 1 : 1 패시브 프로브라면 신호 크기가 10배 크게 보이므로 노이즈는 작게 보인다
그림 3 등에서 10 : 1의 패시브 프로브는 신호를 1/10으로 감쇠시키기 때문에 겉보기 노이즈의 영향이 10배 커진다고 설명했다.
대신에 사진 1에 나타난 것과 같은 1 : 1 패시브 프로브를 이용하여 계측하는 것도 한 가지 방법이 될 수 있다. 이 패시브 프로브 P2220은 스위치가 달려 있으므로 10 : 1과 1 : 1을 전환할 수 있다.
설정을 1 : 1로 하면 같은 신호를 계측하려고 해도 오실로스코프 내부에서 신호의 크기가 10배(＋20dB) 크게 보이므로 외관상 노이즈를 반대로 작아 보이게 할 수 있다.


(2) MHz 미만의 신호라면 BNC 커넥터 케이블을 직접 연결할 수도 있다
사진 1과 같이 시판되고 있는 1 : 1 패시브 프로브를 활용하는 것이 기본이지만, MHz 미만의 낮은 주파수에서는 단순히 보통 BNC 커넥터가 달린 실드선을 측정 대상에 직접 연결해 버려도 문제가 거의 발생하지 않는다.
단, 다음과 마찬가지로 실드선 용량에 따라 주파수 특성이 열화되므로 주의가 필요하다.


(3) 1 : 1 패시브 프로브 계측의 주의점 : 주파수 특성에 문제가 있다
이 1 : 1 프로브(계측계)를 측정 대상(회로)에 접속함으로써 그림 7과 같이 회로에 대해서는 계측계의 1MΩ이라는 저항이 접속된 셈이다.
또한 이 1MΩ에 병렬로 프로브 케이블의 용량 C_cable(P2220 에서는 110pF)과 오실로스코프 입력 용량 Cin의 합성 용량, 그리고 C_cable＋C_in의 리액턴스 양이 측정 대상의 부하로 되어 버린다.
이 크기는 10 : 1의 패시브 프로브와 비교했을 때 상당히 큰 값이다. 즉, 이 계측계는 주파수 특성에 문제가 있다는 측면을 갖고 있다.

① 저항 성분보다 합성 용량 쪽의 영향이 더 지배적이다
저항 성분인 1MΩ은 측정 대상에 대해(높은 임피던스 회로는 별도로 하고) 그다지 영향을 주지 않을 것이라 생각된다. 그러나 합성 용량 C_cable＋C_in은 100pF 이상의 크기로 되므로 측정 대상에 대해, 특히 주파수 특성으로서 영향을 미칠 가능성이 높다.
이 영향을 충분히 고려하여(측정 대상 측도 모델화하여) 오차 요인을 충분히 생각하며 계측해야 한다.

‘겉보기 노이즈’를 줄일 수 있는 로우 노이즈 프리앰프의 제작 및 실험

1. 소진폭의 고속 신호는 프리앰프를 사용한다
로우 노이즈의 프리앰프를 계측계 앞단에 접속하면 그 프리앰프의 노이즈 특성이 계측계 전체 노이즈 특성의 지배적인 요인으로 된다.
관면(표시) 파형으로 관측되는 신호 위에 나타난 노이즈는 프리앰프 이득분의 1 크기로 줄어든다(신호 자체가 이득분만큼 커진다). 이 테크닉은 스펙트럼 애널라이저 등 다른 계측기에서도 유효하다.
프리앰프 있음/없음에서도 노이즈가 변하지 않으면 신호 자체의 노이즈로서 구분할 수 있다.

2. 높은 주파수까지 양호한 진폭/위상 특성이 필요하다
단, 계측의 확실성이라는 면에서 그림 8과 같이 낮은 주파수부터 적어도 계측하는 신호의 주파수 대역(스펙트럼 전체)의 5배∼10배 주파수까지(특히 왜곡이 큰 신호를 계측할 경우. 디지털 신호는 고조파 성분이 많으므로 반대로 무리하다고 생각하는 편이 좋다) 진폭과 위상 특성이 변화하지 않고 영향을 주지 않는 프리앰프를 사용할 필요가 있어 충분히 주의해야 한다.
프리앰프의 특성이 계측 결과에 오차로 나타난다면 이익은 고사하고 본전도 못 찾게 된다.


3. 제작! OP 앰프로 만드는 로우 노이즈 프리앰프
계측에 사용할 수 있는 고속의 로우 노이즈 OP 앰프 ADA4817-1과 그 평가용 기판을 이용하여 로우 노이즈 프리
앰프를 만들어 보았다.
이 앰프는 고속이면서 전류 노이즈와 전압 노이즈가 모두 낮다는 특성을 갖고 있다. 그림 9는 이 프리앰프의 회로, 사진 2는 프리앰프의 외관이다.
그림 10은 －3dB의 주파수(19.4MHz)를 나타낸 것이다. OP 앰프의 이득 대역곱(GB곱)은 400MHz 이상이지만 증폭도를 10배로 했기 때문에(OP 앰프에서 20배, 출력 저항과 부하 저항에서 1/2로 되어 전체 10배가 된다) 주파수 특성으로서는 이 정도일 것이다.
또한, 이 프리앰프를 사용할 때에는 오실로스코프의 입력 임피던스를 50Ω으로 한 후 계측한다(이 회로는 그렇게 설계되어 있다).




4. 실험! 제작한 프리앰프로 로우 노이즈 계측
그림 11은 로우 노이즈 프리앰프를 오실로스코프 앞단에 접속하여 계측해 본 예이다. 위쪽(CH1)이 프리앰프 없음(패시브 프로브 P6139A로 계측), 아래쪽(CH2)이 프리앰프 있음으로 계측한 파형이다. 노이즈가 경감되어 쉽게 계측된다는 것을 알 수 있다.
프리앰프의 노이즈 특성은 실측하지 않았지만, 데이터시트에서 상정하면 프리앰프 출력에서 47nV/ Hz(50MHz 대역으로 생각하면 420μVRMS 정도)의 노이즈 특성을 실현할 수 있다고 생각된다.
또한, 이 프리앰프는 출력에 최대 20mV의 오프셋 전압이 발생하므로 이것도 계측할 때 고려해야 한다.

오실로스코프의 내부 노이즈(겉보기 노이즈)가 회로의 노이즈라고 생각해서는 안 된다 고객이나 관계자로부터‘이 부분을 오실로스코프로 관측하여 그 파형을 보고 싶다’는 의뢰를 받는 경우가 많을 것이다. 초고성능 오실로스코프를 사용해서 계측했다고 해도 단순히 ‘초고성능 오실로스코프로 계측했다!’고 관면(표시) 데이터를 보고서에 붙여 제시할 것이 아니라, 대역 제한을 잘 활용하여 깨끗한 파형으로 제시하는 것도 중요하다(그림A). 그림 1과 같이 초광대역 오실로스코프로 대역 제한을 실행하지 않으면 저주파의 미약 신호를 관측했을 때 외관상 노이즈가 실려 버린다. 그래서 그림 5(b)와 같이 적절하게 대역을 제한하여 파형에서 노이즈를 제거하고 보고서 데이터로 제시하는 것이 포인트이다(보고서에는 대역을 제한하여 계측했다는 취지도 확실하게 기재해 둔다). 어쨌든‘고성능 오실로스코프로 계측해보고 싶지만 노이즈가 많아서…. 계측계가 고성능이기 때문에 회로 내의 노이즈가 보이는 것일까?’라고 고객이나 관계자로부터 오해를 받는다면 손해일 것이다.

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.

츨처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=002&idx=10381