전자회로에서 노이즈는 왜 신호처리에 심각한 문제를 일으키나요?

Question

전자기기 내부 회로에서 원치 않는 노이즈가 섞이면 신호가 왜곡될 수 있다고 배우는데, 이런 노이즈가 어떤 원인으로 발생하고 회로설계에서 어떻게 관리되는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

센서에서 나오는 신호는 수 밀리볼트, 작게는 마이크로볼트 수준이라 노이즈와 크기가 크게 다르지 않은 경우가 많아요. 문제는 한 번 같은 주파수 대역에 섞이면 회로 입장에서 어느 쪽이 신호고 어느 쪽이 노이즈인지 구분할 수 없다는 점이에요. 증폭기는 둘을 똑같이 키우고, 아날로그-디지털 변환기는 섞인 값 그대로 숫자로 바꾸니 뒤에서 되돌릴 방법이 없어요.

원인은 크게 안과 밖으로 나뉘어요. 안쪽에서는 저항 속 전자가 열 때문에 무작위로 움직이며 생기는 열잡음, 전류가 전자 알갱이 단위로 흐르면서 생기는 산탄잡음, 반도체 결함에서 오는 저주파 잡음이 있어요. 바깥에서는 60Hz 전원선의 험, 스위칭 전원과 디지털 클럭에서 새어 나오는 고주파, 옆 배선에서 넘어오는 간섭이 섞여 들어와요.

관리는 필요한 대역만 통과시키는 필터로 시작해요. 첫 번째 증폭 단에 잡음이 적은 증폭기를 두면 뒤에서 더해지는 잡음이 상대적으로 작아지고, 두 선의 차이만 읽는 차동 방식은 양쪽에 똑같이 들어온 외부 간섭을 상쇄해요. 차폐, 아날로그와 디지털 접지 분리, 전원 핀마다 붙이는 커패시터도 기본이고요. 제가 다루는 측정장비 검출기도 열잡음을 줄이려고 냉각해서 쓰는 경우가 많아요 :)

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

노이즈는 신호와 같은 주파수 대역에 섞이면 회로가 신호와 노이즈를 구분할 수 없게 만들어

증폭기와 ADC가 둘을 똑같이 처리하므로 뒤에서 되돌릴 수 없습니다.

회로 설꼐에선느 필터, 저잡음 증폭기, 차동방식,차폐 등으로 관리합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

전자회로에서 노이즈는 기준 전압 레벨을 흔들어 디지털 신호의 0과 1 판단 오류를 일으키거나 아날로그 신호의 진폭 주파수를 비틀어 데이터 왜곡 및 수신 오류를 유발합니다. 발생 원인으로는 내부의 열에 의해 전자 운동이 불규칙해지는 열노이즈부터 외부의 전자기파 간섭 전원 공급선 전압 변동 접지 전위 불균형 등 매우 다양합니다 이를 관리하기 위해 회로 설계 시 바이패스 커패시터를 전원선 근처에 배치해 고주파 노이즈를 바이패스시키고 차동 신호 방식을 써서 두 선의 차이값만 취해 공통 노이즈를 상쇄합니다 추가로 신호선 주위에 접지 패턴을 치는 가드 링 설계 차폐 케이스 적용 신호선 간 간격 확보를 통한 크로스토크 방지 등 다각도의 물리적 전기적 기법을 동원합니다

Answer 4

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

노이즈는 참값인 신호를 찌그러뜨려서 기계가 잘못 판단하게 만듭니다. 아날로그 신호는 파형이 뭉개져서 정보가 엉뚱하게 변하죠. 그리고 디지털 신호는 0과 1을 착각하는 신호 오류를 냅니다. 원인은 내부와 외부 모두에서 터지죠. 전원선이 출렁거리거나 회로선끼리 신호가 넘어가기도 하고 부품 내부에서 열 때문에 생기는 미세한 노이즈도 있습니다. 그리고 외부에 있는 모터나 스위치나 라디오 파형이 회로로 튀어서 들어오기도 합니다.

그래서 회로를 설계할 때 길목을 차단하고 밖으로 빼주는 기술로 노이즈를 잡고 있습니다. 신호선 옆에 저항이나 바이패스 콘덴서를 달아주는게 노이즈를 땅으로 바로 흘려보내는 원리입니다. 그리고 신호선 두 개를 꼬아서 트위스트 페어를 쓰고 서로 상쇄시키는 방법도 이용하죠. 또 민감한 회로는 금속 껍데기로 덮어서 외부 파형을 막습니다. 그러면 차폐를 시킬 수도 있죠. 노이즈를 보내는 것도 막고, 들어오는 것도 막을 수 있기 때문에 이것도 비용적인 점만 제외하면 아주 좋은 방법입니다. 마지막으로 전원선과 신호선 배치를 멀찍이 뚫려 놓는 것도 필수적인 현장 노하우 중에 하나입니다. 그리고 이래도 노이즈가 강하게 발생한다면 페런티코어를 사용해서 강제적으로 상쇄시키는 방법도 있습니다.