증폭기의 가산성 위상 노이즈

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 이 기사에서는 수신기(송신기)의 장치 1/f 노이즈와 기타 노이즈 소스를 논의하고 분석해 증폭기 가산성 위상 노이즈가 수신기 신호 경로를 통해 수신기 출력으로 이동할 때 RF 신호에 미치는 영향에 대한 이해를 돕는다.

위상 노이즈란? 

위상 노이즈는 신호에서 발생하는 빠르고 단기적인 무작위 위상 변동으로 인해 발생하는 노이즈로 정의된다. 주파수 영역에서 진폭 변조(AM)와 위상 변조(PM) 노이즈는 중심 또는 반송파 주파수에 대해 대칭적으로 나타난다[그림 1]. 위상 노이즈는 반송파 전력에 대해 1㎐ 대역폭(BW)에서 ㏈c/㎐(반송파보다 낮은 ㏈) 단위로 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 또는 스폿 노이즈로 측정된다. 위상 노이즈가 낮을수록 시스템 성능이 향상된다. [그림 1]은 증폭기의 반송파 주파수(x축은 주파수)와 반송파 전력(y축은 전력, ㏈m)을 보여준다. 반송파 주파수는 회색 선으로 표시된 단일 톤이다. 이 톤에 중첩된 것은 증폭기(파란색 곡선)와 관련된 가산된 위상 노이즈와 반송 주파수에 미치는 영향이다. 위상 노이즈는 최대 반송 전력에 대해 ㏈c/㎐단위의 1㎐대역폭에서 측정되며 ㏈c 단위의 반송파 이하 레벨로 표시된다. 가산성 위상 노이즈는 반송파 주파수를 기준으로 하며, 반송파 전력에 대한 ㏈c/㎐ 단위의 반송파로부터 오프셋 된 ㎐에서 측정된다. 일반적으로 위상 노이즈는 반송파 주파수에서 1~10㎑ 오프셋에 상대적인 주파수로 보고된다.

위상 노이즈 소스와 일반적인 애플리케이션 요구사항

증폭기의 가산성 위상 노이즈에 많은 기여 부분이 있으며, 이러한 기여 부분 중 일부는 아래와 같이 요약할 수 있다. 

① 증폭기의 출력전력
② 오프셋 주파수
③ 앰프 내부에 사용되는 기술
④ 바이어스 전압
⑤ DC소스 노이즈
⑥ 계단식 증폭단 수

일반적으로 위상 노이즈는 진폭변조(AM)와 위상변조(PM) 범주로 분류할 수 있다. [그림 1]에서 PM의 효과는 헤르츠 단위로 측정된 반송파로부터의 오프셋에서 특성화된다. PM은 진폭(y축)에 영향을 미치고, 반송파 주파수(회색 선) 상의 다양한 주파수 오프셋(x축)에서 측정된다.

증폭기 기술과 관련해 2㎛ HBT 증폭기와 0.5㎛ InGaAs 증폭기의 가산성 위상 노이즈 측정을 비교할 수 있다. 0.5㎛ InGaAs 장치의 1/f 노이즈 주파수 코너는 2㎛ HBT 장치보다 주파수가 훨씬 높다. 따라서, 0.5㎛ InGaAs 장치를 기반으로 하는 증폭기의 가산성 위상 노이즈는 2㎛ HBT 장치를 기반으로 하는 증폭기에 비해 반송파에 가까운 주파수에서 더 높을 것으로 예상된다.

일반적인 응용 프로그램 요구 사항

미니서킷(Mini-Circuits)은 고객, 특히 민감한 방어 레이더 애플리케이션에서 작업하는 고객을 대상으로 설문 조사를 실시했다. 피드백에 따르면, 증폭기 가산성 위상 노이즈에 대한 좋은 벤치마크 수치는 10㎑ 오프셋에서 -165㏈c이다. 이런 피드백을 염두해, 미니서킷은 엄격한 요구 사항을 충족하는 여러 단일칩 초고주파 집적회로(MMIC) 증폭기에 대한 가산성 위상 노이즈를 특성화했다. 

고객 설문 조사 결과 요약은 [표 1]에 나와 있으며, 미니서킷의 저 위상 노이즈 증폭기 제품 중 일부는 [표 2]에 나열돼 있다.

위상 노이즈 측정

미니서킷은 위상 노이즈를 측정하기 위해 여러 제조업체의 테스트 장비를 평가했다. 신호 반송파 주파수와 적용된 신호 전력과 관련해 위상 노이즈 측정 반복성은 여러 요인에 따라 까다롭기 때문에 데이터는 테스트 설정만큼만 우수하다. 

미니서킷의 엔지니어링 팀은 측정 무결성을 손상시킬 수 있는 영향을 최소화하기 위해 테스트 절차를 개발하는 데 세심한 주의를 기울였다.

전원에서 DUT로 또는 DUT로 전달되는 노이즈

측정은 테스트 대상 장치(DUT)에서 입·출력 전력에 따라 달라질 수 있다. 이상적으로 필요한 것은 DUT 입력 전력을 변화시키고 측정하며 DUT 출력전력 결과와 시험장비의 위상 검출기로 피드백 되는 전력을 측정하는 ‘노이즈가 없는’ 방법이다. 이런 노이즈 문제를 최소화하기 위해, 미니서킷은 기계식 스텝 감쇠기와 수동식 고방향성 커플러를 사용한다.

기계적 진동과 외부 EMI

위상 노이즈 테스트 장비와 측정은 기계적 진동과 외부 전자파 간섭(EMI) 영향에 매우 민감하다. 이런 영향을 줄이기 위해, 미니서킷은 진동 댐핑이 포함된 EMI 차폐 인클로저 테스트 설정을 사용해 진동과 EMI 문제가 측정에 미치는 영향을 최소화하고 있다.

AC 전원선 노이즈

AC 전원 라인 노이즈는 낮은 오프셋 주파수에서 측정에 악영향을 미칠 수 있다. 미니서킷은 AC 라인 필터를 사용해 라인 노이즈를 완화한다.
또한, 모든 오프셋 주파수에서 최적의 성능을 발휘하는 테스트 장비는 없다. 미니서킷은 위에서 설명한 노이즈 완화 기술과 함께 10~100㎑ 영역에서 가장 잘 작동하는 장비를 선택했다. 이 설정을 통해, 미니서킷은 증폭기에 대해 신뢰할 수 있는 증폭기 가산성 위상 노이즈 측정을 제공할 수 있다. 다양한 오프셋 주파수에서 여러 미니서킷 증폭기 모델에 대한 가산성 위상 노이즈 사양은 근거리·광대역 (>1㎒) 노이즈를 포함해 아래 [표 2]에 나와 있다. 이런 측정에 사용되는 반송파 주파수는 ‘F 입력’에 표시된 대로 1㎓ 또는 2㎓다.

결론

증폭기 가산성 위상 노이즈는 송수신기 위상 노이즈 성능에 중요한 기여를 하고 있으며, 설계자들은 시스템용 증폭기를 선택하기 전에 위상 노이즈 사양을 점점 더 많이 찾고 있다. 

미니서킷의 엔지니어링 팀은 위상 노이즈와 그 소스에 대해 깊이 이해하고 있으며, 증폭기의 위상 노이즈를 측정하고 다양한 애플리케이션에 대해 고객에게 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하는 기능에 투자했다. 

아울러, 미니서킷은 신뢰할 수 있는 위상 노이즈 측정을 수행하는 특별한 과제를 해결했으며, [표 2]의 데이터는 가장 까다로운 응용 분야를 충족하는 상용 증폭기 제품의 우수한 성능을 보여준다.

자료제공: 미니서킷(www.minicircuits.com)