노이즈저감 위한 회로설계 가이드

다양한 전자기기나 통신시스템 기기 등의 구축에 있어 신호원의 핵심이 되는 수정발진기를 둘러싸는 회로구성 및 그 주변회로의 회로설계를 만드는 일은 시스템에 필요한 성능 최적화를 위해 중요한 부분이다. 특히 수정발진기의 주변회로는 디지털 회로를 탑재하는 기판상에서 고속으로 동작하기 위해 노이즈를 발생하기 쉬운 구조이므로 회로설계에 충분한 주의를 하지 않으면 안된다. 따라서 수정발진기를 사용하기 위한 주변회로에 대해 설계 가이드(특히 노이즈를 저감설계)로써 노이즈 대책 방법에 대해 알아보고자 한다.
<제공 : 세이코엡손(www.epson-device.co.kr)>

수정발진기 및 주변회로부터의 노이즈 발생원에 대해

일단 수정발진기 및 그 주변회로부터 발생하는 노이즈의 일반화한 형태를 [그림1]에 나타냈다.

[그림1]에 나타낸 것처럼 노이즈의 발생원은 ▲전원라인의 노이즈 ▲출력라인의 노이즈 ▲수정발진기의 노이즈 등 크게 3개로 분류된다. 일반적으로 노이즈와 말하는 것은 이 3개가 합성된 형태가 된다. 상기 3개의 노이즈와 대책에 관해서는 아래에 설명한다.

전원라인의 노이즈 = 수정발진기가 동작하면 전원라인에는 리플(ripple)이 발생하게 된다. 이것을 전원라인이 안테나가 돼 노이즈를 방사하게 된다. 전원노이즈의 대책에는 수정발진기에서 발생하는 리플노이즈를 전원라인에 흐르지 않도록 방지 또는 흡수하는게 중요하게 된다. 또 이러한 대책은 다른 디바이스로부터 수정디바이스로의 외부노이즈를 방지할 수 있기 때문에 수정발진기의 안정적인 동작에도 도움이 된다.

출력라인의 노이즈 = 출력라인의 노이즈란 수정발진기에서 출력되는 신호가 출력라인을 안테나로써 방사하는 것을 표시한다. 이 노이즈의 대책으로써는 소정의 출력파형을 확보하면서 노이즈를 방사하기 어려운 파형과 출력라인을 만드는 것이 된다.

수정발진기의 노이즈 = 수정발진기로부터의 노이즈란 수정발진기 내부의 IC와 배선으로부터 방사되는 것을 표시한다. 이런 노이즈의 대책으로는 수정발진기에 대해 안정적인 전원을 공급하는 동시에 소정의 출력파형을 확보하는 수정발진기를 안정하게 동작시키는 것이다. 이것은 전원라인, 출력라인과 공통적인 대책이 된다.
위에서 표시한 각종 발생원에서의 노이즈 방사량은 흐르는 전류량과 전류루프에 비례하기 때문에 전류량이 증가할수록 또 전류루프가 커질수록 노이즈로써의 방사량은 크게 된다.

일반적으로 수정발진기와 그 주변회로에 흐르는 전류량 및 전류루프의 크기에는 ▲전류량：전원라인＝수정발진기＞출력라인 ▲전류루프크기：출력라인＞전원라인＞＞수정발진기와 같은 관계가 있다.

이러한 관계로부터 수정발진기와 그 주변회로에서 발생하는 노이즈에서는 출력라인쪽의 노이즈가 크고 계속해 전원라인이 되며 수정발진기 자체에서 방사되는 노이즈양은 이 2가지 노이즈와 비교하면 매우 작은 경향이 있다.

노이즈 대책에 대해

여기까지 수정발진기와 그 주변회로에 있어서의 노이즈발생원에 관해 살펴봤다. 지금부터는 그 노이즈를 저감하는 대책에 대해 알아본다. 기본적으로 노이즈 저감 대책으로써는 ▲안정적인 전원라인, 접지선을 설계 ▲전원노이즈의 필터링 ▲기판상에 안정적인 출력라인을 배치 등3가지 방법이 있다.

안정적인 전원라인과 그라운드 라인 = 안정적인 전원·그라운드 라인이란 광대역 주파수대(특별히 고주파)에 있어서 지극히 낮은 임피던스를 나타내 어느 포인트에서도 동일전위를 나타내는 도체를 지칭한다. 특히 그라운드 라인은 회로의 기준전위이고 가장 안정적이어야 하기 때문에 구체적으로는 표면적이 넓고 잘록함이 없는 라인설계를 하게 된다. 또 다층기판인 경우에는 전원, 그라운드 라인을 전체적으로 독립된 레이어에 배치, 접합부분이 있는 경우에는 접촉면적을 넓게 해 고주파대에 있어서도 임피던스를 낮추도록 설계해야 한다.

전원라인의 필터링 = 수정발진기로부터의 노이즈가 전원·그라운드라인에 흐르지 않도록 하거나 반대로 다른 회로에서 발생한 노이즈가 전원라인을 흘러타서 수정발진기에 흐르지 않도록 전원·그라운드 라인에 필터를 만든다. 일반적으로 전원·그라운드 라인에 사용하는 필터에는 바이패스 콘덴서가 있다.

바이패스 콘덴서는 교류적인 전원 임피던스를 억제해 회로를 안정하게 동작시키는 동시에 전원라인에 존재하는 노이즈를 흡수하는 일반적인 노이즈제거 방법이다. 적정한 정수의 제품을 실장해 노이즈문제의 대부분은 해결할 수 있다.

통상 바이패스 콘덴서의 용량치는 0.01μF에서 0.1μF 정도의 제품을 사용한다. 이런 설정은 수정발진기의 전원단자 VCC, 접지로부터 바라본 전원라인의 임피던스가 수정발진기가 갖는 주파수의 3배 정도의 주파수 범위안으로써 가능한 낮게 설정한다. 용량의 주파수특성을 확인해 고주파측이나 저역측의 임피던스가 높아지지 않도록 주의가 필요하다.

바이패스 콘덴서는 가능한 수정발진기의 전원 가까이에 배치해야 한다. 패턴의 거리가 길어지면 기생 임피던스가 커지기 때문에 고주파측의 임피던스가 커지게 된다. 바이패스 콘덴서로의 패턴의 연결방법은 전원라인으로 연결전에 일단 통과하도록 한다. 그렇게 하면 노이즈가 반드시 바이패스 콘덴서를 통과하게 돼 노이즈제거 효과를 높이도록 할 수 있다.

또 바이패스 콘덴서의 실장패턴은 [그림2]의 a) 형태는 피하는 것이 좋다. 고주파 노이즈는 일반적으로 직진하므로 [그림2]의 a)와 같은 패턴에서는 노이즈는 바이패스 콘덴서를 통과하지 못한다. 따라서 [그림2]의 b)와 같은 패턴을 추천한다.

안정한 출력라인의 배치 = 안정한 출력라인이란 수정발진기에서 출력되는 파형을 왜곡 없이 정확하게 입력측의 디바이스에 전달해 노이즈의 방사를 가능한 작게 할 수 있는 패턴을 지칭한다.

안정한 출력라인을 만들기 위한 기본은 [그림3]의 a)에 나타내는 것처럼 입력측에서 필요한 tr, tf, VOH, VOL 등의 파형특성을 확보해 [그림3]의 b)의 출력파형에 나타내는 오버슈트, 언더슈트, 링잉(ringing), 반사파라고 하는 불필요한 신호를 제거하는 것이다. 따라서 출력라인의 안테나효과를 낮춰 노이즈의 방사를 어렵게 하는 방법이다.

출력파형이 왜곡되지 않도록 하는 대책에는 ▲직렬저항의 설정 ▲종단저항의 설정 ▲필터설정 ▲출력라인의 임피던스 매칭 등 4가지 방법이 있다.

직렬저항의 설정 = 수정발진기와 입력측 디바이스를 연결하면 통상의 오버슈트, 언더슈트, 링잉등의 파형왜곡이 발생하게 된다. 이런 것에는 발진주파수의 3~7배정도의 고주파성분이 포함돼 있기 때문에 노이즈발생의 문제가 되기 때문에 제거하지 않으면 안된다.

이것을 제거하기 위해 [그림4]에 나타낸대로 수정발진기의 출력단자와 출력라인간에 저항을 직렬로 연결한다.

저항치는 수정발진기의 출력임피던스(Ro)와 삽입한 저항(Rs)의 합이 출력라인의 임피던스(Z0)와 같도록 설정한다. 추가적으로 직렬저항의 최적치는 실험에 의해 구할 수도 있다. 방법으로써는 출력파형을 오실로스코프 등으로 계측하면서 직렬저항의 값을 낮은 값부터 높은 값으로 변경하면서 오버슈트, 언더슈트, 링잉이 없어지는 시점의 저항치를 찾아낸다.

종단저항의 설정 = 종단저항의 설정에는 어떤 인터페이스를 사용하고 있는지, 어떤 클럭라인에 의한 것인지가 중요하게 되며 그 내용에 의해 설정의 유무가 변하게 된다.

일반적으로 출력파형은 출력라인의 임피던스와 입력디바이스의 입력인터페이스가 부정합이 되는 경우에 왜곡이 일어나게 된다. 부정합상태가 되면 진행파가 입력단에서 반사되고 이 반사파가 진행파에 중첩돼 출력파형에 왜곡을 발생시켜 그 부분에서 고주파 노이즈가 발생하게 된다. 수정발진기 출력을 복수 디바이스에 분기해 사용하는 경우 이 파형왜곡에 의해 트리거 에러를 야기하는 경우가 있다. 이에 임피던스 매칭은 중요한 요소가 된다.

입력단에서의 반사를 방지하기 위해서는 입력단을 출력라인의 임피던스와 같은 값으로 종단처리해야 한다. 종단처리 방법은 [그림5]에 나타내고 있듯이 분할저항종단과 AC종단이 있다.

필터설정 = 통상적으로 직렬저항 또는 종단저항의 사용에 의해 출력파형의 매칭 대책은 가능하지만 그래도 문제가 해결되지 않는 경우에는 필터를 사용한다.
필터의 사용에 의한 고주파 노이즈는 효과적으로 제거할 수 있지만 tr, tf가 크게(파형이 무디어짐)돼 버린다. 때문에 이런 tr, tf의 특성을 만족하는 필터를 선정하지 않으면 안 된다. 게다가 콘덴서 용량이 큰 필터를 사용하면 전류량이 증가해 오히려 방사 노이즈가 커지는 경우가 있으므로 주의가 필요하다.

출력라인의 임피던스 매칭 = 출력라인상에서의 파형반사를 저감하기 위해 출력라인의 임피던스를 가능한 일정하게 할 필요가 있다. 출력라인의 임피던스를 일정하게 하기 위해서는 [그림6]에 나타낸 것과 같이 출력라인의 곡선패턴에 대해 직각보다는 45도 또는 가능하다면 둥글게 구부릴 수 있도록 해야 한다.  또 쓰루홀이나 T분기 사용을 지양해야 한다.

이상 노이즈대책에 관해 기술했다. 하지만 최종적으로 노이즈방사를 적게 하는 가장 중요한 방법 2가지는 ▲출력라인을 짧게 ▲전류루프의 사이즈를 작게다.

출력라인을 짧게 함 = 출력라인은 회로에서 가장 노이즈를 방사하기 쉬운 라인이다. 따라서 패턴 레이아웃을 위해 우선적으로 가장 짧게, 임피던스 변동이 없는 최적의 패턴으로 처리하는 것이 중요하게 된다. 배선을 짧게하면 출력라인의 공진주파수가 보다 고주파측으로 이동하게 된다. 출력의 주파수 성분은 고주파로 할수록 감쇠되기 때문에 결과적으로 방사 노이즈를 저감할 수 있다.

전류루프의 사이즈를 작게 함 = 앞서 설명한 것처럼 출력라인에서 기인한 노이즈 방사량은 그 전류루프의 크기에 비례하게 된다. 이에 수정발진기와 입력디바이스의 출력라인, 그라운드 라인에서는 가능한 짧게 하는 것이 중요하다. 또 출력라인의 반대면에 그라운드를 패턴하는 방법도 있다.

위에서 알아본 바와 같이 노이즈저감을 위해서는 수정발진기 주변회로에서의 최적의 회로설정이 아주 중요하며 수정발진기 주변회로설계가 적절하게 설계됐다면 노이즈에 대해 문제를 회피할 수 있고 수정디바이스가 본래 갖고 있는 성능을 충분히 활용할 수 있게 된다.