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연산증폭기 노이즈요인과 시스템 노이즈의 최소화

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글/케빈 트레터(Kevin Tretter), 수석 제품 마케팅 엔지니어

    아날로그 & 인터페이스 제품 부문, 마이크로칩 테크놀로지

대니얼 디포와 벤자민 프랭클린의 말로 표현해 보자면 인생에서 확실한 것은 딱 두 가지뿐이다. 죽음과 세금이다. 전자 장치를 다루는 사람들에게는 여기에 한 가지를 더 추가할 수 있다. 바로 노이즈(noise)이다. 전기 노이즈를 완전히 피할 수는 없더라도, 노이즈의 다양한 요인과 이 각각의 요인이 시스템 전체 노이즈에 어떻게 기여하는지를 더 잘 이해한다면 노이즈의 영향을 최소화할 수 있다. 시스템 관점에서 보면 노이즈의 발생 원인은 다양하다. 연산 증폭기 내부에서 발생하는 노이즈 요인들이 있고, 연산 증폭기 회로에 쓰이는 수동 소자들에서 발생하는 노이즈도 있다. 또한 무선 파장이나 AC 전원부 등의 다양한 외부 요인들에서도 발생한다. 이 글에서는 연산 증폭기의 내부 동작과 관련하여 이러한 노이즈 요인들에 대해 살펴보고자 한다.

플리커 노이즈(Flicker Noise)

1/f 노이즈라고도 하는 플리커 노이즈는 전도 경로가 불규칙하고 트랜지스터 내의 바이어스 전류로 인한 노이즈 때문에 발생하는 저주파수 현상이다. 높은 주파수에서는 다른 요인들로 인한 백색 노이즈가 우세하므로 플리커 노이즈는 무시할 수 있는 수준이며, 따라서 1/f 노이즈로도 불린다. 하지만 입력 신호가 dc에 가까워지면 이러한 저주파 노이즈는 심각한 문제가 될 수 있다. 이 현상은 스트레인 게이지, 압력 센서, 서모커플(thermocouple), 그 외에도 느리게 동작하는 센서 신호의 출력에서 흔히 볼 수 있다.

시스템 설계자가 증폭기의 내부 플리커 노이즈를 제어할 수는 없지만, 애플리케이션에 적합한 증폭기를 선택하면 이 노이즈를 최소화할 수 있다. 1/f 노이즈가 큰 문제로 판단되면 오토 제로(auto-zero) 또는 초퍼(chopper) 기반 증폭기를 선택하는 것이 가장 좋다. 이런 유형의 아키텍처에서는 오프셋 교정 과정의 일부로서 1/f 노이즈를 제거할 수 있다. 이 노이즈는 입력에서 나타나며 비교적 느리게 움직이므로, 증폭기 오프셋의 일부분으로 나타나며 적절하게 보상할 수 있다.

샷 노이즈(Shot Noise)

샷 노이즈 또는 쇼트키(Schottky) 노이즈는 비교적 잘 알려지지 않은 내부 노이즈이다. 이 노이즈는 전하 캐리어 전도가 불완전해서 생긴다. 전기 전류는 인가된 전위에 따라서 전자가 이동하는 것이다. 이러한 전자들이 장벽(금속의 불완전성 등)에 부딪혔을 때 전위 에너지가 축적되고 결국 전자가 장벽을 뚫고 나간다.

샷 노이즈는 전류 흐름과 연관되어 있기 때문에 전류가 흐르지 않으면 샷 노이즈가 발생하지 않는다. 샷 노이즈는 가우스 확률 밀도 분포를 나타내며 주파수 및 온도와 무관하다. 또한 샷 노이즈는 dc 전류에 반비례하므로 전류가 낮을수록 더 높은 숏 노이즈 전압을 의미한다. 특정 디자인에서 샷 노이즈가 영향 요인인지 판단하려면 dc 전류를 낮추거나 높이면서 이 노이즈가 어떻게 영향을 미치는지 살펴보면 된다.

열 노이즈(Thermal Noise)

열 노이즈는 발견자의 이름을 따서 존슨 노이즈(Johnson noise)이라고도 부르며, 능동 및 수동 회로 소자에 모두 존재한다. 열은 전자의 이동을 증가시키므로 전자의 이동에 임의성(random factor)을 일으켜 노이즈를 발생시킨다. 이처럼 가우스 확률 밀도 분포를 나타내고 주파수와 무관하다는 점에서 샷 노이즈와 유사성을 보인다.

열 노이즈는 수동 소자에도 존재한다. 이를 가장 확실하게 알 수 있는 방법은 저항이며, 저항의 열 노이즈는 저항의 크기와 온도에 따라 달라진다. 더 작은 크기의 저항은 더 적은 열 노이즈를 발생시키며, 온도가 낮을수록 열 노이즈를 최소화할 수 있다.

연산 증폭기의 노이즈 사양

지금까지 연산 증폭기 내부에 존재하는 여러 가지 노이즈 요인들에 대해서 살펴보았다. 이 모든 노이즈 요인들이 실제 증폭기의 노이즈 사양을 결정한다. 시스템 설계자는 연산 증폭기를 선택할 때 다양하게 선택할 수 있다. 하지만 저노이즈 연산 증폭기를 선택할 경우에는 증폭기의 전압 및 전류 노이즈만이 아니라 애플리케이션에서 증폭기를 어떻게 사용할지 등 수많은 요인들을 고려해야 한다.

대체로 제조업체들은 연산 증폭기 노이즈에 대해 설명할 때 전압-노이즈-밀도 사양을 앞세워 선전한다. 하지만 사양이 중요하기는 해도 그것만이 전부는 아니다. 전류 노이즈가 더 큰 문제가 되는 경우가 많기 때문이다. 입력-전압-노이즈 밀도는 증폭기의 백색 노이즈가 우세한 상황(1/f 노이즈의 영향 배제)에서 정해진 것이다. 전류-노이즈 밀도 역시 증폭기의 백색 노이즈가 우세할 때 정해진 것으로 입력 저항이 높은 애플리케이션에 필수적이다. 이제 2가지 동일한 연산 증폭기인 마이크로칩의 MCP621S와 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)의 LMP7731를 통해 간단한 사례를 살펴볼 것이다. 표 1은 이 두 증폭기의 주요 사양을 비교하고 있다...(중략)

leekh@seminet.co.kr
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