(주)대화모터

마이컴이나 각종 IC/LSI 를사용한 전자회로는 여러 분야에서 활용되고 있지만, 항상 그림자처럼 따라다니는 것이 노이즈에 대해 약하다는 점이다. 게다가, 전자 회로가 노이즈에 약할 뿐만아니라, 노이즈 대책이 상당히 어렵다는 점이다. 노이즈의 문제가 어렵다는 이유는 그림1과 같이 노이즈는 회로도에 없는 회로를 통하여 전달되는 경우가 많기 때문이다. 회로도에 그려져 있으면 바로 알 수 있겠지만, 표시되어 있지 않으므로 파악하기 어려운 것이다.

1) 노이즈의 종류 해설과 측정개념

① 2종류의 전기신호

노이즈 대책을 강구하기 위해서는 먼저, 노이즈의 성질을 알고 있을 필요가 있다. 노이즈에는 노이즈 자체의 성질로서 두 종류가 있다. 이것은 원래의 전기신호 자체에는 2종류가 있기 때문이다. 이 두 종류를 노멀모드(Normal Mode)와 코먼모드(Common Mode)라 부르고 있다. 약간 이해하기 어려운 표현이지만, 노이즈를 생각하는데 있어서는 아주 중요하다. 전기 신호가 전달되기 위해서는 그림 2에 나타낸 바와 같이 전기신호는 단일 선로가 아니라, 왕복 선로에 의해 하나의 루프를 구성함으로써 전달하게 한다. 이 그림에서 신호원에서 발생한 전기신호는 두 선간(A-B)의 전압으로 된다. 그리고 그것이 두 선로를 통하여 신호를 받는 쪽이 신호입력회로 부분에서도 두 선간(C-D)의 전압이 동일한 형태로 받아들인다.

위와 같은 두 선간의 전압을 노멀모드 전압이라고 부른다. 그리고 일반적으로 말하는 신호는 이 노멀모드 전압이 이용된다. 신호로서는 전압이 아니라, 전류가 이용되는 경우도 있지만, 개념은 마찬가지이다. 그러나 전기신호 자체는 이와 같은 노멀 모드 신호 뿐만 아니라, 또 하나의 신호가 더 존재한다. 그것이 그림3에 나타낸 코먼 모드라 부르는 것이다. 그림2에서, A-B간의 전압은 A의 전위와 B의 전위차로 정의된다. 즉 상대적인 값이 아니라 절대적인 값이다. 그러나 절대값이라고 해도 기준점을 정의하여 그 기준점으로부터 상대값을 생각한다. 그리고 기준점은 그 시스템을 생각하고있는 범위에서 공통으로 잡으면 되는 것이다. 시스템으로서 생각하는 범위가 변하면 기준점을 잡는 방법도 달라진다.

전기회로에는 기준점으로서, 일반적으로 그라운드의 전위(여기서는 대지에 접지를하는 의미의 그라운드 뿐만 아니라 일반적으로는 0V, 섀시의 전위를 포함한다)를 이용한다. 그러나 그라운드가 점이 아닌 경우 그라운드라고 해도 장소에 따라 전위가 달라지는 경우가 있다. 또 하나의 시스템 내부에 복수의 그라운드가 존재하는 경우가 있다. 이와 같은 경우 일반적으로 각 그라운드는 장소에 따라 전위가 다르다. 따라서, 지금 문제가 되고 있는 현상이 무엇 인가에 따라 기준점을 어디로 할 것인가를 정하지 않으면 안된다. 이와 같은 이유로 그라운드 이외를 기준점으로 하여, 생각하는 편이 좋을때도 있다. 전기신호에는 노멀모드와 코먼모드의 2종류가 있다고 앞서 언급했다. 이 중에서 신호로 이용하는 것은 노멀모드 신호이다. 이에 대해, 노이즈에는 노멀 모드 신호의 노이즈와 코먼모드 신호의 노이즈로 양쪽이 있다. 노이즈가 노멀모드 노이즈인지,코모드 노이즈인가에 따라, 노이즈의 성질은 크게 달라진다. 따라서 노이즈 대책도 그에 따라 달라진다.

노이즈와 신호의 전형적인 관계를 그림4에 나타낸다. 노이즈의 발생원이나 그 전도 쪽에는 여러 가지가 있지만, 원인이 어떻든 실여있는 노이즈는 노멀 모드 노이즈와 코먼모드 노이즈로 두 종류가 된다. 그리고 일반적으로 그 양쪽이 모두 실리고 있다. 단, 어느 쪽인가 한쪽을 무시할 수 있어, 실용상은 한쪽만 생각하는 경우도 많이 있다.

② 노멀모드노이즈(Normal Mode Noise)

그림5와 같이 신호에 Normal Mode Noise 가 겹쳐진 경우, 신호 자체도 노멀모드이므로 전기신호의 성질로서는 양자를 구별할 방법은 없다. 즉, 노이즈와 신호를 분리하여 신호만을 꺼낼 수는 없다. 따라서 노멀모드 노이즈의 대책으로는 노이즈가 실리지 않도록 하는 것이 중요하다.

일반적으로 낮은 주파수의 노이즈 보다 높은 주파수의 노이즈 쪽이 실리기 쉽다. 그 결과, 노이즈는 신호보다 높은 주파수일 경우가 많고, 필터 특히, 저역통과 필터(높은 주파수를 제거하고, 낮은 주파수는 통과 시킨다)는 유효한 수단이다.

또 노이즈 자체에는 저주파, 고주파의 양측이 있지만 극히 낮은 주파수(직류로 간주할 정도)의 노이즈는 노이즈라 부르지 않고 드리프트(Drift)라 부르는 경우가 있다. 그리고 고주파의 노이즈만을 '노이즈' 라고 불러 구별하는 경우가 있다. 여기서는 양자를 구별 하지 않고 노이즈라 부르기로 한다.

③ 코먼모드 노이즈(Common Mode Noise)

Common Mode Noise는 신호와 모드가 다르다. 따라서 코먼모드 노이즈와 신호간에는 모드의 차이를 이용하여 분리할 수 있다. 즉, 그림 7과 같이 두 선간의 전압을 측정하는 원리로 신호를 받아들이면, 코먼모드의 전기신호는 캔슬되어 노멀모드의 전기신호만을 받아들일 수 있다. 그림 8이 코먼모드 노이즈의 제거 예이다. 그리고, 이와 같은 회로를 차동앰프 또는, 차동형 신호 입력회로라 부르고 있다.

그러나 그림 9와 같이 신호 입력측 회로의 원리가 그라운드 전위와의 차를 측정하는 방식일 경우에는 코먼모드 노이즈도 신호에 가산되어버려 노이즈와 신호를 구별할 수 없게 된다. 이와 같은 회로방식을 싱글엔드라 부르고 있다.

코먼모드 노이즈는 이상과 같이 차동형의 신호 입력회로를 사용함으로써 신호와 분리할 수 있다. 이런 의미로는 코먼모드 노이즈 쪽이 성질이 좋은 노이즈가 되는 것이다. 물론 코먼모드 노이즈도 처음부터, 실리지 않도록 하는 편이 좋을 것이다. 그러나, 나중에 설명하겠지만, 노멀모드 노이즈가 실리지 않도록 하는 대책이 반대로, 코먼모드 노이즈를 실어버리는 경우가 있다. 이와 같은, 이유로 코먼 모드 노이즈가 때로는 아주 커버리는 경우가 있다. 매우 큰 코먼모드 노이즈라도 그것을 제거 분리하는 수단은 있다. 그러나 단순한 차동형의 신호 입력 회로는 큰 코먼모드 전압에는 견디지 못하는 경우가 있으므로 주의할 필요가 있다.

④ 노이즈의 측정 방법에 대하여

노이즈 대책을 세우는 경우는 노이즈의 측정이 중요하다. 어디에 어떤 노이즈가 실려 있는지를 모르고서는 대책을 세울 수 없다 노이즈를 측정할 때, 노멀모드와 코먼모드 에서는 측정방법이 다르다. 구체적인 측정방법에 대해서는 본서의 제 5장을 비롯하여 그 이후의 장에서 언급할 것이다. 일단, 측정 방법이 다르다고 하는 점에 주의하기를 바란다.

노이즈 측정에 있어서 또 하나 주의해야 할 사항이 있다. 그것은 측정회로 (예를 들면 오실로스코프의 프로브)를 피측정 회로에 부가함으로써 회로의 상태가 변화되어 버리는 것이다. 이에 따라 노이즈 자체의 파형도 대폭 변하고 마는 경우가 있다. 이것은 노이즈 뿐만 아니라 측정 기술의 일반적인 것으로 주의해야하는 사항이다.

2) 노이즈의 발생원과 원인의 개요

노이즈 발생원의 근원은 신호이다. 신호는 각종 회로나 기기를 정상으로 동작시키기 위해 발생시키지만 그 신호가 예상밖의 장소에 전달되면 그것은 노이즈로 된다. 강력한 (파워가 있는) 신호는 노이즈 발생원으로서도 강력하다.

이런 의미로는 정보처리의 신호보다, 파워 신호쪽이 보다 강력한 노이즈 발생원이다. 그리고, 파워신호는 전자회로 뿐만 아니라 강전과 같은 분야 족에서 더 큰 문제이다. 예를 들면, 가장 일반적으로 널리 이용되고 있는 것이 그림 10에 나타낸 상용전원(60Hz 교류) 그 자체이다. 강력이라고하는 점에서는 최악이다. 이것은 험(Hum) 노이즈라 부르는 경우도 있다. 단, 노이즈로서는 주파수가 높을수록 문제가 되기 때문에 이점에서는 상용전원은 주파수가 낮기 때문에 파워가 큰데도 문제가 적은 것이다.

② 인덕턴스에 의한 노이즈 발생

인덕턴스는 그림11 에 나타낸 바와 같이 전류의 변화속도에 비례하여 전압을 발생한다. 따라서 스위치 OFF와 같은 전류의 급변을 만들면 아주 큰 전압을 발생한다. 즉 큰 노이즈발생이 된다. 릴레이나 모터의 권선은 인덕턴스이다. 게다가 스위치와 조합하여 사용하기 때문에 노이즈의 발생을 억제하는 수단이 필요한 경우가 많은 것이다.

인덕턴스가 없는 스위치만으로도 ON/OFF에 의한 전류의 급변이 있다. 전류의 급변도 노이즈 발생원이지만, 인덕턴스에 의해 급격한 큰 전압의 발생이 동시에 일어나는 경우가 노이즈로서는 훨씬 강력하다.

③ 공진회로에 의한 노이즈 발생

공진이 일어나면 그에 따라 큰 전류나 높은 전압이 발생하는 경우가 있다. 따라서 공진 회로도 노이즈 발생원으로서 주의할 필요가 있다. 공진 회로는 그림12에 나타낸 인덕턴스와 커패시턴스의 조합이다. 노이즈 발생원으로서는 직렬 공진이 문제가 된다.

공진에서 특히 주의해야 할 것은 회로도에는 없는 회로에 의한 공진이다. 즉, 회로도상에서의 리드와이어는 이상적으로는 임피던스가 0요 일 것이다. 그러나 현실적으로는 그림13에 나타낸 바와 같이 리드와이어 자체는 R,LC가 있기 때문에 회로도에는 없는 C 와 L로서 공진 회로를 만든다. 또한 C는 회로도상에 들어가 있는 경우가 많지만, 이때도 회로도에 있는 C와, 회로도에 없는 L에 의해 공진회로를 만든다. 그림14에 그 모양을 나타낸다.