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noise 발생 원인 대책

신호전송라인에서 발생하는 잡음(Noise) 3가지에 대한 발생원인과 대책을 설명하시오.

https://blog.naver.com/bok2sb/222772866001

NeoStudio_20240430_171640다운로드

EMI-EMC_대책설계_기본_KIET.pdf 파일 참조

차동모드_공통모드다운로드

EMI / EMC 공학 강의 자료 참조

신호전송라인에서 발생하는 잡음에는 여러 가지 유형이 있습니다. 여기서는 그 중 3가지를 선택하여 설명하겠습니다:

  1. 열 잡음 (Thermal Noise)1: 가장 일반적으로 발생하는 잡음으로, 주로 저항성 소자에서 전자의 열적 불규칙 운동에 의해 발생합니다1. 이 잡음은 모든 전송매체와 통신 설비에서 발생하며, 통신 이론에서 잡음을 모델링하는데 주로 사용됩니다1. 이를 줄이기 위한 대책으로는 저항성 소자의 온도를 낮추는 것이 있습니다.
  2. 충격 잡음 (Shot Noise)1: 채널 상에서 규정된 한계 레벨을 초과하는 순간 충격 잡음 파형을 말하며, 음극에서의 전자의 무작위 방출에서 기인합니다1. 이 잡음은 비연속적이고 불규칙적인 진폭을 가지며 다소 큰 세기로 발생합니다1. 디지털 데이터 전송시에 주요 잡음 발생 요인으로, 이를 줄이기 위한 대책으로는 신호 강도를 적절히 조절하는 것이 있습니다.
  3. 누화 (Crosstalk)1: 한 접속로 (채널)의 신호가 다른 접속로 (채널)에 전자기적으로 결합되어 영향을 미치는 현상입니다1. 이를 줄이기 위한 대책으로는 채널 간의 물리적인 거리를 늘리거나, 신호 전송 시 사용하는 전력을 조절하는 것이 있습니다.

각 잡음의 특성과 발생 원인을 이해하고 적절한 대책을 취함으로써 신호 전송의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

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Noise 발생 원인과 대책

Noise · EMI · EMC · Differential Mode · Common Mode · Grounding · Shielding · Filtering

1. Noise의 개념

필기에서는 신호전송라인에서 원하는 신호 이외에 외부에서 유입되는 불필요한 성분을 Noise로 정리한다.

Received Signal = Desired Signal + Noise

전기기기의 사용이 증가하면서 전자기적 간섭의 영향도 증가한다.

Noise는 원하는 신호에 중첩되어 측정값과 통신 품질에 영향을 주는 불필요한 신호이다.

2. Signal / Noise 비율

일반 필기에서는 Noise 영향을 줄이는 가장 쉬운 방법 중 하나로 Signal의 크기를 상대적으로 크게 하여 S/N 비율을 높이는 방법을 기록한다.

S/N ↑ → Noise 영향 ↓
원하는 Signal에 비해 Noise가 작을수록 신호 판별이 쉬워진다.

3. EMC / EMI / EMS

참고 이미지에서는 EMC를 전자파환경적합성으로 정리한다.

EMC = Electro-Magnetic Compatibility

EMC는 크게 전자파 간섭과 전자파 내성의 관점으로 구분된다. 

                     EMC
                      │
          ┌───────────┴───────────┐
          │                       │
          ▼                       ▼
         EMI                     EMS
   Electro-Magnetic        Electro-Magnetic
     Interference            Susceptibility
          │                       │
          ▼                       ▼
        방출                    내성

4. EMC 규격의 분류

EMC 규격 이미지에는 다음 항목이 표시되어 있다.

구분 약어 이미지 내용
전도 간섭 CE Conductive Emission
복사 간섭 RE Radiation Emission
전도 내성 CS Conductive Susceptibility
복사 내성 RS Radiation Susceptibility

정보통신기기류의 시험항목으로 ESD, EFT/BURST, SURGE가 함께 표시되어 있다.

ESD = Electro-Static Discharge
EFT = Electrical Fast Transient

5. EMC 핵심기술

EMC 대책 이미지에서는 핵심기술을 다음 5가지로 구분한다.

  1. 접지 Grounding
  2. 차폐 Shielding
  3. 배치 Lay-Out
  4. 필터 Filtering
  5. 부품선정 Selecting

6. Grounding

접지 항목에는 다음 방식이 기록되어 있다.

  • Signal Ground
  • Floating
  • Loop
  • System Ground
Signal Grounding은 Noise 전류가 신호회로에 영향을 주지 않도록 구성하는 핵심 대책이다.

7. Shielding

차폐 항목에는 다음 방법이 표시되어 있다.

  • 자계 Shield — Ferrite Alloy
  • 전계 Shield — 철, 동, 도전성 도료
  • Shield 접속 — 접촉저항, 접합 Impedance 고려
  • 핑거, 개스킷
External EM Field → Shield → Coupled Noise ↓

8. Lay-Out

배치에서는 서로 간섭하기 쉬운 회로를 물리적으로 분리하는 것이 핵심이다.

  • 분리원칙
  • 입력 / 출력 분리
  • Analog / Digital 분리
  • 고속 / 저속 회로 분리
  • 고 / 저 Impedance 회로 분리

9. Filtering

Filtering 이미지에는 전원선과 Analog / Digital 신호선에 대한 Filter 적용이 정리되어 있다.

대상 필터 / 대책
AC/DC 전원 전원선 Filter
고주파 전원 Switching, Inverter, Converter 대책
Analog 신호선 LPF, BPF, HPF, BRF
Digital 신호선 LPF

10. 부품 선정

EMC 대책에서는 부품 자체의 특성도 중요하다.

  • 능동소자 — IC, TR, FET
  • 수동소자 — L, R, C, Transformer
  • 구성부품 — Connector, Switch, Cable류

11. 외부 Noise 원인

NeoStudio 필기에서는 외부에서 유입되는 Noise 원인으로 다음 항목을 기록한다.

  1. 고전류 전원선 근처에 통신 Cable을 포설한 경우 전자기 간섭으로 신호가 영향을 받을 수 있음
  2. LC 공진에 의한 영향
  3. 반사파에 의한 Noise
  4. SMPS의 Switching 동작에 따른 고주파 성분 
      High Current Cable
      =========================

           Electromagnetic Coupling
                    ↓

      Signal Cable
      -------------------------
                    ↓
                  Noise

12. 내부 Noise 원인

내부 Noise로는 열적 Random Noise와 Switching 동작에 따른 충격성 Noise가 기록되어 있다.

① Thermal / Random Noise

열적인 Random Noise는 넓은 주파수 영역에 존재하는 형태로 기록되어 있다.

Random Thermal Motion → Noise

② Switching Noise

Switching → Transient / Shock → Noise

13. White Noise

일반 필기에서는 모든 주파수 영역에 걸쳐 나타나는 Noise를 White Noise로 정리한다. 

      Noise Power
          ↑
          │──────────────
          │
          │
          │
          └────────────────────→ Frequency
White Noise는 넓은 주파수 범위에 분포하는 Random Noise로 기록되어 있다.

14. 전자기 결합에 의한 Noise

일반 필기에서는 큰 전류가 흐르는 전력선 주변에서 발생한 Magnetic Field 또는 Electric Field가 신호선에 결합하여 Noise를 유도한다고 설명한다. 

      Power Cable
      =================
          │
          │ Magnetic / Electric Field
          ▼
      -----------------
       Signal Cable
          │
          ▼
       Induced Noise

대책으로 차폐 케이블과 Signal Grounding을 기록한다.

15. 공사 품질 불량에 의한 Noise

일반 필기에서는 설계뿐 아니라 현장 시공 상태도 Noise의 원인이 될 수 있다고 기록한다.

Cable 포설과 접속상태가 불량하면 예상하지 못한 Noise가 발생할 수 있다.

  • Shield Cable 적용
  • Twisted Pair 적용
  • 접속상태 점검
  • 배선경로 개선

16. Noise 대책의 기본원리

NeoStudio 필기에서는 Noise 문제를 세 요소로 나누어 접근한다. 

      [ Noise Source ]
             │
             │ Coupling Channel
             ▼
      [ Victim Equipment ]

다음 세 요소 가운데 한 개 이상을 제거하거나 개선한다.

  1. Noise 발생원
  2. 결합 Channel
  3. 피해기기
Noise 대책의 기본은 발생원·전달경로·피해기기 중 하나 이상의 영향을 줄이는 것이다.

17. Differential Mode Noise

NeoStudio PDF에서는 Differential Mode Noise를 회로의 두 선 사이에 Noise 전압이 발생하는 형태로 그린다. 

             Vs
          ┌──(~)────────┐
          │             │
          │           [ Load ]
          │             │
          └──(~)────────┘
             Vn

        Differential Noise
        = 두 선 사이에 발생

필기에서는 회로 면적을 줄이는 것이 대책으로 기록되어 있다.

Loop Area ↓ → Differential Coupling ↓

18. Common Mode Noise

Common Mode Noise는 Signal Line과 Ground 사이에 공통으로 Noise 전압이 생기는 구조로 그려져 있다. 

          Signal Line
      ┌───────────────┐
      │             [ Load ]
      │               │
      └───────────────┤
                      │
                     (~) Vn
                      │
                     GND

필기에서는 회로 길이를 줄이는 것이 대책으로 적혀 있다.

Cable / Loop Length ↓ → Common Mode Coupling ↓

19. 배선 분리

고전류 전원선과 신호선을 충분히 이격하여 배치한다. 

      Power Cable
      ===========================


            충분한 이격거리


      Signal Cable
      ---------------------------
Distance ↑ → Electromagnetic Coupling ↓

20. 교차 배선

전력선과 신호선이 교차해야 한다면 가능한 한 90°로 교차하도록 필기에 기록되어 있다. 

      Power Cable
      ====================

               │
               │ 90°
               │
               │

          Signal Cable
전력선과 신호선의 평행구간을 줄이고, 교차할 때는 직각으로 교차시켜 결합을 줄인다.

21. Reflection Noise

NeoStudio 필기에서는 반사파에 의한 Noise 대책으로 Impedance Matching을 기록한다.

Impedance Matching → Reflection ↓ 
      Source ───────── Transmission Line ─────── Load
                                                  │
                                          Impedance Matching

                  Reflection ↓

22. LC 선정

공진에 의한 영향을 줄이기 위해 L, C 값을 적절하게 선정하는 내용이 기록되어 있다.

L, C Selection → Resonance 영향 감소

23. Shield / Twisted Pair

일반 필기에서는 외부 Noise의 결합을 줄이기 위한 배선으로 Shield Cable과 Twisted Pair를 기록한다. 

      Twisted Pair

      ─╲╱─╲╱─╲╱─╲╱─╲╱─
       ╱╲─╱╲─╱╲─╱╲─╱╲

      + Shield
      ==================
Twisting + Shielding → Induced Noise ↓

24. Channel Coding

일반 필기에서는 통신 Noise 대책으로 Channel Coding과 오류 검출·보정도 기록한다.

Data → Channel Coding → Transmission → Error Detection / Correction

통신 Protocol 자체의 오류검출 기능을 사용하는 방향도 함께 적혀 있다.

25. Noise 내성이 높은 기기 선정

NeoStudio 필기 마지막에는 Noise에 강한 기기를 선정하는 것도 대책으로 기록되어 있다.

High Noise Immunity Device → System Robustness ↑

26. Noise 원인과 대책 정리

Noise 원인 대책
전력선의 EMI 배선 이격, Shielding, Grounding, 90° 교차
Thermal / White Noise S/N 향상, 적절한 Filtering
Switching Noise Filter, Layout 개선, 발생원 대책
공진 L/C 적절한 선정
Reflection Impedance Matching
Differential Mode Loop Area 감소
Common Mode 배선 길이 감소, Ground / Shield 고려
시공 불량 Cable 경로, Shield, Twisted Pair, 접속상태 개선
통신 Error Channel Coding, Error Detection / Correction

27. EMC 대책 전체 흐름

                   Noise
                     │
        ┌────────────┼────────────┐
        │            │            │
        ▼            ▼            ▼
      Source      Coupling      Victim
        │          Channel       Device
        │            │            │
        ▼            ▼            ▼
     Filter       Shield       Immunity
     LC 개선      Ground       좋은 기기
     Switching    Layout
     개선         Cable 분리
        │            │            │
        └────────────┴────────────┘
                     │
                     ▼
                  Noise ↓
이 HTML은 페이지 본문 설명이나 외부 참고자료를 사용하지 않고, 페이지의 일반 이미지 5장과 NeoStudio PDF 3페이지에서 Noise / EMI / EMC 관련 내용만 OCR·시각 판독하여 작성했다. NeoStudio PDF 1페이지 상단의 Ideal OP Amp 메모는 현재 Noise 주제와 관계없는 내용이므로 제외했다. 손글씨 수식 중 Differential / Common Mode의 전계 관계식은 기호가 명확하지 않아 임의로 보정하지 않고, 필기에서 명확히 확인되는 ‘Loop 면적 감소’, ‘회로 길이 감소’라는 대책만 반영했다.
Noise, EMI, EMC, EMS, Conductive Emission, Radiation Emission, Conductive Susceptibility, Radiation Susceptibility, White Noise, Thermal Noise, Switching Noise, Differential Mode Noise, Common Mode Noise, Grounding, Shielding, Filtering, Layout, Twisted Pair, Impedance Matching, Channel Coding
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