고전압증폭기

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소개
이 애플리케이션 노트에서는 고전압 증폭기 사용과 관련된 잡음 및 간섭 문제에 대해 설명합니다. 여기서 설명하는 많은 개념은 저전압 전치 증폭기 또는 I/V 컨버터(전류 대 전압 또는 트랜스임피던스 증폭기)와 같은 다른 형태의 정밀 측정에도 동일하게 적용됩니다. 고전압 증폭기는 예를 들어 압전 구동기 또는 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 장치 조향에 자주 사용됩니다. 많은 응용 분야에서 고전압 증폭기의 잡음 사양은 출력 잡음이 증폭기의 부하를 구성하는 압전 또는 MEMS 액추에이터의 위치 잡음/불확실성으로 직접 변환되기 때문에 가장 중요합니다.
이 애플리케이션 노트의 전반부에서는 랜덤 전자 노이즈의 기본 특성과 사양을 올바르게 해석하는 방법에 대해 설명합니다. 우리는 또한 제조업체가 증폭기 잡음 사양을 '강화'할 수있는 다양한 방법을 살펴보고 특정 응용 분야에 가장 적합한 증폭기에 대한 정보에 입각 한 선택을 할 수 있습니다. 이 애플리케이션 노트의 후반부에서는 일반적인 간섭 메커니즘(주변 모든 사람을 혼란스럽게 하기 위해 종종 '노이즈'라고도 함)과 간섭이 저잡음 측정에 미칠 수 있는 영향에 대해 논의합니다. 우리는 간섭을 완화하는 방법을 모색하고 가능한 한 다양한 유형의 간섭을 거부하는 '최적의'측정 솔루션을 제공 할 것입니다.

섹션 1 - 소음

랜덤 전자 잡음 - 이론
의 약간은 잡음 전압이 특정 값, 무잡음 신호 전압의 변동으로 정의된다. 이러한 변동은 일반적으로 가우시안 진폭 분포를 가지며, 작은 편차는 큰 편차보다 훨씬 더 높습니다 (그림 1). 잡음 전압의 최대 피크 대 피크 소풍이 통계적으로 정의되지 않았기 때문에 일반적으로 잡음의 양을 정량화하기 위해 rms(평균 제곱근) 전압 잡음을 사용합니다. rms 값은 통계의 한 표준 편차에 해당합니다. 잡음의 일반적인 관찰 가능한 피크 대 피크 값은 rms 값의 6 - 8배입니다.

그림 1. 전자 소음 예

전자 소음은 정밀 측정이 이루어지는 거의 모든 곳에서 발견됩니다. 전자 소음의 두 가지 기본 유형은 열 (존슨이라고도 함) 소음과 샷 소음입니다. 또한, 상대적으로 낮은 주파수는 1/f 잡음을 자주 발생하는데, 이는 전력 (전압이 아님)이 더 낮고 낮은 주파수를 보면 주파수 f 위에 하나와 함께 상승하는 잡음의 한 유형입니다. 후자는 일반적으로 전자 부품의 제조 공정의 불완전성으로 인해 발생하며, 따라서 처음 두 가지보다 덜 기본적입니다.

열 잡음은 물리학의 기본적인 사실이며, 변동-소산 정리에서 그 뿌리를 찾는다. 소산이 있는 모든 물리적 시스템은 이러한 잡음을 보여준다: 저항기(전자제품에서 '방산' 요소의 명백한 클래스임)뿐만 아니라, 예를 들어 댐핑이 있는 기계 시스템도 이 잡음을 나타낸다. 따라서 전자 제품, 레이저 주파수 안정성 및 브라운 운동과 같은 다양한 분야에서 나타납니다. 또한 AFM (원자력 현미경) 캔틸레버 분해능에 대한 궁극적 인 한계를 설정합니다. 전자 제품에서 볼트에 v_n rms 열 잡음 전압 의 양은 v_n=sqrt(4kTRB)로 주어지며, 여기서 k는 볼츠만 상수(k = 1.38*10^-23 J/K), T는 켈빈의 절대 온도, R은 옴의 저항, B는 시스템의 대역폭(Hz)입니다. 열 잡음은 시스템의 온도, 저항 및/또는 대역폭이 감소될 때 낮아지며, 따라서 민감한 검출기는 종종 액체 질소 또는 액체 헬륨으로 냉각된다.
예를 들어, 실온에서 1Hz 대역폭에서 1Ohm 저항기의 단자에 걸쳐 열적으로 유도된 rms 잡음 전압은 v_n = sqrt((1.38*10^(-23)*293*1*1)) = 0.127nV이다. 저항이 더 높으면 잡음은이 저항의 제곱근과 함께 상승합니다 (예 : 100Ohm의 경우 1.27nV가됩니다). 대역폭이 증가하면 대역폭의 제곱근과 함께 상승합니다 (예 : 100Hz 대역폭에서 100Ohm의 경우 12.7nV가됩니다). 시스템의 대역폭은 선험적으로 알려지지 않는 경우가 많기 때문에 열 잡음은 종종 단위 nV/sqrt(Hz)를 가진 숫자로 표현되며, 이는 이 값이 시스템 대역폭의 제곱근을 곱하면 rms 잡음 전압이 얻어진다는 것을 나타냅니다.

샷 노이즈는 이산 입자가 에너지 장벽을 하나씩 통과하는 세계 도처에 나타납니다. 전자 제품에서는 전자가 다이오드 및 트랜지스터 (또는 전자 튜브의 여유 공간)와 같은 반도체 접합부를 독립적으로 교차 할 때 나타납니다. 많은 사람들이 또한 낮은 조명 조건에서 촬영 된 사진 이미지의 '거칠음'에 익숙하며, 이는 광 입자의 이산으로 인해 발생합니다 : 광자도 샷 노이즈를 가지고 있습니다.
전자 제품에서 장벽을 가로 질러 흐르는 전류의 잡음 (변동)은 암페어에서 rms 전류 잡음으로 주어지며, i_n = sqrt (2qIB)로 주어지며, 여기서 q는 기본 전하 (q = 1.60 * 10 ^ 19 C), I는 장벽을 가로 질러 흐르는 암페어의 꾸준한 DC 전류이고 B는 는 열 잡음의 경우와 마찬가지로 시스템의 대역폭(Hz)입니다. 그런 다음 이 방정식은 일반적으로 pA/sqrt(Hz) 또는 nA/(sqrt(Hz) 단위를 갖는 전류 잡음에 대한 값을 발생시키며, 여기서 다시 이 값을 대역폭의 제곱근에 곱하여 특정 대역폭을 가진 시스템에 존재하는 총 rms 전류 잡음을 얻어야 합니다.

열 잡음과 전류 잡음은 모두 흰색이며, 이는 모든 주파수에서 동일한 잡음 전력이 있음을 의미합니다: 잡음 스펙트럼은 평평합니다. 이 경우에만 대역폭의 제곱근을 곱하면 올바른 총 노이즈가 발생합니다. 사실, 당신이해야 할 일은 노이즈 스펙트럼에 대한 적분을 취하는 것입니다.

1/f 잡음은 훨씬 덜 잘 정의되어 있습니다. 처음에 동일한 사양을 갖는 것처럼 보이는 다른 구성 요소 (예 : 동일한 저항 및 대역폭을 가짐)는 동일한 배치에서 온 경우에도 1 / f 잡음이 크게 다를 수 있습니다. 시스템에서 1/f 노이즈를 잘 이해할 수 있는 유일한 방법은 실제로 노이즈를 측정하는 것입니다.

고전압 증폭기의 기본 잡음 평가 저잡음 고전압 증폭기
제조업체는 부품의 열 잡음 기여도와 증폭기의 전류 잡음 기여도가 모두 낮다는 점에 상당한 주의를 기울일 것입니다. 증폭기 자체의 대역폭까지 출력 전압 잡음 스펙트럼은 이상적으로 흰색이므로 주파수와 무관하게 평평합니다. 특정-바람직하게는 매우 낮은- 주파수 1/f 잡음이 또한 존재할 수 있고, 저주파 측에서 잡음 스펙트럼의 상승 기울기로서 보여진다.
고전압 증폭기는 서로 다른 증폭 계수와 서로 다른 대역폭을 가지기 때문에 이러한 증폭기의 잡음 성능은 이러한 차이를 고려하여 공정하게 비교할 수 있습니다. 한 증폭기가 10x를 증폭하고 다른 증폭기가 100x를 증폭하지만 후자가 10x 더 많은 출력 잡음을 갖는 경우 증폭기는 입력 신호의 관점에서 볼 때 똑같이 '양호'합니다. 그러나 내부 잡음이 많이 증폭되지 않기 때문에 첫 번째 증폭기의 실제 전압 잡음이 실제로 출력에서 10 배 낮아지기 때문에 100x 증폭이 필요한지 여부를 자문해야합니다. 마찬가지로, 하나의 고전압 증폭기가 다른 증폭기와 동일하지만 대역폭이 100배 더 많은 경우, 잡음이 실제로 흰색인 경우 10x(= sqrt(100)) 더 많은 잡음을 가질 수 있습니다.
고전압 증폭기 잡음 성능의 비교를위한 '이상적인 레시피'는 매우 간단합니다. 증폭기에 지정된 출력 전압 잡음 레벨(일반적으로 uV rms)을 각 대역폭의 제곱근으로 나누어 sqrt(Hz)당 '정규화된' 값을 얻습니다. 이렇게하면 모든 주파수에 대해 출력에서 가장 낮은 잡음을 갖는 증폭기가 표시됩니다. 증폭 계수를 고려할 수도 있습니다.하지만 신호 소스의 최대 출력 레벨과 호환되는 가장 작은 값에 가까운 증폭 계수를 가진 증폭기를 선택하는 것이 좋습니다. 예를 들어 20Vpp (피크 투 피크)를 생성 할 수있는 함수 생성기가 있고 -200V ~ + 200V가 필요하므로 400Vpp 이상인 경우 적어도 20x 증폭기가 필요합니다. 그러나 훨씬 더 큰 증폭 계수를 가진 증폭기를 선택하지 마십시오.이 증폭기는 자체 잡음과 발전기의 잡음을 필요 이상으로 증폭시킬 수 있기 때문입니다.

예를 들어, 두 증폭기 A와 B 중에서 선택할 수 있다고 가정해 보겠습니다. 증폭기 A의 출력 전압 잡음은 100uV이고 증폭은 10x이며 대역폭은 1kHz입니다. 증폭기 B는 50x를 증폭하고 대역폭은 100kHz이며 출력 전압 잡음은 2mV입니다. 어느 것이 더 나은 증폭기입니까?
서두르고 10x 증폭 만 필요하고 대역폭 요구 사항이 1kHz 미만인 경우 반드시 증폭기 A로 이동하십시오. 그러나 본질적으로 증폭기 B가 더 좋습니다 : 증폭기 A의 경우와 같이 대역폭이 100 배 작 으면 출력 잡음은 200uV가됩니다. 또한 증폭 계수가 증폭기 A와 마찬가지로 50x가 아닌 10x라면 동일한 출력 신호에 대해 증폭기 A보다 2.5 더 나은 요인 인 40uV 출력 전압 잡음을 제공합니다. 증폭기 B의 제조업체는 증폭기 A의 대역폭과 증폭 계수가 필요하더라도 증폭기 A보다 나은 증폭기를 만들 수 있으며 증폭기 B 제조업체에 이러한 증폭기를 제공 할 수 있는지 물어 보는 것은 상처를주지 않습니다. 또는 예를 들어 Falco Systems 초저잡음 WMA-200 고전압 증폭기의 경우와 같이 대역폭을 외부에서 줄일 수 있습니다. 이는 출력 전체에 부하 커패시터 박스를 배치하여 수행됩니다.

일반적으로 증폭기를 비교할 때 단일 대역폭과 증폭 계수로 모두 정규화하는 것이 좋습니다. 선택 단위는 제곱근 1Hz 대역폭당 rms 전압으로 1x 증폭(입력 기준 잡음이라고 함)을 갖는 잡음입니다. 실험실 목적의 고전압 증폭기를 사용하면 일반적으로 몇 nV/sqrt(Hz) ~ 수백 nV/sqrt(Hz) 입력 기준 잡음의 수준을 얻을 수 있습니다.

현실 세계
모든 고전압 증폭기가 지정된 대역폭까지 평평한 잡음 스펙트럼을 가지며이 대역폭 밖에서 제로 잡음을 가지며 모든 제조업체가이 숫자를 인용하면 인생이 쉬울 것입니다. 그러나 많은 효과가이 이상적인 그림을 망쳐 놓으면 다음과 같이 고려해야합니다 :
- 증폭은 명시된 (-3dB) 대역폭보다 먼저 떨어지기 시작하고 명시된 대역폭보다 더 부드럽게 떨어집니다. 증폭이 1차 필터로 떨어지면 총 측정 잡음은 1.571*sqrt(Hz의 대역폭)*잡음(nV/sqrt(Hz))이 되는 반면, 두 번째 차수 응답은 품질 계수 [1]에 따라 곱셈 계수를 약간 낮출 수 있습니다. 따라서 1차 응답과 10nV/sqrt(Hz)의 입력 기준 잡음을 갖는 증폭기는 증폭기의 자체 대역폭이 100Hz인 경우 157nV rms 전압 잡음(1x 증폭 포함)을 측정하지만 출력의 잡음은 모든 주파수에서 측정됩니다.
- 증폭기의 전력 대역폭은 슬루율 제한으로 인해 작은 신호 대역폭보다 훨씬 작을 수 있습니다 (Falco Systems 애플리케이션 노트 1 - 고전압 증폭기 : 실제로 얼마나 빠릅니까?). 소음은 항상 낮은 수준이기 때문에, 그것은 is 여기서 동작을 제어하는 (일반적으로 더 큰) 작은 신호 대역폭입니다.
- 많은 고전압 증폭기는 출력에 연결된 정전 용량 부하에 의존하는 대역폭을 가지므로 대역폭 (따라서 잡음)이 일정
하지 않습니다 - 더 나쁜 것은 많은 증폭기가 특정 용량 성 부하로 피크 응답 (스텝 응답에서 오버슛)을 나타내어 대역폭이 변경되지 않더라도 부하에 따라 곱셈 계수를 1.571의 값에서 변경합니다
. - 낮은 주파수에서 nV / sqrt (Hz)의 잡음 값은 1 / f 잡음으로 인해 (훨씬) 높을 수 있습니다. 그러나 전체 잡음 레벨에서이 효과는 증폭기의 대역폭이 실제로 낮지 않는 한 (1kHz 미만) 일반적으로 작습니다.
- 저주파에서도 50/60Hz 주 주파수 또는 이 주파수의 배수가 간섭으로 존재할 수 있으며 출력 신호에 나타날 수 있습니다. 증폭기에 스위치 모드 전원 공급 장치가 있는 경우 최대 100(!) MHz까지 훨씬 더 높은 주파수가 존재할 수 있습니다. 후자는 종종 완전히 걸러 내기가 어렵습니다.
- 제조업체는 때때로 고전압 증폭기가 가능한 한 화려하게 보이도록 사양 및 측정 조건을 선택 / 조정합니다.

고전압 증폭기 제조업체에서 해야 할 공정한 일은 여러 가지 일반적인 정전 용량 부하에 대해 넓은 대역폭(증폭기 대역폭보다 훨씬 큼)에서 출력 잡음을 측정하는 것입니다. 증폭기가 피킹 경향을 나타내는 경우, 다른 정전 용량 부하에 대해 주파수 응답의 Bode 플롯이 제공되어야 합니다. 잡음이 1/f 또는 간섭으로 인해 저주파에서 많이 증가하면, 증폭기 출력의 실제 잡음 스펙트럼도 예시적일 수 있다. 이는 정상 잡음 스펙트럼(도 2의 예)일 수 있지만, 매우 예시적인 것은 또한 누적 잡음 스펙트럼이며, 여기서 총 rms 잡음은 측정 대역폭의 함수로서 측정되고 플롯팅된다. 대역폭에서 잡음 전력 스펙트럼 밀도로 이동 한 다음 누적 전력 및 전압 스펙트럼으로 이동하려면 전력이 제곱 된 전압에 비례한다는 것을 명심해야합니다. 누적 잡음 전압을 계산하는 올바른 절차는 전압 잡음 스펙트럼 밀도로 시작하여 전력 스펙트럼 밀도를 얻은 다음 누적 잡음 전력을 얻기 위해 전력 스펙트럼 밀도를 통합 한 다음 누적 전압 잡음 스펙트럼에 도달하기 위해 제곱근을 취하는 것입니다. 때로는 전압 잡음 스펙트럼 밀도가 대신 통합 된 그래프 (누적 진폭 스펙트럼이라고 함)가 표시되지만 일반적으로 올바른 결과로 이어지지는 않습니다. 대역폭 아래 및 주변의 높은 주파수는 전체 잡음에 가장 많이 기여하는 것으로 보이지만 그래프는 주파수에서 (일반적으로 수행되는 것처럼) 대수입니다. 1Hz - 10Hz에서 10Hz - 10Hz의 잡음 전력보다 대략 sqrt(9) = 3배나 많은 잡음 전력이 있다고 생각하십시오. 이 모든 정보가 존재하면 잡음과 관련하여 증폭기를 공정하게 평가할 수 있습니다. 잠재적인 사용자는 증폭기를 구입하기 전에 실제 응용 제품에 존재할 잡음의 양을 이미 추정할 수 있습니다.

그림 2. 노이즈 스펙트럼 예: 필터링된 백색 잡음
의 전달 함수 및 전력 스펙트럼 밀도
측정된 데이터가
있는 예로서 실제 사례로서 Falco Systems WMA-100(범용, 저잡음) 및 WMA-200(초저잡음) 고전압 증폭기(그림 3)에 대한 잡음 특성 및 해석을 보여줍니다. 이들의 사양은 표 1에 제시되어 있다.

그림 3. WMA-200 초저잡음 및 WMA-100 저잡음(범용) 증폭기는

표 1. WMA-100 및 WMA-200 고전압 증폭기의

사양 해당 잡음 스펙트럼 밀도 및 누적 잡음 전압 대 주파수는 그림 4에 나와 있습니다. WMA-200의 sqrt(Hz)당 전체 잡음 밀도는 전체 대역폭에서 WMA-100의 잡음 밀도보다 낮으며, 또한 WMA-200의 대역폭이 작기 때문에 진폭이 WMA-100보다 낮은 주파수에서 롤링되기 시작합니다. 저주파 간섭 구성 요소(50Hz 및 최대 10kHz의 기타 자기 간섭)는 전력 스펙트럼 밀도 플롯(그림 4a)에서 매우 잘 보이지만, WMA-200의 총 50uVrms 출력 전압 잡음에 몇 마이크로볼트만 기여한다는 점에 유의하십시오(그림 4b). 실험에서 고주파 간섭 (그림 4a의 1MHz 이상의 날카로운 피크)은 무선 신호에 의해 발생하지만 누적 총 잡음에 대한 기여도는 무시할 수 있습니다.

도 4a. 전압 잡음 스펙트럼 밀도

그림 4b. 누적 잡음 전압

그림 4. WMA-100 및 WMA-200 고전압 증폭기에 대한 출력 전압 잡음 스펙트럼 밀도 및 해당 누적 출력 잡음 전압 플롯에 대한 실험적 평가 증폭기 잡음 평가 함정
주의해야 할 일반적인 문제는 다음과 같습니다 -
증폭기

는 대역폭이 크지 만 제조업체는 대역폭이 훨씬 작은 거대한 정전 용량 부하로 잡음 레벨 만 인용합니다. 그러나이 대역폭 감소는 언급하지 않습니다.
- 고전압 증폭기가 특정 용량 성 부하로 피크를 이루면 피킹 주파수에서 잡음 주파수가 엄청나게 증폭 될 수 있습니다.
- 측정 된 출력 잡음에 더 낮은 주파수 제한이 있습니까? DC 오프셋이 측정에 영향을 미치지 않도록 차단하는 'AC'의 오실로스코프? 1/f 소음을 표시하지 않으려는 의도적 인 시도? 이 오류의 사악한 버전은 그래프가없는 '플랫 밴드 노이즈'만 인용하는 것입니다.
- 증폭기의 증폭 계수를 조정할 수 있지만 가장 낮은 증폭 계수에 대한 출력 잡음 만 제공됩니다.
- 잡음은 증폭기의 대역폭보다 훨씬 더 큰 대역폭에서 (올바르게) 측정되었지만 증폭기 대역폭은 언급되지 않았습니다. 이 경우 출력 잡음이 훨씬 더 큰 대역폭에 분산되어 있다고 생각하고 그에 상응하여 더 낮은 예상 nV / sqrt (Hz)를 사용한다고 생각할 수 있습니다.
- 잡음은 증폭기의 최대 -3dB 대역폭까지의 대역폭에서만 제공되므로 실제보다 약 1.571 배 낮은 값을 제공합니다. 이것은 심지어 제조업체조차도 am의 -3dB 대역폭까지 누적 잡음 스펙트럼을 플로팅 할 때 선의로 빠질 수있는 함정입니다.적어도 열 배 더 높은 주파수까지 플로팅하는 대신 plifier.
- 신호 소스에 너무 많은 잡음이있는 경우 저잡음 고전압 증폭기가 도움이되지 않습니다 ...

Section 2 - Interference

간섭
의 종류 간섭은 해당 시스템 자체의 물리적 특성으로 인해 측정 시스템 내부에서 발생하는 임의의 신호가 아닙니다. 대신, 그것은 어떻게 든 측정 시스템에 들어갈 수있는 기생 신호의 외부 소스에 의해 발생합니다. 전기 간섭은 정전 용량적으로, 자기적으로, 공통 도체에서 강제 전류로, 또는 고주파 전자기 방사선을 집어 들음으로써 결합 될 수 있습니다. 비 전기 간섭의 원인을 찾는 것은 예를 들어 열 영향 (느린 드리프트) 또는 진동 및 소리 (회로의 '마이크로 포니')로 인해 발생하는 경우 매우 쉬울 수 있습니다. 후자는 헤드폰으로 소음을 들음으로써 식별 (및 대책 평가)될 수 있으며, 모든 사람이 알고있는 트릭은 아닙니다. 그다지 명확하지 않은 마이크로포니의 예로는 음향적으로 충전된 커패시터에 결합하여 50/60Hz 전류를 발생시키는 변압기 험이 있습니다. 그러나 비 전기 간섭은 우주 방사선이 고품질 유전체를 통해 누설 전류 (짧은 펄스로!)를 생성하는 상황과 같이 훨씬 더 모호 할 수 있습니다.

정전 용량 간섭 정전 용량 간섭
은 일반적으로 측정 설정에 사용하는 회로의 고임피던스(고저항) 노드로 강제로 들어갑니다. 본질적으로 회로의 고 임피던스 노드의 금속과 간섭원의 도체는 커패시터의 두 플레이트로 함께 작용하며 그 사이에 공기가 유전체로 작용합니다. 두 전압 차이가 변하면 전류가 이 '기생' 커패시터를 통해 흐르고 회로의 하이 임피던스 노드로 끝날 수 있습니다. 간섭원에서 전압 변화의 주파수가 높을수록 전류가 높아지고 커패시터의 임피던스가 1/j*omega*C로 변하고 2*pi*omega가 Hz의 간섭 주파수이고 C가 Farad의 기생 경로의 커패시턴스로 변함에 따라 더 번거로워집니다. 일반적인 정전 용량은 pF(10^-12) ~ fF(10^-15) 범위에 있습니다.
예를 들어 벽의 주 배선 (예 : 230V rms, 50Hz)에서 1M-Ohm 오실로스코프 입력에서 튀어 나오는 약간의 차폐되지 않은 와이어에 대한 신호 커플링이 있습니다. 많은 독자들은 이것이 오실로스코프에 50Hz 파형이 나타날 것이라는 것을 관찰했을 것입니다. 손가락으로 와이어를 만지면 더 나빠집니다 (더 높은 진폭). 상황과 동등한 개략도는 도 5에 제시되어 있다.

그림 5. 오실로스코프 입력

에서의 정전 용량 간섭 메인 배선과 오실로스코프 입력 사이의 기생 정전 용량은 오실로스코프의 입력 저항으로 고역 통과 필터를 형성합니다. 오실로스코프의 입력 정전 용량(일반적으로 약 30pF)은 고주파에서 상승하는 간섭 신호의 그래프를 다시 레벨오프하게 합니다. 몇 pF의 기생 커패시턴스 및 1M-Ohm 입력 저항의 값을 사용하여 오실로스코프의 입력에서 예상되는 기생 전압을 쉽게 계산할 수 있습니다.

많은 시스템은 이러한 유형의 간섭을 나타내며 예와 같이 저주파 주 간섭 또는 MHz 범위의 전파와 같은 더 높은 주파수 간섭을 포착합니다. 후자는 회로의 대역폭 밖에 있을 수 있지만 기생 신호가 r 인 경우 여전히 문제를 일으 킵니다.회로에서 트랜지스터 또는 다이오드의 pn 접합에 의해 ected. 그런 다음 훨씬 낮은 주파수에서 신호로 나타납니다. 이러한 간섭에 대한 대책은 본질적으로 항상 동일합니다 : 소스와 민감한 회로 노드 사이의 기생 정전 용량을 낮 춥니 다. 이것은 회로의 민감성 노드의 전도성 영역을 더 작게 만들거나 간섭원과 회로 사이의 거리를 더 크게 만들어서 수행 할 수 있습니다. 둘 다 기생 정전 용량을 낮 춥니 다. 그러나 지금까지 가장 효과적인 방법은 두 노드 사이에 세 번째 접지 된 차폐 도체를 배치하여 민감한 노드가 더 이상 간섭 노드를 '볼'수 없도록하는 것입니다 (그림 6).

그림 6. 정전 용량 간섭으로부터 민감한 고임피던스 노드를 차폐 이러한 전도성 쉴드
를 사용하면 간섭
정전 용량 전류가 접지로 진행되어 해를 끼칠 수 있습니다. 이 차폐 도체가 민감한 회로 주위에 배치 될 때, 우리는 패러데이 케이지에 대해 이야기합니다. PCB 또는 전도성, 접지 인클로저 (대부분의 저잡음 고전압 증폭기에서와 같이)의 작은 상자 형태를 취할 수 있습니다. 그러나 병원의 뇌파 (뇌전도) 측정실과 같이 완전한 방조차도 차폐 될 수 있습니다. 또 다른 예는 동축 케이블과 같은 차폐 케이블이지만 나중에 케이블링에 대해 더 많이 말해야합니다. 낮은 주파수에서 중간 주파수까지(최대 MHz 범위까지)에서 이 차폐는 120dB(요인(106))의 간섭 감소와 함께 매우 효과적일 수 있습니다.
결론적으로 : 용량 성 간섭을 방지하려면 기생 정전 용량을 가능한 한 줄이고 민감한 노드 주변의 접지 된 쉴드, 바람직하게는 모든 것을 사용하여 쉴드가 효과적으로 패러데이 케이지가되도록합니다.

자기 간섭 자기 간섭
은 기본적으로 '변압기 작용'입니다. 주변에서 자기장을 변화시키는 것이 전류를 유도 할 수있는 전도성 루프가있는 경우 발생합니다. 이 전류가 루프를 중심으로 회전함에 따라 루프에 존재하는 모든 중요한 저항과 임피던스에 걸쳐 전압이 생성됩니다. 루프는 반드시 물리적으로 식별 가능한 루프는 아닙니다: 루프 전류는 예를 들어 (기생) 커패시턴스를 통과할 수 있으며, 이로 인해 간섭이 어디에서 오는지 알기가 어려울 수 있습니다.
접지 루프는 잘 알려진 유형의 자기 간섭입니다(그림 7). 여기서, 0V 접지 기준은 유도 순환 전류가 루프의 저항에 걸쳐 전압을 생성하기 때문에 동일한 전위에서 모든 곳에 있지 않습니다. 큰 루프 영역은 많은 자속이 그것을 통과 할 수 있기 때문에 특히 해롭다. 일반적인 예는 주 보호 접지에 접지되지만 차폐 동축과 같은 단일 종단 케이블을 사용하여 서로 통신하는 두 가지 장비입니다. 여기서 저수준 측정은 보호 접지선의 루프의 일반적으로 넓은 영역(주 케이블)과 동축을 통해 자기 간섭을 포착합니다.

그림 7. '접지 루프'에서 변화하는 자기장 플럭스에 의해 유도되는 전류는 전류가 제로 이외의 저항/임피던스를 통해 흐르기 때문에 루프를 따라 전압이 나타나게 합니다.
<143> 자기 간섭에 대한 가장 중요한 대책은 간섭원까지의 거리를 늘리고 자기 간섭을 포착하는 루프를 가능한 한 작게 만드는 것입니다. 전도성 인클로저에 의해 완전히 해결 될 수있는 용량 성 간섭과는 달리, 자기 간섭은 보호하기가 훨씬 어렵습니다. 그 이유는 완벽한 자성 물질이 없기 때문입니다. 강철 (스테인레스 스틸이 아닌 - 대부분의 스테인레스 스틸은 비 자성)은 합리적으로 잘 작동하며 어려운 경우 뮤 메탈이 옵션입니다. 그러나, 뮤메탈은 고가이며, 응력(예를 들어 굽힘) 하에서 우수한 자기 특성을 느슨하게 하기 때문에 가공하기가 어렵다.
자기장 라인이 차폐 조각으로 이동 한 다음 수용 회로로 이동하기 때문에 문제가되는 소스와 수용 루프 사이에 자성 물질 조각을 배치하는 것만으로는 작동하지 않습니다. 대신, 민감성 회로 주위에 자기장을 덕트해야합니다 (그림 8).

그림 8. 자기장으로부터 보호하려면 자성 물질로 민감한 회로 주위의 필드 라인을 안내해야합니다.

강제 전류 전류
가 동일한 전위에 있어야 하는 두 접지점 간에 전류가 흐른다면, 전류가 이 두 지점 사이에서 발생하는 모든 저항에 걸쳐 전압을 유도하기 때문에 이 공통 0V 기준은 더 이상 작동하지 않습니다. 예를 들어 민감한 회로가 전원 공급 장치에서 민감한 회로를 통해 전류를 끌어오는 전력 회로로 흐르는 큰 전류로 인해 서로 다른 위치에서 다른 접지 전위를 보는 경우를 들 수 있습니다. 해결 방법은 상당한 전류가 흐를 것으로 예상되는 모든 연결에 대해 전력 회로에 별도의 도체를 제공하는 것입니다.
민감한 회로의 '스타 접지'는 민감한 회로의 모든 0V 노드가 단일 지점에서 함께 묶여있는 여기에서도 도움이됩니다. 이 지점을 통해 흐르는 전류가 있더라도 서로 다른 접지 연결 사이의 저항은 더 이상 공간에서 분리되지 않기 때문에 무시할 수 있습니다. 따라서 민감한 회로의 접지 지점 간에 전압 차이가 없습니다. 그러나 종종 인쇄 회로 기판 (PCB)의 저임피던스 접지면이 더 나은 솔루션입니다.

전자기 방사
고주파에서 전자기파의 물리적 길이는 측정 시스템의 물리적 치수와 비슷하거나 작아집니다. 이 경우 별도의 용량 성 및 자기 간섭의 단순화는 더 이상 유지되지 않습니다. 미터 단위의 파장 람다는 람다 = nu / f로 Hz의 신호 주파수 f와 관련이 있으며, nu는 빛의 속도, 3 * 10 ^ 8 m / s입니다. 엄지 손가락의 규칙은 파장이 시스템의 가장 큰 차원의 10 배보다 작은 주파수의 경우 전자기 효과를 고려해야합니다. 그러나 매우 민감한 회로의 경우 이미 훨씬 낮은 주파수에서 효과를 경험할 수 있습니다.
다행히도 패러데이 케이지로 차폐하는 것은 일반적으로 전자기 간섭에 대해 매우 잘 작동합니다. 전자기 방사선은 방패에 와류를 만들어 쉴드가 충분히 l을 가지고 있다면ow 저항, 완전히 방패의 다른쪽에 전자기 방사선을 취소. 라디오 수신은 잘 구성된 패러데이 케이지가 완전히 불가능합니다! 패러데이 인클로저의 구멍이 필요한 경우 차단하려는 전자기파의 길이에 비해 작아야합니다.

인클로저 및 케이블
모든 표면에 걸쳐 전도되는 금속 인클로저는 매우 우수한 범용 패러데이 케이지입니다. 두 인클로저 사이의 동축 케이블도 이와 같이 작동합니다 (그림 9). 이 체계는 우수한 간섭 제거 성능을 제공합니다. 인클로저가 모든 표면과 인터페이스에서 잘 작동하지 않는 경우 (특히 인클로저가 서로 다른 패널로 구성된 경우 함께 나사로 조여짐) 차폐의 효과가 저하되고 인클로저 내부의 간섭 수준에 대한 실험적 평가가 필요할 수 있습니다.

그림 9. 그 사이에 동축 케이블이있는 두 개의 인클로저는 단일 패러데이 케이지 역할을합니다. 내부 회로는 정전 용량 또는 전자기 간섭에 의해 방해받지 않습니다.

불행히도, 대부분의 경우 그림 9의 구성표보다 더 많은 케이블이 존재합니다. 이것은 접지 루프의 위험과 자기 간섭의 픽업을 초래합니다. 케이블을 가능한 한 짧게 유지하고 접지 루프의 면적을 최소화하면 다소 도움이되지만 가장 좋은 해결책은 장비 조각간에 차동 신호를 사용하는 것입니다. 일부 기능 발생기에는 이 작업을 수행하기 위해 두 개의 출력이 있으며, 초저잡음 고전압 증폭기에는 위에서 설명한 프로세스로 인한 간섭을 거부하는 차동 입력이 있습니다.
단일 종단 신호는 고정된 0V 레퍼런스, 일반적으로 실드를 갖는다. 이것이 동축 케이블이 작동하는 방식입니다. 차동 방식에서 소스는 두 개의 신호 와이어에 두 개의 전압을 송신합니다. 이 전선들은 서로에 대하여 반대 극성의 신호 전압을 전달한다. 접지된 쉴드는 이제 주변에서 기생 전압을 포착할 수 있지만 두 신호 와이어 간의 전압 차이에는 영향을 미치지 않습니다. 이 전압 차이는 수신단에서 사용되므로 간섭이 발생하지 않습니다.

그림 10. 동축과 차폐 트위스트 페어(STP) 케이블 픽은 모두 한 루프에서 변화하는 균일한 자기장에 의해 유도되는 전류가 다른 루프에서 취소되는 대칭 지오메트리가 되도록 구축됩니다. STP 케이블은 자기 간섭 제거 외에도 동축 케이블이 사용하지 않는 접지 전류에 의해 실드에서 발생하는 전압으로부터 차폐합니다. 차등적으로 연결된 시스템은 여전히 자기 간섭에 다소 취약할 수 있습니다.

두 신호 와이어가 정확히 같은 지점에 있지 않기 때문에 두 신호 와이어 사이에 루프가 존재합니다. 전선을 비틀면 모든 트위스트에서 변화하는 자기장의 영향을 역전시킵니다. 와이어의 작은 루프 섹션에 의해 포착 된 작은 자기 간섭은 다음 루프에 의해 취소되며, 여기서 자기 간섭은 반대 극성으로 유도됩니다. 이것이 연선 케이블의 원리입니다(그림 10).

고전압 증폭기에 대한 권장 사항
고전압 증폭기는 감수성에서 고유하지 않습니다.외부 간섭에 대한 민감성 및 위의 모든 권장 사항이 적용됩니다. 특히 다음 사항에 유의해야합니다 :
- 가능한 경우 신호 소스와 고전압 증폭기 사이에 차동 신호와 STP 케이블을 사용하십시오.
- 신호 소스와 고전압 증폭기 사이에 단일 종단 (동축) 케이블이 필요한 경우 동축 케이블을 가능한 한 짧게 유지하십시오. 신호 발생기와 고전압 증폭기 사이에 접지 루프가 존재할 수 있는데, 둘 다 종종 메인 케이블을 통해 주 보호 접지에 연결되기 때문입니다. 일부 발전기는 독립적 인 신호 접지를 갖거나 필요한 경우이 접지를 주전원 안전 접지에서 분리 할 수있는 가능성을 제공하여 직접 접지 루프를 방지합니다. 다른 신호 발생기는 배터리로 작동 할 수 있습니다. 더 낮은 심각도의 용량성 결합 루프가 여전히 존재할 수 있습니다. 짧은 메인 케이블을 사용하여 동일한 콘센트에 연결한 다음 가능한 한 길이에 따라 함께 묶습니다.
- 일반적인 고전압 증폭기의 출력은 브리지 모드에서 두 개의 증폭기를 사용하지 않는 한 단일 엔드이므로 위에 나열된 모든 외부 영향에 취약합니다. 증폭기 출력 커넥터 접지를 사용하여 고전압 증폭기의 부하(예: 피에조, MEMS 등)를 접지합니다. 부하에서 다른 접지 지점으로 별도의 연결을 만들면 접지 루프가 즉시 생성되고 부하의 전압 정확도가 저하됩니다. 증폭기에서 부하까지 연결하는 단일 종단 동축 케이블을 가능한 한 짧게 유지하십시오 : uV 레벨에서 센티미터는 데시미터보다 훨씬 낫습니다!
- 가능한 한 패러데이와 같은 인클로저로 부하를 차폐하고이 인클로저를 고전압 증폭기의 출력 접지에만 접지하십시오.

그림 11은 최적의 간섭 제거를 위해 발전기, 고전압 증폭기 및 부하를 연결하는 권장 방법을 보여줍니다. 완전 차동 작동이 항상 가능한 것은 아니며, 특히 부하 측에서는 일부 간섭이 항상 존재하는 최적이 아닌 솔루션이 남아 있습니다. 그러나 간섭 최소화(짧은 케이블, 루프 영역 최소화, 고임피던스 노드 차폐 등)에 대한 위의 조언에 주의를 기울임으로써 실행 가능한 절충안을 얻을 수 있는 경우가 많습니다. 또한 두 개의 고전압 증폭기를 사용하고 부하 자체를 차등적으로 구동하는 것을 고려할 수 있습니다 ('브리지 모드'라고도함). 추가 된 장점은 단일 고전압 증폭기로 가능한 것에 비해 피크 대 피크 전압의 두 배입니다.

그림 11. 외부 간섭