공통 모드 노이즈 필터 효과 : 기초 강좌 4~7

공통 모드 노이즈 효과와 스마트폰 노이즈, 필터 특성 파라미터, 데이터 라이브러리에 대해 설명합니다.

공통 모드 노이즈 필터(Common Mode Noise Filter) 기초 강좌 4~7

④ 공통 모드 노이즈 필터 효과

⑤ 스마트폰으로 대표되는 최근의 노이즈 문제

⑥ 주요 필터 특성 파라미터

⑦ 데이터 라이브러리

④ 공통 모드 노이즈 필터 효과

공통 모드 노이즈 필터는 차동 신호의 스큐를 개선하고 공통 모드 노이즈를 억제하는 효과를 발휘합니다.

공통 모드 노이즈 필터는 한 쌍의 코일이 자기 결합된 상태로 되어 내부 자속의 변화를 상쇄하도록 작용합니다.
그림 4-1에 나타낸 바와 같이, 스큐에 의해 신호의 상승부에 근거한 자속에 변화가 일어났을 경우에 그것을 상쇄하도록, 다른 코일에 유도 기전력이 유도되어, 스큐를 저감하여 공통 모드 노이즈를 줄입니다.

당사 공통 모드 노이즈 필터에 의한 공통 모드 노이즈의 억제 예를 나타냅니다. (노이즈 필터 효과)

그림 4-2는 USB2.0의 방사 노이즈의 억제 효과를 나타낸 것으로, 공통 모드 노이즈 필터를 붙임으로써 고주파 노이즈가 억제되어 있는 것을 알 수 있습니다.

이와 같이 PCB 기판상에서의 전송선로의 인회 등으로 발생한 스큐를 개선할 수 있습니다. 일반적으로 공통 모드 노이즈 필터가 출력 커넥터 측에 배치되는 이유는 출력단에서의 스큐 개선과 공통 모드 노이즈 억제가 있습니다. 

⑤ 스마트폰으로 대표되는 최근의 노이즈 문제

스마트폰이나 태블릿으로 대표되는 휴대 단말기에는 카메라나 LCD를 제어하는 ​​MIPI나 USB와 같은 디지털 신호 라인이 있습니다. 또한 좁은 케이스 내에 셀룰러/WiFi/Bluetooth/GPS와 같은 무선 통신 기능이 탑재되어 있습니다.

그림 5-1에서 볼 수 있듯이 최근 디지털 차동 데이터 통신의 전송 주파수 대역은 무선 통신 대역과 겹치고 있음을 알 수 있습니다.

이로 인해 디지털 신호 라인의 노이즈가 무선 통신용 안테나로 뛰어들어 수신 감도 열화가 발생하는 것이 문제가 되고 있습니다.

그림 5-2는 안테나에 근접한 차동 전송 라인에 스큐를 넣었을 때의 셀룰러 통신의 수신 감도의 측정 결과(가로축에 전파 강도, 세로축에 비트 에러율)를 나타냅니다. 차동 신호에 스큐가 없을 때는 약한 전파 강도에서도 비트 에러율을 낮게 수신할 수 있습니다만, 차동 신호의 스큐를 늘리면, 즉 공통 모드 노이즈가 증가하는 것으로 수신 감도가 열화하고 있는 것을 알 수 있습니다.

이러한 배경으로 인해, 디지털 신호 라인으로부터의 노이즈에 의한 자가 중독 대책의 하나로서, 최근 공통 모드 노이즈 필터가 스마트폰이나 태블릿에서 널리 사용되고 있습니다.

또한 이러한 용도로 사용하는 경우에는 무선 통신 대역 대역에 들어가는 노이즈 발생을 억제하기 위해 공통 모드 노이즈 필터의 노이즈 감쇠 특성(주파수 특성)이 필터 선정 시에 중시되고 있습니다.

⑥ 주요 필터 특성 파라미터

종래, 공통 모드 노이즈 필터의 선정에는, 공통 모드 임피던스의 주파수 특성이 사용되고 있었습니다. 그러나 현재는 고주파 회로에서 사용되는 S-parameter에서 도출된 Mixed Mode S-parameter가 사용됩니다. 이것은 입력 모드(공통 모드, 디퍼렌셜 모드)와 출력·반사 모드(공통 모드, 디퍼렌셜 모드)로 규정되어 있으며, 입력 모드에서 동작이 다른 공통 모드 노이즈 필터의 특성을 기술하는 파라미터로서 최적입니다.

그림 6-1은 주요 필터 특성을 나타내는 매개 변수를 보여줍니다.

차동 모드 전송의 신호 품질 손실의 기준이 되는 파라미터로서 차동(디퍼렌셜) 모드의 삽입 손실(Sdd21)이 있습니다. 또한 Sdd21의 손실이 3dB가 되는 주파수를 컷오프 주파수로 정의하고 있어 필터 선정의 중요한 지표가 됩니다.

또한, 노이즈 제거 성능의 기준이 되는 공통 모드 감쇠량(Scc21), 차동 신호의 일부가 공통 모드로 변환되는 모드 변환량(Scd21)이 있습니다.

그림 6-2는 공통 모드 노이즈 필터의 주파수 특성 예를 보여줍니다. Sdd21은 저손실, Scc21, Scd21은 광대역, 고감쇠일 정도로 바람직하다고 할 수 있습니다.

또한 이러한 용도로 사용하는 경우에는 무선 통신 밴드 대역에 들어가는 노이즈 발생을 억제하기 위해 공통 모드 노이즈 필터의 노이즈 감쇠 특성(주파수 특성)이 필터 선정 시에 중시되고 있습니다.

⑦ 데이터 라이브러리

당사에서는 이러한 필터 특성을 나타내는 파라미터로써
・S-parameter
・Spice 모델
을 제공하고 있습니다.

S-parameter는 실측된 것을 베이스로 제공하고, 그림 7-1 에 나타낸 연산에 의해 Mixed Mode S-parameter 로 변환되어 다양한 파라미터의 주파수 특성을 도출할 수 있습니다. 또한 Spice 모델은 등가 회로 모델로서 제공하고 있습니다.

이러한 용도로 사용하는 경우에는 무선 통신 밴드 대역에 들어가는 노이즈 발생을 억제하기 위해 공통 모드 필터의 노이즈 감쇠 특성(주파수 특성)이 필터 선정 시에 중시되고 있습니다.

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