아날로그 회로 잡음, 열잡음과 플리커 잡음의 정체

아주 예민한 전자저울에 아무것도 올리지 않아도, 마지막 자리 숫자는 가만히 있지 못하고 끊임없이 깜빡입니다. 게다가 몇 분, 몇 시간을 두고 보면 영점이 슬금슬금 한쪽으로 흘러가기도 하죠.

아날로그 회로의 신호도 이 저울을 닮았습니다. 신호가 없어도 바탕에는 늘 작은 흔들림이 깔려 있고, 이 흔들림이 읽어 낼 수 있는 가장 작은 신호의 한계를 정합니다. 오늘은 아날로그 회로 잡음의 두 주인공인 열잡음과 플리커 잡음이 각각 어디서 오는지 그 정체를 밝혀 보겠습니다.

빠르고 고르게 깜빡이는 떨림과, 느리게 흘러가는 드리프트. 이 둘은 생김새도 원인도 다르지만, 모두 소자 안에서 스스로 생겨난다는 공통점이 있습니다.

정밀 저울의 마지막 자리가 떨리는 이유

먼저 용어를 정리하겠습니다. 잡음(noise)은 신호에 섞여 들어 원하는 정보를 가리는 불규칙한 흔들림을 말합니다. 여기서 다룰 것은 밖에서 들어오는 간섭이 아니라, 소자 내부에서 저절로 생기는 잡음입니다.

이런 내부 잡음은 크게 둘로 나뉩니다. 하나는 모든 주파수에 고르게 퍼진 열잡음(thermal noise)이고, 다른 하나는 낮은 주파수에서 유독 커지는 플리커 잡음(flicker noise)입니다.

저울로 치면 마지막 자리가 빠르게 깜빡이는 것이 열잡음, 영점이 천천히 흘러가는 것이 플리커 잡음에 해당합니다. 둘을 구분해야 어디를 손봐야 잡음이 줄어드는지 알 수 있죠.

아날로그 회로 잡음이 해상도의 바닥을 정한다

왜 이 흔들림이 중요할까요. 신호가 아무리 작아도 잡음보다는 커야 읽을 수 있기 때문입니다. 잡음이 만드는 바탕의 높이가 곧 회로가 구분해 낼 수 있는 가장 작은 신호의 바닥이 되죠.

그래서 미세한 신호를 다루는 센서 앞단이나 데이터 변환기에서는, 이 바닥을 얼마나 낮추느냐가 성능을 가릅니다. 잡음은 바깥에서 들어오는 간섭일 뿐 차폐만 잘하면 사라진다고 생각하기 쉽지만, 열잡음과 플리커 잡음은 소자 자체가 만들어 내므로 아무리 차폐해도 없앨 수 없습니다.

결국 아날로그 회로 잡음은 설계로 다스려야 할 대상이지 완전히 제거할 대상이 아닙니다. 두 잡음의 성질을 알아야 어떤 상황에서 무엇이 더 문제가 되는지 가늠할 수 있습니다.

열잡음, 전자의 열운동이 만드는 소음

먼저 열잡음입니다. 도체 안의 전자는 절대영도가 아닌 한 끊임없이 무질서하게 떨며 움직입니다. 이 열운동이 아주 작은 전류와 전압의 요동으로 나타나는 것이 열잡음이죠.

열잡음의 세기는 절대온도와 저항, 그리고 신호가 차지하는 주파수 폭에 비례합니다. 온도를 낮추거나 저항을 줄이면 열잡음이 작아진다는 뜻입니다. 극저온에서 동작하는 정밀 측정 장비가 괜히 있는 것이 아니죠.

중요한 특징은 열잡음이 모든 주파수에 거의 고르게 퍼져 있다는 점입니다. 빛으로 치면 모든 색이 섞인 백색광과 같아서, 흔히 백색 잡음이라고 부릅니다. 그래서 넓은 주파수 폭을 쓰는 회로일수록 열잡음을 더 많이 끌어안게 됩니다.

플리커 잡음과 코너 주파수의 경계

다음은 플리커 잡음입니다. 이 잡음은 주파수가 낮아질수록 세기가 커지는 성질이 있어, 세기가 주파수에 반비례한다는 뜻에서 1/f 잡음이라고도 부릅니다. 저울의 영점이 느리게 흘러가는 드리프트가 바로 이 성분이죠.

원인은 주로 소자 내부의 결함에 있습니다. 특히 실리콘과 산화막 경계에 있는 미세한 덫에 전하가 붙잡혔다 풀려나기를 되풀이하면서 느린 요동을 만든다고 설명합니다. 그래서 경계 품질이 중요한 MOS 소자에서 플리커 잡음이 특히 두드러집니다.

두 잡음의 세력이 뒤바뀌는 지점이 코너 주파수(corner frequency)입니다. 이보다 낮은 주파수에서는 플리커 잡음이, 높은 주파수에서는 열잡음이 주인공이 되죠.

그래서 저주파 신호를 다루는 회로는 플리커 잡음에 민감합니다. 이를 줄이려 소자 면적을 넓히거나, 신호를 높은 주파수로 올렸다 되돌리는 초핑 같은 기법으로 플리커 잡음이 적은 영역을 빌려 쓰기도 합니다.

열잡음과 플리커 잡음 비교

두 잡음의 성질을 나란히 두면 언제 무엇을 걱정해야 하는지 한눈에 들어옵니다.

구분	열잡음	플리커 잡음
원인	전자의 열운동	경계의 덫과 결함
주파수 성질	모든 주파수에 고름	낮은 주파수에서 커짐
주로 문제되는 곳	넓은 대역 회로	저주파 신호 회로
줄이는 방법	온도와 저항 낮추기	면적 넓히기와 초핑

핵심 정리

정밀 저울의 마지막 자리가 빠르게 깜빡이고 영점이 느리게 흘러가듯, 아날로그 회로 잡음도 넓은 주파수에 고른 열잡음과 저주파에서 커지는 플리커 잡음으로 나뉩니다.

열잡음은 전자의 열운동에서, 플리커 잡음은 소자 경계의 덫에서 비롯되며, 코너 주파수를 경계로 주인공이 바뀝니다. 두 잡음 모두 소자가 스스로 만들어 내는 바탕이라는 점을 기억하면, 아날로그 회로 잡음을 왜 제거가 아니라 설계로 다스려야 하는지 분명해집니다.

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