차폐·가드링·드리븐 실드

한 줄 요약 — 전기장은 금속으로 막고, 자기장은 거리와 루프 면적(loop area)으로 막습니다. 가드링과 드리븐 실드는 차폐(shielding) 이상의 일을 합니다.

무엇을 차폐할 수 있나

⚠️ “차폐했는데 60 Hz 험이 그대로다” 는 흔한 경험입니다. 알루미늄 케이스는 전기장은 막지만 저주파 자기장은 그냥 통과합니다.

1. 전기장 차폐 (페러데이 케이지)

접지된 도체가 전기력선을 차단합니다.

핵심 조건: 차폐체가 확실히 접지되어야 합니다.

⚠️ 접지되지 않은 금속은 오히려 안테나가 되어 결합(coupling)을 늘립니다.

개구부(aperture) 문제

차폐체의 구멍(환기구, 케이블 관통부, 이음새)으로 전자기파가 샙니다.

규칙: 구멍의 최대 치수 < $\lambda/20$

큰 구멍 하나보다 작은 구멍 여러 개가 훨씬 낫습니다 (같은 개구 면적이라도).

2. 자기장 차폐

저주파 자기장 대책의 90%는 “거리”와 “루프 면적”입니다. 차폐재를 사기 전에 배치를 먼저 고치세요.

★ 3. 가드링 (guard ring)

고임피던스 노드를 같은 전위의 도체로 둘러쌉니다.

가드링 — 고임피던스 노드를 같은 전압의 링으로 감쌉니다.

접지에 붙이면 전압차가 생겨 오히려 누설이 흐릅니다. 버퍼 출력에 연결해 전압차를 0 으로 만들어야 $C_{eff} = C(1-A_v) \approx 0$ 이 됩니다.

두 가지 효과

a) 표면 누설 차단(cutoff)

PCB 표면의 습기·플럭스가 만드는 누설 전류(leakage current)가 가드로 흘러가고, 고임피던스 노드에는 도달하지 않습니다.

노드와 가드의 전압차가 0이므로 그 사이로는 누설이 흐르지 않습니다.

b) 기생 용량(parasitic capacitance)기생 용량(parasitic capacitance)기생 용량 parasitic capacitance부품·배선·케이블이 원치 않게 갖는 커패시턴스로, 고임피던스 신호원에서 대역폭을 가장 먼저 잡아먹습니다.자세히 보기 → 무효화 (부트스트랩(bootstrap))

용량이 있어도 전하가 들락거리지 않아 없는 것과 같습니다 (11-05).

구현

• 가드를 버퍼(볼티지 팔로워(voltage follower)볼티지 팔로워(voltage follower)소스 팔로워 source follower전압 이득이 1인데도 쓰는 이유는 높은 임피던스를 낮은 임피던스로 바꿔 주기 때문입니다.자세히 보기 →) 출력에 연결
• 고임피던스 노드를 완전히 둘러싸기 (양면 + 내층까지)
• 가드 아래 그라운드 플레인(plane)그라운드 플레인(plane)그라운드 플레인 ground plane한 층을 통째로 접지로 쓰는 것으로, 리턴 패스가 알아서 최단 경로를 찾게 해 줍니다.자세히 보기 →은 제거
• 노드와 가드 사이를 깨끗하게 세척, 코팅

언제 필요한가: 노드 임피던스(impedance)임피던스(impedance)임피던스 impedance교류에서의 저항으로, 크기뿐 아니라 전압과 전류의 시간 차이(위상)까지 담은 복소수입니다.$$Z_C = \frac{1}{j\omega C},\quad Z_L = j\omega L$$자세히 보기 →가 100 MΩ 이상이거나, pA급 전류를 다룰 때

★ 4. 드리븐 실드 (driven shield / active guard)

케이블의 실드를 접지하지 않고 신호와 같은 전압으로 구동합니다.

중심선과 실드의 전압차가 0 이므로 케이블 용량(약 100 pF/m)이 없는 것처럼 동작합니다. 실드는 여전히 외부 전기장을 막아 줍니다.

효과 계산

케이블 100 pF, 버퍼 이득 0.99:

100배 개선.

구현 시 주의

1. 실드 구동 버퍼를 신호 버퍼와 분리 — 신호 경로의 안정성 보호
2. 직렬 저항 (10~100 Ω) — 발진 방지
3. 실드 구동 버퍼는 용량성 부하에 강한 소자로

계산 예제 — 고임피던스 측정의 3중 방어

목표: 1 GΩ 소스에서 pA급 전류 측정

세 가지를 모두 해야 pA 측정이 가능합니다. 하나라도 빠지면 실패합니다.

이것이 전위차계(electrometer), 패치 클램프 증폭기, 정전용량(capacitance) 센서에서 표준으로 쓰이는 구조입니다.

시뮬레이션으로 확인

# examples/12-noise-si/driven-shield.yaml
meta:
  name: 드리븐 실드가 케이블 용량을 무효화한다
  lesson: docs/12-noise-si/06-shielding.md
  note: CS.2를 GND에 연결한 버전과 대역폭을 비교
components:
  - {ref: VP, type: vdc, value: 5}
  - {ref: VN, type: vdc, value: -5}
  - {ref: V1, type: vac, value: 1}
  - {ref: RS, type: r, value: 1MEG, label: 소스 임피던스}
  - {ref: CS, type: c, value: 100p, label: 케이블 용량}
  - {ref: U1, type: opamp, model: OPA140}
  - {ref: RI, type: r, value: 100, label: 실드 구동 직렬 저항}
nets:
  VCC:   [VP.p, U1.'v+']
  VEE:   [VN.n, U1.'v-']
  SRC:   [V1.p, RS.1]
  IN:    [RS.2, CS.1, U1.'in+']
  OUT:   [U1.out, U1.'in-', RI.1]
  SHIELD: [RI.2, CS.2]          # 실드를 버퍼 출력으로 구동
  GND:   [VP.n, VN.p, V1.n]
analyses:
  - {type: ac, sweep: dec, points: 30, fstart: 1, fstop: 10MEG}

비교: CS.2를 GND에 연결하면 $f_c = 1.6$ kHz. 드리븐 실드면 수백 kHz까지 확장됩니다.

⚖️ 부품 트레이드오프

💡 차폐보다 배치와 차동이 먼저입니다. 차폐는 마지막 수단으로 생각하세요. 잘못 접지된 차폐는 오히려 해롭습니다.

🔌 실제 쓰임새

⚠️ 이상과 실제의 차이

⚠️ 케이블 실드는 한쪽만 접지하는 것이 원칙입니다 (저주파). 양쪽을 접지하면 접지 루프가 생겨 실드에 전류가 흐르고, 그것이 신호에 결합합니다.

단 고주파(> 1 MHz)에서는 양쪽 접지가 낫습니다. 실드가 리턴 경로 역할을 하기 때문입니다. 절충안으로 한쪽은 직결, 다른 쪽은 커패시터(capacitor)로 접지하는 방법도 씁니다.

연습문제

문제 1. 알루미늄 케이스로 차폐했는데 60 Hz 험이 그대로입니다. 왜입니까?

exercises/12-06-aluminum-hum.yaml

문제 2. 가드링을 접지에 연결했습니다. 효과가 있습니까?

문제 3. 전극 케이블(1 m, 100 pF)의 실드를 어떻게 처리하겠습니까? 세 가지 옵션의 장단점은?

exercises/12-06-shield-options.yaml

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