노이즈 플로어 측정

한 줄 요약 — 설계 시 계산한 잡음 예산이 맞는지 확인하는 유일한 방법. 입력을 단락하고 출력을 봅니다.

기본 절차

1. 입력을 알려진 상태로 만든다 (단락, 또는 알려진 저항)
2. 출력 잡음을 측정한다
3. 이득으로 나눠 입력 환산 잡음을 구한다
4. 계산값과 비교한다

입력 조건 선택

💡 세 가지를 모두 측정하세요. 단락(short)에서 조용한데 저항을 달면 시끄러워지면 → 전류 잡음 문제. 실제 신호원에서만 시끄러우면 → 간섭(interference) 문제.

측정 방법

방법 1 — 오실로스코프

오실로스코프 잡음 확인: 프로브(probe) 끝을 접지에 단락하고 측정. 이 값이 회로 잡음보다 작아야 유효합니다.

⚠️ 일반 오실로스코프의 입력 환산 잡음(input-referred noise)입력 환산 잡음(input-referred noise)입력환산잡음 input-referred noise회로 곳곳의 잡음을 입력단 하나로 몰아 표현한 값으로, 신호와 직접 견줄 수 있어 판정에 씁니다.자세히 보기 →은 수백 µV~mV입니다. µV 측정에는 부적합합니다.

방법 2 — 스펙트럼 애널라이저 / FFT

주파수별 잡음 밀도(noise density)잡음 밀도(noise density)잡음 밀도 noise density1 Hz 폭당 잡음의 크기로, 여기에 √대역폭을 곱해야 실제 잡음 전압이 됩니다.$$v_n = e_n\sqrt{\Delta f}$$자세히 보기 →를 볼 수 있어 훨씬 유용합니다.

스펙트럼을 보면 “본질적 잡음인가 간섭인가”가 한눈에 구분됩니다 (12-01).

방법 3 — ADC로 직접 (권장)

시스템에 이미 ADC가 있으면 그것으로 측정하는 것이 가장 정확합니다.

# 의사코드
data = adc.record(duration=10s)
rms = std(data)                    # 표준편차 = rms 잡음
psd = welch(data, fs)              # 파워 스펙트럼 밀도

★ 측정 시 주의사항

⚠️ 측정 환경이 회로보다 시끄러우면 회로 잡음을 알 수 없습니다. 먼저 환경을 정리하세요.

★ 진단 흐름

측정값이 계산값보다 클 때 — 판별 순서

먼저 스펙트럼(FFT) 을 봅니다. 모양이 두 갈래로 갈립니다.

피크가 있을 때 — 주파수로 발생원 찾기

바닥이 평탄할 때 — 예산을 다시 확인

→ 13-02 게인 배분과 노이즈 예산

간섭 주파수 식별표

계산 예제 — 예산 검증

설계 예산:

대역 5 kHz(잡음 대역 5.5 kHz), 이득 1000:

예상 출력 잡음:

측정 결과별 해석

💡 측정값이 예상보다 작으면 오히려 의심하세요. 대역폭이 예상보다 좁거나, 이득이 작거나, 신호 경로가 끊겼을 수 있습니다.

★ 입력 단락 vs 저항 연결 비교

계산 확인:

측정과 일치하면 ✅

시뮬레이션과 비교

ngspice의 .noise 해석으로 예상 잡음과 소자별 기여도를 확인할 수 있습니다.

# examples/14-measurement/noise-floor-check.yaml
meta:
  name: 잡음 플로어 예측
  lesson: docs/14-measurement/04-noise-floor.md
components:
  - {ref: VP,  type: vdc, value: 5}
  - {ref: VN,  type: vdc, value: -5}
  - {ref: VS,  type: vac, value: 1}
  - {ref: RS,  type: r, value: 200k, label: 전극}
  - {ref: R1,  type: r, value: 1k}
  - {ref: R2,  type: r, value: 999k}
  - {ref: U1,  type: opamp, model: OPA140}
nets:
  VCC: [VP.p, U1.'v+']
  VEE: [VN.p, U1.'v-']
  SRC: [VS.p, RS.1]
  IN:  [RS.2, U1.'in+']
  FB:  [U1.'in-', R1.1, R2.1]
  OUT: [U1.out, R2.2]
  GND: [VP.n, VN.n, VS.n, R1.2]
analyses:
  - {type: noise, out: OUT, source: VS, sweep: dec, points: 20, fstart: 1, fstop: 100k}
expect:
  # 200 kΩ 전극 열잡음 57.5 nV/√Hz 가 지배합니다 (OPA140 e_n 5.1 은 RSS 에서 거의 안 보임)
  - {measure: noise_input, at: 1k, analysis: noise, value: 57.9n, tol: 8%}

출력에서 확인:

• 총 입력 환산 잡음 밀도
• 각 소자의 기여도 ← 어디를 개선해야 할지 알려줍니다

시뮬레이션 결과와 실측이 일치하면 모델이 맞다는 뜻이고, 이후 설계 변경을 시뮬레이션으로 예측할 수 있습니다.

⚖️ 측정 방법 트레이드오프

🔌 실제 쓰임새 — 검증 체크리스트

잡음 플로어 측정 절차 — 바깥쪽부터 하나씩 좁혀 갑니다.

1·2번을 건너뛰고 4번부터 하는 것이 흔한 실수입니다. 장비 자체 잡음보다 작은 값은 잴 수 없습니다.

⚠️ 이상과 실제의 차이

연습문제

문제 1. 이득 500, 출력 잡음 3 mVrms. 입력 환산 잡음은? 대역 2 kHz(잡음 대역 3.14 kHz)에서 잡음 밀도는?

문제 2. FFT에서 60 Hz와 180 Hz, 300 Hz에 큰 피크가 보입니다. 무엇이고 대책은?

exercises/14-04-harmonic-peaks.yaml

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