위상 노이즈는 왜 발생하는가?

위상 노이즈(Phase Noise) 는 주파수 신호가 이론적으로는 완전한 사인파(즉, 한 주파수에만 에너지가 집중된 파형) 이어야 함에도, 실제 신호는 주변 주파수에 걸쳐 '흐릿하게 번지는 현상'을 말합니다.

이는 신호의 위상이 시간에 따라 미세하게 흔들리기(=잡음처럼 변동되기) 때문에 생기는 현상입니다.

 

 

 

 

1. 발진기의 고유 열잡음 (Johnson-Nyquist Noise)
저항, 트랜지스터 등에서 랜덤한 열잡음이 발생 이는 출력 위상에 미세하게 반영됨 → 위상 노이즈로 나타남

2. 기생 잡음(플리커, shot noise 등)
반도체 내부의 저주파 잡음 (1/f noise) → 위상에 영향

3. 전원 노이즈 / 전압 변동
발진기 내부 회로가 사용하는 전압이 불안정하면 위상이 미세하게 흔들려 LO 또는 클럭 신호의 위상 노이즈 증가

4. 기판, 접지, 배선의 노이즈 결합
고속 신호가 지나가는 선로가 EMI를 받고

회로 전체의 잡음이 위상에 반영됨

5. 기계적 진동, 온도 변화
수정 발진기(XTAL)의 공진 주파수가 온도나 진동에 따라 흔들림 결과적으로 위상 노이즈 증가

6. PLL (Phase-Locked Loop)의 잔류 잡음
PLL은 기준 클럭의 잡음을 어느 정도 억제하지만, 내부 VCO나 루프필터의 잡음이 LO 신호에 섞여 위상 노이즈 증가

 

 

 

단위: dBc/Hz (carrier 대비 Hz당 잡음 전력)
예)
-100 dBc/Hz @ 10kHz offset → 기준 주파수로부터 10kHz 떨어진 지점에서, 잡음이 캐리어보다 100 dB 낮다는 뜻

고성능 기준:
TCXO: -120 dBc/Hz 이상
DDS/PLL: -90 ~ -130 dBc/Hz
MCU 출력: -50 dBc/Hz 이하로 매우 나쁨

 

 

 

 

개선방법

1. 신호원(발진기) 자체 개선

XO → TCXO/OCXO 교체 : 온도 보상형(TCXO), 오븐형(OCXO) 사용

 → 위상 안정성 비약적 향상 TX5032, Taitien, Connor-Winfield OCXO 등

 

PLL/VCO 선택 시 위상 노이즈 사양 확인 데이터시트에서 Phase Noise @ 10kHz, -120 dBc/Hz 이상을 목표 ADF4351 (중간), ADF4002+VCO (낮음)

 

DDS 선택 시 클럭 품질 고려 DDS의 위상 노이즈는 입력 클럭 품질에 좌우됨 AD9954, AD9910 등 고성능 DDS 필요

 

 

 

 

2. 전원 노이즈 최소화

LDO 또는 저노이즈 전원 사용 : 고속 CMOS 클럭 또는 PLL은 전원 노이즈에 매우 민감
전원 필터링 (LC, π필터) : 발진기나 믹서에 공급되는 전원에 LC필터 삽입
노이즈 분리 : 전원 트리 구성 디지털/아날로그 전원 분리, MCU와 RF 클럭 전원 분리 권장
별도 LDO로 VCO/TCXO 공급:  TPS7A02, LT3042 등 저잡음 LDO 추천

 

 

 

3. 회로 설계 개선

GND 분리 + 단일점 접지(star grounding) : 디지털/아날로그 그라운드 혼용 시 위상 잡음 증가
RF 경로의 임피던스 정합 : 반사나 고조파에 의해 위상 흔들림 발생 가능
짧고 굵은 GND 연결 : 크리스탈, TCXO 등은 GND 접촉 불량으로 위상 흔들림 가능
쉴딩 : 고속 디지털 신호로부터 RF 회로를 쉴드하여 간섭 방지

 

 

 

4. 기판 설계에서의 주의점

RF 신호 경로 최소화, 단선 설계 : RF 신호 경로가 길면 외부 잡음 수신 증가
VCO 주변에 GND 쉴드링 : VCO 동작 안정성 향상
멀티레이어 보드에서 GND plane 연속성 확보 : GND 노이즈 제거에 중요

 

 

 

5. 신호처리 후단에서 보완 (필터링)

BPF(대역통과필터) 사용 :  LO 신호에서 원하지 않는 위상 잡음이 포함된 고조파 제거
SAW 필터/크리스탈 필터 사용 : 좁은 대역에서의 정밀 필터링에 탁월
IF/LO 선택적 필터링 : 믹서 출력 후 필요 없는 스푸리어스 제거

 

 

 

6. 고급 대책 (필요 시)

LO 버퍼 앰프 사용 : LO를 믹서에 직접 공급하면 위상 잡음이 증폭됨 → 버퍼로 격리
LO 자동 레벨링 회로(ALC) : LO 레벨이 일정하게 유지되면 위상 노이즈 변동도 적음
클럭 팬아웃 버퍼 사용 : 복수 출력이 필요할 경우 전용 클럭 버퍼 사용 (예: NB3L553)

 

 

 

일반형, 온도 보상형(TCXO), 오븐형(OCXO) 잡음위상노이즈 성능 비교

 

 

요약 : TCXO(온도보상형)사용하면 대폭 개선가능