엔지니어는 특성 분석 작업을 하기 위해 고성능 오실로스코프를 사용할 가능성이 매우 크며, 멀티 GHz 및 멀티 Gb/s 범위 대의 신호나 비트 스트림을 관찰해야만 할 수도 있다. 이러한 극한 속도에서는 해상도와 적확성과 같은 고성능 오실로스코프의 의례적인 측정 사양이 여전히 적용되기는 하나 장치 운영 주파수가 높아지면서 보다 덜 알려진 ‘유효비트수(ENOB: Effective Number Of Bits)’가 점점 더 중요한 역할을 하고 있다.

고주파, 저마진 측정에서 왜 ‘유효 비트수’가 중요한가

자료제공│한국텍트로닉스

컴퓨터, 통신, 비디오 장비의 데이터 속도가 빨라지면서, 그 만큼 운영 마진은 줄어들게 되었다. 몇 피코초(picoseconds)나 마이크로볼트(micro-volts) 오차는 UI가 나노초 범위 대이며 전압 범위가 보다 큰 기존의 구 장치보다 300ps UI(unit interval)의 저전압 직렬 버스에 훨씬 더 큰 영향을 미친다. 말 그대로 현대 컴포넌트의 오차 범위는 훨씬 적다.

이는 새로운 장치의 특성 분석 작업을 하려는 엔지니어에게 있어서 큰 염려 사항이다. 엔지니어는 특성 분석 작업을 하기 위해 고성능 오실로스코프를 사용할 가능성이 매우 크며, 멀티 GHz 및 멀티 Gb/s 범위 대의 신호나 비트 스트림을 관찰해야만 할 수도 있다.

이러한 극한 속도에서는 해상도와 적확성과 같은 고성능 오실로스코프의 의례적인 측정 사양이 여전히 적용되기는 하나 장치 운영 주파수가 높아지면서 보다 덜 알려진 ‘유효비트수(ENOB: Effective Num-ber Of Bits)’ 가 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. ENOB는 측정 결과에 영향을 미친다.

측정 시스템의 유효비트수가 낮아서 발생하는 오차는 피시험장치에 있는 본래 오차에 더해진다. 오실로스코프가 소포 중량을 측정하는 저울이라고 한다면, 낮은 ENOB는 소포를 올리기도 전에 이미 저울에 있는 중량이라 할 수 있다. 오늘날의 운영 마진이 적은 빠른 디지털 장치는 이러한 추가된 중량에 더욱 취약하다.

ENOB가 낮은 오실로스코프는 잘못된 장애를 유발하여 많은 비용을 초래 할 수도 있다. 사실은 장치가 어떤 특정 테스트를 통과하고 있을 지라도 장치 자체 잘못이 아니라 다른 이유로 그 상태가 장애로 나타날 수도 있다.

오히려, 오실로스코프의 자체 오차가 테스트 마진의 상당 부분을 차지해서 해당 측정이 허용 가능한 한도를 넘어서게 만든다.

이러한 잘못된 표시로 전체 개발 팀이 있지도 않는 문제를 해결하기 위해 시간이 많이 소요되는 우회로를 선택할 수도 있다. 이러한 문제를 인식하여, 새로 출시된 텍트로닉스 DPO/DSA70000B 시리즈 장비는 현재 출시된 실시간 오실로스코프 중 최상의 ENOB 성능을 실현하도록 설계되었다.

ENOB 이해

ENOB라는 용어는 이전의 ‘유효 비트’라는 표현과 같은 의미를 갖는다. 모든 디지털 오실로스코프에서 어느 정도 나타나는 옵셋 오차, 이득오차, 비선형, 노이즈 등의 여러 종류의 오차를 포괄하는 복합 성능지수이다. ENOB는 늘어나는 주파수 함수로 이러한 오차를 표시하기 때문에 유용하다. 이는 운영 허용오차가 적은 빠른 디지털 신호를 측정하는 설계자들에게는 특히 중요하다.

대부분의 오실로스코프의 사양은 DC운영 해상도를 나타낸다. 오실로스코프는 디지털화 시스템이 운영되는 주파수에 따라 사실상 발표된 사양에 나타난 것보다 적은 수의 비트로 이 작업을 할 수도 있다.

ENOB는 사양에 표시된 것보다 적은, 바로 이 비트 수를 의미한다. 명시된 해상도가 얼마이든 거의 모든 디지타이저 성능에 해당되는 본질적인 사실은 순 비트 해상도는 주파수가 늘어나면 줄어드는 경향을 보인다는 것이다.

풀-스케일(full-scale) DC 신호에서 8비트 해상도, 28(256) 이산 전압 레벨을 구현하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 생각해 보라. 오실로스코프의 수직 입력 채널의 중심을 이루는 ADC의 ENOB는 동일한 ADC이지만 8GHz에서는 5 비트까지(단지 32이산 레벨) 줄어 들 수 있다.

예를 들어 1V 범위 내에서 이 ADC는 저 주파수에서는 대략 4mV의 전압 증대를 구분할 수 있지만, 8GHz에서는 노이즈 용량이 30mV라서 30mV 스텝 이하에서는 신호 변화를 구분하기가 어렵다. DC에서는 1% 정확도로 쉽게 측정을 할 수 있을 지라도 높은 주파수에서는 5%나 6% 이상의 정확도를 달성하기는 어려울 수 있다.

마진이 작을 때는 이러한 점이 차이를 가져온다. ADC가 계속해서 8 비트 데이터를 내놓는다고 해도 이 비트 중 3개는 노이즈, 왜곡, 오차로 인해 손상된다. 이러한 효과는 완전히 제거할 수는 없다고 하더라도, 장비의 주파수 범위 전체에서 가능한 가장 높은 ENOB를 유지하는 것이 중요하다.

노이즈를 통한 감소

IEEE-1241 및 IEEE -1057 표준은 ENOB 계산 식을 제공한다. 이 수학식이 본 논의의 범주에 벗어나는 것이기는 하나, 이 식은 왜곡 효과와 S/N(신호 대 노이즈)성능을 ENOB 계수로 표시한다. 측정된 신호의 주파수가 올라가면서 노이즈 또한 늘어난다. 노이즈가 있는 곳에서 노이즈가 ENOB를 약화시키기 때문에 유효 비트의 일부가 노이즈에서 유실된다.

텍트로닉스 DPO/DSA70000B시리즈 오실로스코프의 아키텍처는 S/N 이슈를 다루고 이미 언급된 기타 소스에서 발생하는 오차를 최소화하기 위해 섬세하게 설계되었다. 가장 중요한 획득 보드는 모두 철저한 생산공정제어 하에 실행된 독점 컴포넌트와 혁신적인 레이아웃 및 인터커넥트 테크닉을 이용한다. 모든 주파수에서 신호 무결성이 강조된다.

그 결과, 텍트로닉스 DPO/DSA-70000B 시리즈 실시간 오실로스코프는 업계 최고 수준의 S/N과 신호 무결성은 물론 예상 대역폭을 제공하며, ENOB 성능에 있어서 새로운 기준을 세운다.

그림 1은 12.5GHz 대역폭의 텍트로닉스 DPO71254B 오실로스코프와 동급의 경쟁 상품을 비교 분석한 결과를 보여준다.

그림 1. 2개의 선두 고성능 오실로스코프의 ENOB 값

여기서 텍트로닉스 장비의 ENOB는 200 MHz부터 12GHz까지 그리고 그 이상 거의 6비트에 가깝게 나타난다. 파란 선이 현재의 모든 실시간 오실로스코프 제품군 중 최상의 ENOB성능을 보여주는 것이다. 이러한 수준의 성능은 직렬 버스 요소, HD 비디오 인터페이스 컴포넌트 등의 저 마진의 빠른 장비에 대해 정확하고 오차 없는 측정을 가장 확실히 보장해 줄 수 있다.

그림 2a와 그림 2b는 실제 측정에서 ENOB 성능이 어떻게 표시되는 지를 보여준다. 이 그림에서는 6.5GHz 사인파가 그림 1에서 비교된 2개의 오실로스코프에 적용되었다. 그림 2a는 텍트로닉스 DPO71254B 스크린을 보여주며 2b는 경쟁 제품 스크린을 보여준다.

그림 2. 6.5 GHz 사인파 획득에서 ENOB 영향 비교

두 장비 모두 동일한 셋팅에서 똑 같은 측정을 실시하고 있다. 텍트로닉스 장비는 신호 최고점에서 대략 15.9mV의 트레이스 두께(thickness)를 나타내고 있어 측정 시스템의 전반적인 노이즈가 풀-스케일의 대략 3% 정도 임을 알 수 있다.

반대로, 경쟁사의 오실로스코프의 트레이스는 37mV의 트레이스 두께를 보여주는데 이는 노이즈가 풀-스케일의 대략 9%라는 의미이다. 텍트로닉스 오실로스코프가 모든 셋팅에서 전 주파수에 걸쳐 월등히 우수한 성능을 보여준다. 그림 2a는 텍트로닉스 DPO71254B 실시간 오실로스코프 디스플레이를 보여주며 그림 2b는 경쟁 제품의 것을 보여준다.

결론

입력 주파수 범위에 걸쳐 오실로스코프에서 이용할 수 있는 유효비트수는 고속 디지털 장치와 버스를 측정하는 설계자들에게는 무엇보다 중요하다. 고속 디지털 장치와 버스의 데이터 속도가 점차 증가하게 되면서, 운영 마진은 점차 줄어들고 있다.

낮은 ENOB는 순 측정 해상도를 손상하며 이미 작은 테스트 마진에 오차를 추가할 가능성이 있다. 그러므로, 전체 대역폭에서 업계에서 가장 높은 ENOB를 실현하는 텍트로닉스 DPO/DSA70000B 시리즈와 같은 실시간 오실로스코프 제품군은 현재 및 미래의 주요한 고속 측정에 필요한 최고의 장비라 할 수 있다.