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지터와 위상 잡음의 차이: 측정량·단위·측정기·환산·구분 사용 비교

지터와 위상 잡음은 클록이나 발진기의 같은 흔들림을 다른 관점으로 나타낸 것입니다. 지터는 시간 영역에서 각 에지의 시각이 이상적인 시각에서 얼마나 어긋나는지를 초(ps나 fs)로 나타냅니다. 위상 잡음은 주파수 영역에서 반송파로부터 어떤 주파수만큼 떨어진 곳의 잡음 크기를 반송파에 대한 비로서 dBc/Hz로 나타냅니다. 위상 잡음을 어떤 주파수 범위에서 적분하면 RMS 지터로 환산할 수 있지만, 적분 범위에 따라 값이 달라지므로 범위를 반드시 함께 표시합니다.

비교 항목지터위상 잡음
보는 영역시간 영역주파수 영역
나타내는 양에지 시각의 이상적인 시각으로부터의 어긋남반송파로부터의 오프셋 주파수별, 1 Hz당 잡음 전력과 반송파 전력의 비(단측파대)
단위초(ps, fs), 또는 UI(1비트 시간에 대한 비율)dBc/Hz(오프셋 주파수와 짝지어 표시)
대표 지표주기 지터, 사이클 간 지터, TIE(시간 간격 오차). RMS 값과 피크 투 피크 값예: 1 MHz 오프셋에서 −140 dBc/Hz와 같은 오프셋별 값이나 곡선
주요 측정기오실로스코프, 타임 인터벌 애널라이저, 오류율 측정기위상 잡음 애널라이저, 위상 잡음 측정 기능이 있는 스펙트럼 애널라이저
랜덤 성분과 확정적 성분의 취급랜덤 지터는 RMS 값, 확정적 지터는 피크 투 피크 값으로 나누어 다루고, 목표 오류율로부터 총 지터를 구함랜덤 성분은 완만한 곡선, 주기적 성분은 특정 주파수의 선(스퓨리어스)으로 나타남
상호 환산지터 값만으로는 위상 잡음의 주파수별 형태를 알 수 없음오프셋 f1~f2에서 적분하면 RMS 지터 = √(2∫10^(L(f)/10) df) ÷ (2π f0)로 환산할 수 있음
범위의 영향측정기의 대역폭이나 몇 주기분을 보는지에 따라 값이 달라짐적분 범위(예: 12 kHz~20 MHz)에 따라 환산한 RMS 지터가 달라짐
알 수 있는 것타이밍 여유(셋업, 아이 패턴의 가로 열림)에 직접 영향을 주는 양어느 주파수의 흔들림이 큰지. PLL 루프 대역폭이나 잡음 원인을 찾는 단서
주요 사용 분야디지털 회로의 타이밍 분석, 고속 직렬 통신무선 발진기, PLL이나 VCO 설계, 고속 ADC의 클록

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

지터
타이밍 여유를 직접 알고 싶을 때. 정적 타이밍 분석의 클록 불확실성, 고속 직렬 통신의 아이 패턴이나 오류율 평가 등.
위상 잡음
잡음이 어느 주파수에서 오는지 알고 싶을 때. 무선 국부 발진기의 평가, PLL 루프 대역폭 설계, 발진기 비교 등.
조합
클록 소스의 사양에서는 위상 잡음 곡선과 정해진 적분 범위로 환산한 RMS 지터를 모두 표시하는 경우가 많습니다. 고속 ADC의 클록에서는 SNR의 상한이 −20 log₁₀(2π f tj)로 정해지므로, 위상 잡음에서 구한 지터로 추정합니다.

자주 묻는 질문

위상 잡음에서 RMS 지터는 어떻게 구하나요?

dBc/Hz 단위의 위상 잡음 L(f)를 진수로 바꾸고, 정한 오프셋 범위에서 적분해 2배하면 위상 흔들림의 제곱 평균(rad²)이 됩니다. 그 제곱근을 2π f0(f0는 반송파 주파수)로 나누면 RMS 지터입니다. 예를 들어 100 MHz 클록에서 위상 흔들림이 1 mrad(RMS)라면 지터는 약 1.6 ps입니다.

왜 적분 범위를 명시하나요?

위상 잡음은 어느 오프셋 범위까지 적분하느냐에 따라 합계가 달라지고, 환산한 RMS 지터도 달라지기 때문입니다. 범위를 쓰지 않으면 다른 발진기의 값과 올바르게 비교할 수 없습니다. 클록 사양에서는 12 kHz~20 MHz처럼 정해진 범위가 자주 사용됩니다.

같은 클록인데 지터 값이 자료마다 다른 이유는 무엇인가요?

주기 지터, 사이클 간 지터, TIE처럼 정의가 다르거나, RMS 값과 피크 투 피크 값이 섞여 있거나, 측정 대역폭이 다르기 때문입니다. 랜덤 지터의 피크 투 피크 값은 관측 시간이 길수록 커지므로 오류율과 짝지어 표시합니다.

지터와 위상 잡음 중 어느 쪽을 보면 되나요?

디지털 회로나 고속 직렬 통신의 타이밍 여유를 알고 싶다면 지터, 무선 발진기나 PLL 설계에서 잡음의 원인이나 주파수별 특성을 알고 싶다면 위상 잡음이 적합합니다. 같은 흔들림을 다른 관점으로 나타낸 것이므로 목적에 맞게 구분해 사용합니다.

이해도 확인

높은 주파수의 신호를 AD 변환할 때 샘플링 클록의 시간적 흔들림(지터)이 문제가 되는 이유로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A클록이 멈춰 버리기 때문에
  2. B직류 신호에서만 오차가 생기기 때문에
  3. C신호의 변화가 빠를수록 샘플링 시각의 작은 어긋남이 큰 전압 오차가 되기 때문에
정답과 해설 보기

정답: C. 신호의 변화가 빠를수록 샘플링 시각의 작은 어긋남이 큰 전압 오차가 되기 때문에

샘플링 시각이 Δt만큼 어긋나면 그 사이의 신호 변화분이 오차가 됩니다. 사인파의 기울기는 주파수에 비례하므로, 지터로 결정되는 SNR의 상한은 SNR = −20 log₁₀(2πf·tj)입니다. 예를 들어 100 MHz 신호에서 70 dB를 얻으려면 지터를 약 0.5 ps 이하로 해야 합니다. 그래서 고속·고분해능 ADC나 무선 수신기에서는 위상 잡음이 작은 클록원의 설계가 성능을 좌우합니다.

클럭 불확실성을 설정할 때 셋업용에는 주기 지터를 포함하지만 홀드용에는 포함하지 않는 경우가 많습니다. 그 이유로 올바른 것은?

  1. A홀드 체크는 클럭의 하강 에지에서만 수행하기 때문에
  2. B지터는 주파수가 높을 때만 발생하며, 홀드 분석에서는 주파수를 낮추기 때문에
  3. C홀드는 같은 클럭 에지끼리 비교하므로 에지 시각의 흔들림이 송신 측과 수신 측에 똑같이 작용하여 서로 상쇄되기 때문에
정답과 해설 보기

정답: C. 홀드는 같은 클럭 에지끼리 비교하므로 에지 시각의 흔들림이 송신 측과 수신 측에 똑같이 작용하여 서로 상쇄되기 때문에

주기 지터는 어떤 에지와 다음 에지 사이의 간격이 흔들리는 것입니다. 셋업은 송신한 에지와 다음 에지 사이의 간격으로 판정하므로, 주기 1.0 ns에 ±30 ps의 지터가 있으면 사용할 수 있는 시간이 최악의 경우 0.97 ns로 줄어듭니다. 홀드는 같은 에지에서 송신과 캡처를 비교하기 때문에 그 에지가 빠르든 늦든 양쪽이 함께 움직여 지터의 영향은 거의 상쇄됩니다. 다만 클럭 트리가 만들어지기 전의 스큐 예상분은 홀드용 불확실성에도 넣습니다.

고속 직렬 신호의 품질을 보는 아이 패턴(아이 다이어그램)에 대해 올바른 것은?

  1. A많은 비트의 파형을 겹쳐 그린 것으로, 중앙의 "눈"이 세로와 가로로 크게 열려 있을수록 여유가 있다
  2. B눈이 닫혀 있을수록 신호 품질이 좋다
  3. C사람 눈의 건강 상태를 조사하기 위한 그림이다
정답과 해설 보기

정답: A. 많은 비트의 파형을 겹쳐 그린 것으로, 중앙의 "눈"이 세로와 가로로 크게 열려 있을수록 여유가 있다

아이 패턴은 비트의 1주기마다 파형을 잘라 겹쳐 그린 것입니다. 0과 1의 파형 사이에 눈 모양의 틈이 생기며, 그 높이는 노이즈에 대한 여유, 폭은 타이밍 어긋남(지터)에 대한 여유를 나타냅니다. 전송로의 손실이나 반사, 지터가 크면 눈은 닫혀 갑니다. 수신 회로는 이 눈의 중앙에서 비트를 판정하므로 눈의 열림 정도가 품질의 기준이 됩니다.

  1. 타이밍 제약(SDC)에서 클록 지터나 스큐 예상분 등으로서 클록 주기에서 미리 빼 두는 여유를 지정하는 것은 무엇인가?
  2. 기준 클록에 위상을 맞추면서 그 정수배 등의 주파수를 갖는 클록을 만드는 회로는 무엇입니까?

아날로그·전자 회로 문제 풀기

주요 용어 설명

지터(Jitter)
클록이나 신호 에지 타이밍의 이상적인 값에서 벗어난 미세한 시간적 흔들림. 높은 주파수의 신호를 샘플링할 때는 작은 지터도 큰 전압 오차가 된다.
PLL(위상 동기 루프)
기준 클록과의 위상차를 검출하여 발진기를 제어하고, 기준에 동기한 정수배 등의 주파수 클록을 만드는 회로. CPU의 클록 생성과 무선 주파수 합성에 사용된다.
아이 패턴(Eye Pattern)
다수 비트의 파형을 1주기마다 겹쳐 그린 도형. 중앙 눈의 높이는 잡음에 대한 여유, 폭은 타이밍 어긋남에 대한 여유를 나타낸다.
열잡음(존슨 잡음)
저항 내부 전자의 열운동으로 생기는 잡음. 전압의 제곱 평균은 4kTRΔf이며 온도, 저항값, 대역폭에 비례한다.
1/f 잡음(플리커 잡음)
주파수가 낮을수록 커지는 잡음. MOSFET에서는 게이트 절연막 계면의 트랩이 캐리어를 붙잡았다 놓는 과정에서 생기며 저주파 아날로그 회로에서 문제가 된다.

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