[PCB EMI] 디지털 신호의 왜곡 (14)

디지털 신호는 왜 이상적으로 전달되지 않을까?

이론상 디지털 신호는 이상적인 사각파 형태를 갖지만, 실제 전송 환경에서는 다양한 요인으로 인해 왜곡이 발생합니다. 특히 고속 신호 환경에서는 임피던스 불연속, Via, 패턴의 급격한 변화 등이 반사를 유발하고, 이로 인해 Overshoot, Undershoot 같은 현상이 나타납니다. 이는 상승시간과 하강시간을 저하시켜 신호 품질을 떨어뜨리고, 결과적으로 EMI 문제로 이어질 수 있습니다.

 

Ringing은 어떻게 생기며, 시스템에 어떤 영향을 줄까?

Ringing은 주로 전송선에서의 임피던스 불일치에 의해 발생합니다. 신호가 급격한 변화점이나 Via, 꺾인 패턴 등을 통과할 때 반사가 일어나고, 이 반사된 신호가 원래 신호와 중첩되면서 진동 형태의 Ringing으로 나타납니다. 이러한 반복적인 Overshoot과 Undershoot는 신호 무결성을 훼손하며, 감쇠 및 지연 문제도 함께 유발할 수 있습니다.

 

임피던스 정합이 왜 중요한가요?

신호 전송 시 임피던스가 일정하지 않으면 반사가 발생합니다. 예를 들어 50Ω 전송선에 75Ω 부하가 연결될 경우 상당한 반사가 발생하며, 신호 품질을 심각하게 저해합니다. 고속 신호일수록 이러한 불일치의 영향은 커지므로, 설계 단계에서 전체 경로의 임피던스를 일관되게 유지하는 것이 중요합니다. 패턴의 폭 변화, 다단 Via, 급격한 굽힘 등은 모두 반사 요인으로 작용합니다.

 

Crosstalk은 언제 발생하며, 어떤 문제가 생길까?

Crosstalk은 인접한 신호선 간 전자기 유도에 의해 발생하는 간섭입니다. 특히 병렬 배선이 길어지거나, 고속 신호 간 간격이 좁아질 때 쉽게 발생합니다. 빠른 상승시간을 가진 신호가 주변 선로에 전기장 및 자기장을 유도하여 불필요한 신호가 발생하고, 이는 신호 오인식이나 지연을 초래할 수 있습니다. 이를 방지하려면 병렬 구간을 줄이고, GND Plane 확보, Guard Trace 적용 등을 고려해야 합니다.

 

왜곡을 유발하는 Bending과 Via의 문제점은?

PCB에서 패턴의 급격한 굽힘이나 다단 Via는 전기적 불연속을 야기합니다. 특히 90도 Bending은 불필요한 전자파 방사를 증가시키며, 고속 신호의 전송 경로에서 반사 손실을 유발합니다. Via의 경우 스텁이 길어질수록 반사 영향이 커지므로, 가능한 짧게 처리하거나 Backdrilling 기법을 활용해 제거하는 것이 바람직합니다. Layer 전환이 많은 경우, 사전에 SI 시뮬레이션을 수행하는 것이 안전합니다.

 

신호 왜곡이 SI와 EMI에 미치는 영향

신호 왜곡은 결국 SI(Signal Integrity) 저하와 EMI(Electromagnetic Interference) 증가로 이어집니다. 상승시간과 하강시간이 길어지면 타이밍 여유가 줄어들고, 감쇠로 인해 신호 레벨이 모호해집니다. 반사와 Crosstalk은 오동작 가능성을 높이며, 이는 시스템의 신뢰성 저하로 이어질 수 있습니다. 따라서 고속 설계에서는 SI와 EMI를 함께 고려한 설계 접근이 반드시 필요합니다.