[PCB EMI] 디지털 신호 파형의 특성 (15)

디지털 신호 파형은 왜곡 없이 전달될 수 있을까?

이론적으로 디지털 신호는 즉각적으로 전압이 변화하는 이상적인 사각파 형태를 가집니다. 하지만 실제 PCB 설계에서는 다양한 물리적 요소로 인해 신호가 왜곡됩니다. 전압 전이에는 상승 시간과 하강 시간이 존재하며, 임피던스 불일치나 패턴 접속 구조에 따라 반사, Ringing, Overshoot 및 Undershoot 현상이 발생합니다. 이러한 신호 왜곡은 단순한 파형 문제가 아니라, EMC와 EMI에 직접적인 영향을 미치는 주요 원인이 됩니다.

 

Ringing 현상이 중요한 이유는 무엇인가?

Ringing은 신호가 목표 전압에 도달한 후에도 진동을 반복하는 현상입니다. 주로 전송선의 임피던스 불일치나 스위칭 전류의 급격한 변화, 전원-접지 간 인덕턴스에서 비롯됩니다. 특히 고속 신호일수록 Ringing 주파수가 높아지며, 이는 Radiated Emission을 증가시켜 EMI 테스트에서 문제를 유발할 수 있습니다. 실제 EMC 인증 과정에서 불규칙한 고조파나 스펙트럼 스파이크가 관찰되는 경우, Ringing이 주요 원인일 가능성이 높습니다.

 

Rise Time과 Fall Time은 신호 품질에 어떤 영향을 줄까?

Rise Time과 Fall Time은 신호가 저전압에서 고전압으로, 또는 그 반대로 변하는 데 걸리는 시간입니다. 이 구간이 짧을수록 전환 속도는 빨라지지만, 동시에 더 넓은 주파수 대역을 포함하게 되어 EMI 발생 가능성이 커집니다. 고속 회로 시뮬레이션에서는 이 시간을 중요한 변수로 다루며, 타이밍 여유와 신호 무결성(SI)에 직접적으로 영향을 미칩니다.

 

Overshoot와 Undershoot는 왜 문제가 되는가?

Overshoot는 신호가 목표 전압보다 과도하게 상승하는 현상이고, Undershoot는 기준보다 낮게 떨어지는 현상입니다. 이러한 과도 신호는 디지털 IC의 입력 보호 회로를 불필요하게 동작시키거나, 반복적으로 발생할 경우 소자의 내구성을 저하시킬 수 있습니다. DDR, USB, HDMI 등 고속 인터페이스에서는 허용 가능한 전압 범위가 엄격하게 정의되어 있으므로, Overshoot/Undershoot 제어가 필수적입니다.

 

Pulse Width는 왜 신호 동작에 중요할까?

Pulse Width는 신호가 유효 상태를 유지하는 시간으로, 전체 주기의 절반(T/2)에 해당하는 구간을 의미합니다. 이 시간이 불안정하거나 비정상적으로 짧거나 길면, 수신 장치에서의 샘플링 오류나 동기 문제를 일으킬 수 있습니다. 특히 클럭이나 Enable 신호처럼 타이밍에 민감한 신호에서는 Pulse Width 안정성이 회로의 정상 동작을 좌우합니다.

 

Ringing을 줄이기 위한 실질적인 설계 방법은?

Ringing을 최소화하려면 전송선의 임피던스를 일정하게 유지하는 것이 기본입니다. PCB 레이아웃에서는 패턴의 급격한 굽힘을 피하고, 저항성 터미네이션을 적절히 배치하여 반사를 흡수해야 합니다. 또한 전원-접지 플레인 간에는 충분한 디커플링 커패시터를 배치하고, 불필요한 Via를 줄여 Stub 길이를 최소화하는 것이 중요합니다. 특히 고속 신호에서는 Rise Time보다 Via Stub이 더 긴 경우 반사가 심해질 수 있으므로, 설계 초기 단계에서 SI 시뮬레이션을 통해 검토하는 것이 바람직합니다.