[PCB EMI] 선로의 구조에 따른 특성 임피던스 (37)

고속 신호 전송의 핵심 파라미터

고속 디지털 회로나 RF 설계에서 전송 선로는 단순한 도선이 아닌, 정밀하게 제어된 시스템의 일부로 작동합니다. 이때 전송 선로의 전기적 특성을 결정짓는 중요한 요소가 바로 특성 임피던스(Characteristic Impedance, Z₀)입니다. 특성 임피던스는 신호의 반사와 감쇠, 그리고 신호 무결성에 직접적인 영향을 미치므로, 그 원리와 계산 방식에 대한 정확한 이해가 필요합니다.

 

특성 임피던스란 무엇인가?

특성 임피던스는 전송 선로를 따라 진행하는 전압파와 전류파의 비율로 정의됩니다. 이상적인 조건에서는 선로의 길이와 관계없이 일정한 값을 가지며, 단위 길이당 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)로부터 계산됩니다.

일반적인 형태는 다음과 같습니다:

또한, 손실이 거의 없는 이상적인 선로(R=0, G=0)라면 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.

 

선로 구조에 따른 특성 임피던스 변화

PCB 설계에서는 마이크로스트립, 스트립라인, 코플래너 웨이브가이드 등 다양한 전송 선로 구조가 사용되며, 각 구조마다 특성 임피던스에 영향을 주는 요소가 다릅니다. 특히 마이크로스트립 구조는 가장 널리 사용되며, 다음과 같은 근사식을 통해 계산됩니다.

마이크로스트립 구조 예시:

또는

이 식들에서 사용되는 주요 변수는 다음과 같습니다:

• w: 선로 폭
• t: 선로 두께
• h: 절연체 높이
• ε_r: 기판의 유전율

일반적으로 선로 폭이 넓을수록, 절연체 두께가 얇을수록, 그리고 유전율이 높을수록 특성 임피던스는 낮아지는 경향이 있습니다. 따라서 원하는 임피던스 값을 얻기 위해 설계자는 선로의 물리적 치수와 재료 특성을 정밀하게 조정해야 합니다.

 

임피던스 매칭의 중요성

고속 디지털 회로나 RF 설계에서 가장 중요한 원칙 중 하나는 임피던스 매칭입니다. 송신기, 전송 선로, 수신기 사이의 임피던스가 일치하지 않으면 신호가 반사되며, 이는 신호 왜곡과 전송 오류의 원인이 됩니다.

예를 들어, 50Ω 특성 임피던스를 기준으로 설계된 시스템에서 75Ω 전송 선로를 사용할 경우 반사 손실(Return Loss)이 발생하게 됩니다. PCB에서는 일반적으로 50Ω 또는 75Ω로 특성 임피던스를 설정하는데, 고속 메모리 버스, 클럭 라인, 고주파 RF 회로 등에서는 반드시 매칭이 요구됩니다.

 

마무리하며

특성 임피던스는 단순한 계산 값이 아니라, 고속 신호 시스템의 신뢰성과 성능을 결정짓는 핵심 파라미터입니다. 선로의 구조, 치수, 재질, 유전율 등을 종합적으로 고려해 정밀하게 설계해야 하며, 시뮬레이션 도구를 통해 실제 동작 환경에서의 임피던스를 검증하는 절차도 필요합니다. 임피던스를 정확히 이해하고 제어하는 것이 안정적인 신호 전송의 시작입니다.