[PCB EMI] 부하조건에 따른 반사 (42)

개방, 단락, 매칭 시의 신호 거동 분석

전송 선로에서 신호의 반사 여부는 부하 임피던스(Z_L)와 선로의 특성 임피던스(Z₀) 간의 관계에 따라 결정됩니다. 부하가 개방(Open), 단락(Short), 매칭(Matched)된 상태는 각각의 반사 계수(Γ) 및 투과 계수(T)에 영향을 주며, 이는 곧 신호 품질과 전송 효율에 직결됩니다.

 

1. 개방(Open) 상태: Z_L = ∞

전송 선로 끝단이 개방되어 부하 임피던스가 무한대인 경우, 전류는 흐를 수 없으며 반사 계수는 +1이 됩니다.

이는 입사된 신호가 100% 반사되어 원래 방향으로 되돌아감을 의미합니다. 투과 계수는 2로 나타나며, 이는 개방 단에서 전압 기준으로 해석한 결과로 실제 에너지 전달과는 차이가 있습니다. 반사된 전압이 겹쳐지면서 전압이 두 배가 되는 현상이 관측될 수 있습니다.

 

2. 단락(Short) 상태: Z_L = 0

부하가 완전히 접지된 경우, 즉 임피던스가 0이면 반사 계수는 -1이 됩니다.

이 경우에도 입사된 신호는 전량 반사되나 위상이 180도 반전되어 되돌아옵니다. 투과 계수는 0이며, 신호 에너지는 부하로 전달되지 않습니다. 이러한 반전 신호는 시스템 내에서 링잉(Ringing)이나 노이즈로 작용할 수 있습니다.

 

3. 임피던스 매칭 상태: Z_L = Z₀

전송 선로와 부하 간에 임피던스가 정확히 일치하면 반사 계수는 0이 되어 이상적인 신호 전달 환경이 형성됩니다.

투과 계수는 1로서, 입사 신호가 손실 없이 그대로 부하로 전달됩니다. 이는 고속 디지털 신호나 RF 설계에서 필수적인 조건이며, 반사를 원천적으로 차단합니다.

 

반사에 의한 링잉(Ringing) 방지 방법

임피던스 불일치로 인해 발생하는 반사는 신호 라인의 링잉을 유발하고, 시스템의 신뢰성에 악영향을 미칩니다. 이를 방지하기 위해 설계자는 다음을 고려해야 합니다.

• 선로의 특성 임피던스를 정확하게 계산하고, 부하 임피던스를 동일하게 설정
• 종단 저항(Termination Resistor)을 통해 임피던스를 인위적으로 매칭
• 임피던스 변화율을 ±10% 이내로 제어

특히 50Ω 또는 75Ω 시스템에서는 부하와 선로가 정밀하게 일치해야 고속 신호 손실 없이 전달됩니다.

 

마무리하며

개방, 단락, 매칭의 세 가지 부하 조건은 반사 계수와 투과 계수에 직접적인 영향을 줍니다. 임피던스 매칭은 이상적인 신호 전달을 보장하며, 전송선에서 발생할 수 있는 반사를 최소화하는 핵심 설계 요소입니다. 신호 품질과 EMC 기준을 만족시키기 위해서는 이러한 원리에 기반한 정확한 회로 설계가 필수적입니다.