[PCB EMI] Near Field Coupling 구조 (51)

Cross talk 발생의 근본 원리

Crosstalk 현상은 고속 디지털 회로나 PCB 설계에서 자주 발생하는 신호 간섭 현상입니다. 그 원인은 대부분 선로 간 근접 배치에 따른 전자기장 결합에 있습니다. 이번 글에서는 근거리 결합(Near Field Coupling)의 개념과 그로 인해 Cross talk가 발생하는 원리를 정리해 보겠습니다.

 

전자기장이 어떻게 Cross talk를 유발할까?

전송 선로를 따라 신호가 흐를 때, 신호 경로와 그에 대응하는 리턴 경로 사이에는 전기장(E-field)과 자기장(H-field)이 형성됩니다. 이 중에서 선로 외부로 확산되는 영역을 Fringe Field라고 하며, 인접한 선로에 영향을 미쳐 Crosstalk를 일으키는 주요 요인입니다.

 

유도성 결합(Inductive Coupling)은 어떤 역할을 하나?

침해 선로(Aggressor)에 급격한 전류 변화가 발생하면 주위에 변화하는 자기장이 형성됩니다. 이 자기장은 인접한 피해 선로(Victim)에 전압을 유도하며, 이는 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따른 현상입니다. 이때 유기되는 노이즈 전압은 두 선로 간의 상호 인덕턴스(Mutual Inductance)에 비례합니다. 유도성 결합은 주로 근거리에서 Cross talk(NEXT)를 유발하며, 피해 선로 양 끝으로 동일한 방향의 노이즈 전류가 흐릅니다.

 

용량성 결합(Capacitive Coupling)은 어떤 영향을 줄까?

침해 선로의 전압이 빠르게 변할 경우, 변화하는 전기장이 주변에 생성됩니다. 이 전기장은 인접한 피해 선로에 전류를 유도하는 효과를 만들어냅니다. 이 현상은 마치 커패시터를 통해 전류가 흐르는 것과 유사하며, 상호 커패시턴스(Mutual Capacitance)에 비례한 노이즈 전류가 유기됩니다. 용량성 결합은 근거리(NEXT)뿐 아니라 선로 말단에서의 원거리 Cross talk(FEXT)에도 영향을 줍니다. 유기된 전류는 피해 선로 양쪽 방향으로 갈라져 흐릅니다.

 

총 Cross talk 전류는 어떻게 계산할 수 있을까?

실제 Crosstalk는 유도성 결합과 용량성 결합이 동시에 발생하면서 각기 다른 방향과 세기의 전류를 유기합니다. 근거리에서는 두 결합이 같은 방향으로 작용하여 Cross talk가 증가하고, 원거리에서는 상호 상쇄될 수도 있습니다. 따라서 Crosstalk의 크기와 방향은 신호의 속도, 선로 간 거리, 배치 구조에 따라 달라지게 됩니다.

 

설계 시 어떤 점을 고려해야 할까?

근거리 결합은 전자기장 이론에 기반한 물리적 현상이므로, 이를 줄이기 위해서는 선로 간격 확보, 리턴 경로 최적화, 차폐층 도입 등의 설계적 고려가 필수적입니다. 특히 고속 신호가 많은 시스템에서는 Crosstalk 억제가 신호 무결성과 EMC 성능 확보의 핵심 요소입니다.

 

마무리하며

근거리 결합 구조를 이해하는 것은 Crosstalk 문제를 해결하기 위한 첫걸음입니다. 신호 간의 상호 인덕턴스와 커패시턴스를 적절히 제어하면, 불필요한 노이즈 발생을 줄이고 안정적인 회로 성능을 확보할 수 있습니다. 설계 초기 단계부터 Crosstalk에 대한 고려가 선행되어야 합니다.