[PCB EMI] Differential 신호처리의 특징 II (58)

차동 신호는 노이즈 방사와 외부 간섭에 어떻게 대응할까?

차동(Differential) 신호 처리 방식은 노이즈 방사(Emission) 감소와 외부 노이즈 내성(Immunity) 측면에서 탁월한 특성을 가집니다. 특히 고속 통신 설계에서 신호 품질을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

왜 단일 종단 방식은 노이즈에 취약할까?

단일 종단(Single-ended) 신호는 하나의 선로와 접지 경로로 구성된 루프를 통해 전류가 흐릅니다. 이 루프 면적이 클수록 전자기장(E-field, H-field)이 더 많이 방사됩니다. 이는 외부 장비에 간섭을 줄 수 있으며, 자체 회로에도 EMI(Electromagnetic Interference)를 유발할 수 있습니다.

또한 선로에서 임피던스 불연속이 발생하면 신호 반사가 생기고, 이는 노이즈 방사를 더욱 악화시킵니다. 결과적으로 단일 종단 방식은 추가적인 차폐 없이 안정적인 신호 품질을 유지하기 어렵습니다.

 

차동 신호는 어떻게 노이즈 방사를 줄이는가?

차동 신호는 두 개의 선로에 서로 반대 위상의 신호를 동시에 전달합니다. 이때 각 선로에서 발생하는 전기장과 자기장은 서로 상쇄되어 외부로 방사되는 총전자기장이 크게 줄어듭니다.

특히 두 신호선이 가까이 배치되어 강하게 결합(Tightly Coupling)되면 상쇄 효과가 극대화됩니다. 별도의 차폐 없이도 EMI를 효과적으로 억제할 수 있는 구조적 장점이 있습니다.

 

외부 노이즈에는 어떻게 반응하는가?

단일 종단 방식은 외부 전자기 간섭이 선로에 직접 유입되어 신호 품질을 손상시키기 쉽습니다. 반면 차동 신호는 동일한 노이즈가 두 선로에 동시에 유입되는 경우, 이를 공통 모드 노이즈(Common Mode Noise)로 처리합니다.

차동 수신기는 두 신호의 전압 차이를 기준으로 작동하기 때문에, 공통된 노이즈 성분은 자동으로 제거됩니다. 이로 인해 외부 환경이 복잡하더라도 안정적인 신호 전송이 가능합니다.

 

차동 신호가 고속 통신에 적합한 이유는?

• 전자기장의 상쇄 효과: 반대 위상 신호가 전자기장을 상쇄시켜 EMI 발생을 최소화합니다.
• 공통 모드 노이즈 제거: 외부 노이즈 내성이 뛰어나 고속 신호의 왜곡(Jitter, Skew 등)을 줄여줍니다.

이러한 이유로 HDMI, USB, LVDS, DVI 등 고속 데이터 인터페이스에서는 차동 신호가 기본 구조로 채택됩니다. PCB 설계에서도 고속 신호 경로에는 차동 쌍을 적극적으로 활용합니다.

 

마무리하며

차동 신호는 노이즈 방사를 줄이고 외부 간섭에 강한 구조적 장점을 가집니다. 고속 통신 환경에서 안정적인 데이터 전송을 실현하기 위해 필수적인 신호 처리 방식이며, EMI 문제 해결에도 효과적입니다.