고속 디지털 회로 설계에서 신호무결성(신호선 간섭) 해결 방법

고속 디지털 회로 설계에서는 신호의 품질, 즉 신호무결성(Signal Integrity, SI)이 시스템의 안정성과 직결됩니다. 속도가 빨라질수록 신호 간섭, 반사, 크로스토크(Crosstalk) 등이 심화되기 때문에 회로 설계 단계에서부터 이에 대한 대책이 필요합니다. 

 

 

 

신호무결성이란 무엇인가?

신호무결성(Signal Integrity)은 디지털 신호가 전송 중에도 왜곡 없이 원래의 형태로 수신되는 정도를 의미합니다. 신호가 손상되면 타이밍 오류, 데이터 비트 손실, 시스템 오작동이 발생합니다.

• 고속 신호 = 높은 주파수 성분 포함 → 전송선로 특성 고려 필요
• PCB 트레이스가 안테나처럼 동작 → EMI/EMC 문제 발생 가능
• 길이 불균형, 임피던스 불일치 → 반사 및 지터(Jitter) 유발

 

신호무결성 저하의 주요 원인

원인설명영향

임피던스 불일치	전송선로의 특성 임피던스(Z₀)가 불균일	반사 및 링잉(Ringing)
크로스토크	인접 신호 간 전자기적 간섭	신호 왜곡, 타이밍 오류
지터(Jitter)	클록 타이밍 변동	데이터 타이밍 에러
그라운드 바운스	공통 GND 전위 상승	로직 오동작

 

전송선로 이론의 이해

고속 신호는 단순한 도선이 아닌 ‘전송선로(Transmission Line)’로 동작합니다. 신호의 상승시간(rise time)이 배선 길이에 비해 충분히 짧으면 반사가 발생할 수 있습니다.

전송선로의 특성 임피던스(Z₀)는 다음 식으로 표현됩니다:

Z₀ = √(L/C)

여기서 L은 인덕턴스, C는 커패시턴스입니다. PCB의 선폭, 두께, 유전체(εr)에 따라 Z₀가 달라집니다.

 

4. 임피던스 제어 설계

임피던스 불일치는 신호 반사를 유발하므로, 설계자는 트레이스의 폭과 두께를 조정해 50Ω 또는 90Ω(차동)의 전송선로를 만들어야 합니다.

• 단일 신호(싱글엔드): 50Ω
• 차동 신호(Differential Pair): 90Ω

임피던스 제어를 위한 대표 툴:

• Polar SI8000 Field Solver
• Ansys SIwave

 

크로스토크(Crosstalk) 억제 방법

크로스토크는 인접한 신호선 간 전자기 결합으로 발생하며, 신호의 상승시간이 짧을수록 심해집니다.

해결 방법:

• 트레이스 간 간격을 선폭의 3배 이상 확보 (3W Rule)
• 신호층과 GND층을 인접하게 배치하여 리턴 루프 최소화
• 필요 시 가드 트레이스(Guard Trace) 추가
• 클록 신호와 데이터 신호는 다른 층에 배치

 

반사 및 링잉(Ringing) 방지

고속 신호가 종단에서 반사되면 파형이 왜곡되어 논리 인식 오류를 일으킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 종단 저항(Termination Resistor)을 추가합니다.

• 직렬 종단(Series Termination): 드라이버 근처에 저항 삽입
• 병렬 종단(Parallel Termination): 수신단 근처에 저항 연결
• Thevenin 종단: 전원 및 접지 분압 형태로 구성

 

지터(Jitter) 및 클록 신호 품질 개선

지터는 클록 신호의 불규칙한 타이밍 변동으로 발생하며, PLL(위상 고정 루프) 품질과 전원 노이즈에 영향을 받습니다.

• 저지터 클록 버퍼 사용
• 클록 트레이스는 길이 짧고 동일 경로로 구성
• 전원 디커플링 강화 (0.1µF + 10µF 커패시터 병렬)
• 전용 클록층 분리로 크로스토크 최소화

 

전원 무결성(PI, Power Integrity) 관리

신호무결성과 전원무결성은 밀접한 관계가 있습니다. 전원 노이즈가 크면 신호 레벨이 흔들리며, 타이밍 오류가 증가합니다.

• 전원-그라운드 평면을 인접하게 배치
• IC마다 로컬 디커플링 커패시터 배치
• 전류 루프 최소화를 위한 레이아웃 설계

 

실무 검증 및 측정 방법

회로 설계 후에는 반드시 신호 품질을 측정해야 합니다. 이를 위해 다음 장비를 활용합니다.

• 오실로스코프: 신호 파형, 링잉, 지터 분석
• TDR(Time Domain Reflectometer): 임피던스 불연속 감지
• VNA(Network Analyzer): S-파라미터 측정

실측 결과가 기준 범위 내에 있으면 신호무결성이 확보된 것으로 평가할 수 있습니다.

 

 

자주 묻는 질문 (FAQ)

1. PCB 설계 시 크로스토크를 완전히 없앨 수 있나요?

완전히 없앨 수는 없지만, 트레이스 간 간격 확보와 GND 플레인 추가로 90% 이상 억제할 수 있습니다.

2. 종단 저항 값은 어떻게 결정하나요?

전송선로의 특성 임피던스(Z₀)에 맞춰 설정합니다. 일반적으로 50Ω ±10%를 기준으로 합니다.

3. SI 시뮬레이션은 어떤 툴을 사용하나요?

Keysight ADS, Altium Designer, Ansys SIwave가 대표적입니다.

 

 

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고속 디지털 회로의 신호무결성을 유지하려면 임피던스 제어, 크로스토크 억제, 전원 무결성 확보가 필수입니다. 설계 초기부터 시뮬레이션과 측정을 병행하면 문제를 사전에 예방할 수 있습니다.