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1. 고속 PCB 신호 간섭이란?
1-1) 고속 PCB에서 신호 간섭이 문제가 되는 이유
회로에서 신호를 주고받는 건 마치 대화하는 것과 같습니다.
말이 명확히 들려야 의미가 전달되듯, 디지털 신호도 정확하게 전달되어야 회로가 의도대로 동작합니다.
그런데 PCB에서 신호 속도가 빨라지면, 이 “대화”에 잡음이 끼기 시작합니다.
바로 고속 PCB 신호 간섭 문제가 시작되는 겁니다.
고속 신호는 보통 클럭 속도가 수십~수백 MHz 이상인 경우를 말합니다.
이때는 단순히 저항, 커패시터, 인덕터 값만 신경 쓰는 게 아니라, 신호가 전송선로를 따라 ‘파’처럼 전달된다는 사실이 중요해집니다.
즉, 도선은 더 이상 단순한 연결선이 아니라 고주파가 지나가는 “전송 매체”가 됩니다.
이런 상황에서 생기는 대표적인 간섭이 바로 Crosstalk(크로스톡)입니다.
한 신호선의 변화가 인접한 다른 신호선에 영향을 줘서 원하지 않는 전압이 유도되는 현상입니다.
이 외에도 고속에서는 다음과 같은 간섭 문제가 함께 발생합니다.
- 반사(Reflection): 종단 처리가 잘못되면 신호가 끝에서 되돌아와 원 신호를 왜곡합니다.
- EMI (Electromagnetic Interference): 인접한 부품이나 회로에 영향을 주거나 받습니다.
- Signal Skew: 신호가 동시에 도착하지 않아 타이밍 오류가 납니다.
이런 문제들은 단순히 노이즈로 끝나는 게 아니라, 시스템 전체의 오동작으로 이어지기 때문에 반드시 미리 예측하고 설계에서 해결해야 합니다.
결론적으로, 신호 속도가 높아질수록 PCB 내에서 신호의 물리적 특성—즉 “고속 PCB 신호 간섭”—을 하나의 ‘회로 설계 요소’로 진지하게 다뤄야 한다는 말입니다.
1-2) 신호 무결성(Signal Integrity, SI)과의 관계
신호 무결성(SI)이라는 개념은 말 그대로, 신호가 원래의 의미대로 깨지지 않고 전달되는지를 평가하는 것입니다.
그리고 이 신호 무결성에 가장 큰 영향을 주는 것이 바로 고속 PCB 신호 간섭입니다.
다시 말해, 신호가 도착할 때 다음과 같은 문제가 생기면 신호 무결성이 깨졌다고 봅니다.
- 신호의 레벨이 원하는 High/Low 값보다 낮거나 높음 (노이즈)
- 신호 도달 시간이 예상보다 늦거나 빠름 (스큐, 지터)
- 신호가 두 번 튐 (반사로 인한 링잉)
- 인접한 라인의 영향으로 잘못된 트리거 발생 (Crosstalk)
이 중 Crosstalk은 특히 민감한 제어 신호나 고속 데이터 라인에서 치명적입니다.
예를 들어, 한 라인이 ‘1’에서 ‘0’으로 전이될 때 인접한 라인에서 잘못된 ‘펄스’가 생긴다면, 이는 결국 원치 않는 동작을 일으키게 됩니다.
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- 연관 참조 : 전송선로에서 Crosstalk 저감 설계,부하 조건에 따른 반사,종단 방식 4가지 특성
2. NEXT와 FEXT
고속 PCB 신호 간섭을 이야기할 때 꼭 짚고 넘어가야 할 개념이 있습니다.
바로 NEXT(근단 크로스톡)와 FEXT(원단 크로스톡)입니다.
이름만 보면 비슷해 보이지만, 발생 위치도 다르고 시스템에 주는 영향도 전혀 다릅니다.
둘의 차이를 명확히 이해하는 것이 고속 회로 설계의 핵심 중 하나입니다.
2-1) Near-End Crosstalk (NEXT: 근접 종단 크로스톡)
먼저 NEXT(Near-End Crosstalk)는 근접 종단 크로스톡이라고 하며, 말 그대로 송신단(Tx) 쪽, 즉 신호가 출발하는 지점 근처에서 발생하는 간섭을 의미합니다.
여기서 간섭을 유발하는 선로를 침해 선로(aggressor)라고 부르며, 이 aggressor에서 발생한 노이즈 전류(Noise Current)가 인접한 피해 선로(victim)로 전파되면서 문제가 발생하게 됩니다.
중요한 포인트는, 이 유기된 노이즈 전류가 신호 전류가 흐르는 방향과 반대 방향으로 진행한다는 것입니다.
즉, 송신 측으로 되돌아오는 형태이기 때문에 Backward Crosstalk라고도 부릅니다.
예를 들어 설명하자면…
만약 한 신호선에서 A → B 방향으로 신호가 전달되고 있다면, 인접한 선로에서는 간섭 전류가 B → A 방향,
즉 송신단 방향으로 흘러가며 NEXT를 발생시키는 겁니다.
2-2) Far-End Crosstalk (FEXT: 원거리 종단 크로스톡)
반대로, FEXT(Far-End Crosstalk)는 수신단(Rx) 쪽, 즉 신호가 도착하는 지점 근처에서 생기는 간섭입니다.
이번에도 침해 선로(aggressor)에서 유기된 노이즈 전류가 원인이지만, 이번에는 방향이 다릅니다.
노이즈 전류가 원래 신호 전류와 동일한 방향으로 전파되는 경우입니다.
이 경우는 수신단 근처에서 간섭이 발생하기 때문에 FEXT, 또는 Forward Crosstalk라고 부르게 됩니다.
2-3) NEXT, FEXT 구조
고속 신호가 흐르는 PCB 설계에서 자주 등장하는 문제 중 하나가 바로 Crosstalk(크로스톡)입니다.
쉽게 말해, 한 신호선(Aggressor)의 변화가 옆에 있는 다른 신호선(Victim)에 원치 않는 간섭을 일으키는 현상입니다.
이 문제는 특히 고속 PCB 신호 간섭 환경에서 더욱 심각하게 나타납니다.
왜냐하면 신호가 빠르게 바뀔수록(즉, 상승 시간·하강 시간이 짧을수록) 그 영향이 커지기 때문입니다.
전송선로를 어떻게 바라볼까?
전송선로는 단순한 한 줄의 도선이 아니라, 우리가 흔히 사용하는 LC 모델(인덕터와 커패시터)로 세분화해 볼 수 있습니다.
선로를 일정 간격으로 나눠서, 각 구간마다 커패시턴스(Cm)와 상호 인덕턴스(Lm)가 존재한다고 보면 이해가 쉽습니다.
이 구조는 신호의 상승 시간(Rise Time)이나 하강 시간(Fall Time)과 같이 빠르게 변하는 부분에서 간섭 전류가 생기는 핵심 이유가 됩니다.
즉, 고속 PCB 신호 간섭은 대부분 이 ‘신호 천이 영역’에서 발생합니다.
2-3-1) NEXT는 신호가 들어가자마자 생기는 간섭
먼저 NEXT는 신호가 출발하자마자, 즉 송신단(Tx) 근처에서 생깁니다.
이건 마치 고속 열차가 출발하자마자 옆 선로에 진동을 전달하는 것과 비슷합니다.
신호가 선로에 들어오면, 그 순간 커패시턴스(Cm)를 통해 전류 Icm1이 흐릅니다.
동시에 인덕턴스(Lm)도 반응해서 전류 Ilm1이 발생하게 됩니다.
이 두 전류가 옆에 있는 피해 선로(Victim)로 전달되면서 NEXT 간섭 전압이 생깁니다.
신호가 점점 선로를 따라 진행하면, 두 번째 구간에서도 또 Icm2, Ilm2 전류가 생깁니다.
이 과정이 반복되면서 송신단 근처에는 계속해서 일정한 간섭 전압이 유지되는데, 이 지속시간은 2 × 전파 지연 시간(TD) 정도가 됩니다.
즉, NEXT는 고속 PCB 신호 간섭에서 송신 지점에서 즉각 발생하며, 신호의 상승 시간 동안 2TD 동안 유지되는 일정한 전압으로 나타납니다.
2-3-2) FEXT는 신호가 끝까지 간 뒤 생기는 간섭
반면에 FEXT는 신호가 선로의 끝, 즉 수신단(Rx) 근처까지 도달한 후에 생깁니다.
그래서 이름도 Far-End Crosstalk입니다.
신호가 선로를 따라 이동하면서, 각 단계마다 Icm와 Ilm 전류가 유도됩니다.
이 유도된 전류들은 모두 신호와 같은 방향으로, 즉 수신단 방향으로 흐르게 됩니다.
이렇게 각 구간(stage)의 전류들이 중첩되어 누적되며 종단에서 하나의 큰 전류로 나타납니다.
중요한 점은 일반적으로 인덕턴스(Lm)에 의해 발생하는 Ilm 전류가 커서, 최종적으로 나타나는 FEXT 전압은 음의 값(negative)이 되는 경우가 많다는 것입니다.
그리고 그 폭은 신호의 상승 시간(Tr) 정도로 매우 짧습니다.
또한 선로가 짧을수록 누적되는 전류 양이 적기 때문에, 선로 길이가 짧을 경우 FEXT 간섭은 거의 무시할 수 있을 정도로 작게 나타납니다.
NEXT는 신호가 시작되자마자 바로 영향을 주는 반면, FEXT는 신호가 전송선로를 다 지나야 문제가 드러나는 특징이 있습니다.
2-4) NEXT/FEXT 파형 비교
NEXT 파형은 마치 신호가 들어가자마자 쭉 일정한 전압 간섭이 생깁니다.
시간 기준으로 보면, 총 2TD(Time Delay) 동안 일정한 높이로 유지되는 간섭 전압이 보이게 됩니다.
반면에 FEXT 파형은 신호가 수신단에 도달할 때쯤, 짧은 시간 동안만 뾰족한 전압 스파이크가 발생합니다.
이 파형의 폭은 일반적으로 신호의 상승 시간(Tr)만큼 짧으며, 일반적으로 음의 전압 방향(네거티브 펄스)으로 나타납니다.
즉, NEXT는 즉각적이고 일정, FEXT는 지연되고 짧은 충격처럼 생각하면 이해가 쉽습니다.
2-5) 시스템에 미치는 영향
고속 PCB 신호 간섭 중에서 어느 쪽이 더 문제냐고 물어본다면, 상황에 따라 다르지만 NEXT가 더 치명적인 경우가 많습니다.
- NEXT의 영향
신호가 시작되자마자 영향을 주기 때문에, 수신 회로에서 정상 신호와 혼동되거나 잘못 디코딩될 수 있습니다.
특히 여러 채널을 동시에 처리하는 시스템에서는 멀티드롭 버스 구조에서 큰 문제가 됩니다. - FEXT의 영향
선로 길이가 길거나, 여러 단계에서 누적된 후 나타나는 신호 간섭입니다.
수신단에서 타이밍 오류, 클럭 신호 오류, 또는 잡음 민감도 증가로 이어질 수 있습니다.
하지만 파형 폭이 짧기 때문에 필터링으로 어느 정도는 보정 가능합니다.
3. 고속 PCB 신호 간섭의 해결-Crosstalk 저감 설계
3-1) 신호선 간격 확보: 거리로 Crosstalk 줄이기
가장 기본적이지만 강력한 방법은 신호선 사이의 간격을 충분히 벌리는 것입니다.
신호선 간 간격이 좁을수록 전기적 커플링이 커지기 때문에 Cm(상호 커패시턴스)와 Lm(상호 인덕턴스)가 증가하고, 결국 Crosstalk 전류가 더 많이 유기됩니다.
일반적으로 선로 간격을 선로 폭의 3배(3W-Rlue) 이상으로 유지하면 Crosstalk을 크게 줄일 수 있습니다.
예를 들어 0.2mm의 신호선이라고 가정하면, 1W=0.2mm이고, 3W=0.6mm입니다.
왜 W를 기준으로 간격을 정할까요?
고속 PCB에서는 선로 폭(W)에 따라 선로 임피던스, 전자기 복사 강도, 상호 커플링 정도가 바뀝니다.
그래서 단순한 거리 수치보다는 비율 기준으로 표현하는 게 더 일반적이고 직관적입니다.3-2) Ground Plane과 차폐(Shielding) 기술 적용
GND Plane(접지면)은 단순히 전류를 흘려보내는 역할만 하는 게 아닙니다.
실제로는 전자기 간섭을 흡수하고, 신호 간섭을 줄여주는 필터 역할도 합니다.
- Reference Plane을 GND로 깔아주면, 리턴 전류가 최소 루트를 따라가면서 불필요한 방사나 간섭이 줄어듭니다.
차폐(Shielding) 기법으로는 신호선 사이에 GND 선로를 삽입하는 Guard Trace, 혹은 선로 양쪽에 GND를 배치해 외부 간섭을 막는 구조 등이 있습니다. - 고속 PCB 신호 간섭을 줄이는 데 있어 Ground Plane과 차폐 구조는 매우 강력한 방어 수단입니다.
설계 초반부터 이 부분을 고려하는 것이 전체 시스템 안정성을 좌우합니다.
3-3) 라우팅 기법 개선으로 간섭 방지
배선(라우팅)은 그냥 선만 잘 연결하면 되는 게 아닙니다. 고속 PCB에서는 선로의 모양, 배치 방향, 병렬 여부가 간섭에 직접적인 영향을 줍니다.
Crosstalk 저감 설계를 위한 주요 라우팅 전략은 다음과 같습니다.
- 신호선 평행 구간 최소화: 긴 구간에서 신호선이 평행하게 배치되면 그만큼 더 많은 간섭이 발생합니다.
- 직각 라우팅 피하기: 90도 꺾이는 라우팅은 리턴 손실과 반사, 신호 왜곡을 유발할 수 있습니다.
- Layer 간 교차 배치: Top Layer에는 수평, Inner Layer에는 수직으로 배치하는 방식으로 간섭을 최소화합니다.
고속 설계에서는 “Zig-zag” 형태보다 “곡선 또는 45도 각도” 라우팅이 신호 품질에 유리합니다.
또한, 클럭이나 중요한 고속 신호는 항상 고립된 트레이스로 처리하거나 차동 쌍으로 구성하여 Crosstalk 영향을 최소화해야 합니다.
- 신호 간격 확보: 간단하지만 가장 효과적인 Crosstalk 억제 방법.
- Ground Plane & Shielding: GND를 활용한 간접 방어막.
- 라우팅 개선: 선로의 방향, 평행, 꺾임 모두 간섭과 연결됨.
이 3가지만 제대로 지켜도 고속 PCB 신호 간섭의 절반 이상은 예방할 수 있습니다.
4. Single-Ended vs Differential Signaling
고속 PCB 설계에서 왜 차동 신호가 더 유리할까요?
고속 PCB 신호 간섭을 고려하여 설계를 하다 보면 가장 많이 마주치는 개념 중 하나가 바로
Single-Ended(단일 종단) 전송 방식과 Differential Signaling(차동 전송 방식)입니다.
처음에는 구조도 비슷해 보이지만, 이 둘은 전기적으로 꽤 큰 차이가 있습니다.
그리고 이 차이가 바로 고속 PCB 신호 간섭 문제에서 중요한 역할을 합니다.
4-1) 단일 종단(Single-Ended)이란?
단일 종단은 말 그대로 한 개의 신호선만 사용해서 데이터를 주고받는 방식입니다.
이 신호선은 기준점인 GND(접지)와 비교해서 전압이 어느 수준인지 판단하여 ‘0’인지 ‘1’인지 결정합니다.
단일 종단은 우리가 가장 익숙하게 보는 방식입니다.
한 개의 신호선이 있고, 기준(GND)을 통해 전압을 인식합니다.
예를 들어 UART나 I2C, SPI 같은 저속 통신이 이 방식입니다.
예를 들어, 우리가 많이 사용하는 UART(직렬 통신) 같은 신호가 대표적인 단일 종단 방식이에요.
핀 구성을 보면 아주 간단합니다.
- TX (보내는 선)
- RX (받는 선)
- GND (기준점)
여기서 실제 데이터를 싣는 건 TX와 RX, 즉 신호선 1개씩입니다.
이 선의 전압이…
- 0V면 ‘Low’ (논리 0)
- 3.3V면 ‘High’ (논리 1)
- 이렇게 GND를 기준으로 판단합니다.
하지만 고속이 되면 문제가 생깁니다.
왜냐하면 하나의 선로는 외부 전자기장(EMI)에 민감하고,
인접한 선로에서 발생하는 Crosstalk(신호 간섭)에 쉽게 영향을 받기 때문입니다.
4-2) 차동 신호(Differential Signaling)란?
차동 신호는 두 개의 신호선을 한 쌍으로 사용하여 데이터를 전달하는 방식입니다.
이 두 신호선은 서로 반대의 전압을 가집니다.
즉, 하나가 ‘High’면 다른 하나는 ‘Low’가 되는 식입니다.
수신기는 이 두 신호선의 전압 차이(ΔV)를 보고 신호를 판단합니다.
기준이 ‘GND’가 아니라, 두 선 사이의 전압 차이입니다!
예를들면, 노트북 디스플레이에 쓰이는 LVDS 방식입니다.
LVDS는 디지털 영상 신호를 높은 속도로, 간섭 없이 전송하기 위해 사용됩니다.
- LVDS_P: + 신호
- LVDS_N: – 신호
이 두 선은 항상 반대 극성의 신호를 갖고 있고, 수신단에서는 이 두 선의 전압 차이를 보고 판단합니다.
차동 신호가 왜 좋은까요?
차동 신호는 고속 PCB 신호 간섭 문제를 효과적으로 줄일 수 있는 대표적인 방식입니다.
두 신호선이 항상 서로 반대의 극성을 가지고 있기 때문에, 두 선이 동일한 외부 노이즈를 받더라도 전압 차이(ΔV)는 변하지 않습니다.
수신기는 이 ΔV만 보기 때문에 외부에서 유입된 노이즈를 거의 무시할 수 있습니다.
→ 이런 특성을 Common-Mode Noise 제거라고 하며, 고속 PCB 신호 간섭을 방지하는 데 큰 도움이 됩니다.
또한 차동 신호는 한 쌍의 선을 꼬아서 배선하거나, 라인 간격을 일정하게 유지하는 설계를 통해
서로의 전자기장을 상쇄시키는 구조를 만들 수 있습니다.
이 구조는 주변 신호선에 영향을 주는 Crosstalk(크로스톡) 발생 자체를 억제하는 효과가 있으며,
이 역시 고속 PCB 신호 간섭을 줄이기 위한 Crosstalk 저감 설계의 핵심 전략 중 하나입니다.
4-3) Single-Ended vs Differential Signaling
고속 PCB 신호 간섭 환경에서는 외부 전자기 간섭(EMI), 크로스톡(Crosstalk), 반사(reflection) 등 다양한 문제가 발생할 수 있습니다.
특히 신호의 주파수가 높아질수록 전송선 간섭 현상은 더 커지며, 이는 시스템 전체의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
이러한 문제를 근본적으로 줄이기 위해, 차동 신호(Differential Signaling)는 매우 효과적인 대안입니다.
공통 모드 노이즈 제거 기능과 전자기장 상쇄 효과 덕분에, Crosstalk 저감 설계와 EMI 억제 설계에 있어서 핵심적인 역할을 하며,
고속 PCB 신호 간섭을 억제하기 위한 표준적인 설계 전략으로 자리잡고 있습니다.