1. 전송선로란?
시스템 내에서의 상호 연결(interconnect작업은 전송선로(transmission line)의 설계에서 출발합니다.
전송 선로란 신호를 전송하기 위해 필요한 두 개 이상의 도체가 일정한 간격으로 나란히 임의의 길이를 가지는 형태를 의미합니다.
하나는 신호 경로(Signal path)가 되고, 다른 하나는 귀환 경로(return path)가 됩니다.
쉽게 말해, 신호가 흐르는 도로 같은 역할을 하는 것입니다.
저주파에서는 전송 선로가 신호 경로와 GND로 구분해도 되지만, 고주파 대역에서는 GND층은 귀환 경로로 다루어야 합니다.
고속 디지털 시스템에서는 접지(GND) 개념을 버리고 신호의 귀환경로 개념으로 받아들여야 합니다.
전송 선로가 둘 또는 그 이상의 도체로 이루어져야 하는 이유는 선로상의 신호의 전송은 두 도체 사이에 필드(E-field, H-field)를 유기시켜 진행 경로상에 잘 가두어 주어 일정한 방향으로 전파시켜야 되기 때문입니다.
즉, 신호의 진행은 E-field와 H-field의 이동인 것입니다.
신호가 왜곡 없이 목적지까지 도달하려면 전송선로 특성 임피던스를 고려한 설계가 필수적입니다.
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2. PCB에서의 전송선로 역할
전송선로는 회로에서 신호가 전달되는 물리적 경로입니다.
쉽게 말해, 전기적인 데이터나 전력을 한 곳에서 다른 곳으로 안정적으로 보내는 길이라고 할 수 있습니다.
일반적으로 저속 신호에서는 단순한 도선(wire)로도 충분하지만, 고속 신호(high-speed signal)에서는 상황이 달라집니다.
신호 속도가 빠를수록 신호의 품질을 유지하는 것이 어려워지는데, 그 이유는 신호 반사(Reflection), 크로스톡(Crosstalk), 손실(Loss) 등의 문제가 발생하기 때문입니다.
특히 PCB(Printed Circuit Board)에서의 전송선로는 단순히 신호선을 배치하는 문제가 아니라, 신호 무결성(Signal Integrity, SI)과 EMI(전자파 간섭, Electromagnetic Interference)에 직접적인 영향을 주는 중요한 요소입니다.
즉, 전송선로를 잘못 설계하면 신호가 깨지거나, 다른 신호에 간섭을 일으키거나, 불필요한 전자파가 발생할 수도 있습니다.
만약 전송선로가 올바르게 설계되지 않으면, 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.
- 신호 반사(Reflection): 전송선로 특성 임피던스가 맞지 않으면, 신호가 되돌아와 왜곡이 발생합니다.
- 신호 감쇠(Attenuation): 긴 전송선로에서는 신호가 점점 약해질 수 있습니다.
- 크로스톡(Crosstalk): 신호선 간 거리가 가까우면 신호 간섭이 발생하여 오류가 생길 수 있습니다.
고속 신호를 설계할 때는 PCB의 특정한 배선 구조를 사용하여 신호 품질을 유지해야 합니다.
대표적인 방식이 Microstrip Line(마이크로스트립 라인)과 Stripline(스트립라인)입니다.
2-1) Microstrip line
Microstrip Line은 PCB의 바깥층(Top Layer 또는 Bottom Layer)에 신호선이 배치되는 방식입니다.
신호선 바로 아래에는 접지층(Ground Plane)이 위치하며, 신호는 공기와 PCB 기판(예: FR4) 사이에서 전파됩니다.
① 장점
- 신호선이 PCB 표면에 있어 제작이 비교적 간단함
- 신호 전송 속도가 빠름
- 단일 접지면을 이용해도 되므로 설계가 용이함
② 단점
- EMI 차폐 효과가 Stripline보다 낮음
- 외부 환경(공기, PCB 표면 상태)에 영향을 받기 쉬움
2-2) Strip line
Stripline은 신호선이 PCB의 내부층(Inner Layer)에 위치하는 방식입니다.
신호선은 위아래로 두 개의 접지층(Ground Plane) 사이에 위치하게 됩니다.
① 장점
- 신호가 완전히 PCB 내부에 묻혀 있어 EMI 차폐 효과가 뛰어남
- 신호 전파 속성이 균일하여 신호 품질이 안정적임
② 단점
- 제작 공정이 복잡하고 비용이 높음
- 신호 전송 속도가 Microstrip Line보다 약간 느림
2-3) Microstrip Line vs Stripline 비교
어떤 경우에 사용할까?
고속 신호가 필요하고 EMI가 큰 문제가 되지 않는다면? → Microstrip Line 사용
EMI 차폐가 매우 중요하고 신호 품질이 우선이라면? → Stripline 사용
3. 전송선로의 전기적 특징
고속 신호가 PCB(Printed Circuit Board)에서 이동할 때, 단순히 ‘전선을 따라 흐르는 것’처럼 보이지만, 실제로는 여러 전기적 현상들이 신호를 왜곡하거나 손실을 일으킵니다.
특히, 전송선로 특성 임피던스가 일정하게 유지되지 않으면 반사, 감쇠, 크로스톡 같은 문제들이 발생할 수 있습니다.
3-1) 전송선로에서 발생하는 주요 현상
3-1-1) 신호 반사(Reflection)
전송선로에서 가장 대표적인 문제 중 하나가 신호 반사입니다.
신호가 도착해야 할 목적지(부하)에서 제대로 흡수되지 못하고, 다시 되돌아오는 현상을 말합니다.
왜 신호가 반사될까?
신호 반사는 주로 전송선로 특성 임피던스 불일치 때문에 발생합니다.
전송선로 특성 임피던스(Characteristic Impedance)와 부하(Load)의 임피던스가 맞지 않으면, 일부 신호가 반사됩니다.
반사된 신호는 원래 신호와 겹쳐서 노이즈(Ringing)나 신호 왜곡을 일으킬 수 있습니다.
전송선로에서 Ringing 현상은 파도가 방파제를 만나면 파도가 부서지며 출렁임을 반복하다 원래로 돌아오듯이 신호 입장에서는 상승과 하강 에지 부분에 Overshoot와 Undershoot를 반복하는 현상과 유사하다고 할 수 있다.
방파제가 파도(신호) 입장에서는 임피던스 불연속으로 보이며 방파제가 없다면 Ringing현상은 생기지 않습니다.
즉, 선로를 진행하는 신호 입장에서 바라본 임피던스를 순시 임피던스라고 하며 사실상 선로상의 특성 임피던스(Z0)와 같은 개념입니다 .
신호가 특성 임피던스 Z1인 선로를 진행하다 선로 폭이 좁아져 특성 임피던스가 증가된 Z2 임피던스 선로를 만나면 신호의 일부는 반사(Vreflected)되고 일부는 계속 진행파(Vtransmitted)의 형태로 Z2 선로를 진행하게 된다.
임피던스 불연속 지점(②)에서 반사된 신호는 Z1 임피던스 선로의 입사점(①)에서 다시 반사되고 선로를 진행하다 다시 임피던스 불연속 지점(②)에서 두번째 반사가 되어 또 다시 되돌아 간다.
이렇게 선로 내에서 반사를 계속 반복하면 Ringing현상이 유발됩니다.
반사 문제 해결 방법은?
전송선로 특성 임피던스(Zo)를 부하 임피던스와 맞춰야 하고, 종단 저항(Termination Resistor)을 추가하여 반사를 최소화해야 합니다.
또한 전송선로를 최대한 짧게 설계하여 반사 가능성을 줄이는 것이 좋습니다.
3-1-2) 신호 감쇠(Attenuation)
신호는 전송선로를 따라 이동하면서 점점 약해집니다.
이런 현상을 신호 감쇠(Attenuation)라고 합니다.
예를 들어, USB 케이블을 너무 길게 사용하면 충전 속도가 느려지거나 데이터 전송이 불안정해지는 이유도 신호 감쇠 때문입니다.
왜 신호가 약해질까?
PCB 기판의 재질이 신호를 일부 흡수하거나,(유전 손실, Dielectric Loss) 신호선의 저항이 높을수록 전류가 흐를 때 에너지가 열로 (도체 손실, Conductor Loss) 소모되기도 합니다. 특히 높은 주파수일수록 표피 효과(Skin Effect)로 인해 신호 감쇠가 심해집니다.
신호 감쇠를 줄이는 방법은?
낮은 손실을 가진 PCB 재료(예: Rogers, Megtron) 사용하거나 신호선의 폭을 넓혀서 저항을 줄이는 방법이 있습니다.
고속 신호의 경우네는 차동 신호(Differential Signaling)로 설계하여 감쇠 보완할 수 있습니다.
3-1-3) 크로스톡(Crosstalk)
크로스톡은 인접한 두 신호선 간에 신호가 간섭을 일으키는 현상입니다.
예를 들어, 이어폰에서 ‘지지직’하는 소리가 날 때가 있습니다.
그건 전력선과 오디오 신호선이 PCB에서 크로스톡을 일으킨 결과입니다.
크로스톡이 발생하는 이유는?
PCB에서 신호선 간 거리가 너무 가까우면 전자기장이 서로 영향을 줍니다. 특히, 고속 신호일수록 크로스톡이 심해집니다.
일반적으로 차동 신호(Differential Pair)를 잘못 배치하면 크로스톡이 증가하게 됩니다.
크로스톡을 줄이는 방법은?
신호선 간격을 충분히 확보하여 간섭을 최소화하거나 접지(Ground Plane)를 활용해 신호 차폐 효과 증대하는 것이 좋습니다.
또한 중요한 신호는 Stripline 구조를 사용하여 내부층 배치해야 합니다.
3-1-4) 표피 효과(Skin Effect)
전류는 일반적으로 도체 전체 단면을 통해 흐르지만, 주파수가 높아질수록 전류가 도체의 바깥쪽(표면 쪽)으로 몰리게 됩니다.
이 현상을 표피효과(Skin Effect)라고 부릅니다.
조금 더 구체적으로 말하면, 도체 안에서 흐르는 전류는 전자기장의 영향을 받게 되는데, 주파수가 올라가면 자기장이 강해지고, 그에 따라 내부에서 전류가 서로 밀어내는 힘이 강해집니다.
그 결과, 전류는 도체 중심부보다는 바깥쪽, 즉 ‘표면’을 따라 흐르게 됩니다.
이때 전류가 흐르는 유효 깊이를 “표피 깊이(Skin Depth)”라고 하는데, 이 값은 다음 수식으로 계산할 수 있습니다。
예를 들어, 구리 도체의 경우 100MHz에서의 표피 깊이는 약 6.6μm 정도밖에 되지 않습니다.
즉, 그 이상 안쪽은 사실상 전류가 흐르지 않는 것과 마찬가지라는 뜻입니다.
표피 효과의 문제점은?
높은 주파수일수록 도체의 ‘속’보다는 ‘겉’으로만 전류가 흐르게 되고, 신호선의 실질적인 저항이 증가하여 신호 감쇠가 심해집니다.
즉, 전송선로 특성 임피던스가 변동하여 신호 품질 저하되게 됩니다.
표피 효과를 줄이는 방법은?
고주파 신호선은 도금된 구리(Copper Plating)를 사용하여 저항 감소시키고, 최대한 신호선을 넓게 설계하여 표피 효과를 최소화하는 것이 좋습니다.
필요하면 고전도성 재료(예: 금, 은 도금) 사용하는 것도 고려해 볼 수 있습니다.
PCB 설계시 고려 사항은?
표피효과는 고주파 회로에서 다음과 같은 설계 문제를 유발합니다.
① 도체의 유효 면적 감소 → 저항 증가
표피 깊이보다 깊은 부분은 사실상 전류가 흐르지 않기 때문에, 고주파에서는 도체 전체를 쓰지 못하고 바깥쪽만 사용하는 셈입니다.
따라서 고주파일수록 실질적인 저항이 증가하게 됩니다.
고주파에서 전선이 얇게 느껴지는 이유도 여기에 있습니다.
② 전송선로 특성 임피던스 변화
전송선로 특성 임피던스는 도체의 폭, 두께, 유전체 특성 등에 따라 결정되는데, 표피효과로 인해 유효 도체 면적이 줄어들면, 특성 임피던스가 의도와 다르게 변할 수 있습니다.
전송선로 특성 임피던스를 일정하게 유지하는 것이 중요한 이유는, 신호 반사를 방지하고 SI/PI/EMI를 개선하는 핵심 조건이기 때문입니다.
③ 고속 신호에서 손실 증가
예를 들어 PCIe, HDMI, USB 3.x 같은 고속 신호에서는 표피효과에 의한 손실이 무시할 수 없는 수준으로 커집니다.
특히, 길이가 긴 배선이나 차폐 없이 외부로 나가는 라인에서는 더욱 주의해야 합니다.
3-2) 전송선로 특성 임피던스가 중요한 이유
전송선로에서 발생하는 대부분의 문제들은 결국 특성 임피던스를 제대로 맞추지 않으면 더 심해집니다.
전송선로 특성 임피던스를 일정하게 유지해야 하는 이유
- 신호 반사를 줄이고 신호 품질 유지
- 전송선로에서 신호 손실 최소화
- 고속 신호에서 안정적인 전송 가능
일반적인 전송선로 특성 임피던스 값은 아래 표와 같습니다.
4. 이상적인 전송선로 모델 vs 일반 전송선로 모델
전송선로를 설계할 때, 우리는 신호가 깨끗하게 전달되길 기대합니다.
하지만 실제로는 다양한 손실과 왜곡이 발생합니다.
이를 이해하기 위해 이상적인 전송선로 모델(손실 없는 전송선로)과 일반 전송선로 모델(실제 PCB에서의 손실 포함)을 비교해 보겠습니다.
4-1) 이상적인 전송선로 모델
이상적인 전송선로에서는 신호가 100% 깨끗하게 전달된다고 가정합니다.
즉, 전압이나 전류가 감쇠되지 않고, 전송 지연도 일정하며, 노이즈도 전혀 없습니다.
4-1-1) 이상적인 전송선로의 가정 조건
- 전송선로의 저항(R) = 0 → 신호 감쇠 없음
- 전송선로의 도체 손실 = 0 → 발열 없음
- 유전체 손실 = 0 → 신호 에너지 감소 없음
- 반사 없음 → 완벽한 특성 임피던스 유지
이 모델은 신호 무결성을 유지하는 데 이상적이지만, 실제 PCB에서는 불가능한 이야기입니다.
그러나 기본적인 전송선로 특성 임피던스를 계산하는 데는 유용합니다.
4-2) 일반 전송선로 모델
PCB에서 신호를 실제로 전송할 때는 다양한 손실이 발생합니다.
4-2-1) 도체 손실(Conductor Loss)
전송선로가 구리(Copper)로 되어 있어도 저항이 0이 아니기 때문에 신호가 흐를 때 약간의 에너지가 손실됩니다.
특히, 고주파 신호일수록 표피 효과(Skin Effect) 때문에 저항이 더 증가하여 손실이 심해집니다.
해결 방법은?
신호선의 폭을 넓혀 저항을 줄이거나 은이나 금 같은 고전도성 재료 사용해서 해결하기도 합니다.
4-2-2) 유전체 손실(Dielectric Loss)
PCB 기판 재료는 완벽한 절연체가 아니므로 신호가 일부 유전체(Dielectric Material)에 흡수됩니다.
일반적인 FR4 PCB에서는 고속 신호일수록 손실이 커집니다.
해결 방법은?
저손실 PCB 재료(예: Rogers, Megtron) 사용하거나, 고속 신호일수록 짧은 경로로 배선하는 것이 좋습니다
4-2-3) 분포 용량에 의한 손실(Distributed Capacitance Loss)
PCB에서 신호선과 접지(혹은 전원층) 사이에는 분포 용량(Distributed Capacitance)이 존재합니다.
이 분포 용량이 신호를 일부 저장했다가 다시 방출하는 과정에서 신호 왜곡과 손실이 발생할 수 있습니다.
분포 용량이 신호에 미치는 영향은 신호 전송 시 고주파 성분이 손실되면서 신호 왜곡 발생하게 됩니다.
특히, 신호가 낮은 주파수에서는 영향이 적지만, 고주파에서는 신호 감쇠가 심해집니다.
장거리 전송 시 신호 지연 발생할 수도 있습니다.
즉, PCB에서 전송선로 특성 임피던스가 일정하지 않거나, 분포 용량이 클수록 감쇠가 심해지는 것을 알 수 있습니다.
해결 방법은?
PCB의 신호층과 접지층 사이 간격을 조절하여 분포 용량 최소화 하거나 신호선을 너무 길게 설계하지 않는 것이 좋습니다.
4-2-4) 결론적으로
이상적인 전송선로는 존재하지 않지만, 손실을 최소화하려면 다음과 같은 점을 고려해야 합니다.
- 전송선로 특성 임피던스를 일정하게 유지할 것
- 고주파 신호는 표피 효과를 고려하여 신호선 폭을 최적화할 것
- 저손실 PCB 재료를 사용하여 유전체 손실을 줄일 것
- 배선 간 크로스톡을 최소화하는 설계를 적용할 것
- 분포 용량을 고려한 배선 설계를 할 것