[ 전자 ] Signal Integrity( SI, 신호 무결성 ) - 노이즈 간섭 (Noise Interference),타이밍 오류 (Timing Errors)

Signal Integrity (SI) - 노이즈 간섭 (Noise Interference), 타이밍 오류 (Timing Errors) 대해서 알아보자.

Signal Integrity (SI, 신호 무결성)

- SI는 전자 회로 내에서 신호가 전송될 때 그 품질이 유지되는 정도를 말한다. ( 매우 중요 )
- SI는 고속 디지털 시스템일수록 더욱 중요하며, 신호의 왜곡이나 감쇄 등이 발생하지 않도록 관리해야 된다.
- SI가 좋지 않으면 데이터 전송 오류, 시스템의 불안정성, 성능 저하 등을 초래한다.

 주요 Signal Integrity 현상

노이즈 간섭 (Noise Interference)

Signal Integrity (SI) 문제에서 노이즈 간섭(Noise Interference)은 전송 중인 신호가 외부 또는 내부의 불원하는 전기적 신호에 의해 영향을 받는 현상을 말한다. 간섭은 데이터의 신뢰도, 시스템의 성능을 저하를 이르킨다.

 

• 노이즈 간섭의 유형
  • Crosstalk (크로스토크)
  • Electromagnetic Interference (EMI, 전자기 간섭)
  • Power Supply Noise (전원 노이즈)
  • Ground Bounce (그라운드 바운스)

- Crosstalk (크로스토크)

• 인접한 전송선 간에 신호가 서로 간섭하는 현상.
• 주로 인접한 전송선에서 전기적 신호가 서로 '누설'하는 결과 발생.
• PCB or cable에서 신호가 이동할 때, 신호 주변으로 자기장이 형성되며, 그러므로 같은 신호가 아닌 경우 영향을 받음.

Crosstalk

사진 및 자료 출처: https://www.nextpcb.com/blog/pcb-crosstalk

 

• 원인:
  • 전송선이 서로 가까이 위치 
  • 높은 주파수에서 더욱 심각
  • 인접 전송선 사이의 커패시티브(전기적) 또는 인덕티브(자기적) 결합
• 해결 방안:
  • 신호선 배치 최적화: 인접한 신호선 간의 거리를 증가시키기. (같은 신호 일 때 가까이, PCB를 제작 시 3W)
  • 차폐 및 그 라운딩: 신호선 사이에 그라운드 선을 배치하여 간섭을 감소시키기.(high speed signal: PCB Layer Stack up - Signal -GND-Signal )
  • 차동 신호(Differential signal) 사용: 차동 쌍을 사용하여 외부 노이즈로부터의 영향을 줄임.

 

- Electromagnetic Interference (EMI, 전자기 간섭)

• 본 장비에서 방출하는 전자파가 다른 기기에 주는 영향.
• 다른 전자기기, 라디오 신호 등 다양한 소스에서 발생할 수 있음.
• EMI 시험 -  대상이 되는 제품의 동작으로 인해 노이즈가 얼마나 발생하여 주변의 IC나 시스템에 영향을 미치는지에 대한 지표 ( 외부에 대한 영향성)
• EMS 시험 - 대상이 되는 제품이 외부 노이즈의 영향을 받아도 오동작을 일으키지 않는 능력 · 내성의 지표 (내부에 대한 영향성)

EMI, EMS

사진 및 자료 출처: https://esongemc.com/kr/microwave-solutions

• 원인:
  • 고주파 전자기기
  • 무선 통신 장비
  • 전력선 및 스위칭 전원 공급 장치
• 해결 방안:
  • 적절한 차폐 : 전자기 차폐를 사용하여 신호선을 보호.
  • 필터 설치:  EMI 필터를 사용하여 노이즈를 제거.
  • 케이블 디자인: 케이블을 트위스트 페어나 동축 케이블로 설계하여 EMI의 영향을 줄임.

- Power Supply Noise (전원 노이즈)

• 전원 노이즈는 전원 공급 장치에서 발생하는 간섭.
• 불안정한 전원 공급이 주된 원인.
• 원인:
  • 스위칭 노이즈
  • 전압 레귤레이터의 불안정
  • 부하 변화에 따른 전압 드롭

• 해결 방안:
  • 고품질 전원 공급 장치 사용: 노이즈 감소 기능이 있는 전원 공급 장치 사용.
  • 분리된 전원 평면 설계: 전원과 그라운드 평면을 올바르게 설계하여 노이즈를 감소.
  • 데커플링 캐패시터 사용: 전원 라인에 데커플링 캐패시터를 설치하여 순간적인 부하 변화에 대응.
    
    

- Ground Bounce (그라운드 바운스)

• 전자 회로에서 흔히 발견되는 현상( 특히 디지털 회로에서 많이 발생)
• 디지털 신호가 스위칭하는 동안에 발생하는 전압의 급격한 변화( 전압 스파이크 현상) 으로로 인해 그라운드 레퍼런스 레벨에 일시적인 변동이 생기는 것을 말함.
• 주로 고속 IC에서 여러 출력이 동시에 스위칭할 때 발생.

Ground Bounce

• 원인:
  •  IC의 동시 스위칭
  • 그라운드 핀의 유도 저항 및 인덕턴스
    
    
• 해결 방안:
  
  • 적절한 그 라운딩: IC와 PCB의 그 라운딩을 강화.
  • 다수의 그라운드 핀 사용: IC에 다수의 그라운드 핀을 사용하여 그라운드 바운스 효과를 줄임.
  • 저 인덕턴스 패스 설계: 낮은 인덕턴스를 가진 전기적 경로를 설계하여 그라운드 바운스를 최소화.
    
    

타이밍 오류(Timing Errors)

Signal Integrity (SI)에서 타이밍 오류(Timing Errors)는 신호가 목적지에 정확한 순간에 도달하지 않아 발생하는 문제를 말합니다. 

• 타이밍 오류의 유형
  • Jitter (지터)
  • Skew (스큐)

- Jitter (지터)

• 신호의 타이밍 변동성을 말함.
• 클록 신호나 데이터 신호에서 예측 가능한 주기적 타이밍에서의 랜덤 또는 반복적인 변화.
• 즉 일정하지 않고 계속 흔들린다는 느낌 ( 오실로스코프에서 trigger를 통해서 확인이 쉬움)

jitter

사진 및 자료 출처 : https://www.keysight.com/blogs/en/tech/bench/2019/11/07/is-jitter-good-or-bad-for-your-device-testing

• 원인:
  • Electromagnetic Interference (EMI, 전자기 간섭)
  • Crosstalk (크로스토크)
  • Power Supply Noise (전원 노이즈)
  • 부적절한 그 라운딩
• 해결 방안:
• 버퍼링 및 재생: 클록 신호를 재생하여 지터를 최소화하는 전용 클록 버퍼 사용.
• 신호 정화: PLL(Phase Locked Loop)를 사용하여 클록 신호를 정화.
• 적절한 그 라운딩과 차폐: 노이즈로부터 신호를 보호하기 위해 그라운드와 차폐를 개선.
• 품질 좋은 컴포넌트 사용: 높은 품질의 전자 부품과 케이블 사용으로 전송 경로의 지터 감소.
  
  

- Skew (스큐)

• 동일한 클록 또는 신호원에서 발생하는 다중 신호 경로 간의 도착 시간 차이.
• 병렬 처리 시스템에서 데이터의 정합성 문제를 일으킬 수 있음.
• 특히 고속 신호, 이더넷 (Differential 신호)등등에서 중요.

Skew

• 원인:
  
  • 경로 길이 차이
  • 임피던스 불일치
  • 다양한 전자기 간섭 및 크로스토크 영향
• 해결 방안:
  • 경로 길이 일치: 모든 신호 경로의 길이를 동일하게 설계.
  • 시간 지연 조정: 경로에 따라 시간 지연 부품(예: 지연 라인)을 사용하여 시간을 조정.
  • 동기화 메커니즘 사용: 데이터 전송 전에 신호 동기화를 수행하는 로직을 구현.
  • 고급 PCB 설계 기법 적용: 신호 무결성을 고려한 PCB 설계로 스큐 최소화.
  • 참고 자료 ( Artwork 에서 Trace 길이-PCB 설계)

[ Artwork ] Differential 신호 길이

마무리

회로 설계 및 PCB를 설계할 때는  가장 기본적을 것을 꼭 놓치지 말아야 된다. 특히 전원에 관련된 GND 등 필수로 살펴보자