[ 전자 ] Signal Integrity( SI, 신호 무결성 ) - Signal Distortion( 신호 왜곡),신호 손실 (Signal Loss)

Signal Integrity (SI) - Signal Distortion (신호 왜곡), 신호 손실 (Signal Loss) 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

신호 왜곡 (Signal Distortion)

  -  Reflection (반사)

• 신호가 전송선의 끝 또는 임피던스가 변화하는 지점에 도달했을 때 전송선의 임피던스와 부하의 임피던스가 일치하지 않아 신호 일부가 반사되어 다시 출발점으로 돌아오는 현상.
• 원인: 임피던스 불일치, 전송선의 끝 처리 불량 (예: 열린 끝, 단락 된 끝)
• 해결 방안: 임피던스 매칭, 종단 처리
  

  

  Reflection (반사)

  사진 및 자료 출처 :  https://www.murata.com/

-  Ring Back (반환파)

• 신호가 전송선의 끝에서 반사되어 원래 방향으로 다시 반사되는 현상으로, 신호가 여러 번 반복적으로 왕복하면서 발생하는 지속적인 왜곡.
• 원인: 임피던스 불일치, 부적절한 전송선의 끝단 처리
• 해결 방안: 적절한 종단 설계

- Ringing (링잉)

• 전송선에서 신호의 급격한 전환(예: 상승 에지 또는 하강 에지)이 발생할 때 전송선 내에서 고주파의 진동 현상이 발생하는 것을 말. 이는 반사된 신호가 원래 신호와 중첩되면서 발생.
• 원인: 높은 슬루 레이트(Slew Rate) , 임피던스 불일치
• 해결 방안: 저항과 커패시터를 사용한 스누버 회로( 고주파 진동을 감쇄시키기 위해 사용), 임피던스 매칭**
  

  

  Ringing (링잉)

- ISI (Intersymbol Interference)

• 하나의 신호가 다음 신호의 시간을 침범할 때 발생하는 현상으로, 주로 신호의 전송률이 높을 때 각 신호 비트 간의 분리가 어려워지면서 발생.
• 원인: 높은 데이터 전송
• 해결 방안
  • 적절한 데이터 전송률 선택: 시스템의 한계를 고려하여 데이터 전송률을 선택.
  • 등간격 필터링(Equalization): 전송선에서의 신호 감쇄를 보상하고, 신호 간 간섭을 줄이기 위해 사용.
  • 채널 코딩 및 모듈레이션 기법: 신호와 노이즈 간의 구분을 명확히 하여 ISI를 감소.
    
    

ISI (Intersymbol Interference)

사진 및 자료 출처 : https://www.researchgate.net/

 

신호 손실 (Signal Loss)

- Attenuation (감쇄)

• 감쇄는 신호가 전송선을 따라 이동할 때 저항, 유전체 손실 등으로 인해 신호의 강도가 점차 약해지는 현상.
• 원인:
  • 전송선의 길이가 길어질수록 감쇄가 증가
  • 유전체의 품질 및 재질에 따른 손실
  • 높은 주파수에서의 전송선 저항 증가
• 해결 방안:
• 낮은 감쇄율을 가진 재료 사용: 고품질의 케이블 및 전송선 선택
• 신호 증폭기 사용: 전송 경로상에 신호 증폭기를 배치하여 신호 강도를 보강
• 리피터 사용: 긴 거리를 전송할 때 리피터를 사용하여 신호를 재생

- Skin Effect (스킨 효과)

•  고주파 신호에서 전류가 전선의 표면을 따라 주로 흐르게 되어 전선의 실제 사용 가능한 단면적이 감소하는 현상. 전선의 내부보다는 표면에 더 많은 전류가 집중되며, 전체적인 저항을 증가.
• 원인: 주파수 증가에 따른 전류의 표면 집중, 전도체의 전기적 특성
• 해결 방안:
  • 도체의 직경 증가: 전선의 직경을 늘려서 사용 가능한 표면적을 증가.
  • 고주파용 재료 사용: 낮은 저항을 가지는 재료 사용.
  • 표면 처리: 전선의 표면을 도금하여 저항을 줄임.

- Dielectric Loss (유전체 손실)

• 전송선의 유전체 재료가 전기적 에너지를 흡수하고 열로 변환시키는 현상. 이 손실은 주파수가 증가함에 따라 심해지며, 주로 케이블의 절연체에서 문제 됨.
• 원인: 유전체 재료의 품질, 높은 주파수에서의 에너지 흡수 증가
• 해결 방안: 저손실 유전체 재료 사용(Teflon과 같은 저손실 재료 사용)
  
  

- Conductor Loss (전도체 손실)

• 케이블이나 회로의 도체 부분에서 발생하는 에너지 손실. 이는 주로 도체의 저항에 의해 발생하며, 주파수가 높아질수록 저항이 증가하여 더 많은 에너지가 손실됨.
• 원인:도체의 재질 및 단면적, 높은 주파수에서의 저항 증가.
• 해결 방안:
  • 낮은 저항을 가진 도체 사용: Silver나 Copper와 같은 낮은 저항을 가진 재료 사용.
  • 도체의 단면적 증가: 단면적을 늘려 저항을 감소시킴.

마무리

 - Signal Distortion (신호 왜곡), 신호 손실 (Signal Loss)의 대부분의 문제는 임피던스 또는 재질의 문제로 인해서 발생하는 원인이 많다. PCB를 설계 시 신호의 특성을 이해하고  stack up 또는 재질을 잘 선택해야 된다.