What is Signal Integrity?

많은 엔지니어들은 PCB를 단순히 IC 간의 연결을 도와주는 매개체로 이해하고 있다.

그 중에서 PCB를 다루는 HW 엔지니어들조차도 Power Line은 최대한 넓게 해야 하고, Signal Line의 Impedance는 50Ohm으로 맞춰야 한다는 규칙만 알고 있으며, 왜 그렇게 해야 하는지, 그렇게 했을 때 신호의 특성이나 품질이 어떻게 좋아지는지에 대해서는 깊이 생각하지 않고 있다. 필자 역시 그러했으며, 이번 기회에 틈틈이 공부해보고자 한다.

※ 본 게시글은 Stephen C. Thierauf의 "Understanding Signal Integrity"를 기반으로 작성하였다.

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Signal Integrity, SI란 무엇일까? 말 그대로 Signal Integrity, 즉 신호 무결성이다. 신호가 얼마만큼 깨끗하게 잘 전달될수 있는지를 나타내는 척도로 이해하면 좋을듯하다.

신호원 Tx와 수신원 Rx간 Signal을 송수신 시, 이상적인 Case는 Signal이 원형 그대로 전달되는 것이다. 하지만 현실에는 이를 방해하는 많은 요소들이 Noise로 작용하여 결국 약간씩이라도 왜곡된 신호가 송수신 될 수 밖에 없다.

흔히 PCB 엔지니어가 말하는 "SI가 좋다"는 Signal에 Noise가 섞이는 것을 최대한 방지하여, 왜곡이 적은 신호를 만들어 냈다이며, "SI가 나쁘다"는 그 반대의 상황으로 왜곡이 심한 신호가 송수신 되는 상황을 뜻한다.

SI의 중요성이 대두되기 시작한 것은 1858년 해저 케이블 프로젝트이다. 당시 대서양을 횡단하는 해저 케이블을 설치하였는데, 케이블이 긴 거리를 이동하면서 신호가 왜곡되거나 손실되는 문제가 발생하였다.

초기에는 송수신되는 신호의 전압 레벨을 높여서 문제를 해결하려고 했지만, 이 방법은 신호 왜곡과 손실을 완전히 해결하지 못했고, 결국 더 정교한 방법이 필요하게 되었다.

전기는 어떻게 작동할까? 물리학을 공부한 사람들에게 물어보면 대개 이렇게 답한다.

도선 속 자유전자가 이동하면서 생기는 에너지가 전자기기를 구동한다.

 

하지만 바로 이 설명이 근본적인 오해를 낳았고, 위의 해저 케이블 문제를 발생시켰다.

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"도선 속 자유전자가 이동하면서 생기는 에너지가 전자기기를 구동한다." 라는 방식이라면, 무선 충전 또한 말도 안되는 일이다. 도선으로 이어져 있지 않은 두 기기 사이에서 대체 어떤 전자가 건너가 충전을 이룬단 말인가? 결국 전기가 작동하는 방식은 다음과 같다.

1. 전자는 천천히 기어간다. 
2. 에너지는 전자 속이 아니라 ‘전자기장’ 속에서 달린다. 
3. 전선은 ‘파이프’가 아닌 ‘가이드 레일’이다.

 

이에 대해 설명한 영상들을 보면, 전기가 어떻게 동작하는지에 대해 완벽히 이해할 수 있을 것이다. 본격적으로 SI에 대한 얘기를 하기 전, 우선 전기가 동작하는 원리에 대해 알고가자.