PCB 설계에서 아날로그 회로와 디지털 회로의 차이가 왜 그렇게 큰가요?

엔지니어링 분야의 디지털 설계자 및 디지털 회로 기판 설계 전문가의 수는 지속적으로 증가하고 있으며 이는 업계 발전 추세를 반영합니다. 디지털 설계에 대한 강조가 전자 제품에 큰 발전을 가져왔지만 여전히 존재하며 아날로그 또는 실제 환경과 인터페이스하는 회로 설계가 항상 존재합니다. 아날로그 및 디지털 분야의 배선 전략에는 몇 가지 유사점이 있지만 더 나은 결과를 얻으려는 경우 배선 전략이 다르기 때문에 단순한 회로 배선 설계는 더 이상 최적의 솔루션이 아닙니다.

이 기사에서는 바이패스 커패시터, 전원 공급 장치, 접지 설계, 전압 오류 및 PCB 배선으로 인해 발생하는 전자기 간섭(EMI) 측면에서 아날로그 배선과 디지털 배선 간의 기본적인 유사점과 차이점을 설명합니다.

회로 기판에 바이패스 또는 디커플링 커패시터를 추가하고 보드에서 이러한 커패시터의 위치를 지정하는 것은 디지털 및 아날로그 설계의 상식입니다. 그러나 흥미롭게도 그 이유는 다릅니다.

아날로그 배선 설계에서 바이패스 커패시터는 일반적으로 전원 공급 장치의 고주파 신호를 바이패스하는 데 사용됩니다. 바이패스 커패시터를 추가하지 않으면 이러한 고주파 신호가 전원 공급 장치 핀을 통해 민감한 아날로그 칩에 들어갈 수 있습니다. 일반적으로 이러한 고주파 신호의 주파수는 고주파 신호를 억제하는 아날로그 장치의 능력을 초과합니다. 아날로그 회로에 바이패스 커패시터를 사용하지 않으면 신호 경로에 노이즈가 유입될 수 있으며, 심하면 진동이 발생할 수도 있다.

아날로그 및 디지털 PCB 설계에서는 바이패스 또는 디커플링 커패시터(0.1uF)를 장치에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 전원 공급 장치 디커플링 커패시터(10uF)는 회로 기판의 전원 라인 입구에 배치되어야 합니다. 모든 경우에 이러한 커패시터의 핀은 짧아야 합니다.

그림 2의 회로 기판에서는 전원선과 접지선을 배선하기 위해 다양한 경로가 사용됩니다. 이러한 부적절한 협력으로 인해 회로 기판의 전자 부품 및 회로가 전자기 간섭을 받을 가능성이 더 높습니다.

그림 3의 단일 패널에서는 회로 기판의 구성 요소에 대한 전원 및 접지선이 서로 가깝습니다. 이 회로 기판의 전력선과 접지선의 매칭 비율은 그림 2와 같이 적절합니다. 회로 기판의 전자 부품 및 회로가 전자기 간섭(EMI)을 받을 확률은 679/12.8배 또는 약 54번.
　　
컨트롤러 및 프로세서와 같은 디지털 장치의 경우 디커플링 커패시터도 필요하지만 이유는 다릅니다. 이러한 커패시터의 기능 중 하나는 "소형" 충전 뱅크 역할을 하는 것입니다.

디지털 회로에서는 일반적으로 게이트 상태 스위칭을 수행하기 위해 많은 양의 전류가 필요합니다. 스위칭 과도 전류는 스위칭 중에 칩에서 생성되어 회로 기판을 통해 흐르기 때문에 추가 "예비" 전하를 확보하는 것이 유리합니다. 스위칭 동작을 수행할 때 충전이 충분하지 않으면 전원 공급 장치 전압이 크게 변경됩니다. 전압 변화가 너무 크면 디지털 신호 레벨이 불확실한 상태로 들어가고 디지털 장치의 상태 기계가 잘못 작동할 수 있습니다.

회로 기판 트레이스를 통해 흐르는 스위칭 전류로 인해 전압이 변경되고 회로 기판 트레이스에는 기생 인덕턴스가 있습니다. 다음 공식을 사용하여 전압 변화를 계산할 수 있습니다. V = LdI/dt. 그 중: V = 전압 변화, L = 회로 기판 트레이스 인덕턴스, dI = 트레이스를 통한 전류 변화, dt = 전류 변화 시간.
　　
따라서 여러 가지 이유로 전원 공급 장치 또는 활성 장치의 전원 공급 장치 핀에 바이패스(또는 디커플링) 커패시터를 적용하는 것이 더 좋습니다.

전원 코드와 접지선은 함께 배선되어야 합니다.

전원 코드와 접지선의 위치가 잘 일치하여 전자기 간섭 가능성이 줄어듭니다. 전원선과 접지선이 제대로 매칭되지 않으면 시스템 루프가 설계되어 노이즈가 발생할 가능성이 높습니다.

전력선과 접지선이 적절하게 일치하지 않는 PCB 설계의 예가 그림 2에 나와 있습니다. 이 회로 기판에서 설계된 루프 면적은 697cm²입니다. 그림 3에 표시된 방법을 사용하면 회로 기판 내부 또는 외부에서 방사된 잡음이 루프의 전압을 유도할 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.

아날로그와 디지털 배선 전략의 차이점

▍접지면이 문제입니다

회로 기판 배선에 대한 기본 지식은 아날로그 회로와 디지털 회로 모두에 적용 가능합니다. 기본적인 경험 법칙은 중단 없는 접지면을 사용하는 것입니다. 이러한 상식은 접지 전위를 변경하고 아날로그 회로에 노이즈가 유입되는 디지털 회로의 dI/dt(시간에 따른 전류 변화) 효과를 줄여줍니다.

디지털 회로와 아날로그 회로의 배선 기술은 한 가지 예외를 제외하고 기본적으로 동일합니다. 아날로그 회로의 경우 주목해야 할 또 다른 점이 있습니다. 즉, 접지면의 디지털 신호 라인과 루프를 아날로그 회로에서 최대한 멀리 유지하는 것입니다. 이는 아날로그 접지면을 시스템 접지 연결에 별도로 연결하거나 라인의 끝인 회로 기판의 맨 끝 부분에 아날로그 회로를 배치하여 달성할 수 있습니다. 이는 신호 경로의 외부 간섭을 최소한으로 유지하기 위해 수행됩니다.

접지면의 많은 잡음을 문제 없이 견딜 수 있는 디지털 회로의 경우에는 이렇게 할 필요가 없습니다.

그림 4(왼쪽)는 아날로그 회로에서 디지털 스위칭 동작을 분리하고 회로의 디지털 부분과 아날로그 부분을 분리합니다. (우) 고주파수와 저주파수는 최대한 분리하고, 고주파수 부품은 회로기판 커넥터와 가깝게 배치해야 합니다.

그림 5 PCB에 두 개의 가까운 트레이스를 배치하면 기생 커패시턴스가 형성되기 쉽습니다. 이러한 유형의 정전 용량이 존재하기 때문에 한 트레이스의 급격한 전압 변화는 다른 트레이스에 전류 신호를 생성할 수 있습니다.

그림 6 트레이스 배치에 주의를 기울이지 않으면 PCB의 트레이스가 라인 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 생성할 수 있습니다. 이러한 기생 인덕턴스는 디지털 스위칭 회로를 포함한 회로의 동작에 매우 해롭다.

▍구성요소 위치

위에서 언급한 것처럼 각 PCB 설계에서는 회로의 잡음 부분과 "조용한" 부분(비잡음 부분)을 분리해야 합니다. 일반적으로 디지털 회로는 잡음이 "풍부"하고 잡음에 둔감합니다(디지털 회로의 전압 잡음 허용 오차가 더 크기 때문). 반대로 아날로그 회로의 전압 잡음 허용 오차는 훨씬 작습니다.

두 가지 중에서 아날로그 회로는 스위칭 잡음에 가장 민감합니다. 혼합 신호 시스템의 배선에서는 그림 4와 같이 이 두 회로를 분리해야 합니다.
　　
▍PCB 설계로 인해 발생하는 기생 성분

문제를 일으킬 수 있는 두 가지 기본 기생 요소는 PCB 설계에서 쉽게 형성됩니다: 기생 커패시턴스와 기생 인덕턴스.

회로 기판을 설계할 때 두 개의 트레이스를 서로 가깝게 배치하면 기생 정전 용량이 생성됩니다. 이렇게 할 수 있습니다. 두 개의 서로 다른 레이어에서 하나의 트레이스를 다른 트레이스 위에 배치합니다. 또는 동일한 레이어에서 그림 5와 같이 하나의 트레이스를 다른 트레이스 옆에 배치합니다.
　　
이러한 두 트레이스 구성에서는 한 트레이스의 시간 경과에 따른 전압(dV/dt) 변화로 인해 다른 트레이스에 전류가 발생할 수 있습니다. 다른 트레이스의 임피던스가 높으면 전기장에 의해 생성된 전류가 전압으로 변환됩니다.
　　
빠른 전압 과도 현상은 아날로그 신호 설계의 디지털 측면에서 가장 자주 발생합니다. 빠른 전압 과도 현상이 있는 트레이스가 고임피던스 아날로그 트레이스에 가까울 경우 이 오류는 아날로그 회로의 정확도에 심각한 영향을 미칩니다. 이러한 환경에서 아날로그 회로에는 두 가지 단점이 있습니다. 즉, 잡음 허용 오차가 디지털 회로의 허용 오차보다 훨씬 낮습니다. 높은 임피던스 트레이스가 더 일반적입니다.
　　
다음 두 가지 기술 중 하나를 사용하면 이 현상을 줄일 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 기술은 커패시턴스 방정식에 따라 트레이스 간의 크기를 변경하는 것입니다. 변경할 수 있는 가장 효과적인 크기는 두 트레이스 사이의 거리입니다. 변수 d는 커패시턴스 방정식의 분모에 있다는 점에 유의해야 합니다. d가 증가하면 용량성 리액턴스는 감소합니다. 변경할 수 있는 또 다른 변수는 두 트레이스의 길이입니다. 이 경우 길이 L이 감소하고 두 트레이스 사이의 용량성 리액턴스도 감소합니다.
　　
또 다른 기술은 이 두 트레이스 사이에 접지선을 배치하는 것입니다. 접지선은 임피던스가 낮으며 이와 같은 또 다른 트레이스를 추가하면 그림 5와 같이 간섭 전기장이 약해집니다.
　　
회로 기판의 기생 인덕턴스 원리는 기생 용량의 원리와 유사합니다. 두 개의 흔적을 배치하는 것이기도 합니다. 두 개의 서로 다른 레이어에서 하나의 트레이스를 다른 트레이스 위에 배치합니다. 또는 동일한 레이어에서 그림 6과 같이 하나의 트레이스를 다른 트레이스 옆에 배치합니다.

이러한 두 가지 배선 구성에서 이 트레이스의 인덕턴스로 인해 시간에 따른 트레이스의 전류 변화(dI/dt)는 동일한 트레이스에서 전압을 생성합니다. 상호 인덕턴스의 존재로 인해 다른 트레이스에 비례 전류가 생성됩니다. 첫 번째 트레이스의 전압 변화가 충분히 크면 간섭으로 인해 디지털 회로의 전압 허용 오차가 줄어들고 오류가 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 디지털 회로에서만 발생하는 것이 아니라, 디지털 회로에서는 순간적인 스위칭 전류가 크기 때문에 이러한 현상이 더 흔히 발생합니다.
　　
전자기 간섭 원인으로 인한 잠재적인 잡음을 제거하려면 잡음이 있는 I/O 포트에서 "조용한" 아날로그 회선을 분리하는 것이 가장 좋습니다. 낮은 임피던스의 전력 및 접지 네트워크를 달성하려면 디지털 회로 배선의 인덕턴스를 최소화하고 아날로그 회로의 용량성 결합을 최소화해야 합니다.
　　
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결론

디지털 및 아날로그 범위가 결정된 후 성공적인 PCB를 위해서는 신중한 라우팅이 필수적입니다. 실험실 환경에서는 제품의 궁극적인 성공 여부를 테스트하기 어렵기 때문에 일반적으로 모든 사람에게 배선 전략을 경험 법칙으로 소개합니다. 따라서 디지털 회로와 아날로그 회로의 배선 전략의 유사성에도 불구하고 배선 전략의 차이점을 인식하고 심각하게 받아들여야 합니다.