HW :: 비이상적인 접지

접지는 이상적일 것으로 가정된다. 접지의 전압은 항상 0으로 표유 전류(stray currents)에 대한 블랙 홀이어야 한다. 하지만 불행하게도 이러한 표유 전류는 일부 비-초전도(non-superconducting) 재료를 통과하므로 소량의 전압이 발생하게 된다. 접지 전위에서 발생하는 작은 변화는 비록 알아차리지 못하더라도 시스템 상의 과잉 잡음, 불안정성 혹은 다른 원치 않는 속성들을 발견하게 될 것이다. 이에 이 기사에서는 접지에 대해 설명하고자 한다. 모든 회로는 고유의 특성을 지니고 있으며, 시스템과 보드에 있는 모든 디바이스는 서로 다른 접지 경로를 갖는다. 따라서 전류가 선택하는 경로에 대해 직관적인 방식으로 접근할 것이며, 접지는 0볼트라는 이상적인 가정에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 살펴볼 것이다.

첫째, 전류가 완전한 이동 경로를 지닐 때에만 회로가 완성됨을 명심하자. (이것이 경로의 어느 부분에서나 스위치가 위치하여 흐름을 차단하거나 기능을 수행하기 위한 이유이다) 파워 서플라이는 전류 이동 경로가 존재할 경우 전류에 대한 전위차(potential difference) 및 푸쉬(push)를 생성한다. 싱글 서플라이 시스템으로 가정한다면 서플라이 연결이 가능한 짧고 깨끗하도록 보장하는 것이 당연하다. 파워 서플라이 전압이 모든 핵심 칩의 입력 지점에서 전압을 필터링 하기 위해서는 (종종 다수의 값과 종류) 바이패스 커패시터가 추가된다. 인터실의 IC에는 접지 핀이 있기 때문에 의무적으로 접지 선 또는 접지 면에 연결시킨다. 문제가 없다면 이 정도가 대다수의 사람들이 접지에 대해 생각할 수 있는 마지막이다.

문제를 추적해나가는 일반적인 방법들 중 하나는 회로 내 중요 노드(node)를 디지털 멀티미터로 프로빙하는 것이다. 만일 문제가 나타나지 않는다면 다양한 위치의 접지를 프로빙 해본다. 아마도 그 결과에 놀라게 될 것이다. 시스템 내 접지는 자연에서 볼 수 있는 토지와 상당히 유사하다. 굴을 파는 동물들이 만드는 구멍들이 존재하고 모래, 진흙, 흙, 다양한 돌 같은 많은 소재가 존재한다. 이러한 소재들의 점도와 구조는 물, 동물, 나무 뿌리가 토지를 이동하는 방법에 영향을 준다. 이들 이동 객체들은 모두 최소 저항을 지닌 경로를 선택한다. 이들은 경로 상에 있는 방해물을 자연스럽게 회피하거나 돌아간다.

접지면 이동에 영향을 줄 수 있는 수많은 요소가 회로에 존재한다. 예를 들어, 접지면을 구성하는 금속의 순도와 PCB에 적용된 밀도, 접지면에 연결되거나 이를 통과하는 비아도 모두 포함된다. IC에 최대한 가깝게 바이패스 커패시터를 설치하는 이유에 관심을 가져본 적이 있는가? 바이패스 커패시터는 파워 서플라이 라인에 존재하거나 수집되는 모든 고주파수 성분을 짧게 만드는 고주파수 경로를 제공한다. (구리선은 뛰어난 다이폴 안테나이다. 수집되는 주파수는 트레이스 또는 배선의 길이에 크게 의존한다.)

앞서 DMM을 통한 노드 프로빙에 대해 언급한 바 있다. 바이패스 커패시터 위치와 관련해서는 오실로스코프(oscilloscope)로 프로빙하는 것이 더욱 많은 정보를 제공해준다. 시스템을 순환하는 주파수를 발견할 뿐 아니라 지역 라디오 방송국 또는 일상 생활 속에 존재하는 수많은 전송 장비에서 나오는 신호도 발견하게 된다. 이러한 신호는 더 긴 트레이스와 결합되며 시스템 동작에 혼란을 야기한다. 이들은 파워 서플라이 라인에 존재할 뿐 아니라 접지 내에서 순환된다.

그림 1. 바이패스 커패시터의 위치는SOT-23 패키지의 연산 증폭기 레이아웃에 표시되어 있다.

그림 1은 바이패스 커패시터 배치의 예이다. 중앙의 SOT-23 패키지 패드에는 연산 증폭기가 위치한다. 바이패스 커패시터는 각각의 듀얼 서플라이 핀에 연결된다. 커패시터의 반대편은 접지에 연결된다. 접지 연결은 사실상 접지면에 연결되는 긴 선이 아니다. 대신에 상단 레이어 금속의 대형 직사각형 부위는 2개의 인접한 비아를 통해 고 주파수 전류가 접지면으로 쉽사리 흘러가도록 한다.

그림 2. 2개의 입력을 지닌 PCB 레이아웃의 예로, 멀티플렉서로 입력되는 2개의 개별 연산 증폭기로 향하고 있다. 녹색 점선은 입력 커넥터의 접지핀으로 돌아가는 접지면이 선택된 예제 경로이다. 녹색 점선이 길어질수록 접지 전류의 집중도는 높아진다.

일단 원치 않는 신호들이 접지면에 도달하면 이 신호는 마법처럼 사라지지 않고 계속해서 접지면을 돌아다닌다. 이들이 시스템 내 다른 신호들과 섞이게 되면 긴 트레이스를 지닌 IC 이상으로 영향을 주게 된다. 전류의 이동 방법은 그림 2에서 확인할 수 있다. 그림 1의 연산 증폭기 레이아웃이 그림 2의 회로 입력단에 2번 복제되었음을 볼 수 있다. 이제 그림 1의 바이패스 커패시터 사이에서 공결점(common connection)으로 표시된 접지 연결을 통해 흐르는 전류를 따라가보자. 대부분의 전류는 입력 커넥터의 접지 핀으로 가는 직경로를 택한다. 하지만 전류 밀도가 어떻게 퍼지는지 주목해야 한다. 전류 밀도는 상상했던 것 보다 더 넓은 원호 형태로 이동한다. 이제 신호 경로를 커넥터 접지로 돌아가는 모든 다른 접지 비아에 겹쳐보자. (이를 다른 형태로 그려본다면 아마도 불꽃처럼 보일 것이다.) 이것이 신호가 한 IC에서 다른 IC로 연결되고, 간섭 신호가 시스템의 모든 부분으로 결합되는 방식이다.

두 가지 특성이 전류 확산과 귀환 경로 모양에 영향을 준다는 것을 명심하자. 첫째는 거리이다. 컨수머 제품을 더 작게 만들려는 움직임은 이러한 측면에 큰 도움이 된다. 하지만 PCB가 작아질수록 디바이스들은 근접해서 위치하게 된다. 거리는 줄어들었지만 다수의 접지 귀환 경로들이 가까워진다. 전류의 가장자리가 겹쳐지면 신호는 서로 엮이게 된다.

그림 3. 접지면의 컷 아웃은 입력 A와 입력 B의 귀환 접지 경로 사이 혼선을 제거한다.

이 상황에서 무엇을 할 수 있을까? 신중한 레이아웃이 필수적이다. 고주파수 회로부를 가능한 간결하게 유지시킨다. 심지어 이 디바이스들과 접지면의 금속 트레이스 혹은 컷을 격리시키는 것을 선택할 수 있다. 그림 3은 이러한 예를 제시한다. 입력 A의 귀환 전류는 입력 B의 귀환 전류와 더 이상 겹치지 않는다. 이 경우, 접지의 비이상적인 특성을 알고 있으면 시스템 동작을 향상시킬 수 있다. 전체 접지 면은 귀환 전류를 안내하는 컷들과 마찬가지로 동작하지 않을 것이다. 만일 접지가 이상적이라고 가정한다면 이러한 향상을 얻을 수 없었을 것이다.