인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

질문 주신 부분은 차동 신호(differential signal)와 공통 모드(common mode) 성분을 커패시터가 어떻게 처리하느냐와 관련이 있습니다. 이 원리를 이해하려면 차동 신호의 기본 정의부터 보시는 것이 좋습니다.

차동 신호는 두 개의 선로에서 전압이 +V와 -V로 대칭되게 전달되는 구조이며, 실제 정보는 두 신호의 차이(VDIFF = V+ – V–)에 담깁니다. 반면 공통 모드 신호는 두 선로가 동시에 같은 방향으로 변하는 성분(VCM = (V+ + V–)/2)입니다.

PCB에서 흔히 발생하는 문제는, 이론적으로는 완벽히 대칭이어야 할 두 신호가 실제 배선/부품 불균형 때문에 미스매칭이 생겨서, 원래는 공통 모드로 흘러야 할 성분이 차동 모드로 변환되는 현상(CMRR 저하)이 나타나는 것입니다. 이를 "공통 모드 → 차동 모드 변환"이라고 합니다.

여기서 커패시터 용량의 비율이 중요한 이유는 임피던스 매칭 때문입니다.

1. 커패시터의 임피던스는 XC = 1 / (2πfC)로 주어집니다.

2. 차동 신호 주파수 대역에서 차동 모드 커패시터(Cdiff)가 공통 모드 커패시터(Ccm)보다 10배 이상 크게 되면, 차동 모드 신호가 보는 임피던스는 훨씬 낮아집니다.

3. 결과적으로 차동 신호 경로에서는 두 선로 간 커플링이 안정적으로 유지되고, 작은 미스매칭이 발생해도 그 영향이 커패시터 비율 차이 때문에 상대적으로 희석됩니다.

즉, 차동 신호의 경로에 큰 캐패시터(예: Cdiff = 100 nF)를 두고, 공통 모드 노이즈 억제용 캐패시터는 훨씬 작은 값(예: Ccm = 10 nF 이하)을 쓰면, 실제로는 공통 모드 성분만 효과적으로 바이패스시키고, 차동 신호는 거의 손상되지 않습니다. 이렇게 하면 공통 모드가 차동 모드로 섞여 들어오는 현상을 억제할 수 있습니다.

현업에서의 예시를 들면, 고속 SerDes(예: PCIe Gen4, 16 GT/s) 라우팅에서 AC 커플링 캐패시터를 두 개 넣을 때, 반드시 두 라인에 동일한 용량(예: 100 nF)을 넣습니다. 이때 공통 모드 바이패스는 보드 양쪽에 공통 모드 초크(Common-mode choke) + 수 pF ~ 수십 pF 캐패시터로 처리합니다. 만약 차동 라인에 연결된 커패시터 값이 크지 않고 공통 모드 바이패스와 비슷하다면, 작은 불균형만으로도 차동 신호가 왜곡되어 BER(Bit Error Rate)이 급격히 올라가게 됩니다. 반대로 차동 신호 커패시터를 충분히 크게 잡으면, 임피던스가 안정적으로 유지되어 mismatch에 의한 모드 변환이 줄어듭니다.

정리하면, “차동 신호 커패시터를 공통 모드 커패시터보다 10배 이상 크게” 잡는 이유는 임피던스 비율을 크게 만들어 차동 경로의 안정성을 확보하고, 공통 모드 억제 효과만 살리기 위해서입니다. 결국 이는 CMRR(Common-mode Rejection Ratio)을 높이고, SNR 및 신호 무결성(Signal Integrity)을 확보하는 방법이라 할 수 있습니다.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 박진호님께서 질문하신 차동신호와 공통모드 신호와 관련된 캐패시터 선정에 대한 부분을 설명드리겠습니다.

차동신호와 공통모드 신호

차동신호는 두 신호 선로 간의 전압 차이를 사용하는 방식이며, 공통모드 신호는 두 신호 선로가 동시에 가지는 전압 성분을 의미합니다. 이런 신호 구성에서 캐패시터를 통해 신호 무결성을 개선하려 할 때 차동과 공통모드의 역학을 이해해야 합니다.

캐패시터의 역할

차동신호의 성능을 유지하기 위해, 공통모드 성분을 효율적으로 필터링하는 것이 중요합니다. 차동신호의 캐패시터를 크게 설정하는 이유는 다음과 같은 효과를 보기 위함입니다:

1. 공통모드 차단: 차동모드에서는 두 신호 간의 차이에 집중하고, 공통모드는 노이즈로 처리합니다. 큰 차동신호 캐패시터는 공통모드 노이즈를 효과적으로 필터링하여 신호 왜곡을 줄일 수 있습니다.

2. 미스매칭 최소화: 캐패시터가 차동 모드로 작동할 때 큰 캐패시터를 사용하면 신호의 균형을 유지하면서 미스매칭 문제를 줄일 수 있습니다. 이는 신호의 선형성과 정확성을 개선합니다.

3. 노이즈 억제: 큰 용량의 캐패시터는 고주파 노이즈 필터링 성능을 강화하며, 이를 통해 차동신호에서는 신호의 왜곡 없이 명확하게 유지됩니다.

공통모드 신호에 대한 효과

10배 이상의 차이는 공통모드에 영향을 주기보다 차동모드에서 노이즈 제거를 강화함으로써 차동신호의 품질을 개선하는 데 도움을 줍니다. 일반적으로 차동신호 전송에서 진정으로 중요한 것은 두 선로 간의 밸런스와 노이즈 제거입니다.

질문 주신 내용이 유사한 사례로 다루어질 수 있는 몇 가지 자료를 함께 참고하실 수 있습니다:
- 위성 통신과 차동 신호 전송 설계의 핵심
- 고속 데이터 전송에서의 캐패시터 사용 전략

저는 질문자님의 이해를 돕고자 지식공유자님의 기존 답변을 참고하여 유사한 답변 링크를 추천해드리고 있습니다.
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