그라운드 — 바운스와 루프

한 줄 요약 — 접지는 0 V가 아닙니다. 전류가 흐르는 도체이고, 거기 생기는 전압이 신호에 직접 더해집니다.

두 가지 문제

문제	원인	결과
그라운드 바운스	접지 임피던스(impedance)임피던스 impedance교류에서의 저항으로, 크기뿐 아니라 전압과 전류의 시간 차이(위상)까지 담은 복소수입니다. $Z_C = \frac{1}{j\omega C},\quad Z_L = j\omega L$ 자세히 보기 → × 전류	국부적 전위차
그라운드 루프	두 접지점 간 전위차로 순환 전류	60 Hz 험, 간섭(interference)

1. 그라운드 바운스 (ground bounce)

V_{gnd} = I\times R_{trace} + L_{trace}\frac{dI}{dt}

기호

d거리 또는 두께distance or thicknessm

I전류currentA

L_trace배선 인덕턴스trace inductanceH

R_trace배선 저항trace resistanceΩ

t시간times

V_gnd전압 (gnd)voltage (gnd)V

저항 성분

예: 접지 배선(trace) 50 mΩ, 전류 200 mA

V = 0.2\times0.05 = 10\ \text{mV}

기호

V전압voltageV

50 µV 신호의 200배입니다.

인덕턴스 성분 (고주파에서 지배)

예: 배선 10 nH, 전류가 1 ns에 20 mA 변화

V = 10^{-8}\times\frac{0.02}{10^{-9}} = 0.2\ \text{V}

기호

V전압voltageV

200 mV의 순간 튐.

★ 공통 임피던스 결합 (common impedance coupling)

두 회로가 접지 배선의 일부를 공유하면, 한쪽의 전류가 다른 쪽의 기준을 흔듭니다.

공통 임피던스 결합 — 두 회로가 접지 경로를 공유하면 서로를 오염시킵니다.

	무슨 일이 일어나나
디지털이 전류를 확 끌어감	공유 구간의 저항·인덕턴스에 전압이 생김 ( $V = IR + L\,di/dt$ )
아날로그가 보는 접지	그 전압만큼 흔들림
결과	아날로그 신호에 디지털 잡음이 그대로 더해짐

해결은 공유 구간을 없애는 것입니다. 각 블록이 전원까지 자기 경로로 돌아가게 하면(스타 접지) 서로의 전류가 만나지 않습니다.

이것이 접지 문제의 90%입니다.

2. 그라운드 루프 (ground loop)

두 지점이 두 개 이상의 경로로 접지에 연결되면 루프가 생깁니다.

접지 루프 — 두 장비가 각각 대지에 접지되고 신호선으로도 연결되면 닫힌 고리가 생깁니다.

요소	값 (전형)
두 접지점의 전위차	0.1~수 V (건물 배선)
접지 경로 저항	0.1~1 Ω
순환 전류	수백 mA ~ 수 A
신호 케이블 실드 저항	0.05 Ω
신호에 실리는 잡음	수십~수백 mV

이 고리는 자기장을 받는 안테나이기도 해서 60 Hz 험의 주된 원인입니다.

두 가지 메커니즘

a) 접지 간 전위차로 인한 순환 전류

건물의 서로 다른 콘센트는 접지 전위가 다를 수 있습니다(수백 mV~수 V).

I_{loop} = \frac{V_{gnd,diff}}{R_{loop}}

기호

I_loop전류 (loop)current (loop)A

R_loop저항 (loop)resistance (loop)Ω

V_gnd,diff전압 (gnd, diff)voltage (gnd, diff)V

예: 0.5 V 차이, 루프 저항 0.2 Ω → 2.5 A

이 전류가 신호선 실드(0.05 Ω)를 흐르면:

V_{noise} = 2.5\times0.05 = 125\ \text{mV}

기호

V_noise전압 (noise)voltage (noise)V

b) 자기장 유도

루프가 자기장을 받으면 전압이 유도됩니다 (2-01).

V = A\frac{dB}{dt}

기호

A이득gain

B대역폭 또는 자속밀도bandwidth or flux density

d거리 또는 두께distance or thicknessm

t시간times

V전압voltageV

★ 대책

그라운드 바운스

대책	원리
그라운드 플레인(plane)그라운드 플레인 ground plane한 층을 통째로 접지로 쓰는 것으로, 리턴 패스가 알아서 최단 경로를 찾게 해 줍니다.자세히 보기 →	임피던스 최소화
전류 경로 분리	큰 전류가 민감한 영역을 통과하지 않게
스타 접지	공통 임피던스 제거 (저주파에 효과적)
디커플링	순간 전류를 국부에서 공급 (8-04)
차동 측정	접지 흔들림이 공통 모드가 되어 제거 ✅

그라운드 루프

대책	원리	주의
절연 (광, 변압기, 디지털 아이솔레이터)	루프를 물리적으로 끊음 ✅	비용, 절연측 전원
한 점 접지	루프 형성 방지	안전 규정 확인
차동 전송	루프 전류가 공통 모드	CMRR 한계
공통 모드 초크	루프 전류에 큰 임피던스	신호 대역 확인
배터리 구동	대지 연결 자체를 없앰 ✅	용량 제약
⚠️ 접지선 끊기	효과적이지만 안전 위험	하지 마세요

⚠️ 안전 접지(대지 접지)를 임의로 끊지 마세요. 감전 위험이 있습니다. 대신 절연(isolation) 소자를 쓰세요.

★ 스타 접지 vs 그라운드 플레인 — 무엇이 옳은가

	스타 접지	그라운드 플레인
원리	각 회로의 접지를 한 점에서 만남	넓은 도체로 임피던스 최소화
저주파 (< 1 MHz)	✅ 효과적	✅ 효과적
고주파 (> 1 MHz)	❌ 배선 인덕턴스(inductance)로 실패	✅ 최선
리턴 경로	강제 지정	자동 최단 경로
구현	배선 복잡	층 하나 필요

현대의 정답

연속된 그라운드 플레인 하나 + 신중한 부품 배치

이유:

고주파 리턴 전류는 신호선 바로 아래로 흐릅니다 (최소 인덕턴스 경로)
플레인을 자르면 리턴이 우회하면서 큰 루프를 만들어 오히려 악화
배치로 전류 경로를 분리하면 플레인을 자르지 않고도 격리 가능

“AGND/DGND 분리”의 함정:

접지를 잘라 나누면 그 경계를 신호선이 건너가는 순간 리턴 전류가 갈 곳을 잃습니다.

방식	평가
연속 플레인 + 배치로 구역 분리	✅ 현대 표준
슬롯으로 분리	⚠️ 경계를 넘는 배선이 하나라도 있으면 최악

경계를 넘는 배선이 하나도 없다고 보장할 수 있을 때만 분리가 의미가 있습니다. 대부분은 보장하지 못합니다.

신호선이 슬롯을 건너면 리턴 전류가 우회해야 하고, 그 경로가 큰 루프를 만들어 EMI가 급증합니다.

분리할 거면 신호도 건너가지 않게 해야 합니다. 그게 어려우면 분리하지 마세요.

언제 분리가 유효한가

ADC처럼 AGND/DGND 핀이 따로 있는 소자: 데이터시트 권장을 따름 (보통 소자 아래에서 한 점 연결)
완전히 다른 전원 도메인
절연 배리어

계산 예제 — 접지 설계가 측정을 좌우

상황: 같은 보드에 MCU(100 mA)와 계측 증폭기(instrumentation amplifier)계측 증폭기 instrumentation amplifier두 입력 모두 임피던스가 높으면서 차동만 증폭하는 구조로, 전극 측정의 표준 첫 단입니다.자세히 보기 →가 있고, 접지를 30 mΩ 구간에서 공유합니다.

MCU 전류가 50 mA 변동하면:

\Delta V = 0.05\times0.03 = 1.5\ \text{mV}

기호

Delta V전압 변화량voltage changeV

V전압voltageV

계측 증폭기의 기준이 1.5 mV 흔들립니다. 50 µV 신호의 30배입니다.

개선 1 — 접지 분리 (스타): MCU 접지를 전원 입구로 직접 보내면 공유 구간이 사라집니다. → 거의 0

개선 2 — 차동 측정: 증폭기의 기준을 신호원 근처에서 가져오면, 접지 흔들림이 공통 모드가 되어 CMRR만큼 억제됩니다.

CMRR 100 dB이면: $1.5\ \text{mV}/10^5 = 15\ \text{nV}$ ✅

차동 측정이 접지 문제에 대한 가장 강력한 방어입니다. 접지가 흔들려도 두 입력이 같이 흔들리면 상쇄됩니다 → 07

시뮬레이션으로 확인

공통 임피던스 결합워크벤치에서 열기 →

# examples/12-noise-si/ground-bounce.yaml
meta:
  name: 공통 임피던스 결합
  lesson: docs/12-noise-si/03-ground.md
  note: RGND(공유 접지 저항)를 0으로 하면 간섭이 사라진다
components:
  - {ref: VDIG, type: vpulse, params: {v1: 0, v2: 3.3, td: 1u, tr: 10n, tf: 10n, pw: 5u, per: 10u}}
  - {ref: RDIG, type: r, value: 33,    label: 디지털 부하}
  - {ref: RGND, type: r, value: 0.03,  label: 공유 접지 구간}
  - {ref: VSIG, type: vac, value: 50u, label: 신호원}
  - {ref: RSIG, type: r, value: 1k}
  - {ref: RIN,  type: r, value: 1MEG, label: 증폭기 입력}
nets:
  DIG:   [VDIG.p, RDIG.1]
  LOCAL: [RDIG.2, RGND.1, RSIG.2, RIN.1]   # 공유 접지 노드
  SIG:   [VSIG.p, RSIG.1]
  GND:   [RGND.2, VDIG.n, VSIG.n, RIN.2]
analyses:
  - {type: tran, tstep: 10n, tstop: 20u}

LOCAL 노드가 디지털 스위칭에 맞춰 흔들리는 것을 볼 수 있습니다. 이 전압이 신호에 직접 더해집니다.

⚖️ 부품/레이아웃 트레이드오프

선택	✅ 좋아지는 것	⚠️ 나빠지는 것
연속 그라운드 플레인	최저 임피던스, 리턴 자동 최적, 차폐(shielding)차폐 shielding도체로 감싸 전기장을 막는 것으로, 한쪽 끝만 접지해야 접지 루프가 생기지 않습니다.자세히 보기 →	층 하나 필요 (비용), 고임피던스 노드에 용량 추가
플레인 분할 (AGND/DGND)	개념적 격리	잘못하면 EMI 급증, 신호가 건너면 재앙
스타 접지	공통 임피던스 제거 (저주파)	고주파에 무효, 배선 복잡
절연 (아이솔레이터)	루프 완전 차단(cutoff)	비쌈, 지연, 절연측 전원
차동 측정	접지 흔들림 억제	CMRR 한계, 부품 2배
배터리 구동	루프 없음, 가장 조용	용량, 충전

🔌 실제 쓰임새 — 접지 설계 체크리스트

큰 전류(모터, LED, 스위칭)의 리턴 경로가 민감한 영역을 통과하지 않는가?
그라운드 플레인이 연속인가? (비아(via)·슬롯으로 잘리지 않았나)
신호선이 플레인 슬롯을 건너지 않는가?
디커플링 커패시터(decoupling capacitor)디커플링 decoupling소자 바로 옆에 둔 커패시터가 순간 전류를 대신 대 주어 전원이 출렁이지 않게 합니다.자세히 보기 →의 접지 비아가 최단인가?
ADC의 AGND/DGND를 데이터시트 권장대로 연결했는가?
외부 연결(케이블, 커넥터)이 루프를 만들지 않는가?
차동 측정을 쓸 수 있는가?
절연이 필요한가? (생체 측정, 접지 전위차가 큰 환경)

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
접지 = 0 V	위치마다 다른 전위
접지 기호는 같은 점	물리적으로 떨어져 있고 전류가 흐름
분리하면 격리됨	리턴 경로가 끊기면 오히려 악화
스타 접지가 항상 좋다	고주파에서는 실패
접지는 전류가 없다	모든 전류가 접지로 돌아옴

연습문제

문제 1. 접지 배선 저항 20 mΩ, 부하 전류 500 mA 변동. 발생하는 전압은?

exercises/12-03-ground-drop.yaml

풀이

V = 0.5\times0.02 = 10\ \text{mV}

기호

V전압voltageV

10 mV. µV 측정에는 치명적이고, 디지털에는 문제없습니다.

문제 2. 두 장비의 접지 전위차가 1 V, 접지 루프(ground loop) 저항이 0.5 Ω입니다. 순환 전류와, 이것이 0.1 Ω 실드에 만드는 간섭은?

연습 12-03-2 — 접지 전위차 1 V 가 만드는 200 mV워크벤치에서 열기 →

풀이

I = \frac{1}{0.5} = 2\ \text{A}

기호

I전류currentA

V_{noise} = 2\times0.1 = 200\ \text{mV}

기호

V_noise전압 (noise)voltage (noise)V

200 mV의 간섭. 신호를 완전히 덮습니다.

해결: 절연(디지털 아이솔레이터, 광절연), 차동 전송, 또는 한쪽을 배터리 구동.

문제 3. AGND와 DGND를 분리하고 한 점에서 연결했습니다. 그런데 EMI가 오히려 늘었습니다. 왜일까요?

exercises/12-03-star-ground-emi.yaml

풀이

리턴 경로가 끊겼기 때문입니다.

고주파 신호의 리턴 전류는 신호선 바로 아래의 플레인을 따라 흐르려 합니다(최소 인덕턴스 경로). 그런데 플레인에 슬롯이 있고 신호선이 그것을 건너면:

플레인에 슬롯이 있으면 리턴 전류가 우회합니다.

	슬롯 없음	슬롯 있음
리턴 경로	신호선 바로 아래	슬롯 끝까지 돌아서
루프 면적	거의 0	크게 벌어짐
결과	조용함	인덕턴스↑ · 방사↑ · 크로스토크↑

고주파 리턴 전류는 최단 경로가 아니라 최소 인덕턴스 경로로 흐릅니다. 그게 신호선 바로 아래이므로, 그 아래를 끊지 않는 것이 전부입니다.

리턴 전류가 한 점 연결부까지 우회하면서 거대한 루프를 만듭니다.

결과:

루프 인덕턴스 급증 → 신호 무결성(signal integrity) 악화
루프가 안테나가 되어 방사 EMI 증가
루프가 외부 자기장을 받아 노이즈 유입

해결:

플레인을 자르지 않는다 ← 대부분의 경우 최선
꼭 분리해야 한다면 신호선이 슬롯을 건너지 않게 배치
건너야 한다면 그 지점에 연결부를 두어 리턴 경로 확보
분리 대신 배치로 격리: 아날로그와 디지털을 보드의 다른 영역에 두고, 전류가 서로의 영역을 지나지 않게

“AGND/DGND를 나눠라”는 조언은 1980년대의 저주파 아날로그 설계에서 온 것입니다. 오늘날의 고속 회로에서는 대개 잘못된 조언이고, 연속 플레인 + 배치 분리가 정답입니다.

자세한 원리 → 05 리턴 패스와 루프 면적

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