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 VREF, 신호인가? 파워인가?

  어떤 디바이스들을 보면 Vref 라는 핀을 가지고 있는 경우가 있다. 대표적인 예가 ADC같은 디바이스가 있을 것이다. DDR3 같은 순수 디지털 디바이스도 Vref 핀을 가지고 있다. 이름이 있이하듯 Vref 핀은 기준(reference)를 정해주는 전압(level)이 인가되는 핀이다. 

  통상 기준(레퍼런스)하면 그라운드(ground)를 떠올린다. 모든 신호는 그라운드를 기준으로 레벨이 결정된다. 그럼 Vref가 그라운드와 다른 점은 무엇인가? 그라운드는 디바이스에서 소모되는 전류가 흐르는 경로는 제공하다는 점에서 vref와 다르다. Vref 핀은 매우 높은 임피던스를 갖고 있어서 Vref로는 전류가 (거의) 흐르지 않는다. 이런 면에서 볼 때 Vref는 일정한 전압을 갖으며 전류를 비다이스에 공급하는 파워(VDD 혹은 VCC)와도 다른 특성을 갖는다. 결국 Vref는 특정 전압의 DC 특성을 갖지만 파워로 보기에도 어렵다.

  PCB를 디자인할 때, 이 Vref 핀으로 연결되는 네트(net)를 파워로 간주하여 판(plane)으로 디자인하면 문제가 될 수 있다. 왜 문제가 되는 지 살펴 보자. 먼저 판으로 디자인 하는 이유를 살펴 보자. 판(plane)으로 디자인하는 이유는 크게 3가지 정도가 있다.

  첫째, 신호 트래이스의 임피던스를 제어하기 위한 것이고, 

  둘째, 디바이스에 전류를 원활하게 공급하기 위해서다. 즉 파워 공급 경로의 임피던스를 낮추기 위함이다.

  셋째, 다른 판(그라운드)과 커플링을 증가 시키기 위함이다. 즉 노이즈를 제거하는 경로의 임피던스를 낮추기 위함이다.

  그런데, Vref 핀으로 연결되는 네트를 판(plane)으로 만들게 되면, 위 설명의 3 번째 효과로 인해서 원치하는 효과가 발생할 수 있다. 즉 주변 신호(노이즈)의 영향을 잘 받게 된다. Vref는 기준 전압으로 주변의 노이즈(신호)의 영향으로부터 최대한 격리되어야 하는데, 그 반대로 되는 것이다. 반면 Vref 핀에 연결된 네트는 전류가 (거의) 흐르지 않는 넷트로 판으로 해서 얻는 낮은 임피던스 효과는 별로 없다고 볼 수 있다.

  따라서, Vref는 판이 아닌 트래이스로 디자인 되어야만 한다.

Voltage(전압)

보드 디자인에서 전압은 사실 전류보다는 덜 중요하게 생각할 수도 있다. 왜냐하면, 많은 경우 전류가 흐른 결과로서 전압이 나타나는 데, 문제가 되는 부분은 원하지 않는 전류의 흐름으로 전압이 예상과 달라지는 경우이기 때문이다. 즉, 우리는 전류의 흐름을 통제 하고자 하는 것이지 전압을 통제하고 하는 것이 아니다. 전압은 그저 전원에서 주워진 값을 그대로 사용하는 경우가 대부분이다.

그래도, 전압은 전류와 뗄래야 뗄 수 없는 관계이므로 살펴보자. 전류의 경우와 마찬가지로 핵심적으로 알아야 할 정석적 개념만 알아보도록 하겠다. 나머지 기본적인 설명들은 기존의 교과서에 아주 잘 기술되어 있으니 필요할 때 참고 하면 된다.

모든 책들이 전압을 설명할 때 물에 비유를 많이 한다. 이 비유는 너무나 좋은 비유이므로 여기서도 그래도 사용하겠다. 파이프에 물이 흐른다고 하자. 물이 흐르려면 파이프의 어느 쪽에선가는 물을 밀어내는 압력이 필요하다. 그리고 흐르는 물의 양은 압력의 세기에 영향을 받는다. 물의 흐름에 대한 파이프 영향은 어떨지 생각해 보자. 이 때 파이프 한 쪽 끝에서 물을 밀어 내는 압력은 일정하다고 가정하자. 파이프의 굵기가 좁아지면 흐르는 물은 줄어들게 되고 파이프의 굵기가 굵어지면 흐르는 물은 늘어나게 된다. 파이프의 굵기는(좀 더 정확하게는 파이프의 모양) 물의 흐름에 영향을 준다.

이제 물의 흐름을 전류의 흐름과 비교하자. 물의 흐름은 전류라고 할 수 있다. 그리고 이 전류가 흐를 수 있도록 밀어내는 힘이 바로 전압이다. 파이프에 해당하는 것을 conductor(도체)라고 부르며, 이 도체의 모양이나 특성에 따라서 전류가 바뀔 수 있다. 파이프 중간에 팔랑개비나 물탱크를 달면 물의 흐름에 영향을 줄 수 있는데, 마찬가지로 회로에서도 도체 사이에 inductor(인덕터)나 capacitor(캐퍼시터)를 달아서 전류의 흐름에 어떤 영향을 줄 수 있다.

다시 한번 정리하면, 전압은 전류가 흐르게 하는 힘이므로, 전압이 없으면 전류는 흐를 수 없게 된다. 반대로 전류가 흐르게 되면 거기에는 반드시 전압이 존재하게 된다. 그런데, 주의해야 할 사항은 전류가 흘러서 형성된 전압이 처음에 우리가 전원으로 준 전압과는 다를 수 있다는 점이다. 그것은 그 회로 상에 어떤 소자들이 형성되어 있느냐에 따라 달라진다. 물론 회로 디자이너가 의도적으로 넣은 소자는 이미 고려된 부분이므로 문제되지는 않을 것이다. 그러나, 기생적으로 만들어지거나, 디자이너가 미처 생각하지 못한 부분들(그냥 도체로 생각한 부분들)이 소자처럼 동작해서 원하지 않는 전압 레벨을 만들어 낸다.

위 식은, 전류는 전압이 존재할 때, 즉 0이 아닐 때 흐르게 되며, 도체(혹은 회로 상의 소자)의 임피던스(impedance)의 영향을 받는다는 사실을 알려준다.

전압은 전류를 흐르게 해주는 힘, 그 이상도 이하도 아니다.