아날로그 및 디지털 회로에서 실질적인 성능을 저해하는 주요 원인 중 하나는 바로 기생 소자(Parasitics)입니다. 기생 소자는 회로 설계 의도와는 무관하게, 물리적 배치나 공정 특성으로 인해 발생하는 불필요한 전기적 요소로, 신호 왜곡, 전류 손실, 노이즈 발생 등 다양한 문제를 유발합니다.
이번 글에서는 기생 소자의 개념, 종류, 회로에 미치는 영향, 설계 및 레이아웃 관점에서의 제어 전략을 포괄적으로 다룹니다.
1. 기생 소자란?
기생 소자란, 회로의 기능적 동작에 직접 포함되어 있지 않지만, 물리적으로 존재하는 전기적 요소입니다. 보통 미세한 전기적 특성이지만, 고속·고정밀 설계에서는 무시할 수 없는 영향을 끼칩니다.
주요 기생 소자:
- 기생 저항 (Parasitic Resistance): 배선의 길이 및 폭에 따라 발생
- 기생 정전용량 (Parasitic Capacitance): 배선 간, 배선-기판 간, 디바이스 간 거리 및 면적으로 발생
- 기생 인덕턴스 (Parasitic Inductance): 고속 신호 라인에서 배선 루프나 Bond Wire 등에 의해 유도
2. 기생 소자가 회로에 미치는 영향
기생 소자는 단순한 손실 요소를 넘어서, 회로 동작 특성을 왜곡하거나 성능을 저하시킬 수 있습니다.
| 기생 소자 | 영향 |
|---|---|
| 정전용량 | 신호 지연 증가, Slew Rate 저하, 클럭 스큐 발생 |
| 저항 | 전압 강하, 전력 손실, IR Drop 문제 |
| 인덕턴스 | Overshoot, Undershoot, EMI 문제 발생 |
특히 고속 디지털 회로나 아날로그 고이득 증폭기에서는 극소한 기생 소자조차도 심각한 오류를 유발할 수 있습니다.
3. 발생 위치 및 원인
● 배선 구조
- 배선 길이, 인접 배선 간 간격, 메탈 층 간 중첩 → 정전용량 증가
● 레이아웃 대칭성 부족
- Matching Pair 간 기생차 발생 → 오프셋 전압 증가
● 서브스트레이트 커플링
- 기판을 통해 전기 신호가 전파되며 예상치 못한 간섭 발생
● 패키징 및 Bonding
- 외부 연결을 위한 패키지 구조에서 인덕턴스/임피던스 증가
4. 기생 소자 제어 및 최소화 전략
● 레이아웃 대칭성 확보
- Matching 구조 유지, Pair 간 동일 배선 구조 구성
● 배선 길이 및 위치 조절
- 민감한 노드는 짧은 거리, 넓은 폭 배선 활용
● Shielding 및 Guard Ring 배치
- Substrate Noise 방지 및 외부 노이즈 차단
● 상위 메탈층 활용
- 저저항, 저기생의 특성을 가진 Top Metal 사용
● PEX 기반 시뮬레이션 활용
- Parasitic Extraction을 통해 실배선에 포함된 기생 요소를 시뮬레이션에 반영 → 실제 동작 예측 가능
한 줄 요약
"기생 소자는 눈에 보이지 않지만, 회로 성능을 지배하는 가장 은밀한 변수다."
다음 글 예고
👉 [Chapter4] 기생 정전용량(Capacitance)과 배선 길이의 관계