회로에서 GND 분리 설계 – Analog vs Digital GND 나누는 이유

GND는 하나의 기준점이다

전자 회로에서 GND(Ground)는 단순한 전압 0V의 기준점이 아니라, 모든 신호와 전원의 기준이 되는 전기적 기준점이다. 따라서 GND가 불안정하거나 노이즈가 발생하면, 전체 회로의 동작에 치명적인 문제가 발생할 수 있다. 특히 디지털 회로는 빠른 스위칭으로 인해 GND에 큰 전류 노이즈를 유발하고, 이로 인해 인접한 아날로그 회로에 간섭이 발생할 수 있다. 그래서 복합 시스템에서는 하나의 GND를 그대로 사용하는 것이 아니라, 용도에 따라 GND를 분리 설계하는 방식이 필요해진다.

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아날로그 회로는 왜 GND에 민감한가?

아날로그 회로는 작은 전압 신호를 증폭하거나 처리하는 구조이기 때문에, 수 mV 수준의 GND 노이즈에도 큰 영향을 받는다. 예를 들어, 센서가 10mV 정도의 출력을 내는 경우, GND에 5mV의 잡음만 발생해도 신호의 절반이 왜곡될 수 있다. 특히 연산 증폭기나 ADC 회로처럼 GND를 기준으로 동작하는 회로는, GND가 불안정할 경우 입력 오차나 변환 오류가 심각하게 나타난다. 따라서 아날로그 회로는 노이즈 없는 독립된 GND 경로 확보가 핵심이다.

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디지털 회로의 스위칭 노이즈

디지털 회로는 클럭 신호에 따라 논리 상태가 빠르게 전환되며, 이 과정에서 큰 스위칭 전류가 GND를 통해 흐르게 된다. 이 전류는 수십 MHz에서 수백 MHz의 고주파 성분을 포함하고 있으며, 순간적으로 GND 레벨을 흔드는 결과를 낳는다. 이로 인해 같은 GND를 공유하는 다른 회로에 전압 노이즈가 전달되며, 아날로그 회로에서는 이러한 노이즈가 신호 왜곡, 출력 불안정, 센서 오작동 등으로 이어질 수 있다. 결국 디지털 회로의 GND는 강한 변동에 대비해 독립적으로 처리되어야 한다.

 

 

 

GND 분리 설계의 기본 원리

GND 분리 설계는 디지털 회로와 아날로그 회로가 동일한 GND 네트워크를 사용하지 않도록 물리적으로 분리하여 설계하는 방식이다. 아날로그 GND(AGND)와 디지털 GND(DGND)는 PCB 상에서 물리적으로 분리되어 독립된 경로를 구성하며, 시스템 내부의 하나의 점에서만 연결되어야 한다. 이 연결 지점은 보통 ADC 또는 MCU 내부의 AGND-DGND 접점, 또는 PCB의 스타 GND 영역이다. 이 방식은 두 GND 간의 간섭을 최소화하면서 기준 전위를 유지할 수 있도록 돕는다.

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GND를 나눌 때의 물리적 레이아웃 전략

GND를 나누기 위해서는 단순히 이름만 나누는 것이 아니라, PCB 레이아웃 상에서도 실제로 경로를 분리해야 한다. 예를 들어 아날로그 회로가 위치한 영역과 디지털 회로가 위치한 영역을 명확히 나누고, 그에 따라 GND 구역도 독립적으로 설계한다. 이때 가장 주의할 점은 두 GND 영역 사이에 고속 신호선이 지나지 않도록 하는 것이다. 고속 신호가 두 GND를 가로지를 경우, 반환 경로가 단절되어 강한 방사 잡음이 발생한다. 따라서 GND 분리는 물리적 영역 구분과 반환 경로 확보가 동시에 고려되어야 한다.

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AGND와 DGND의 연결 지점은 어디로?

AGND와 DGND는 반드시 하나의 점에서만 연결되어야 하며, 이 지점을 스타 GND(Star Ground)라고 부른다. 일반적으로 ADC가 위치한 곳에서 두 GND를 접점시켜 주며, 이 접점은 반드시 잡음의 영향이 적고, 전류가 크지 않은 위치에 두어야 한다. 여러 지점에서 GND가 연결되면, 순환 전류(Loop Current)가 발생해 GND에 불필요한 노이즈가 유입된다. 스타 GND 방식은 이러한 순환 전류를 방지하고, 기준 전위의 일관성을 유지해 전체 시스템의 안정성을 높여준다.

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고속 설계에서의 GND 레이어 분할 주의점

고속 디지털 회로나 RF 회로에서는 다층 PCB를 사용하며, 내부에 GND 레이어를 전체 면으로 구성하는 경우가 많다. 이때 GND를 분할할 경우, 반환 경로가 단절되면 의도하지 않은 루프가 형성되어 EMI가 증가할 수 있다. 특히 고속 클럭, DDR 신호, USB 고속 라인은 연속된 GND 위에 배치되어야 한다. 따라서 GND를 물리적으로 나누는 대신, GND 내부를 논리적으로 나누고, 고속 신호 경로에서는 통합된 GND를 사용하는 설계 방식이 더 효과적일 수 있다.

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AGND와 DGND의 전원 공급도 분리해야 할까?

많은 경우 GND를 나누었다 하더라도, 전원 라인이 공유되면 노이즈가 다시 아날로그 회로로 유입될 수 있다. 따라서 가능한 경우, 아날로그 회로에는 별도의 LDO 또는 전원 필터를 통해 독립된 전원을 공급하는 것이 좋다. 예를 들어, 디지털 회로는 스위칭 레귤레이터에서, 아날로그 회로는 저노이즈 LDO에서 전원을 공급하면, 전원 자체의 노이즈가 아날로그 회로에 영향을 주는 것을 막을 수 있다. 이처럼 전원과 GND는 함께 고려하여 설계되어야 한다.

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GND는 단순한 접지가 아니다

GND를 단순한 ‘0V’로 생각하는 설계는 이미 구식이다. 현대의 복합 전자 시스템에서는 GND가 곧 신호 품질과 시스템 신뢰성을 좌우하는 설계의 중심이다. 특히 아날로그와 디지털 회로가 혼재된 환경에서는, GND의 분리와 연결 전략이 제품의 오동작 여부를 결정짓는 핵심이 된다. GND를 어떻게 분리하고, 어디서 접점을 구성하며, 어떤 경로로 반환 전류가 흐르는지를 면밀히 분석하여 설계한다면, EMI 저감, 노이즈 억제, 신호 정밀도 유지 모두에서 탁월한 효과를 얻을 수 있다.