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고속 PCB에서 스큐 소스 처리

Zachariah Peterson

| 작성 날짜: 2022/06/8 수요일 | 업데이트 날짜: 2022/06/10 금요일

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스큐에 대해 이야기할 때 우리는 종종 구체적이지 않습니다. 스큐와 지터에 대한 대부분의 논의는 라우팅 중에 발생하는 스큐 유형, 즉 차동 쌍의 길이 불일치와 섬유 직조로 인한 스큐에 초점을 맞춥니다. 실제로, 인터커넥트에서 전체 지터에 기여하는 다양한 스큐 원인이 있으며, 정밀한 타이밍 제어가 필요한 직렬 및 병렬 버스에서 이러한 요소를 정량화하는 것이 중요합니다.

스큐 원인 목록을 작성하면 섬유 직조로 인한 스큐가 스큐 원인의 긴 목록 중 하나에 불과하다는 것을 알게 됩니다. 아래에서 가능한 스큐 원인 목록을 살펴보고, 이러한 원인들이 PCB의 작동에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 아래 목록에서 볼 수 있듯이, 스큐 문제 중 일부는 PCB 기판의 섬유 직조 구조에 주의를 기울이는 것만으로 간단히 해결되지 않습니다.

지터 = 전체 스큐

여기서 주목해야 할 첫 번째 포인트는 지터(jitter)와 스큐(skew)의 차이점, 그리고 무작위(random)와 결정론적(deterministic) 지터/스큐의 차이점입니다. 스큐에 대한 가장 좋은 정의는 스티브 코리건(Steve Corrigan)이 작성한 오래된 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments) 응용 노트에서 나온 것입니다. 이 응용 노트에서 스티브는 지터를 "모든 스큐의 총합"으로 설명합니다. 이는 일부 저자들이 때때로 "지터"와 "스큐"를 바꿔 사용하는 이유를 설명해 줍니다(저 역시 이런 실수를 한 적이 있습니다). JEDEC는 지터와 스큐에 대한 자체 정의를 가지고 있습니다.

무작위 또는 결정론적?

어떤 용어를 사용하든, "지터"와 무작위 스큐 사이에는 때때로 연관성이 있으며, "스큐"라는 용어는 의사무작위(pseudorandom) 또는 결정론적 스큐를 참조하는 데 사용될 것입니다. 실제로 무작위 스큐의 유일한 원인은 열 소음입니다. 모든 물질을 구성하는 원자와 분자의 무작위 운동은 전자 회로에서 소음에 기여하지만, 매우 정밀한 저수준 측정에서만 중요합니다. 대부분의 응용 프로그램에서 걱정해야 할 스큐 원인은 결정론적이며 근본 원인으로 연결될 수 있습니다.

스큐의 원인

아래 표는 PCB에서 발생할 수 있는 여러 종류의 스큐(skew) 원인과 각각의 간략한 설명을 보여줍니다.

섬유 직조로 인한 스큐	PCB 기판 재료의 구조가 주기적으로 비균일하고 이방성을 띄기 때문에 발생합니다. 기계적으로 펼친 유리 직조를 사용하는 것이 이를 줄이는 데 선호됩니다.
주기적 스큐	시스템 내 다른 소스로 인해 유발된 주기적 노이즈에 의해 발생합니다. 예를 들어, 고속 I/O의 스위칭에 의해 유발된 전원 레일 노이즈가 있습니다.
제한된 비상관 스큐	크로스토크에 의해 발생합니다; 이 스큐는 피해를 입는 인터커넥트의 활동과 상관없으므로 무작위로 보입니다.
듀티 사이클 왜곡	다른 노이즈 소스의 부작용일 수 있습니다. 스위칭 임계값 또는 논리 임계값이 이상적인 값에서 벗어나는 경우를 말하며, 이는 펄스 열의 상승 에지를 이동시킵니다.
반사	수신기에서의 반사는 아이 다이어그램에서 볼 수 있는 인터심볼 간섭에 기여합니다; 이 경우 반사된 심볼이 모든 후속 심볼의 상승 에지를 이르게 하거나 늦게 할 수 있습니다.
데이터 의존적 펄스 폭 변조	이것은 고속 채널에서 대역폭 제한 특성의 부작용입니다(예: 손실이나 종단에서의 분산, 기생 커패시턴스)

이 표에는 많은 것들이 있습니다; 우리는 섬유 직조 효과와는 거의 관련이 없고 길이 매칭을 적용하여 완벽하게 해결할 수 없는 여러 가지 왜곡 원인을 가지고 있습니다! 그러나 첫 번째 행 아래를 보면, 이러한 왜곡 원인 대부분이 시스템 내 다른 기능 블록 간의 상호 작용이나 칩과 보드 간의 상호 작용으로 인해 시스템 수준에서 나타난다는 것을 알 수 있습니다.

모든 왜곡을 제거할 수 있나요?

불행히도 대답은 "아니오", 왜곡을 완전히 제거할 수는 없습니다. 위에 나열된 모든 결정적 왜곡 원인을 억제한다 하더라도, 열 소음으로 인한 일정량의 무작위 왜곡이 여전히 있을 것입니다. 왜곡을 완전히 제거할 수는 없지만, 몇 가지 기본적인 레이아웃 지침을 따름으로써 최소화할 수는 있습니다.

유리 직조: 더 조밀한 직조 재료인 스프레드 글래스를 사용하세요; 이것은 직접적으로 섬유 직조 유발 왜곡에 맞서게 됩니다.
크로스토크와 기생성분: 두 개의 상호 연결 사이에서 기생 커플링이 발생하는 원인을 알아보고 이러한 커플링을 줄이기 위해 레이아웃을 계획하세요. 기생 커플링을 다루는 가장 쉬운 방법은 적절한 접지 배치를 가능하게 하는 적절한 스택업 디자인입니다.
종단: 채널이 요구되는 대역폭 한계까지 평탄한 목표 임피던스로 종단되도록 합니다. 다시 말해, 채널이 적어도 채널의 나이퀴스트 주파수까지 종단되도록 합니다.
전력 무결성: 고속 신호에 대한 정밀한 타이밍이나 에지 속도에서의 정밀 타이밍이 필요한 구성 요소가 안정적인 전력을 받고 있는지 확인하세요.

이러한 문제를 다룬 후에는 표준 차동 또는 병렬 버스 지연 조정 구조를 적용하여 PCB의 남은 스큐를 보상하고 길이 불일치를 다룰 수 있습니다. 이 시점에서, 상호 연결에서 약간의 잔여 스큐가 있었다 하더라도 대부분의 스큐는 해결되었을 것이고 신호는 여전히 수신기 I/O에서 정렬될 것입니다.

Altium Designer^®의 라우팅 기능은 설계 규칙으로 정확한 임피던스 계산 결과를 적용하고, 위에 나열된 스큐 소스에 기여하는 노이즈 커플링을 최소화하기 위해 고속 PCB의 레이어 스택을 설계하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 디자인을 협업자나 제조업체와 공유할 준비가 되었을 때, Altium 365^™ 플랫폼을 통해 완성된 디자인을 공유할 수 있습니다. 고급 전자 제품을 설계하고 생산하는 데 필요한 모든 것을 하나의 소프트웨어 패키지에서 찾을 수 있습니다.

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작성자 정보

Zachariah Peterson은 학계 및 업계에서 폭넓은 기술 분야 경력을 가지고 있으며, 지금은 전자 산업 회사에 연구, 설계 및 마케팅 서비스를 제공하고 있습니다. PCB 업계에서 일하기 전에는 포틀랜드 주립대학교(Portland State University )에서 학생들을 가르치고 랜덤 레이저 이론, 재료 및 안정성에 대한 연구를 수행했으며, 과학 연구에서는 나노 입자 레이저, 전자 및 광전자 반도체 장치, 환경 센서, 추계학 관련 주제를 다루었습니다. Zachariah의 연구는 10여 개의 동료 평가 저널 및 콘퍼런스 자료에 게재되었으며, Zachariah는 여러 회사를 위해 2천여 개의 PCB 설계 관련 기술 문서를 작성했습니다. Zachariah는 IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society 및 PCEA(Printed Circuit Engineering Association)의 회원입니다. 이전에는 양자 전자 공학의 기술 표준을 연구하는 INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee에서 의결권이 있는 회원으로 활동했으며, 지금은 SPICE 급 회로 시뮬레이터를 사용하여 광자 신호를 나타내는 포트 인터페이스에 집중하고 있는 IEEE P3186 Working Group에서 활동하고 있습니다.

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