PCB 신호 무결성 분석의 기본 사항

PCB에서 이루어지는 신호 무결성 분석의 기본 사항은 절대 기초적이지만은 않습니다. 신호 무결성 시뮬레이션 툴은 회로도 및 레이아웃 설계 시 다양한 네트워크에서 신호의 동작을 계산하는 데 유용하지만, 결과를 해석하기 위해서는 몇 단계를 거쳐야 합니다. 가장 발전된 신호 무결성 및 EM 시뮬레이션 툴을 사용하더라도 측정을 통해 수집할 수 있는 정보와는 비교할 수 없습니다. 기판의 신호 무결성 검사 시 어떤 방법을 사용하든(두 가지 방법 모두 사용 추천) 신호의 동작을 분석하고 기판의 문제를 파악하기 위해 취할 수 있는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다.

신호 무결성 분석 시작하기

신호 무결성 분석은 레이아웃 이전 단계에서 시뮬레이션으로 시작됩니다. 레이아웃을 구축한 다음에는 레이아웃 이후의 주요 시뮬레이션을 활용하여 기판에서 지오메트리 종속 신호 무결성을 분석할 수 있습니다. 나중에 신호 무결성 시뮬레이션 결과를 실제 측정값과 비교해야 하므로 결과를 잘 보관해 둡니다.

레이아웃 이전 분석

이 단계에서는 회로 설계, 컴포넌트 선택, 그리고 신호가 두 컴포넌트의 I/O 간에 이동하는 방법을 검사하는 것이 매우 중요합니다. 기판 동작에 대한 풍부한 정보를 제공하는 세 가지 주요 분석이 있습니다.

• 과도 동작. 두 버퍼 사이의 연결에서 과도 응답은 과도 분석을 사용하여 시간 영역에서 모델링하거나 극제로 분석을 사용하여 과도 동작을 결정할 수도 있습니다. 이는 링잉(ringing)으로 인해 발생하는 오버슈트/언더슈트와 원하는 신호 레벨에 대한 접근 방식을 보여 줍니다. 집적 회로를 사용하는 이러한 시뮬레이션의 가장 정확한 버전은 IBIS 모델을 포함하지만, SPICE 서브 회로를 사용하여 I/O 버퍼를 모델링할 수도 있습니다.

• S-매개변수 및 전송 함수. 기판의 특정 기능 블록은 멀티포트 네트워크로 모델링할 수 있으며, 이는 특정 주파수에서 선형 동작을 S-매개변수로 설명할 수 있음을 의미합니다. S-매개변수는 시간 영역에서 반사 계수를 사용하여 계산할 수 있으며, 전송 회선에서는 부하 전기 용량에 의해 제공되는 입력 임피던스를 포함합니다. S-매개변수에서 네트워크 전달 함수를 계산할 수 있으며 그 반대도 가능합니다. 관련된 모든 수학적 원리를 설명하는 유용한 가이드는 여기에서 확인할 수 있습니다.

• 임펄스 응답. 이 시뮬레이션에는 두 가지 목적이 있습니다. 즉, 정의된 대역폭에서 인과관계에 대한 S-매개변수 모델/전달 함수의 검증과 정의된 상승 시간 동안의 펄스 응답 동작을 조사하는 것입니다. 또한 임펄스 응답을 사용하여 상호 연결 설계를 따라 분산 및 전파 지연을 추출할 수도 있습니다. 이렇게 하면 PCB를 레이아웃하기 전에 이상적인 상황에서 주어진 입력/출력 버퍼 쌍에 대해 의도한 채널 모델을 검증할 수 있습니다.

• 아이 다이어그램. 버퍼 모델과 상호 연결 설계를 사용하여 아이 다이어그램을 시뮬레이션할 수 있습니다. 아이 다이어그램은 의사 난수 비트 시퀀스에서 예상 신호 레벨, 오버슈트, 부호간 간섭(ISI), 지터 및 예상 비트 오류율을 표시하므로 채널 규정 준수에 있어 중요한 요소입니다.

위의 레이아웃 이전 분석 세트는 더 복잡한 채널에서 전환을 통해 계획된 것을 검증하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 

설계를 시작하기 전에 이러한 각 요소의 구조를 알고 있다면 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

레이아웃 이후 분석

이 단계에서는 기판의 와류가 신호 무결성에 미치는 영향을 점검합니다. 와류 신호 무결성 효과는 기판 지오메트리의 함수이므로 다음과 같은 지오메트리 종속 신호 무결성 문제를 검사해야 합니다.

• 크로스토크. 많은 설계자들의 골칫거리인 크로스토크는 유도 결합과 정전 용량 결합으로 인해 발생합니다. 피해자와 공격자 트레이스에 미치는 크로스토크의 영향을 조사할 때 이 두 가지가 인접할 경우에만 전기 용량 결합이 발생합니다. 유도 크로스토크는 범위 제한이 없으며, 기판의 모든 트레이스가 자기장을 통해 연결될 수 있습니다.

• 전송 회선 동작. 전송 회선 모델은 레이아웃 이전 과정에서 신호 트레이스를 검사하는 데 사용할 수 있지만 레이아웃에서 직접 검사하는 것이 좋습니다. 회선이 임피던스 제어가 되지 않는 경우 회선의 반사(발생한 경우)가 수신기의 신호 레벨을 감소시키고 디지털 신호로 계단식 응답을 유발하는지 검사해야 합니다. 아날로그 신호의 경우 회선에서 간섭파 및 정재파 형성을 찾기 때문에 더 까다로울 수 있습니다. 그러나 올바른 신호 무결성 시뮬레이터는 입사파와 반사파를 분리할 수 있으므로 각 동작의 개별적 검사를 실시할 수 있습니다. 그런 다음 반사 수준을 결정하고 신호 수준이 신호 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

• 레이아웃 이전 검토의 모든 것! 여기서 목표는 와류, 섬유 직조 및 기타 요인이 기판의 신호 특성을 크게 바꾸지 않는지 확인하는 것입니다. 다수의 트레이스가 실패하면 레이아웃도 수정해야 합니다. 먼저 시작할 영역은 스택업과 트레이스 지오메트리입니다.

신호 무결성 분석을 위한 툴

앞서 설명 때문에 신호 무결성 분석 툴을 구축하고 실행하기 위해서는 복잡한 시뮬레이터 프로그램이 필요한 것처럼 보일 수도 있습니다. 시뮬레이션 및 평가하려는 대상에 따라 특정 툴이 필요합니다. 이러한 시뮬레이션 중 일부는 IBIS와 같은 툴을 사용하여 EDA 툴 내부에서 쉽게 수행할 수 있지만, 3D 필드 솔버 또는 유사한 2D 솔버 툴이 필요할 수도 있습니다.

임피던스 사양이 없는 단일 종단형 버스

종단 처리 없이 비교적 느린 단일 종단형 버스에서는 상호 연결 장치의 구조(전기 용량 및 인덕턴스)로 인해 과도 동작(링잉)이 관찰될 수 있습니다. 이는 트레이스가 전기적으로 단락될 때 SPI에서 관찰될 수 있습니다. 전송 회선 모델을 회로도에 적용하고 핀 사양이 정의되어 있는 경우(SPICE 서브 회로 또는 IBIS 모델), 이러한 버스에서 레이아웃 이전의 링잉을 관찰할 수 있습니다.

단일 종단형 버스가 실제로 라우팅되면 EDA 툴의 신호 무결성 분석기로 레이아웃 이후 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다. 관련 핀/네트워크의 경우 이러한 분석기는 논리 패밀리 할당 또는 IBIS 모델을 사용하여 다음과 같이 시뮬레이션할 수 있습니다.

• 크로스토크 파형 및 강력한 결합 영역 식별하기
• 반사 파형
• 기타 신호 특성 지표(상승/하강 시간, 오버슈트/언더슈트 등)
• 트랙 길이에 따른 평균 임피던스를 계산

임피던스 사양이 없는 단일 종단형 버스에서는 버스가 길어질 때 드라이버 쪽에서 반사가 발생하거나 버스의 전기 용량 및 인덕턴스로 인해 링잉이 관찰될 수 있습니다. 링잉으로 인해 과도한 오버슈트가 발생하는 경우 트레이스 인덕턴스를 줄이고 감쇠를 추가하는 것이 링잉 진폭을 줄일 수 있는 두 가지 주요 경로입니다. 다른 하나는 직렬 저항을 추가하여 감쇠를 증가시키는 것인데, 이는 더 긴 불일치 전송 회선에 저임피던스 버퍼 출력을 사용하여 수행하는 것입니다.

임피던스 제어 버스

단일 종단 및 차동 임피던스 제어 버스에서는 종단 임피던스가 온다이(on-die)일 수 있으므로, 레이아웃 이후 단계에서 논리 패밀리 기반 시뮬레이션은 버스의 임피던스를 정확하게 특성화하지 못하므로 효과적이지 않습니다. 두 상호 연결 장치 간의 결합만을 상승 시간의 함수로 보기 때문에 크로스토크를 여전히 시뮬레이션할 수 있으며 논리 패밀리를 할당하는 경우에도 크로스토크 크기는 상승 시간에 따라 반비례하여 스케일링됩니다.

반사 및 임피던스 위반에 대한 레이아웃 이후 시뮬레이션의 경우 최소한 IBIS 모델을 사용하여 논리 패밀리 설명보다는 버퍼 동작을 정의해야 합니다. 버퍼 설명이 알려져 있고 사용 가능하다면 PCB 편집기에서 컴포넌트 특성을 모델링하는 데 적용할 수 있습니다. 고급 분석 툴로 전환하기 이전에 크로스토크 및 반사 파형을 위한 PCB 편집기의 표준 신호 무결성 툴은 신호 동작(상승/하강 시간, 오버슈트, 일관된 임피던스 및 링잉)에 대한 많은 선행 검증에 도움이 될 수 있습니다.

외부 툴을 사용해서도 아이 다이어그램, 멀티 네트워크 크로스토크, 네트워크 길이에 따른 임피던스 편차 등을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 필드 솔버는 사용 가능한 옵션 중 하나이며 다양한 전문화 수준의 툴을 사용할 수 있습니다. 복사 방출을 시뮬레이션하거나, SI/PI로 더 깊이 들어가거나, 시뮬레이션 네트워크에서 S-매개변수를 추출하지 않는 한 풀 웨이브 필드 솔버를 사용할 필요는 없습니다.

Altium Designer^®의 강력한 PCB 설계 및 분석 툴은 레이아웃 이전 및 레이아웃 이후 신호 무결성 시뮬레이션 툴을 활용해 신호 무결성 분석에 유용한 출발점을 제공합니다. 이러한 정확한 계산은 측정값을 비교하기 위한 기준을 제공합니다. 또한 단일 플랫폼에서 모든 요소를 갖춘 제조 계획 및 문서화 기능 세트에 액세스할 수 있습니다.

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