PCB를 위한 최고의 신호 무결성 분석 도구

PCB 설계를 지원하기 위한 신호 무결성 분석이라는 개념은 매우 다양한 의미를 가질 수 있습니다. PCB에서는 여러 인터페이스를 사용해 부품을 연결하며, 각 인터페이스마다 서로 다른 신호 무결성 요구사항이 있으므로 모두 어느 정도의 분석이 필요합니다. 더 우수하고 더 빠른 분석 기능에 대한 수요에 대응하여 EDA 소프트웨어 업계는 시스템 수준 설계 및 분석을 위한 다양한 솔루션을 제공해 왔으며, 그중 일부는 PCB 설계의 신호 무결성 분석 작업에 특화되어 있습니다.

이 가이드는 신호 무결성 분석을 위한 다양한 옵션과 각 기능을 개괄적으로 소개합니다. 일부는 시스템 수준 분석 도구이고, 다른 일부는 PCB에 특화되어 있습니다. 또한 일부 소프트웨어 옵션은 무료이거나 저렴한 반면, 다른 옵션은 엔터프라이즈급 사용자에게 더 적합합니다. 목표는 설계 요구사항, 예산, 그리고 전문성 수준에 맞는 최적의 선택지를 판단하는 데 도움을 드리는 것입니다.

신호 무결성 분석 소프트웨어의 유형

모든 신호 무결성 소프트웨어는 어떤 형태로든 시뮬레이션을 수행합니다. 회로 수준 시뮬레이션일 수도 있고, PCB 레이아웃에서 직접 수행하는 2D 또는 3D 시뮬레이션일 수도 있으며, 추출된 시뮬레이션 모델을 사용하는 선형 네트워크 형태일 수도 있습니다. 시뮬레이션이 수행되면, 소프트웨어는 엔지니어가 설계에서 발생 가능한 신호 무결성 문제를 이해하거나 예방할 수 있도록 분석 작업을 자동화합니다. 소프트웨어 패키지마다 가능한 분석 유형은 다르며, EDA 업계는 신호 무결성 분석을 위한 다양한 선택지를 제공합니다.

적절한 소프트웨어 도구를 사용하면 수행할 수 있는 신호 무결성 분석 작업은 매우 많습니다. 일반적으로 분석은 회로 분석, 선형 네트워크 모델링, 시스템 수준 모델링으로 구성됩니다.

회로 분석

이러한 시뮬레이터에서는 회로 모델을 설계하고 이를 사용해 신호 무결성을 이해합니다. 여기에는 신호가 부품과 어떻게 상호작용하는지, 그리고 설계 내 물리적 인터커넥트와 어떻게 상호작용하는지가 모두 포함됩니다. 전자의 경우 회로 분석은 구동 회로나 수신 회로가 신호를 어떻게 생성하거나 해석하는지를 이해하는 데 사용됩니다. 드라이버의 경우 목표는 왜곡을 방지하는 것이고, 리시버의 경우 회로가 데이터를 추출하고, 측정을 수행하며, 또는 신호를 적절히 종단할 수 있어야 합니다.

일반적으로 다음과 같은 SPICE 기반 시뮬레이터가 여기에 해당합니다.

• ngspice: 과도 응답, AC, 노이즈, 혼합 신호 회로 시뮬레이션을 지원하는 오픈소스 SPICE 엔진입니다.
• LTspice: 스위칭 레귤레이터와 아날로그 회로 지원이 강력한, 널리 사용되는 무료 SPICE 시뮬레이터입니다.
• Altium Designer: 회로도 편집기에서 직접 사용할 수 있는 통합 SPICE 시뮬레이션을 포함하며, LTspice 및 PSpice 모델을 포함한 여러 SPICE 모델 형식을 지원합니다.
• QUCS: AC, 과도 응답, S-파라미터, RF 시뮬레이션을 지원하는 회로도 기반 회로 시뮬레이터로, 아날로그 및 RF 회로 개발에 일반적으로 사용됩니다.

이러한 도구는 일반적으로 전체 시스템 수준의 신호 무결성 시뮬레이션에는 사용되지 않습니다. 대신 회로가 인터커넥트와 어떻게 상호작용하는지, 또는 회로 동작이 서로 다른 주파수 범위에서 신호 무결성에 어떤 영향을 미치는지를 평가합니다. 물리적 인터커넥트를 포함한 보다 포괄적인 신호 무결성 평가를 위해서는 선형 네트워크 분석을 제공하는 EDA 애플리케이션을 사용합니다.

선형 네트워크 분석

선형 네트워크는 시뮬레이션 모델로부터 구성되어 드라이버에서 리시버까지의 전체 인터커넥트 동작을 설명할 수 있습니다. 이러한 네트워크는 회로 모델, SPICE 모델 또는 회로 동작을 설명하는 S-파라미터 모델로부터 구성될 수 있습니다. 이러한 모델은 등가 회로, 전파(full-wave) 전자기 시뮬레이션 또는 현상론적 모델로부터 생성될 수 있습니다. 선형 네트워크 분석의 목표는 개별 인터커넥트 요소(커넥터, 트레이스, 비아 등)를 직렬로 연결해 신호 무결성 분석을 위한 전체 시뮬레이션 모델을 구축하는 것입니다.

많은 표준 시스템 수준 시뮬레이션 도구에는 선형 네트워크 기능이 내장되어 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

• Simbeor: GUI에서 Touchstone 파일과 회로 모델을 지원하여 SI 분석 수행
• pyBERT: 다른 EDA 도구와 동일한 분석을 지원하는 오픈소스 Python 패키지
• CST: 전파 전자기 시뮬레이터와 선형 네트워크 분석기를 포함
• Ansys: CST와 유사하지만 일부 분석 및 모델 구축 작업이 자동화됨
• Keysight ADS: PCB, 패키지, 시스템의 신호 무결성 분석에 널리 사용되는 애플리케이션
• MATLAB: 신호 무결성과 RF 설계를 위한 다양한 특화 패키지를 포함
• QUCS: Quite Universal Circuit Simulator(QUCS)는 다른 모델과 함께 Touchstone 파일을 사용해 신호 무결성을 분석할 수 있음
• FastMaxwell: 인쇄형 RF 회로와 같은 복잡한 3D 도체 구조에서 Touchstone 파일을 추출할 수 있는 오픈소스 시뮬레이터

일반적인 목표는 아이 다이어그램, S-파라미터 또는 과도 응답 시뮬레이션 결과와 같이 신호 무결성에 필요한 표준 분석 결과를 생성하는 것입니다. 이러한 시뮬레이션은 더 고급 시스템 설계 분석 애플리케이션으로 확장할 수 있으며, 이를 통해 시스템 동작을 훨씬 더 정확하게 설명할 수 있습니다.

시스템 설계 EDA 애플리케이션

시스템 수준 설계 도구는 동작 모델, 디지털 이퀄라이제이션, 프로토콜 인식 기능을 통합함으로써 선형 네트워크 분석 접근법을 확장하며, 이를 통해 설계자는 전체 통신 채널을 평가할 수 있습니다. 예를 들어 Keysight ADS와 같은 도구는 송신기 및 수신기 동작을 위한 IBIS 또는 IBIS-AMI 모델을 포함할 수 있어, 고속 SerDes 링크에서 이퀄라이제이션, 지터 허용도, 채널 규격 적합성 시뮬레이션이 가능합니다. 이러한 애플리케이션은 일반적으로 PCIe, Ethernet, USB와 같은 표준에 대한 채널 검증에 사용되며, 현실적인 채널 모델을 기반으로 S-파라미터, 아이 다이어그램, 비트 오류율 추정치를 생성합니다.

상용 및 오픈소스 시뮬레이터

신호 무결성 분석 도구는 시뮬레이션이나 측정에서 추출된 모델을 분석하는 데 도움을 주지만, 분석 애플리케이션에서 사용할 모델을 개발하려면 여전히 시뮬레이션 애플리케이션이 필요할 수 있습니다. 예를 들어 제안된 커넥터 설계를 분석하는 경우, 시뮬레이션 애플리케이션을 사용해 S-파라미터 모델을 Touchstone 파일로 추출한 뒤 분석 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다. 이러한 모델 추출에는 상용 및 오픈소스 시뮬레이터를 모두 사용할 수 있습니다. 아래 표에 이를 요약했습니다.

이러한 애플리케이션은 자동 또는 반자동 방식의 통합 기능으로 자체 분석 기능도 제공합니다. 일부 워크플로에서는 모델 추출과 신호 무결성 분석을 모두 수행할 수 있지만, 많은 설계 팀은 여전히 채널 검증과 시스템 수준 검증을 위해 전용 SI 분석 소프트웨어에 의존합니다.

신호 무결성을 위한 데이터 표시 및 분석 도구

신호 무결성 워크플로는 종종 Touchstone 파일(S-파라미터)을 가져오고, 시간 영역 또는 주파수 영역에서 결과를 플로팅하며, 리턴 로스, 삽입 손실 또는 아이 다이어그램과 같은 빠른 지표를 생성하는 도구에 의존합니다. Keysight PLTS나 HyperLynx 내부의 Touchstone 편집기 같은 상용 옵션은 세련된 GUI에서 이러한 기능을 제공하지만, 유료 라이선스가 필요합니다.

MATLAB은 일반적으로 S-파라미터 데이터를 분석하고, 아이 다이어그램을 생성하며, 사용자 정의 채널 시뮬레이션을 구현하는 데 사용됩니다. 무료 대안을 찾는 엔지니어에게는 GNU Octave가 최소한의 수정만으로 많은 MATLAB 스크립트를 실행할 수 있는 높은 호환성의 환경을 제공합니다. 또한 Octave는 QUCS에 통합되어 있어, 엔지니어가 회로 시뮬레이션 결과에 대해 직접 고급 후처리 및 데이터 분석을 수행할 수 있습니다.

MATLAB에서의 S-파라미터 시각화. [출처: MathWorks]

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자주 묻는 질문

신호 무결성 분석에 가장 적합한 소프트웨어는 무엇인가요?

단 하나의 “최고” 소프트웨어는 없습니다. 올바른 선택은 시뮬레이션 모델 구축과 분석 작업 실행에 필요한 자동화 수준에 따라 달라집니다. 일부 소프트웨어는 사용자에게 시뮬레이션 옵션, 모델 구축, 분석 작업 구성 측면에서 더 많은 제어 권한을 제공합니다.

PCB 설계 소프트웨어는 신호 무결성 분석을 지원하나요?

예, PCB 설계 소프트웨어는 신호 무결성 분석을 지원합니다. 이는 내장 기능을 통해 직접 수행되거나, 다른 시뮬레이션 애플리케이션에서 사용할 수 있도록 표준 데이터 형식으로 내보내는 방식으로 간접적으로 수행됩니다.

PCB에서 SPICE를 신호 무결성 분석에 사용할 수 있나요?

SPICE는 일반적으로 회로 수준 검증에 사용됩니다. 실제 전송선 모델이나 3D 전자기 시뮬레이터에서 추출한 인터커넥트 모델을 고려하지 않으므로, PCB 상의 실제 시스템 동작을 완전히 반영하지는 못합니다.

신호 무결성 분석에 3D 전자기 시뮬레이션이 반드시 필요한가요?

아니요, 모든 분석에 필요한 것은 아닙니다. 신호 무결성 분석의 맥락에서 3D 전자기 시뮬레이션은 전자기장을 직접 계산하거나, 선형 네트워크 분석에 사용할 모델을 추출하는 데 사용됩니다.