신호 무결성이란 무엇인가요?

오늘날 사용되는 많은 PCB 레이아웃과 라우팅 지침은 심지어 중간 속도의 신호 및 장치에 대해서도 신호 무결성을 보장합니다. PCB 설계가 처음이며 신호 무결성 문제를 경험한 적이 없다면 설계에서 신호 무결성을 보장한다는 개념이 난해하게 느껴질 수 있습니다. 최신 PCB에서는 많은 문제가 발생할 수 있는데, 이는 몇 가지 간단한 레이아웃 조치로 해결하거나 예방할 수 있습니다. 신호 무결성 조치는 디지털 신호나 아날로그 신호가 전파 중에 왜곡되지 않고 상호 연결을 통해 이동하는 동안 복구될 수 있도록 PCB 레이아웃에서 이러한 문제를 식별하고 수정하는 데 초점을 맞춥니다.

이 가이드에서는 PCB 레이아웃에서 발생할 수 있는 신호 무결성 문제와 이를 해결하는 데 도움이 되는 기본적인 솔루션 몇 가지를 개략적으로 살펴봅니다. 설계 초기부터 이러한 기본 사례를 구현하면 기판이 라우팅된 후 신호 무결성을 훨씬 더 쉽게 보장할 수 있습니다.

• 신호 무결성의 기초
• 임피던스와 라우팅의 중요성
• 신호 무결성 문제 식별하기

신호 무결성의 기초

PCB 레이아웃 및 라우팅에 신호 무결성 조치를 구현하는 가장 단순한 이유는, driver 부품에서 수신기로 신호가 전송될 때 신호가 저하되지 않도록 보장하기 위함입니다. 즉 상호 연결의 끝에 나타나는 신호가 상호 연결의 시작 부분에 주입된 신호와 일치하도록 보장해야 합니다. 신호가 실제로 왜곡되는 것은 아니지만, 몇 가지 기본적인 조치를 취하면 receiver가 항상 올바른 신호를 등록하도록 잠재적인 신호 왜곡을 최소화할 수 있습니다.

몇 가지 표준 설계 조치는 이를 보장하는 데 도움이 됩니다. 이러한 조치는 회로도 캡처 및 레이어 스택 설계 중에 시작됩니다. 실제로 신호 무결성, 전원 무결성 및 EMI/EMC 문제 대다수는 전원, 접지 및 라우팅에 대한 적절한 스택업 설계 및 레이어 할당을 통해 해결할 수 있습니다. 이외의 간단한 솔루션으로는 적절한 커패시터를 선택하고, 임피던스를 계산하고, 단일 종단 대 차동 트레이스의 한계를 이해하는 방법이 있습니다.

신호 무결성에 대해 걱정해야 하는 때는 언제인가요?

기술적으로 모든 설계에는 일부 신호 무결성 문제가 있지만, 이러한 문제는 보통 고속 디지털 신호 또는 고주파 아날로그 설계를 작업하기 전에는 제품의 기능을 방해하거나 과도한 노이즈를 생성하지 않습니다. 이러한 경우, 다음을 비롯한 여러 가지 문제를 고려해야 합니다.

• 신호 반사를 방지하기 위한 정확한 임피던스 계산
• 긴 상호 연결에서 전파 중 손실 및 분산
• 빠른 스위칭 디지털 신호로 인한 크로스토크
• EMC 테스트에서 강한 노이즈로 나타날 수 있는 과도한 복사 손실
• 과도한 인덕턴스(접지 바운스)로 인한 디지털 신호의 오버슈트 및 언더슈트
• 기생 성분을 통한 고주파 신호 커플링
• 섬유 직조로 인한 스큐 및 공진 신호 손실
• 무작위 Edge전환 변동 또는 SI/PI/EMI 문제로 인한 Jitter
• 상호 연결 길이에 따른 구리 거칠기로 인한 추가 손실

고주파에서 작동하거나 고속 디지털 보드에 사용되는 보다 빠른 스위칭 속도에서 작동 시 이러한 문제를 해결하기가 더 어려워집니다. 이러한 문제로 인해 설계가 실패하지 않도록 몇 가지 간단한 설계 단계를 통해 신호 무결성을 보장할 수 있습니다.

스택업으로 시작하기

신호 무결성을 보장하기 위해 중요한 한 가지는 접지를 명확하게 정의하고, 라우팅 중 접지를 주요 트레이스 가까이에 유지하는 것입니다. 적절하게 설계된 스택업, 전원 및 접지면 선택, 신호 레이어 지정을 통해 대부분의 EMI 및 신호 무결성 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 적절한 스택업 설계는 전원 무결성에도 매우 중요하고 긍정적인 효과를 미칩니다.

아래는 교류 신호, 전원 및 접지 계층을 포함하는 일반적인 배열입니다. 이 사례의 설계는 신호 레이어에 인접한 접지 레이어를 사용하여 차폐, 저임피던스 복귀 경로 및 제어된 임피던스 라인(스트립라인 또는 마이크로 스트립)을 정의하는 기능을 제공합니다. 잘 정의된 트레이스 임피던스 및 접지 근거리 신호로 저임피던스 복귀 경로를 제공하면 반사를 방지하고 EMI 방출 및 수신을 줄이며 다른 레이어의 신호를 차폐할 수 있습니다.

마이크로 스트립이나 스트립라인 또는 동일 평면 배열의 레이어 두께가 디지털 또는 아날로그 신호의 손실에 영향을 미친다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 고속/고주파 신호를 지원해야 하는 신호 레이어에서 유전체 두께를 신중하게 선택하면 위에서 언급한 손실의 한 가지 측면을 해결할 수 있습니다. 또한 노출된 트레이스의 재료와 도금 재료를 적절하게 선택하면 정밀한 신호 무결성이 필요한 mmWave 설계 등 고주파수에서 손실을 줄일 수 있습니다. 이러한 조치를 종합적으로 실시하면 신호가 상호 연결의 끝으로 라우팅될 때 신호의 손실을 줄일 수 있습니다.

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임피던스와 라우팅의 중요성

스택업을 결정하고 중요한 부품을 배치한 후에는 트레이스를 라우팅하여 레이아웃을 완성합니다. 디지털 인터페이스 및 고주파 아날로그 신호에 사용되는 신호 표준은 임피던스 요구 사항을 규정합니다. 신호 무결성을 보장하고 고속 채널에서 문제를 예방하기 위해 이러한 요구 사항을 준수해야 합니다. 라우팅 중 PCB에서 다음과 같은 트레이스의 몇 가지 중요한 기하학적 품질에 유의해야 합니다.

• Single-ended 및 디퍼런셜 임피던스
• 디퍼런셜 페어에 대한 일관된 간격 및 길이 일치 허용 오차
• 접지된 비아와 균일한 평면을 사용하여 경로 전체에서 좁은 복귀 경로 보장
• 고주파(수십 GHz)에서 전환 및 과도한 벤드를 통한 최소화
• 최고 속도/주파수 경로의 스터브를 통한 제거

처음 두 지점은 경로의 임피던스가 관련 신호 표준에서 규정하는 설계 값을 벗어나지 않도록 설계되었습니다. 세 번째 지점은 고속/고주파 신호에 의해 생성된 복귀 전류가 낮은 인덕턴스를 갖도록 하여 EMI 및 노이즈 커플링을 해결합니다. 마지막 두 지점은 경로의 모든 임피던스 불연속성에서 손실과 반사를 제거해야 할 필요를 해결합니다. 커넥터 및 비아와 같은 요소의 입력 임피던스는 필수 임피던스 값을 벗어날 수 있으므로, 이러한 목표값이 설계에서 충족되도록 설계 규칙이 사용됩니다.

PCB 설계 소프트웨어의 라우팅 도구를 사용하면 라우팅 요구 사항을 설계 규칙으로 인코딩하여 임피던스, 간격, 비아 수 및 복귀 경로 목표를 충족할 수 있습니다. 신호 무결성이 낮아질 수 있으므로 백드릴링은 가장 빠른 디지털 신호에만 적용해야 하며, 백드릴링의 필요성을 제거하기 위해 일부 대체 라우팅 체계를 구현할 수 없는 경우에만 적용해야 합니다. 종합하면 이러한 조치는 아이 다이어그램의 기호 간 간섭과 일치하지 않는 전송 라인의 정재파처럼 반사로 인해 발생하는 문제를 해결할 수 있습니다.

신호 무결성 문제 식별하기

시뮬레이션 또는 측정에서 신호 무결성 문제를 식별해야 합니다. 가장 좋은 방법은 프로토타입을 만들기 전에 신호 무결성 문제를 식별할 수 있도록 설계 프로세스 중에 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 자주 사용되는 방법 중 하나는 설계를 대량 생산하기 전에 측정을 수행할 수 있도록 해당 설계의 테스트 보드를 만드는 것입니다. 어떤 방법으로 신호 무결성 문제를 식별하든, 이러한 작업을 완료한 후에 설계의 대량 생산에 돌입해야 합니다.

라우팅 중 시뮬레이션

설계 단계에서 몇 가지 고급 ECAD 패키지로 간단한 시뮬레이션을 실시하여 신호 무결성 문제를 식별할 수 있습니다. 함께 실시할 수 있는 두 가지 표준 시뮬레이션은 누화 파형 계산과 링잉/반사 파형입니다. 두 시뮬레이션 모두 PCB 레이아웃의 구동 컴포넌트용 로직 제품군 정의를 필요로 합니다(데이터시트에서 확인 가능). 이러한 시뮬레이션은 종단과 상호 연결 간 간격의 효과성을 매우 명확하게 보여주는데, 이는 상호 연결의 과도 응답에서 나타납니다(아래 참조).

이외에도 라우팅 중에 확인해야 할 사항은 다음과 같습니다.

• 오버슈트 및 언더슈트
• 스위칭 중 상승 시간/하강 시간
• 병렬 버스 및 디퍼런셜 페어의 스큐
• 복귀 경로 연속성

이러한 지점은 PCB 설계용 고급 ECAD 패키지의 온라인 시뮬레이션 도구로 확인할 수 있습니다. 설계가 라우팅되면 애플리케이션 내 시뮬레이션 도구를 사용해 이러한 지점을 계산하여 각 상호 연결의 신호가 노이즈 마진 내에 있고 receive 부품에서 볼 때 필요한 응답을 갖도록 할 수 있습니다. 설계 프로세스 초기에 이러한 문제를 식별하면 여러 신호 무결성 문제를 조기에 해결할 수 있으며, 많은 시간이 소요되는 복잡한 재설계를 방지할 수 있습니다.

신호 무결성 테스트

신호 무결성을 평가하기 위해 수행할 수 있는 테스트는 실로 다양하지만, 디지털 설계에 가장 중요한 두 가지 테스트는 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용한 S-매개변수 측정과 표준 테스트 비트 스트림을 사용한 eye 다이어그램 테스트입니다. S-매개변수 측정에 대한 시간 영역 대응은 시간 영역 반사율 측정으로, 상호 연결 또는 DUT에 펄스를 공급하기 위해 특수 장비를 필요로 합니다. 일반적으로 eye 다이어그램과 비트 오류율 계산은 오실로스코프로 수행하지만, 일부 VNA는 eye 다이어그램 생성이 가능합니다.

eye 다이어그램 측정치와 산출된 비트 오류율은 디지털 채널 평가에 중요합니다. 이러한 수치는 Jitter, 신호 반사로 인한 ISI, 손실, 이퀄라이제이션을 통한 보상의 필요성을 정량화할 수 있는 측정을 종합적으로 제공합니다. 이러한 측정에서 일부 간단한 설계 변경 사항을 파악할 수 있으며 도출된 신호 무결성 기준을 다른 시뮬레이션 또는 계산과 비교할 수 있습니다. 

S-매개변수와 기타 네트워크 매개변수 시뮬레이션 또는 측정은 주파수 영역에서 실시합니다. 이를 통해 설계의 최대 가능 데이터 속도, 전송 주파수, 손실, 임피던스 불일치로 인한 반사를 검증할 수 있습니다. 긴 상호 연결에서 더 중요한 양은 S21 또는 삽입 손실입니다. 이러한 채널은 유전체, 구리 및 방출 손실에 의해 지대한 영향을 받기 때문입니다. 짧은 채널에서 더 중요한 양은 S11 또는 복귀 경로입니다. 짧은 길이 또는 중간 길이의 채널에서는 강한 반사 및 공진이 발생할 수 있기 때문입니다.

• 신호 무결성 분석의 기본 작업에 대해 자세히 알아보기

SI, PI 및 EMI/EMC에 대한 더욱 복잡한 시뮬레이션

레이아웃이 완성되어 최종 완료할 준비가 되면 개별 상호 연결뿐 아니라 시스템 전체를 살펴볼 수 있는 고급 시뮬레이션 도구로 설계를 검토해야 합니다. 이러한 시뮬레이션 패키지는 완성된 PCB 레이아웃에서 데이터를 가져와 Maxwell의 방정식으로 직접 전자기 필드를 계산합니다. 표준 기계 파일 형식(IDX) 및 특수 시뮬레이션 데이터 파일 형식을 사용하여 설계 데이터를 외부 시뮬레이션 프로그램으로 가져올 수 있습니다. 이를 통해 프로토타입 제작 및 생산 전에 EMI/EMC, PI 및 시스템 수준의 SI 문제를 식별할 수 있습니다.

• 시뮬레이션을 사용하여 근거리 EMI를 식별하는 방법 자세히 알아보기
• 클라우드를 통해 시뮬레이션 데이터를 공유하는 방법 자세히 알아보기

Altium Designer®의 모든 PCB 레이아웃 도구를 사용하면 PCB 라우팅이 훨씬 쉬워집니다. Altium Designer의 통합 설계 규칙 엔진이 트레이스 배치 시 라우팅을 자동으로 확인합니다. 이를 통해 기판을 완성하기 전에 오류를 찾아 제거할 수 있습니다. 또한 모든 Altium Designer 사용자는 프로젝트, 부품 데이터, 제조 데이터 및 기타 프로젝트 문서를 저장하고 공동 작업자와 공유할 수 있는 Altium 365™의 전용 작업 영역에 액세스할 수 있습니다.

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