PCB 품질 검증을 위한 시간 영역에서 크로스톡 측정 방법

크로스톡은 다음 몇가지 요소에 의존한다.
  로직 패밀리, 보드 디자인, 크로스톡 모드(리버스 또는 포워드), 공격자와 희생자의 양 끝 단 터미네이션 등

크로스톡을 측정하고 분석하려면, 주파수 영역 기술을 사용해서 EMI 제한 레벨과 관련된 주파수 스펙트럼에 위치한 클럭 하모닉을 관찰한다. 그러나, 상승 시간이 10% 에서 90% 레벨인 디지털 신호 에지를 시간 영역에서 측정하는 것은 다음과 같은 장점을 제공한다.

• 디지털 신호의 에지 속도 또는 상승 시간이 직접적으로 각 주파수에서 하이 레벨이 어떤지 묘사한다.

• 신호 에지(상승 시간)에 의한 속도 정의는 또한 크로스토크 메카니즘을 설명하는데 도움을 준다.

• 상승 시간은 아래 설명될 무릅 주파수(knee frequency)를 바로 계산하는데 사용된다.

디지털 신호의 주파수 영역 분석은 무릅 주파수보다 높은 주파수에서 신호는 감쇄해서 크로스톡에 영향을 별로 주지 않는다. 반면 무릅 주파수 아래에서는 회로 동작에 영향을 줄 충분한 파워를 갖는다.

Fknee = 0.5 / Trise

크로스톡 모델

신호가 공격자에 전파되면, 상호 커패시턴스와 상호 인덕턴스를 통해서 희생자에 크로스톡 전압이 나타난다. 나타난 신호는 공자자의 펄스 상승 시간과 같은 펄스 폭을 갖는다. 희생자에서 펄스는 2개로 나뉘어서 각각 반다 방향으로 전파된다.

PCB에서 크로스톡을 최소화하려면 커패시턴스와 인덕턴스 사이에 균형을 찾아야 한다. 즉 제어된 임피던스 전송선이 되어야 한다.

크로스톡 특성화

효과적인 측정을 위해서 20GHz 광대역 오실로스코프를 사용한다. DUT 구동은 고 품질 펄스 생성기 출력을 사용한다. 출력 펄스 상승 시간은 오실로스코프 대역보다 작거나 같아야 한다. 고 품질 케이블과 터미네이션 저항 그리고 어댑터 등을 사용한다. 80E40 샘플링 모듈이 설치된 텍트로닉스 8000B 시리즈는 크로스톡 측정에 적합하다. 80E40은 17ps 상승 시간, 250mV 크기, 50ohm 소스 임피던스인 TDR 스텝 생성기를 포함한 2채널 샘플링 모듈이다.

포워드 크로스톡을 측정하기 위해서 모든 라인은 터미네이션 되어 반사를 제거해야 한다. 셋업은 다음 그림과 같다.

측정된 결과는 다음 그림과 같다.

측정된 네거티프 펄스(C4)는 48.45 mV 크기를 갖는다. 공격자 크기가 250 mV이고, 크로스톡이 대략 50mV 이므로 빠른 에지가 20%의 크로스톡을 유발하였다. 이 크로스톡은 실제 로직 패밀리보다 크게 표현된다. 만약 1.5ns CMOS 게이트로 신호가 구동 되었다면 크로스톡 펄스는 더 넓고 낮아질 것이다. Math 기능을 사용해서 (신호) 획득 후 로우 패스 필터를 적용한다. M1 파형(흰색)이 그 결과를 보여 준다. M1의 수직 세팅이 필터되지 않은 파형보다 10배 더 센시티브하게 설정되어 있다.

빨간 파형(R3)은 노란색 느린 펄스(R2)에 의해 유발된 크로스톡이다. 흰색 파형(R4)은 빠른 녹색 TDR 펄스(R1)에 의해 유발된 크로스톡 이다. 파란색 파형(M1)은 흰색 파형을 필터해서 펄스 상승 시간을 느리게 한 것이다.

리버스 크로스톡만 측정하기 위해서 모든 라인은 터미네이션 되어 반사를 제거해야 한다. 셋업은 다음 그림과 같다.

측정된 결과는 다음과 같다.

크로스톡은 대략 10mV로 4% 이다. 흰색과 파란색 파형은 포스트-필터 크로스톡과 슬로우 펄스 크로스톡을 보여 준다. 둘다 6.5mV 크기를 갖는다. 상승 시간과 비교한 라인의 길이가 크기를 결정한다. 여기서는 상승 시간이 라인길이보다 길어서 최대 크기에 도달하지 못했다. 아래 그림은 200ps 상승 시간을 갖는 생성기 DG2040과 17ps 상승 시간을 갖는 80E04를 보여준다.

같은 전압 스케일(5 mV/div)이다. 공격자의 상승 시간은 상승 시간이 라인보다 길지 않다면 리버스 크로스톡에 영향을 주지 않는다.

터미네이션 영향

위에 기술된 것처럼 모든 사용되지 않는 라인을 터미네이션 하는 것이 노이즈 레벨을 최저로 유지시킨다. 그렇지 않으면 이 라인들에서의 크로스톡 펄스가 커플되어 2차 크로스톡을 만든다.

희생 라인에서 낮은 임피던스 소스의 경우 - 예들 들어 ECL 게이트로 구동되는 경우 - 를 설명하기 위해서 희생 라인을 short 터미네이셩으로 설정했다(위 마지막 경우).

텍트로닉스 어플리케이션 노트 “Time Domain Methods for Measuring Crosstalk for PCB Quality Verification”에서 발췌 요약