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One Port Self Impedance 측정

선택된 포인트에서 파워와 그라운드 plane 사이의 임피던스를 측정한다.

One Port Self Impedance 측정의 문제점

High reflection에서 VNA 정확도는 낮다.
Low-Z DUT와 직렬로 연결 불연속을 갖는다.
VNA의 uncertainty는 반사계수의 절대값이 대략 1일 다소 커진다.
    HP8720의 uncertainty는 반사계수의 절대값이 대략 1일 때 50~2000MHz에서 1.5%이다.
    → Impedance uncertainty는 0.357 ohm이다.
    → 측정 에러를 낮추려면, ZDUT는 ohms 범위가 되어야 한다.

Two Port Self Impedance 측정

S11 대신에 S21을 측정한다.
S21의 uncertainty는 작다.
ZDUT 대신에 Zp는 50ohm과 직렬이다.

Two Port Self Impedance 읽기

ZDUT = Z11 = S21 * 25ohm
    HP8720의 |S21| uncertainty:
        <1dB in the |S21| > -60dB range
        <3dB in the |S21| > -70dB range
    HP8720의 Impedance uncertainty:
        1dB(10%) for ZDUT > 25 mohm
        3dB(40%) for ZDUT > 8 mohm

ZDUT는 수십~수백 mohms 범위가 된다.

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

모든 스코프 프로브는 부착(extranous) 노이즈를 픽업 한다. 그 노이즈의 일부는 자체로 발생되고 다른 일부는 테스트 중인 시스템에 의해서 발생된다. 노이즈 있는 신호를 바라볼 때, 신호의 어떤 부분이 "실제"이고 어떤 부분이 노이즈와 상호 간섭에서 유도된 것인지 어떻게 말할 수 있는가? 단 하나의 방법이 있다. 그리고 그 방법은 그것을 포용하면 노이즈, 그라운딩, 디지털 시스템의 본성에 대한 놀라운 통찰로 인도한다.
노이즈와 상호 간섭을 직접적으로 측정하는 유일한 방법은 nothing(아무것도 없는 것) 측정을 시도를 하는 것이다. 실제 신호를 측정하는 것처럼 프로브를 위치하고 그라운드하고 그라운드 주변의 어떤 곳을 프로브의 팁으로 터치한다. 이 구성은 널 실험이라고 부른다. 이상적으로, 널은 0(zero, zip, nada, 또는 naught)을 볼 것이다.
실제로 관찰하는 것은 noise floor - 모두 중첩된 상호 간섭 노이즈 소스들 - 이다. 수직 평균과 트리거 회로 조합의 창조적 사용이 종종 거품의 바다 깊이 묻혀있는 작은 노이즈 효과를 떼어내어 특정한 관찰로 이끌 수 있다. 당신은 nothing 측정하는 것을 잘 다루는 것을 배울 수 있다.
이론적으로, 당신의 널 실험에서 프로브가 픽업하는 노이즈가 무엇이든 실제 신호에 그 노이즈가 중첩되어 나타날 것이다. 2개 의 주요한 소스가 당신이 보게되는 노이즈를 유발한다. 하나는 디지털 로직 그라운드와 스코프의 전기적 포텐셜 사이에 차이에 기인한 프로브 쉴드에 흐르는 전류이고, 둘째는 DUT와 프로브 또는 프로브 와이어링을 둘러싼 전자기장 사이의 상호작용이다.
전자(former) 소스가 얼마나 많은 노이즈를 만드는지 결정하기 위해서, 프로브가 그 자신의 그라운드를 연결한 채로 프로브와 프로브 그라운드는 DUT에서 완전히 떨어지게 한다. 그렇지 않으면 프로브 토폴로지를 널 실험과 유사하게 유지한다. 이 절차는 프로브 쉴드 전류를 제거해서 전자기장 픽업만 남게 한다.
프로브 쉴드 전류가 심각한 문제이면, 다리 하나는 신호에 다른 하나는 디지털 로직 그라운드에 한 채로 디퍼런셜 프로브를 시도한다. 디퍼런셜 프로브의 두 입력은 높은 임피던스를 갖기 때문에 - single-ended 프로브의 그라운드 연결 임피던스 보다 훨씬 높은 - 이 구성에서 매우 작은 쉴드 전류가 흐를 것이다.
후자 소스에 대해서, 먼저 그 노이즈가 DUT에서 나오는지 방의 어딘가에서 나오는지 결정한다. 프로브를 그 자산의 그라운드와 연결한 채 그러나 여전히 DUT로부터 연결되지 않은채 프로브를 들고 주변을 돈다. 프로브를 원인을 찾는 전자기장 탐지기로 사용한다. 때때로 형광등이나 다른 회로가 이런 구성에서 노이즈를 유도한다. 그렇다면 그것을 끈다.
전자기장 노이즈가 DUT로부터 오면, 스코프 프로브와 시스템 사이의 그라운드 연결 길이를 체크한다. 신호 소스로부터 프로브까지 그리고 뒤 돌아 프로브의 그라운드 연결까지 루프를 작게할수록 프로브가 수신하는 노이즈는 적다. 루프의 사이즈를 줄이면 널 실험 결과는 향상될 것이다.

EDN magazine, 2013.4.11. by Dr. Howawrd Johnson.

그림자를 이용해서 빌딩의 높이를 측정해 보라. 빌딩의 그림자는, 잘 해야, 왜곡되고, 어렴풋하고, 부정확하고, 때로는 완전히 틀리다. 그림자는 태양의 각도와 그림자가 드리우는 거리의 경사에 따라서 길거나 짧다. 전체 절차는 부정확한 효과들로 인해서 모호하다.

측량 기사의 트랫짓은 수평과 수직 각도 모드를 측정한다.

측정기사의 트랜짓(수평 각도를 측정하는데 사용되는 도구. 그림 참조) 레벨이 더 정확한 측정을 제공할까? 가능하다. 그러나 여전이 완벽하지는 않다. 트랜짓의 정확도는 장비의 레벨 세트, 오퍼레이터에 의해 조심스럽게 조절되는 프레임과 장비의 스포팅 스코프의 정렬, 장비와 빌딩 베이스 사이에 만들어진 기준 거리 등에 의존한다. 말한 것이 모두 되도 오퍼레이터는 빌딩의 높이를 실제로 측정할 수 없다. 그는 빌딩의 꼭대기 방향을 가리키는 스코프의 근사 위치를 보여주는 유니트의 옆에 볼트로 붙은 각도기의 숫자를 읽는다. 측정은 항상 이런 식으로 된다. 그들은 너가 알고자 하는 것을 드러내지 않는다. 단지 그것의 그림자를 드러낸다.
전압의 측정을 생각해보자. 농구공 만한 구형 도체를 취하고 명주실에 매 달아  땅과 비교하여 10,000V 이상을 대전한다. 너의 팔을 땅과 구체 사이에 벌리고 둘 중 어느것도 만지지는 않는다. 피부에 포텐셜을 느낄 수 있다. 그것은 팔의 털을 빠빳하게 서게한다. 구체가 높게 대전된 것을 알기 위해서 구체를 만질 필요는 없다.
이제, 가장 너의 가장 좋은 스코프 프로브를 같은 공간에 놓자. 그것은 반응하지 않을 것이다. 스코프 프로브는 전압 포텐셜에 반응하지 않는다. 그것은 그것의 천번째 단계 증폭기에서 흐르는 전류에 반응한다. 전류가 없으면 반응도 없다. 고 품질 FET 증폭기라하더라도 그것의 게이트 커패시턴스를 충전하는데 필요한 전류가 필요하다. 구체를 둘러싼 공기가 충분한 전류를 공급할 수 없기 때문에, 구체를 터치하지 않으면 프로브는 반응하는데 실패한한다. - 터치할 경우 즉각적으로 프로브는 파괴될 것이다.
전기적 엔지니어링 언어에서, 좋은 스코프 프로브는 프로브의 입력 임피던스가 DUT의 임피던스를 크게 초과할 때 의미있는 반응을 한다. 임피던스 조건이 맞지 않을 때, 구체 예처럼, 프로브는 경고를 주지 않는다. 그것은 단지 그것이 바라본 잘못된 대답을 주는 그림자만 리포트한다.
완벽한 세상에서, 너는 너의 프로브의 임피던스와 DUT의 임피던스 - 둘 다 주파수의 함수다 - 를 알 것이고 너의 결과에 주파수 의존적 수정 팩터를 적용할 것이다. 실제 세상에서, 그런 상황은 거의 발생하지 않는다.
여기 임피던스 조건을 테스트하는 실용적 방법이 있다. 같은 타입의 두번째 프로브를 준비한다. 첫번째 프로브가 DUT에 연결된 채로 두번째 프로브를 DUT의 같은 점에 적용한다. 두번째 프로브가 측정된 파형을 어떤식으로든 알수 있는 방법으로 변화시켜면, 첫번째 프로브가 아마도 최소한 같은 양의 변화를 유도했다고 가정할 수 있을 것이다. 신호 변화를 최대화하는 프로브를 찾을 때까지 다른 스타일의 프로브를 계속 시도한다. 그런 다음, 그 프로브에 노란 태그를 붙여서 "사용하지 마시오. 캘리브레이션 필요"를 말해준다. 그 방법으로, 좋은 프로브가 너가 다음에 그것을 필요로 할 때 lab에 계속 있을 것이다.

EDN magazine, March 19, 2013. by Dr. Howard Johnson.

측정을 하기 전에 반드시 프루빙 시트를 아래처럼 작성하고, 측정 시에 시트를 가지고 해야 한다.

측정 시트에는 측정 항목과 예상값이 반드시 있어야 하며, 날짜와 작성자가 있어야 한다. 그리고 측정 시에 참고할만한 사항들을 기록해 놓는다.

사진 및 그림은 Tektronic사와 Agilent사 홈페이지에서 퍼옴.