PCBInside

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

위 그림은 강하게 커플된 마이크로스트립(microstrip)에서 전형적인 NEXT와 FEXT를 보여준다.

가드 트레이스 통상 aggressor와 victim 사이이 패턴 폭 만큼의 spacing을 유지하며 삽입된다.

따라서 victim과 aggressor 사이의 거리(spacing)는 3 x width가 된다.

가드 트레이스에 사용되는 shorting via는 aggressor 신호 파장 1/10 간격으로 배치된다.

여기서, w = 5 mil, s = 5 mil로 하며, 사용되는 신호는 Tr = 100ps, 1V로 한다.

아래는 마이크로스트립(microstrip)에서 가드 트레이스가 있는 경우와 없는 경우,

그리고 가드가 있을 때, 터미네이션이 있는 경우와 없는 경우의 NEXT와 FEXT를 보여준다

아래는 스트립라인(stripline)의 경우이다.

다음은 가드 트레이스에 사용된 shorting via의 수를 달리한 경우를 보여준다.

파란색 - 9개, 연한 분홍색 - 5개, 녹색 - 3개, 진한 분홍색 - 양 끝만(2개)

via를 9개 이상 사용하는 것은 의미가 없다.

다음으로 아래 그림처럼 가드 트레이스의 길이가 커플링 영역보다 긴경에 대해서 살펴보자.

aggressor 신호의 Rt가 100ps인 경우 차이가 잘 보이지 않는다.

그러나, Rt를 50ps로 하면 길이 차이로 인한 효과가 잘 보인다(아래 그림)

커플링 영역 밖으로 확장된 길이를 더욱 크게 하면 100ps에서도 차이가 확연하다(아래 그림).

결론

1.  -50dB(0.3%) crosstalk 수준의 모든 고속 디지털 어플리케이션에서 guard trace는 필요없다. 이정도 crosstalk은 aggressor와 victim 사이 간격을 guard trace가 들어갈 정도로 벌려주는 것 만으로 달성할 수 있다.

2.  MS(Microstrip)에서, 끝에서만 trace가 터미네이션되거나 혹은 터미네이션되지 않은 guard trace가 사용된 경우, victim 라인에서 노이즈는 guard가 없는 경우보다 클 수 있다.

3.  잘 shorted 되더라도 guard trace는 이익이 별로 없다. shorting via를 사용하면 더 넓은 spacing을 필요로 하고 victim 라인은 더 멀어진다. 멀어지는 것 자체로 crosstalk은 더 줄어들게 된다.

4.  guard를 사용한 MS의 사용은 잠재적 이익은 거의 없고 바르지 않은 터미네이션의 위험을 제공한다. 민감한 라인은 차라리 SL(Stripline)을 사용해야 한다.

5.  SL에서, guard trace의 양 끝을 터미네이션 시키지 마라. 끝은 사용가능한 제일 작은 inductance via로 short되어야만 한다.

6.  guard trace에 대한 최적 구성은 양 끝에 shorting via를 사용하고 guard trace의 길이를 coupled region에 맞추는 것이다. SL 구조에서 사용될 때, 위와 같은 guard trace는 NEXT를 0.03%(-70dB isolation)이하로 줄인다. 이것은 guard가 없을 때의 0.3%(-50dB)와 비교된다. FEXT도 제거될 수 있다.

7.  coupling region 밖으로 guard trace를 확장시켜서 양 끝에 shorting via를 사용하는 것은 guard trace의 효과를 줄인다. 그것은 추가된 길이와 via의 유한한 inductance 때문이다.

자세한 것은 rise time과 라인의 dimension에 의존하므로, 실제 환경에서 guard trace의 실제 유용성을 확인하는 방법은 3D 시뮬레이션 밖에 없다.

* Dramatic Noise Reduction using Guard Traces with Optimized Shoring Vias, DesignCon 2013 내용 요악

Crosstalk (크로스토크)

두 개 이상의 신호선이 나란히 있을 때, 어떤 신호선에서 신호가 진행을 하면 인접한 다른 선에 미약한 신호(노이즈)가 발생하게 되는데, 이것을 ‘크로스토크’ 라고 한다. 신호선 둘 사이에는 전기적으로 기생 캐퍼시턴스와 상호 인덕턴스가 존재하는 데, 그 경로로 신호의 에너지가 새어 나가기 때문에 크로스 토크가 발생한다.

위 그림을 보면 쉽게 이해를 할 수 있다. 두 신호선을 멀리하게 되면(그림의 왼쪽) 기생 캐퍼시턴스와 인덕턴스가 줄어들게 되어 그만큼 새어나가는 에너지도 줄게 되고 크로스토크도 없어지게 된다. 일반적 신호선 굵기의 3배 이상을 띄우면 크로스토크가 거의 없다고 본다(3W 룰). 또한 서로 같이 달리는 구간의 길이를 짧게 하는 것도 크로스토크를 줄이는 방법이다.

신호선의 전기장 분포를 보면 신호선과 리턴 경로 사이에 가장 많이 분포를 하고 신호선과 멀어질수록 가우스 분포를 그리면서 줄어들게 된다(위 그림에서는 편의상 가우스 분포로 그리지 않았다). 전기장의 모양이 가우스 분포를 이룬다는 것은 리턴 경로에서 전류가 신호선 바로 아래에 집중되어 있다는 의미이다. 즉 리턴 경로에 아무리 넓은 도체를 사용한다 하더라도 실제로 리턴 경로로 사용되는 부분은 신호선 아래의 일부 영역뿐이다. 

인접 신호선으로부터 유기된 신호(노이즈)에 대해서 살펴보자. 유기된 신호는 원래 신호를 출발시켰던 쪽(NE; near end)과 신호의 목적지 쪽(FE; far end)으로 진행을 한다. NE 쪽에서는 유기된 신호가 크로스토크가 발생하는 구간의 2 배의 펄스 폭을 가진 신호를 목격하게 되고, FE 쪽에서는 펄스 폭은 원래 신호의 rise time이지만 크기는 NE보다 큰(크로스토크 구간에 비례하는) 신호를 목격하게 된다.

아래 그림은 크로스토크(xtalk) 상황에서의 파형을 보여 준다. t는 크로스토크가 발생하는 구간의 시간적 길이이다.