PCBInside

홀의 직경과 길이 사이의 관계. 예들 들어, 제조사가 자신들의 제품의 어스펙트 레이시오가 8:1 이라고 말하면, PCB 두께가 1.6mm이 때 홀 직경이 0.2mm 인 것을 말한다. HDI 구조에서, 마이크로비아에 적당한 어스펙트 레이시오는 도금에 대한 편의를 위해 주로 0.8:1이 선호 된다.

그림 출처: http://www.ncabgroup.com

반도체 IC의 공정 능력을 표현할 때 트랜지스터의 게이트 폭을 언급한다. 예들 들어 14nm 공정아라 하면 트랜지스터 게이트 폭이 14nm라는 의미이다. 작을수록 더 진보된 공정이라 볼 수 있다. PCB에서는 이와 유사한 개념으로 aspect ratio를 말한다. 요즘 진보된 공정은 1:35정도를 보여 준다.

그라운드란?

  1. earth를 통하는 전류 리턴 경로

  2. 에너지 소스로 전류를 돌려보내는 경로의 한 종류

                        earth ground 심볼

Earth 그라운드 개념

전기 시스템의 초기 개발자들은 땅이 전기적으로 중립체(neutral body)라는 것을 이론화 했다. 주워진 시간에 땅을 통해 분포하는 양과 음의 전하의 수는 같다. 전기적으로 중립이기 때문에 0 전위로 생각될 수 있고 전압 측정에서 편한 기준으로 삼았다. 전압기가 단지 두 점간의 전위 차이를  읽는다는 것을 알면, 절대 측정은 땅을 기준으로 할 수 있다.

National Electrical Code의 정의에 의하면, 진짜 earth ground는 최소 8피트(2.4m)의 깊이로 땅에 도체 파이프나 막대기를 물리적으로 구성해야 한다. 아래 그림은 이 개념을 보여주며, 여기서 땅은 발전 시스템의 최저 전위 점으로 도전 전류 리턴 경로로 사용된다.

                       그라운드를 전류 리턴 경로로 사용하는 전송 시스템

전형적인 전원 공급 장치 그라운딩 에러

아래 그림은 전공 공급 장치의 전면 패널이다. 전원 공급 장치는 가변 전원 배터리로 표현되었다. +, -, ground 3개의 단자가 있다. Ground 단자는 장치의 케이스에 연결되어 있고, 장치는 실제 earth에 연결되어야 한다. + 단자와 ground 단자는 에너지 소스(배터리)에 대한 전류 리턴 경로를 완성하지 못해서 전류가 흐를 수 없다.

리턴 경로를 완성하기 위해서 + 단자와 - 단자가 사용되어야 한다.

- 단자를 리턴으로 사용하는 + 전압 공급 장치와 + 단자를 리턴으로 사용하는 - 전압 공급기를 연결해서 부하 전류에 대한 공통 리턴 경로를 형성할 수 있다.

이 공통 리턴이 회로도에서 그라운드로 보일지라도, 그것은 공통, 부동, 또는 리턴 이다.

전류 리턴 경로 심볼의 예

에너지 소스로의 전류 리턴 경로가 꼭 earth ground일 필요는 없다. 그것은 단순한 와이어, 금속 샤시, 인클로저 등이 될 수 있다. 리턴은 모든 경우에 있어서 최저 전위 점이기 때문에, 땅은 회로 전압 측정에 있어서 편한 기준이다.

Earth 그라운드를 사용해서 쇼크 위험 보호

높은 전압이 요구되고, 샤시 그라운드나 메탈 프레임이 리턴 경로로  사용되는 경우, 그라운드가 소홀하면 위험한 조건이 만들어질 수 있다. 부하 회로가 메탈 인클로저를 샤시 그라운드로 사용할 때, 인클로저와 earth 그라운드 사이에 높은 전압을 초래하는 저항성 누설 경로가 존재할 수 있다. 무심코 earth-ground된 물체인 수도관과 인클로저를 동시에 만지면, 심각한 쇼크를 유발한다. 그런 조건이 아래에 있다.

                       누설 경로에 의해 쇼크 위험이 만들어진다

아래 그림에서 earth 그라운드가 부하 인클로저에 연결되어, 수도관과 인클로저가 같은 전위를 갖게해서 쇼크 위험을 없앤다. 유사한 위험 조건이 가전 제품의 설치에서도 나타날 수 있다. 이것 때문에 세탁기나 건조기 같은 가전제품 프레임이 earth 그라운드에 연결되어야 한다.

                   쇼크 위험을 없애기 위해 earth ground를 사용한다

그라운딩 고려사항

가장 공통된 노이즈 문제는 좋은 그라운딩 실현이 부족한 큰 규모의 전자 시스템에서 나타난다.

그라운드 연결에 몇 개의 지점이 사용되면, 지점 간의 전위 차가 전압을 읽는 것에 에러를 일으키는 "그라운드 루프" 문제를 유발할 수 있다. 아래 예에서는 2개의 분리된 새시 그라운드가 사용되었다. Vg는 에러 전압을 나타낸다.

                                        그라운드 루프 생성

그라운드 루프가 존재하거나 그라운드가 빠진 것에 대해 공통된 신호는 회로에 유도된 파워 라인(60Hz) 노이즈를 나타낸다. 복잡한 전자 시스템에서 그라운드 루프를 찾고 제거하는 것은 어렵고 좌절할만한 일이다. 이것은 많은 경험을 통해 얻어지는 전문적인 것을 요구한다. 이것이 많은 경우에 그라운딩을 "흑마술"이라고 부르는 이유이다.

기본 그라운딩 연습

  a. 회로 그라운딩

이상적인 "단일 점 그라운드" 개념은 그라운드 루프가 만들어지지 않게 보증한다.

                                단일 점 그라운드 개념

  b. 그라운드 버스

단일 점 그라운드에 대한 적절한 대체로 버스 바를 사용할 수 있다. 버스 바는 전원 공급 장치에서 부하로 최대 전류를 전달할 수 있는 저항이 낮은 두꺼운 와이어나 구리이다. 버스 바는 회로를 따라서 확장되어 다양한 지점에서 편리하게 연결될 수 있다.

                                    버스 바 리턴

  c. 디지털/아날로그 그라운드

분리돼어야 하고 한 점에서만 연결한다.

전이(transition)와 합성곱(convolution) 시뮬레이터는 그 동작에 있어 스파이스(SPICE)와 비슷하다. 그것들은 해석하려는 회로의 전류와 전압의 시간 의존성을 표현하는 편미분 방정식 세트를 푼다. 결과는 시간, 가능성, 스윕 변수에 대한 비선형 분석이다.
전이와 합성곱 옵션 사이의 주요 차이는 아래에 논의되는 회로의 분포(distributed)되고 주파수 의존적인 요소를 각 해석이 어떻게 특성화 하느냐에 달려있다.

전이(트랜지션) 해석
전이 해석은 완전히 시간 영역에서 수행된다. 그래서 마이크로스트립 요소나 s-파라미터 요소 같은 분포된 요소의 주파수 의존적 행동을 고려할 수 없다. 따라서, 전이 해석에서, 그런 요소는 단일 (lumped) 등가, 분산 (dispersion )이 없고 일정한 손실을 갖는 전송선, 쇼트 회로, 오픈 회로같은 단순하고 주파수 독립적인 모델로 표현되어야 한다. 이런 가정과 단순화는 저주파에서 매우 합리적이다.

합성곱(컨벌루션) 해석
합성곱 해석은 모든 분포된 요소를 주파수 영역에서 표현한다. 따라서 그것들의 주파수 의존적 행동을 고려한다. 많은 RF와 마이크로웨이브 분포 요소의 특성화는 주파수 영역에서 가장 잘 완성된다. 왜냐하면 이 요소들에 대한 정확한 시간 영역 등가를 항상 얻을 수는 없기 때문이다.
합성곱은 모든 분포된 요소로부터 주파수 영역 정보를 시간 영역으로 변환 한다. 이때 이런 요소들의 임펄스 응답의 결과를 효과적으로 얻는다. 요소 단자의 시간 영역 입력 신호는 그 요소의 임펄스 응답과 엮여서 출력 신호를 만든다. 비선형 요소를 포함해서 정확한 단일 등가 모델을 갖는 요소는 임펄스 응답을 사용하지 않고 시간 영역에서 완전히 특성화될 수 있다.

노트. 합성곱 해석에서, 정확한 시간 영역 모델 또는 합성곱 중 하나를 사용해서 모든 요소가 완전 주파수 영역 모델로 특성화 될 수 있다. 그러나, 합성곱 시뮬레이션의 결과와 같은 회로의 전이 시뮬레이션 결과 사이에 작은 차이가 있을 수 있다.

전이/합성곱 시뮬레이션 처리 과정
1.  사용자가 시간 스윕 범위, 허용 오차, 반복(iteration) 제한 등을 규정한다.

2.  0 시점에서 시스템 솔루션을 결정하기 위해 DC 해석을 수행한다.

3.  시뮬레이터 내부에서, 중단점 테이블이 만들어져서 주파수 영역 장치와 데이터를 다룬다. 독립 소스 파형은 프로그램 계산 시간 단위와 일반적으로 일치하지 않는 뾰족한 전이를 자주 갖는다. 불연속 선형 (piece wise linear) 소스 같은 경우가 그렇다. 중단점 테이블은 독립 소스의 모든 전이 점의 정렬된 리스트를 포함한다. 시뮬레이션 동안, 다음 시간 점이 중단 점의 하나와 충분히 가까울 때마다 시간 간격이 조정되서 정확한 중단 점에 앉착한다. 이것은 전이 주변에서 불필요한 시간 간격 감소를 예방한다.

4.  내부 제어 변수는 현재 시간을 업데이트하고 독립 소스의 값이 그 시간에서 계산된다.

5.  수치 반복을 통해서 방정식 시스템을 풀기 위한 시도가 이루어진다. 반복 수가 max iterations per time point를 넘으면, 시간 점이 줄어든다. 새로운 시간 점이 받아들여질만 하면 해석은 4 단계를 반복한다.

6.  수렴을 따라, 국부 반올림 에러가 계산된다. 특별한 설정이 없으면 에러를 예측하기 위해 기본 trapezoidal 반복 법이 사용된다.

7.  시간 단위 간격이 계산된다. 기본으로, 시간 단위는 반올림 예측 법을 사용해서 계산된다.

8.  에러 오차는 국부 반올림 에러 오버예측 요소에 있는 값과 비교된다. 에러가 허용제한 안에 있으면 결과가 저장되고 해석은 다음 시간 점에서 계속된다.  그렇지 않으면 해석은 더 작은 시간 단위에서 반복된다.

9.  사용자가 규정한 시간 스윕 때까지 단계 3에서 9까지 반복된다.