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고속 커넥터시스템 디자인

테스터 픽스쳐 디자인

디자인 검증:

• 디자인이 일단 만들어지면, 테스트 픽스쳐가 디자인 되고 만들어져 커넥터 성능을 검증한다. 많은 종류의 픽스쳐가 있지만, 우리 논할 것은 인터커넥트를 테스트하기 위해 디자인 되자인된 것이다. 시스템 레벨 테스팅은 다른 종류의 픽스쳐에서 실행될 필요가 있다.
• 테스트 보드가 데이터 정확도의 키 이기 때문에, 사용될 보드 물질의 전기적 성능을 이해하는 것은 중요하다. 모든 물질이 고속 측정에 적합한 것은 아니다.

PCB 물질:

• 주파수 vs. 손실
  - 1GHz 이하 대역폭
  copper 손실이 주요하다.
  Skin effect 손실은 주파수의 제곱근에 비례한다.
  - 1GHz 이상 대역폭
  유전 손실이 copper 손실을 압도한다.
  매우 높은 주파수에서 전류 crowding은 이떤 지오메트리에 영향을 줄 수 있다.
• 고주파에서 유전 물질의 성능은 큰 영향을 준다.

FR406 vs. Nelco 13SI

• 벤더와 규정 방법에 따라 표준 FR4 손실 탄젠트는 0.035에서 0.012의 범위를 갖는다.
  이것은 매우 큰 범위이다.
  규정은 종종 보증되지 않는다.
• Nelco 13SI는
  보증된 속성을 제공한다.
  손실 탄젠트가 0.009이다.
  40% 정도 더 비싸다

12인치 스트립라인에서 Insertion Loss 대 물질

R406 vs. Nelco 13SI 결론

• 2GHz 이하에서 손실 차이가 최소이다(< -0.083 dB/in)
• 2.5와 3.125 Gbps 데이터 레이트에서 최소 성능 향상
• 5와 10Gbps 데이터 레이트에서 성능 향상(>0.166 dB/in)을 볼 수 있다. 

최종 테스트 픽스쳐:

최종 픽스쳐는 6층 buried microstrip 디자인을 사용해서 만들어졌다. 테스트 대역폭을 확장하기 위해서 소유중인 SMA 런치가 사용되었다. 게다가 픽스쳐에 캘리브레이션 트레이스를 포함해서 픽스쳐 손실을 정의하고 전체 측정에 기여를한다.

디자인의 일부로서 모델링

모델링은 결정적이다:

• 디자인의 복잡성 때문에 모델링은 디자인 사이클에서 결정적이다.

• 많은 종류의 모델링 소프트웨어가 오늘날 존재하고 작게는 $5,000부터 $80,000에 구입할 수 있다.

• 고속 디자인을 위해, 지금 말한 것 같은 대한 full structure modeler는 3D로 맥스웰 방정식을 푼다.

• Ansoft HFSS와 CST Microwave 같은 전형적인 3D 모델 패키지는 오늘날의 어려운 고속 디자인을 다룰 수 있는 2개의 소프트웨이이다.

• 모델링에 관한 하나의 key fact: 모델은 그것이 어떻게 설정되었느냐에 따라서 바를 수도 혹은 바르지 않을 수도 있다.

• 기본 엔지니어링 원칙을 이해하고 적용하는 것을 대체할 수 있는 것은 없다.

디자인이 끝나고 데이터가 수집된 후에, 최종 제품이 디자인 골에 얼마나 가까운지 보기 위해 사후 검사가 수행된다.

출처: High-Speed System Design. Published by molex

SI(신호 무결성)은 디지털 디자인과 아날로그 회로 이론의 중간을 공부하는 분야이다. 그것은 링잉, 크로스톡, 그라운드 바운스, 전원 노이즈에 대한 것이다. 그것은 실제로 동작하는 디지털 하드웨어를 얼마나 빨리 만드는 가에 대한 것이 전부이다. 그것은 고속 디자인 문제에 대한 실질적이고 현실적인 솔루션에 대한 것이다.
SI는 알면 좋은 정도의 주제가 아니다. 그것은 모든 고속 디지털 제품의 바른 동작에 핵심 중 하나이다. 기본적인 SI 이슈에 대한 정확한 고려가 없으면 고속 제품은 벤치에서 동작에 실피할 것이고, 더 바쁜 것은 필드에서 신뢰를 잃게될 수 있다.
SI는 결정할 수 있고 예측가능한 연구 분야이다. SI 전문가는 대부분의 SI 문제가 쉽게 관찰된다는 사실을 자주 이용한다. 종종 좋은 시뮬레이셔션이나 좋은 연구실 데모가 특정 솔루션의 효능에 대해서 어떤 질문을 하지 않게 한다. 이것이 우리 SI 전문가가 우리 EMC 대응에 대한 자연적 모험을 즐기는 영역의 하나이다.
SI가 항상 문제는 아니다. 디지털 컴퓨팅의 항금기(1970-1990)에, 게이트는 전체적으로 매우 느리게 스위치 되었고 디지털 신호는 실제로 1과 0처럼 보였다. 신호 전파의 아날로그 모델링은 필요하지 않았다. 불행하게도, 그런 시절은 오래 전에 갔다. 오늘날의 속도는 고속 디자인의 간단하고 수동적인 요소 - 와이어, PCB, 커넥터, 칩 패키지 - 라 할지라도 전반적인 신호 지연의 상당 부분을 만들 수 있다. 더 나쁜 것은, 이런 요소가 글리치, 리셋, 로직 에러, 그리고 다른 문제를 유발할 수 있다. 동작 속도롤 더 올릴수록, 당신이 직면하는 이슈는 다음과 같다:

•    새로운 디자인에서 PCB 트래이스의 많은 부분이 터미네이터를 필요로 할 것이다. 터미네이터는 전송선에서 링잉과 오버슛을 제어하는 것을 도와 준다. 속도가 증가함에 따라, 더 많은 PCB 트래이스가 전송선 행동적인 면을 취하기 시작할 것이고 따라서 터미네이터가 필요할 것이다. 불행히도, 터미네이터는 모든 PCB의 소중한 공간을 차지하고 상당 량의 파워를 소모한다. 당신은 터미네이터가 필요한 곳에만 정확하게 배치하면서 터미네이터의 사용을 최적화 하고 싶을 것이다.
•    PCB 트래이스의 개별적인 정확한 지연이 더 중요해질 것이다. 이미, CAD 제조사들은 트래이스 길이를 매칭하고 적은 클락 스큐를 보증하는 데 유용한 기능을 포함하기 시작했다. 매우 고속에서, 이런 기능은 시스템 동작에 결정적이다. 당신은 많은 형태로 전파 지연에 대한 연구를 마스터하기 원할 것이다.
•    크로스톡은 많은 시스템을 괴롭힐 것이다. 시스템에서 클럭 레이트가 2 배가 될 때마다, 크로스톡의 강도는 2 배가 된다. 이런 효과는 어떤 시스템을 그들의 한계로 내 몬다. 증상의 일부는 데이터 의존 로직 에러, 갑작스런 시스템 충돌, nowhere로의 스프트웨어 브랜치, 불가능한 상태 전이, 설명할수 없는 인터럽트 등을 포함한다. (비용적인 이유 때문에) 당신은 레이아웃을 줄이고 싶어할 것이다. 그러나 결정적 신호에 대한 크로스톡의 완화가 없을 수 있다.
•    그라운드 바운스와 파워 공급 노이즈가 끓어 넘칠 것이다. 다량의 병렬 버스 구조에서 믿을수 없는 레이트로 스위칭하는 고 전력 드라이버들은 파워 시스템이 녹아내리는 확실한 공식이다. 물론, 더 많은 파워와 그라운드 핀 그리고 더 많은 바이패스 커패시트를 추가하는 것은 도움이 될 것이지만, 한계는 어디인가? 이런 일은 자유롭지 않는가? 당은은 최소 비용으로 글리치 없는 동작을 보증하기 원한다.

SI는 빠르게 성장하는 분야이다. 그것을 배우고 연습하는데 정도는 없다. 제일 중요한 것은 당신의 SI, EMC, 그리고 제조 비용 목표의 적절한 균형에 큰 관심을 유지하는 것이다. 약간의 공식 교육을 받고, 꾸준히 새로운 툴에 관심을 유지하고, 경쟁자가 하는 것이 무엇인지 알기 위해서 다른 사람들의 제품 많이 분해해 보아라. 보상은 쉽게 이해된다: 더 좋은 시스템 레벨 성능, 더 신뢰성 있는 제품, 그리고 전반적 비용 감소. 더 질문할 사람?

원문: https://www.sigcon.com/consulting/integrity.htm

나는 최근에 시애틀 지역에 있는 IEEE EMC 소사이어티 미팅에 들린 적이 있다. 그곳은 내가 평소에 자주 들리는 곳은 아니지만 나 같은 디지털 피플들이 EMC에 대해서 일반적으로 배우는 것으로서 또한 많은 무료 조언을 수집할 수 있는 값싼 방법으로서 그곳을 추천한다.
아무튼, 가솔린 펌프에서 정전기 쉴드에 필요 것에 대한 빌 리테너의 매력적인 강의 후에, 우리는 주의를 순수 디지털 배경을 가진 사람들에게 어떻게 EMC 개념을 잘 가르칠수 있는가로 돌렸다. 이 논의와 많은 생각 후에, 나는 마침내 왜 많은 디지털 엔지니어들이 EMC 문제를 다루는데 어려운 시간을 보내는지 기본적인 이유를 알게 되었다. 아날로그 세계의 어떤 의견과 반대로 그들이 바보이기 때문이 아니다(그것과는 멀다). 그것은 차라리 그들이 학교에서 했었어야만 할 것을 충분히 공부하지 않았기 때문이다. 개인 엔지니어가 해야할 것은 실제로 매우 적다. EMC와 관련된 현재 어려움의 잠재된 원인은 태도의 문제이다. 디지털 엔지니어들은 EMC를 믿지 않는다. 이런 불행한 상황은 후술하는 환경들이 합쳐져 초래 되었다. 우리의 교육 기관, 우리의 장비 공급 업체, 집적 회로, 그리고 시뮬레이션 툴, 엔지니어링 메니지먼트에서 일부의 부진 등 모두 책임의 일부를 공유한다.
어떤 해를 입힐 의도 없이, 우리의 교육 기관, 공급 업체, 매니저 등은 새로운 디지털 디자이너가 어떤 레벨에서든 EMC를 이해하는데 그리고 실제로 그것의 존재를 믿는 것을 막는 5 개의 큰 오해를 전파했다. 학교를 나오는 새로운 디지털 엔지니에게 EMC는 잘해야 신화이다.
이 5 개의 오해를 잘 이해 할수록 많은 디지털 엔지니어의 관점을 더 잘 이해하고 그들이 불가피하게 직면할 EMC의 어려움을 극복할 수 있게 도와줄 수 있다.

1.  디지털 엔지니어는 루프 전류 흐름을 믿지 않는다.
디지털 스키메틱을 보라. 게이트에서 게이트로 디지털 신호를 전송하는 로직 네트를 생각하라. 우리는 이 신호들이 전자 전류의 형태로 전파된다는 것과 이런 전류는 항상 루프에서 흐른다는 것을 알고 있다. 그러나, 스키메틱에서, 리턴 신호 전류에 대한 경로는 보이지 않는다.
많은 디지털 엔지니어는 리턴 경로가 관계 없다고 믿는다. 결국 그들은 로직 드라이버가 전압 소스로 행동하고 입력이 전압 리시버로 행동한다면 왜 전류에 대해 걱정하는가 하고 이유를 댄다. 이 큰 오해는 우선적으로 전압 모드 프로브를 마케팅하는 오실로스코프와 로직 어날라이저의 제조사에 의해 강화된다. 개별 BGA 볼로 흐르는 전류를 볼 수 있는 충분히 작고 좋은 전류 센싱 프로브가 있다면, 많은 엔지니어에게 전류 세계의 흐름은 갑자기 단순한 이론적 개념이 아니라 "실제"가 될 것이다.
예들 들어, 당신이 커먼 모드 케이블 방사 문제를 가진 디지털 엔지니어와 함께 일해야 한다면, 먼저 그 엔지니어가 전류가 실제로 루프로 흐르는 것을 실제 이해했는지부터 확실이해야 한다.

2. 디지털 엔지니어는 자기장을 믿지 않는다.
나는 이 오해가 전기장과 그에 대비되는 자기장에 대한 불균형한 포커스를 가진 우리의 교육 시스템 때문에 생겼다고 생각한다. 이것은 매우 높은 임피던스 회로 특성을 가진 진공관 시대의 유물이다. 예들 들어, 진공관의 전극 회로는 100,000 ohms 정도의 임피던스를 갖는데 이것은 자유 공간의 임피던스 377 ohms 보다 훨씬 높다. 따라서, 전극 회로를 감싸는 대부분의 near-field 에니지는 전기장 또는 커패시티브 효과를 포함한다.
오늘날의 고속 디지털 시스템은 대략 50 ohms의 낮은 임피던스 회로를 갖는다. 자유 공간 임피던스 377 ohms보다 훨씬 낮다. 디지털 회로를 감싸는 대부분의 near-field 에너지는 전기가 아닌 자기장이다.  따라서, 대부분의 크로스톡, 그라운드 바운스, 고속 디지털 시스템에서 간섭 문제 등은 전류의 루프, 자기장, 그리고 인덕턴스를 포함한다.
EMC 세상에서, 디지털 보드를 감싸는 near-field 에너지는 대부분 자기라는 것은 상식이다. 디지털 피플은 그것에 대해서 모른다.

3. 디지털 엔지니어는 게이트가 differential amplifier라는 것을 믿지 않는다.
전형적인 제품 데이터시트에서 입력 전압 감도는 절대 전압의 단위로 표시된다. 입력 핀의 전압과 그것의 지정된 기준 핀에 나타는 전압 - 그것이 어떤 값이든 - 사이의 차이에만 게이트가 반응하는지에 대해서 분명하게 기술되지 않는다. 또한 어떤 것이 지정 기준 핀인지에 대해서 분명히 하는 사람은 없다. (TTL에 대해서는 가장 negative한 파워 레일이고, ECL에 해대서는 가장 positive한 것이다)
이런 불분명한 것이 많은 엔지니어가 게이트는 "절대 제로" 전압을 센스한다고 생각하게 이끈다. 이것은 마치 칩으로부터 어떤 매직 와이어가 나와서 "진짜" 그라운드 레페런스 포턴셀을 픽업하는 지구의 중심으로 연결하는 것처럼 생각하게 한다. 결과적으로, 시스템 안의 두 포인트에서 그라운드 전압이 같지 않을 때 발생하는 어려움을 엔지니어가 이해하는데 실패한다.
이것은 디지털 스펙(혹은 측정)이 우리에게 살짝 부족한 경우이다. 물론 어떤 공급 업체도 그들의 칩이 그라운드 쉬프트 되도록 허락하고 싶지 않을 것이다. 그래서 우리는 그들이 이것에 대한 이야기를 더 하는 것에 대해서는 기대할 수 없다. 반면에, 우리는 칩 간에 큰 그라운드 쉬프트를 허용하는 그런 시스템 아키텍처는 오동작하기 쉽고 더해서 많은 양의 EMI를 만들고 ESD와 다른 면역 문제에 쉽게 빠질수 있음을 이해할 필요가 있다. 이것은 심각한 일이다.
당신은 대부분의 경험없는 디지털 디자이너가 그들의 시스템에서 다른 그라운드 포텐셜의 존재, 성능에 영향을 주거나 그라운드 쉬프트를 만드는 매커니즘에 대해서 생각하는데 거의 시간을 쓰지 않는 것을 발견할 것이다.

4. 디지털 엔지니어는 전자기파를 믿지 않는다.
전기오븐이나 텔레비젼 같은 분명한 전자기장의 예에도 불구하고, 많은 디지털 엔지니어는 이런 효과가 디지털 시스템 안에서 발행한다는 것을 믿지 않는다. 이런 믿음의 뿌리는 wave가 spice에 없기 것에 있다. 우리는 회로 디자이너 전 세대가 spice 기반 소프트웨어 시뮬레이션이 실제 조건 하에서 실제 회로 동작의 표현이라고 믿도록 교육해왔다. 우리는 그들이 그것의 한계를 이해하도록 교육하는데 부실했다. 디지털 디자이너 마인드에서, spice는 전자기장을 하지 않는다. 따라서 그것은 존재하지 않거나 문제되지 않는다.
나는 시뮬레이션을 트집잡으려는 것이 아니다. 그것은 분명히 그것의 자리가 있다. 일반적으로, 당신이 모델링하는 것이 무엇인지 당신이 알고 있다면 시뮬레이션은 놀라운 일을 할 수 있다. 반면에, 당신이 EMC 같은 일을 한다면 시뮬레이션의 이익은 잘못 전달된다. EMC에 대해서 전체 문제가 되는 곳은 어떤 효과가 가장 문제가 되지는 우리가 알기 어려운 곳이다. 즉 시뮬레이션지 작동하지 않는 곳이다. 사무엘 클레멘스(마트 트웨인)의 물별의 말 "오는 재앙은 우리가 준비 했던 것이 절대 아니다"

5. 디지털 엔지니어는 EMC의 이해가 그들의 경력을 앞서게 한다는 것을 믿지 않는다.
이것은 매니지먼트 문제이다. 그것이 어떻게 달성되는지 보는 것은 쉽다.
조가 최고 수준의 제품 디자이너이고 디지털 전문가라고 상상하자. 그는 그의 최근 제품이 한번에 FCC와 EC 규정을 통과하므로써 그의 EMC 통찰력을 보여주었다. 그는 천재다!
그 다음에 무엇이 벌어질지 매우 예측가능하다. 조의 디자인 경력은 올라간다. 그는 더 이상 그 회사에서 다른 프로세서를 디자인하지 않을 것이다. 대신 그는 프레드 제품의 EMC 문제를 디버그하라고 요청받을 것이다. 그리고 밥의 것, 그 다음 다른 모든 종류. 그는 효과적으로 테스트 범위를 줄여나가고, 그의 EMC 경험을 계속해서 반복한다. 그 동안 다른 사람들은 그들의 날림 프로세서 보드가 "기능"하도록 하는 보상을 수확한다.
오늘날의 비즈니스 세계에서, 전형적인 디지털 엔지니어는 제조에 대한 토탈 준비보다는 단순한 디지털 기능에 대해서만 보상을 받는다.

결론
나는 주변의 이런 상황을 우리가 돌릴 수 있다고 생각한다. 나는 우리의 EMC 전문가, 우리의 신호 무결성 전문가, 그리고 우리 대학의 영리한 연구자가 이런 5 개의 큰 오해를 푸는데 도움을 주고 다가오는 수십년에 우리가 마주할 EMC 여려움에 대한 어떤 실제적인 해결을 우리가 만드는 데 도움을 줄거라고 생각하다. 우리가 해낸다면 컴퓨터 산업의 미래에 큰 변화를 만들거라고 생각한다.
마지막으로, 지역 EMC 소사이어티 미팅에서 좀 더 많은 디지털 친구들을 보게 되길 희밍한다. 그 여행은 가치가 있었다.

출처: IEEE EMC Society Newletter, 1998.3. by Dr. Howard Johnson