PCBInside

  위 그림은 PMU(DC 테스트 장치)나 PPS(프로그래머블 파워 서플라이)와 부하를 연결한 회로를 나타내고 물리적인 구현은 아래처럼 이루어진다.

  왼쪽 처럼 디자인되면 wire impedance까지 측정에 반영되므로 일반적으로 오른쪽 처럼 디자인한다. 그리고 Force 라인은 전류를 원활히 공급할 수 있을 정도로 충분히 굵게 디자인 되며 대부분 문제가 없다. 그런데, Sense 라인도 신호 라인보다 굵게 디자인되는 경우를 흔히 보게 된다. 그런데, sense 라인은 최대한 얇게 디자인되는 것이 바람직하다. 그 이유를 살펴 보자.

  부하의 임피던스 측정은 인가한 전압과 부하를 흐르는 전류의 값으로 알 수 있다. 이는 오옴의 법칙(R=V/I)를 이용하여 쉽게 계산 된다. 인가한 전압은 알고 있기 때문에 흐르는 전류만 알면 될 것이다. 이를 회로도로 보면 아래와 같다.

  그런데, 실제 위 회로를 물리적으로 구현하게 되면 Source로부터 부하 R까지 물리적인 도체 거리에 의해서 기생 저항 성부분(아래 그림의 Rw1, Rw2)이 발생한다.

  결과적으로 측정된 저항 값은 순수한 부하 R 값이 아닌 R + Rw1 + Rw2 값이 된다. 이를 보정하려면 인가된 전압을 사용하면 안되고 R에서 전압을 새로 측정해야 정확한 R 값을 구할 수 있다. 이를 표현한 것이 아래 회로도 이다.

  그런데, 전압 측정 장치는 Source와 같이 있게 되므로 실제로는 아래처럼 된다.

  전류는 Rw1을 통과한 후 대부분 R로 흐를는 것이 바람직하다 이를 위해서는 Rw3가 매우 큰 것이 좋다. 마찬가지로 Rw4도 매우 큰 것이 좋다. 그래야 전류는 대부분 R로 흐르게 된다. 결과적으로 실제 부하로 흐르는 전류의 정밀도가 높아진다. 결과적으로 Rw3와 Rw4가 매우커야 R에 걸리는 전압값의 정밀도가 올라가게 된다.

  즉, 센스 라인인 Rw3와 Rw4는 클수록 좋으므로 라인의 패턴 폭은 얇을수록 좋다.

  - Verigy에서 만든 Fundamentals of DC Testing에서 발췌 요약

사진 및 그림은 Tektronic사와 Agilent사 홈페이지에서 퍼옴.

예전에 Nelco N4000-13 자재를 사용해서 x GHz 신호를 전달하는데 적합한지 대략적으로 살펴본 적이 있었다. 그 때는 고속 신호용 PCB 자재료 Nelco N4000-13이 자주 사용되던 때이다. 요즘은 N4000-13SI가 더 자주 사용되는 것 같다.

조건은 대략 인터커넥션의 길이가 대략 300 mm 이었다. -3 dB가 4 GHz를 만족할 수 있는지 검토를 해 보았는데 아래는 copper trace의 두게 및 폭에 변화에 따라 대역폭(BW)이 얼마나 변하는지 알아보기 위해 만든 테이블과 그래프이다.

폭(W)는 주워진 두께(T)에서 50 ohm을 만족할 수 있는 두께를 선정한 것이다.  패턴 폭이 0.25 mm로 매우 두꺼워야 겨우 4 GHz 근처가 확보되며 4 GHz 이상이 확보는 어렵니다. 4 GHz 이상 확보하려면 인터커넥션의 길이를 줄이거나 손실이 적은 다른 물질을 찾아봐야 한다. 위 테이블에서 한가지 확이할 수 잇는 것은 BW를 크게 확보할수록 core 두께도 두꺼워진다는 점이다. 이것은 여러 신호 레이어를 사용할 경우 보드 두께가 많이 두꺼워질 수 있음을 의미하는 것이기도 하며, 그 경우 via 효과도 심각한 고려 대상이 될 수 있음을 의미한다. 

Insertion loss(왼쪽이 테이블 위이고 오른쪽이 테이블 아래 값이다)

위 그래프의 확대 그래프

요구되는 대역폭, 보드 두께 사양, 트래이스 수, 트래이스 길이 등을 고려하여 적절한 값을 선택해야 하겠으나 어떻게 해도 대역폭을 만족하지 못할 경우, 인터커넥션과 관련된 topology를 수정하거나 수급 문제 등을 고려한 자재 변경등  여러 가지다른 방법을 모색해야 한다.