PCBInside

 전압의 파형을 측정할 때 우리는 오실로스코프라고 하는 장비를 사용한다. 그리고 DC 상태에서의 전압만 관심이 있을 경우에는 주로 멀티미터를 사용한다. 각각 하나의 경우만 측정하는 경우라면 아무런 문제가 없다. 그런데, 가끔 2 가지 를 측정해야 할 경우 2 개의 장비를 사용하는 것이 귀찮아서 오실로스코프로 파형도 찍고, 전압도 측정하는 경우가 종종 있다. 스코프로 측정한 값이 우리가 원하는 결과를 오차없이 가져다 줄만큼 믿을만한 것일까?
 오실로스코프는 멀티미터에 비해서 아무리 작게는 수 배 정도에서 크게는 수백배 이상 가격이 비싸다. 따라서 모든 측정 성능이 오실로스코프가 멀티미터보다 우수하고 착각하는 사람들이 가끔 있다. 그러나 그것은 사실이 아니다. DC 측정 값만 놓고 보면 일반적으로 오실로스코프보다 멀티미터가 성능이 더 우수하다.
 오실로스코프와 멀티미터는 모두 측정된 아날로그 전압 값을 디지털로 변환해주는 ADC 소자를 내부에 가지고 있다. 오실로스코프는 고속으로 변하는 전압의 파형을 보여주어야 하기 때문에 멀티미터보다 훨씬 빠른 ADC 소자를 가지고 있다. 멀티미터는 구지 고속의 동작이 필요 없으므로 고속 ADC가 필요 없다. 오히려 배터리 동작을 하는 멀티미터는 전력 소모 감소를 위해서라도 가급적 저속으로 ADC를 구동시키는 것이 유리할 것이다. 정밀도 측면에서 살펴 보자. 오실로스코프는 눈으로 파형의 생긴 형태를 비주얼하게 보는데 초점이 맞추어진다. 일반적으로 오실로스코프는 좌우로 10 개의 큰눈금과 위아래로 8 개의 큰 눈금을 갖는데, 세로 큰 눈금 한 개의 크기가 1 V라고 가정해 보자. 그러면 -4 V ~ +4 V를 full scale로 볼 수 있다. 스코프 화면의 세로 해상도가 1000 이라고 한다면 실제 화면으로 표현 가능한 전압 resolution은 8 mV 이다. 만약 세로 해상도가 500 이라고 한다면 표현 가능 전압 resolution은 16 mV 로 커진다. 이 말은 오실로 스코프에서 사용되는 ADC는 8 bits ~ 10 bits 정도면 충분하다는 말과 같다. 반면, 멀티미터의 경우 일반적으로 XX.XXX V의 전압을 정밀하게 표현할 수 있다. 이것은 16 bits ~ 18 bits 정도의 ADC를 사용하다는 것을 의미한다. 더욱이 멀티미터의 경우 누적을 통한 평균으로 값을 구하기 때문에 DC만 본다면 더 정밀하다 할 수 있다.
  소수점 3짜리까지 정확하게 측정하기를 원한다면, 멀티미터를 사용하거나, 오실로스코프를 사용하려면 큰 눈금 하나가 0.1V 이하가 되도록 세팅을 해야 한다. 만약 큰 눈금을 1V로 세팅했다면 러프하게 소수점 2째자리 까지만 신뢰를 할 수다.
 

 

 아이폰으로 촉발된 스마트폰은 요즘 출시 되는 휴대폰의 전부라 할 정도가 되었다. 아이폰의 등장은 휴대폰 따로 컴퓨터 따로에서 "휴대폰 + 컴퓨터" 시대를 본격적으로 열었다는 점에서 의미가 크다. 아이폰의 등장은 또한 손가락 터치라고 하는 획기적인 UX도 대중화 시켰는데, 손가락 터치(정전식 멀티 터치 어플리케이션)에서 노이즈를 억제하기 위해서 어떤 조치들이 취해지는지 살펴 보자. 기사 분량상 터치의 모든 원리를 처음부터 자세히 설명하기에는 무리가 따르므로 필요 부분 외의 설명은 모두 생략한다.

 터치 판별 원리:
X축과 Y축으로 분리되어 배열되어 있는 투명 도체들이 교차점에서 형성하는 커패시턴스(센서)는  손가락(마치 ground 처럼 작용함)을 가져다 대면 커패시턴스가 커지는 것처럼 보이게 된다. 즉 손가락을 붙여을 때와 떼었을 때 그 점의 커패시턴스값 변화량을 측정하면 터치 유무를 알 수 있다.

 노이즈 억제 방법. 1
 Touch Screen Panel의 물리적 구성을 보면, 제일 위 층에 강화유리(내부 터치 센서 및 디스플레이 모듈 보호)가 있고 그 아래 투명 도체 X와 투명 도체 Y가 있다(X와 Y는 2개 층으로 구성된다고 생각해도 된다). 그리고 그 아래에 디스플레이 모듈이 있다. 문제는 디스플레이 모듈이 동작하면서 발생되는 노이즈가 위에 있는 센서로 올라와서 센서에 영향을 준다는 것이다. 그래서, 이것을 없애기 위해서 센서와 디스플레이 모듈 사이에 투명한 ground 층을 깔아준다. 이것으로 하단의 디스플레이이 모듈에서 올라오는 노이즈를 억제할 수 있다. 이것은 TSP을 만드는 업체에서 반영해야할 것이다.

 노이즈 억제 방법. 2

 디스플레이 모듈은 일정한 주기를 가지고 화면을 refresh한다(일반적으로 60Hz나 120Hz 정도로 생각하면 될 것이다). 그것은 vertical sync라고 하는 신호에 동기되며 vertical sync는 horizontal sync라고 하는 신호에 동기된다. 즉 horizontal sync 주기로 모듈의 update가 이루어지는 것이다. 이 때 모듈의 전류소모가 제일 크다. 즉 SSN 노이즈가 제일 심하게 발생한다. 이렇게 발생한 노이즈는 방법. 1으로도 해결되지 않는다. 이 노이즈는 센서보다는 센서 구동 칩의 아날로그 부분에 영향을 주어 에러를 유발시킬 수 있다. 이것을 예방할 수 있는 방법은 디스플레이 모듈 구동 칩에서 사용하는 horizontal sync 신호를 터치 센서 구동 칩에서 받아 SSN이 발생하는 시점을 피해서 센서 구동 타임을 가져가는 것이다. 이 방법은 센서 구동 칩을 디자인할 때 반영되어야 할 부분이다.
 
 노이즈 억제 방법. 3

 위 2가지의 노이즈 외에도 부적절한 시스템 설계로 인한 common mode 노이즈와 EMI 등으로 인한 노이즈 등 주변에 노이즈가 있다. 이런 노이즈들은 일정한 패턴 혹은 특정한 패턴을 가질 수 있는데, 센싱된 신호에서 이런 패턴을 가진 신호를 디지털적인 처리(알고리즘)을 통해서 없앨 수 있다. 이러한 노이즈 억제 또한 센서 구동 칩을 설계할 때부터 반영되어야 할 부분이다. 

 ※ FPCB 디자인 시 주의 사항
 터치 센서와 센서 구동 칩 사이의 연결은 flexible PCB로 이루어지는데, FPCB 디자인 시에 주의할 점이 있다. 센서는 여러개의 X와 Y 라인들로 구성이 되는데 칩의 X와 Y 핀에서 라인을 뽑아서 센서의 해당 핀으로 라인을 그릴 때, 선들 간에 교차가 발생하면 안 된다. 조금만 생각해보면 이유를 바로 알 수 있을 것이다. 또한 최 외각 라인 옆에, 안쪽 라인과 동일한 간격의 스페이스를 띄우고 ground 세이프(혹은 라인)를 위치시켜야 한다(비 구동 라인이 ground로 forcing 될 경우). 센서 외부에서 발생되는 기생 커패시턴스의 차이가 채널 간에 최소화 되어야 하기 때문이다. 일반적으로 TX, RX 라인은 analog이다. FPCB 디자인 시에 반드시 칩 설계자(혹은 회사)로부터 특기 사항에 대해 guide를 받는 것이 좋다.

 신호의 스피드가 수백MHz 혹은 GHz 이상 빨라지게 되면, 고속화를 위해서 신호의 크기를 줄이게 된다 - 신호의 크기가 크면 스피드를 올리기 어렵다. 크기가 줄어든 신호는 노이즈에 취약하게 되므로 이를 보완하기 위해서 2개의 라인에 위상이 반전된 신호를 같이 보내는 differential signaling 기법을 사용한다. 원칙적으로 이 두 라인은 똑 같은 길이를 가져야 하는데, 실질적으로는 2개의 라인 길이를 똑같이 맞추기 어려운 경우가 흔히 있다. 그럼 어느 정도까지 2개 라인의 길이를 맞추어야 하는 것일까?

 아래 그림은 정상적인 경우의 디퍼런셜 출력 신호 파형이다. 검정색이 positive일 경우, 빨간색은 negative 신호이다. 두신호는 중간 레벨 c 에서 교차 한다. 신호의 rise time은 t이다.

 만약 PCB 상에서 negative line의 길이가 t’ 만큼 길어질 경우, 입력 쪽에서의 파형은 위와 다르게 아래와 같은 파형이 될 것이다.

 타이밍 적으로 +t” ~ -t’ 만큼 손해가 발생한다. 신호의 rising과 falling 특성이 같다면, t” = t’ 이므로 +/- t’ 만큼 타이밍 마진 감소가 발생한다. 만약 디퍼런셜 출력 신호 라인 간에 1mm 정도의 길이 차이가 발생한다면 t’는 대략 7~10 ps 정도이다. rise time인 t가 100 ps라고 가정하면, rise time 대비 대략 7~10% 정도의 phase shift가 발생한 것이다. 정해진 값은 없지만 positive와 negative 신호 간의 skew는 rise time의 15%를 넘지 않는 것이 좋다. 이 경우라면 15ps의 반 정도에 해당하므로 크게 문제되지 않을 것이다. 

 그렇다 하더라도 가능한 한 길이를 최대한 같게 맞추는 것이 좋다. 그 이유는 신호의 트랜지션 구간에서 길이 불일치로 인한 시간 동안 같은 방향으로 전류가 흐르게 되어 커먼모드 노이즈를 유발하기 때문이다. 커먼모드 노이즈는 EMI문제를 유발한다.

 길이를 맞추는 위치는 아래 그림 c 처럼 위상이 틀어지는 위치 부근에서 처리를 해주는 것이 바람직하다.