Step Pulse로 Interconnection 특성 파악

 SI 시뮬레이션에서 interconnection의 특성을 파악하기 위해서 기본적으로 사용하는 방법은, 드라이버에서 step 펄스를  쏘고 다시 자신으로 돌아오는 파형을 관찰하는 것이다. 돌아오는 파형의 변화를 보면 interconnection에서 impedance가 어떻게 변화되는 지를 알 수 있다. 아래 파형을 보자.

 파란 선은 드라이버에서 구동된 스텝 펄스이다. 100 ps의 rise time을 갖는 크기 1V의 step pulse이다. 빨간 선은 드라이버 단에서 측정되는 전압 파형이고, 녹색은 리시버 단에서의 전압 파형이다.

 빨간 선에 주의 해서 보자. 중간에 0.5V로 평평한 구간이 되다가 3 ns 근처에서 1V 올라간다. 이것으로 우리는 드라이버 단에서 리시버 단까지 거리가 대략 1.5 ns라는 것을 알 수 있다. PCB가 FR4라고 하면 거리 상으로 대략 220mm 이다. 또 하나 알 수 있는 것은 trace의 impedance가 50 ohm 이라면 드라이버의 출력 임피던스도 50ohm이다. 왜냐하면 중간의 평평한 구간이 0.5V이기 때문이다.
 빨간선의 제일 앞 부분(파란 동그라미)을 보면 신호가 깨끗하게 끝까지 올라기지 못하고 한번 움푹 빼이이고 올라가는 것을 볼 수 있다. 이것은 드라이버 핀 근처에 매우 큰 C 성분이 존재하기 때문이다. 드라이버 핀과 그 C과의 거리는 대략 7mm(50ps) 정도로 보인다.
 실제 리시버가 보게되는 신호인 녹색선을 살펴보자. 먼저 빨간색 동그라미를 보자. 이 부분의 모양을 자세히 보면 위에 언급된 파란색 동그라미 부분의 축소판이다. 즉 드라이버를 출발하면서 신호가 격는 파형의 변화가 그대로 리시버 단에서 재현이 된다. 리시버단의 전반사 신호가 드라이버단에서 근처 C 성분에서 다시 반사되어 3n정도 후에 리시버에서 보인다(두번째 작은 파란 동그라미). 위 그래프에서 우리는 아래 4가지를 알 수 있다.

  1. 드라이버와 리시버의  사이의 거리
  2. 드라이버의 출력임피던스(PCB 임피던스를 알 경우), PCB 임피던스(드라이버 출력 임피던스를 알 경우)
  3. interconnection에 C 나 L 혹은 R 성분 있을 경우, 드라이버로 그 성분까지의 거리
  4. interconnection에서 impedance의 변화
 
아래 그래프는 위 그래프와 동일한 조건에서 리시버와 드라이버의 위치를 바꾸고 관찰한 파형이다.
 

  빨간 선의 앞부분 파란 동그라미를 보자. 신호가 깨끗하게 올라가는 것을 볼 수 있다. 드라이버 부근(앞의 경우로는 리시버 부근)에 어떠한 C나 L 성분도 없는 것을 알 수 있다. PCB는 거의 끝가지 깨끗하게 임피던스가 유지된다. 그런데 녹색 원에서 알 수 있듯이 리버서 근처(앞의 경우의 드라이버 근처)에 큰 C 성분이 있는 것이 확인된다. 이 C 성분 때문에 리시버의 파형 초기에 빨간색 원처럼 움푹 패이며 ringing 노이즈가 발생한다. 이 경우엔 리시버에서 반사된 신호가 드라이버단에서 모두 소멸되기 때문에 추가 노이즈가 없다(뒷 쪽 작은 파란 원). 드라이버단이 완벽히 터미네이션 되기 때문이다.

 다른 예를 하나 더 보자. 아래 그림은 PCB - connector - cable - connector - PCB로 구성된 구조에서, 임피던스를 시뮬레이션 한 결과이다(세로축은 임피던스이다). 처음 시작부위에서 매우큰 C 성분이 관찰된다. 그리고 connector(socket, header) 위치에서 큰 임피던스 불연속이 관찰된다.

 위 그림에서 소켓의 모양을 보면 소켓의 구성이 C-L-C로 되어 있는 것을 알 수 있다. 그 이유는 소켓을 board에 마운팅 하기 위한 소켓 핀용 홀 패드가 매우 크기 때문에 처음에 C가 보이는 것이고 그 다음 소켓 내부에서 핀이 return path와 멀어지며 L이 증가하고 다음에 동축 케이블과 연결되는 부위에서 살짤 C가 증가하게되는 구조를 갖고 있기 때문이다. 반면 헤더의 경우 L성분이 거의 없고 C만 있는데, 이유는 동축 케이블의 심이 바로 PCB에 꽃히는 구조이기 때문이다. 이런 임피던스 프로파일일 갖는 interconnection에서 전압 파형을 관찰하면 아래 그림과 같다.

 빨간 선은 드라이버 단에서 관찰되는 파형의 변화이다. 파란 동그라미와 빨간 동그라미를 보면 모양이 위 임피던스 파형의 경우와 동일함을 확인할 수 있다. 그리고 그 모양은 리시버 단에도 그대로 적용이 된다( 모양은 반대(대칭)이다).
 아래 그림은 이 interconnection이 갖는 eye diagram이다.