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신호 경로 크로스톡 최소화를 위한 디자인

이제 전류 흐름의 원칙을 실제 회로 PCB 레이아웃에 적용할 준비가 되었다. 어떻게 부품을 배치하고 크로스톡 문제를 최소화 할 지 배울 것이다.

바이패스 커패시터는 중요하다

어떤 회로에서 더 완벽히 전류를 기술하려면 각 IC와 전원 공급 장치에서 바이패스 커패시터를 포함해야 한다. 간소화된 2 개의 IC 회로를 예로 시작한다(아래 그림).

위 그림에 바이패스 커패시터를 포함하면 아래 그림처럼 된다. 이 다이어그램은 IC1이 소싱하는 전류 경로를 보여준다.

이 예에서, 신호(부품) 레이어에 인접해서 연속된(솔리드한) 그라운드 판이 있다. 전원이 top 레이어에서 회색 큰 트래이스를 통해 공급된다. 그라운드 판으로 연결은 신호 레이어의 녹색 부분에서 비아를 통해서 만들어진다.

신호(부품) 레이어에서 신호 전류는 점선으로 보여 진다. 이것은 이해하기 매우 쉽다. 신호 전류는 신호 트레이스에 한정 된다. 리턴 전류는 판 전체를 흐를 수 있다. DC 전류는 최소 저항 경로를 통해서 흐를 것이기 때문에, DC 리턴 경로는 부하의 그라운드 핀(이 경우 IC2)에서 전원 공급 장치의 그라운드 연결로 직접 직선으로 흐를 것이라는 것을 우리는 알고 있다. 고주파(전이) 전류는 트래이스와 보드의 지오메트리에 따라 결정되는 분포를 가지고 신호 트래이스 아래에서 흐를 것이다. 이 두 경우 사이에 있는 신호에 대한 전류 흐름에 대해서 더 깊게 파고들 수 있다. 전류의 상당 부분이 전원 공급 장치로부터 흐르는 충분히 낮은 주파수에서 시작을 하자. 이 경우도, 여전히 상호 인덕턴스가 신호 트래이스 아래서 전류가 흐르도록 강제하지만 분포는 매우 넓을 것이다. 또한, 일단 트래이스 아래의 리턴 전류가 IC에 도달하면, 전부 커패시터 그라운드로 돌아가지는 않을 것이다. 대신에, 커패시터로부터 소스된 전류의 소량은 그것의 그라운드로 돌아가고 나머지는 전원 공급 장치 그라운드로 돌아갈 것이다. 마침내, 주파수가 더 느려지면 상호 인덕턴스는 더욱 더 효과가 약해진다. 더 많은 전류가 DC 경로를 통해서 흐를 것이다. 다행히, 이 두 경우의 중간인 경우는, IC 바이패싱과 적절한 파워 공급 모두를 잘 처리하는 한, 고주파와 DC 경우를 다루는 우리의 노력으로 이미 다 다룬 것이다. 이 2개 아이템은 진짜로 같은 노력의 두 면이다. 전원 공급 장치가 그것이 구동하는 IC로부터 멀리 이동하게 되면, 둘 사이의 임피던스 - 레지스턴스와 인덕턴스 모두 - 는 증가할 것이다. 이것은 또한 둘을 연결하는 트래이스 폭이 감소함에 따라서 발생한다. 전원 공급 장치와 IC 사이의 임피던스(리턴 임피던스도 포함하는 것을 기억 하자)가 증가할수록 더 낮은 주파수 전류를 공급하는데 더 많은 바이패스 커패시터에 의존될 것이다. 따라서 전원 공급 임피던스가 증가하면 더 많은 커패시터가 필요하다. 따라서, 다시 우리는 IC 전원에 적절한 바이패싱의 요구를 만족해야만 한다. 완성을 위해서, 아래 그림은 IC2가 소싱할 때 전류 흐름을 보여 준다.

신호(부품) 레이어에서 인터커넥팅 트래이스를 주목한다.  단지 신호 전류와 AC 리턴 전류의 화살표 방향만 바꾸었을 뿐이다. 이 경우 IC2에 대한 바이패스 커패시터는 C2이다. C2는 IC2의 Vdd 핀을 통해서 신호 핀으로 AC 신호 전류를 공급한다. IC1으로 배달되는 신호 전류는 IC1의 그라운드 핀을 통해서 그라운드로 간다; 신호 경로 아래 그라운드 판에 있는 AC 부분 리턴과 전원 공급 장치로 직선으로 된 DC 부분 리턴.

그라운드는 등전위가 아니다

이 시점에서 그라운드 판이 등전위가 아니라는 것을 이해하는 것이 중요하다. 먼저, 그라운드 판은 두께에 상관없이 레지스턴스가 있다. 따라서, 아날로그와 디지털 리턴 전류가(또는 어떤 2개의 전류가) 그라운드 판의 어떤 부분을 공유하면, 구리 저항이 IR 전압 강하를 유발함에 따라서 둘 간에 크로스톡이 발생할 것이다. 이것을 다음처럼 생각한다. 2개의 다른 부품의 그라운드 핀이 거의 같은 점에서 그라운드 판에 연결되고 그것의 전류가 보드의 다른 끝에서 한 점으로 돌아간다. 이 경로를 따르는 판의 구리 저항이 0.01 ohm이고 부품 A는 1 A의 전류를 소싱하며 부품 B는 1 mA를 소싱한다고 가정하자. 이 부품들이 연결되는 끝에서, 그라운드 전압은 전류가 리턴 되는 점에서의 그라운드 전압보다 10 mV 더 높을 것이다. 단지 1 mA만 출력하는 부품 B도 리턴 지점보다 10 mV 상승을 경험하게 될 것이다. 부품 A에서 나오는 전류가 1 A에서 0 A로 바뀌면 부품 B를 참조하는 어떤 전압도 이 전류를 따라서 10 mV 올라가거나 내려가게 될 것이다. 공유된 리턴 경로는 종종 디지털 회로가 아날로그 회로와 함께 있을 때 문제를 유발한다. 공유는 정밀한 아날로그 회로의 바른 동작을 간섭할 수 있다. 그라운드 판을 가로지르는 불 균일한 전압의 원인은 전기적 길이이다. 고주파에서 전류 경로의 길이는 보드에서 전파되는 신호 파장에 상당할 수 있다. 이 기사에서는 이 부분은 다루지 않는다. 짧을수록 좋다 정도로만 말해둔다.

모든 것을  합친다

PCB에서 전류 흐름의 기초를 이해한 상태에서, 이 지식을 혼성 IC의 그라운딩을 바르게 다루는데 사용할 수 있다. 궁극적으로, 목표는 디지털과 아날로그 전류가 같은 리턴 경로를 공유하지 않도록 하는 것이다. 전체 목적이 디지털과 아날로그 신호에 대한 공통적인 리턴 경로를 최소화 하는 것이라는 것을 이제 현실화 시킨다. 이것이 실제 목표이다. 이것을 한다면, 좋지 않은 디지털 신호가 원래의 아날로그 신호를 방해하는 주요 원인을 제거할 것이다.

공통적인 가정은 그라운드 판을 디지털 부분과 아날로그 부분으로 잘라야만(컷) 한다는 것이다. 이것은 좋은 출발이다. 모든 것을 바르게 배치하면, 성능에 변화 없이 컷을 채우는 것을 보게 될 것이다.

이제 그라운드 판을 자른다

아날로그와 디지털 회로를 모두 가진 하나의 부품인 일반 ADC를 보드에 두는 것으로 시작한다. 그 다음에 단일 점 그라운드에 대해서 그라운드 판을 어디서 자를 지 결정할 것이다. 아래 그림은 이번 ADC 칩의 핀 연결을 보여준다. 파워와 그라운드 핀만 명시적으로 레이블 되어 있다. 다른 레이블들은 연결이 아날로그 인지 혹은 디지털 인지를 식별시켜줄 뿐이다. 그것들의 기능은 안 중요하다. 아날로그 핀은 몇 개읜 신호 입력 핀이거나 기준 입력 혹은 출력 중에 하나이다. 디지털 핀은 직렬 혹은 병렬 인터페이스의 한 부분 혹은 제어 핀 또는 칩 선택 핀 일 수 있다. 여기서는 그것들을 그 특정 기능에 관계없이 같이 취급한다.

디지털 핀들이 인접해 있고 아날로그 핀도 인접해 있고 아날로그와 디지털 그라운드가 접해 있다. 이런 배치는 드문 것이 아니다. 왜냐하면 칩 디자이너는 보드 디자이너처럼 같은 현실을 다루어야만 하기 때문이다. 또한 2개의 디지털 그라운드가 있는 것에 주목한다. 이것이 가끔 필요한데 칩의 그라운드 전류가 칩의 한 끝에서 다른 끝으로 달릴 때 문제를 일으키지 않기 위해서 이다. 아날로그와 디지털 핀이 좋게 그룹 되어 있기 때문에, 그라운드 판 컷을 어디에 놓을지 결정하는 것이 매우 쉽다.

인접한 아날로그와 디지털 그라운드 핀 바로 거기서 단일 점 그라운드를 갖는 그라운드 판을 위 그림에서 본다. 일반적으로, 컷 그라운드 판이 이것처럼 사용될 때, 디자이너는 모든 디지털 칩과 관련된 부품을 컷의 한쪽에 두고 모든 아날로그 칩과 관련된 부품을 다른 쪽에 둔다. 이 방식에서 그것들의 그라운드는 그라운드 판의 바른 부분에 연결될 수 있다. 이 예에서 아날로그와 디지털 핀과 신호를 가진 유일한 장치가 ADC라는 것을 상기하자. 이제 모든 디지털 부품을 그라운드 판의 디지털 부분에 모두 놓고 아날로그 부품을 다른 부분에 모두 놓았다고 가정하자. 모두 끝난 것이 아니다. 신호 트레이스 라우팅을 고려해야만 한다.

신호 트래이스 라우팅

아래 그림에 보이는 것처럼 이 디자인에서 다른 IC에서 디지털신호가 라우팅 되는 것으로 시작한다.

이 트래이스는 아날로그 부분의 많은 부분 위로 라우트 되고 그라운드 컷을 두 곳에서 가로지른다. 대부분의 디자이너는 이것이 나쁜 형태라는 것을 알고 있을 것이다. 왜냐하면 아날로그 영역에서 디지털 트래이스가 아날로그 신호를 오염시킬 수 있기 때문이다. 이것이 진실인 반면에, 좀 더 심도 있는 문제는 종종 완전히 이해되지 않는다. AC 전류가 돌아오는 곳을 생각해 보자.

위 그림은 리턴 전류를 오랜지 색으로 보여준다. 리턴 전류가 컷을 만날 때까지 신호 트래이스를 어떻게 따르는지 본다. 컷에서 리턴 전류는 다른 쪽으로 가기 위해서 단일 점 그라운드만 경유할 수 있다. 결론적으로, 아날로그 회로 그라운드를 통해서 달리는 고주파 성분의 디지털 전류 - 우리가 피하려고 시도하는 - 뿐만 아니라 이 신호를 방사할 좋은 2개의 루프 안테나를 만들게 된다. 그라운드 컷 방법이 작동하게 하기 위해서, 디지털과 아날로그 부품이 각각의 컷 부분에 머물러야 하고 트래이스 또한 그래야만 한다. 이 요구사항들을 만족할 때 어떻게 되나? 아래 그림은 모든 신호 트래이스가 그라운드 컷을 가로지르지 않고 라우트 된 것을 보여준다. 리턴 전류는 루프 영역을 최소화 하면서 신호 트래이스 아래에서 흐른다. 왜냐하면 신호 트래이스와 그라운드 판을 분리하는 유일한 것은 PCB 두께 자체 뿐이기 때문이다.

위 그림에서 그라운드 전류를 가까이 보라. 어던 전류도 그라운드 컷을 가로지르지 않는다. 이것은 우리가 부품을 주의 깊게 배치해서 모든 연결(아날로그 또는 디지털)이 그것의 각각의 그라운드 영역 위에 있기 때문이다. 그 다음 모든 트래이스를 적절한 영역 안에 머물도록 라우트 한다. 컷을 가로지르는 전류가 없기 때문에, 컷은 어떠한 목적도 수행하지 않고 제거 될 수 있다(즉 금속으로 채워질 수 있다).

원문: Successful PCB grounding with mixed-signal chips - Part.2: Design to minimize signal path crosstalk. Mark Forunato - Sep. 10, 2012

Routing (라우팅)

  라우팅과 관련한 여러 가지 주의 사항이 있겠지만, 가장 중요한 리턴 경로에 대해서 알아 보자.

PCB 디자이너 의 실수로 그라운드 – 정확하게는 리턴 경로 – 에 슬릿(slit)이 생기는 경우를 종종 보게 된다. 디자인을 하다 보면 많은 via를 좁은 영역에서 뚫는 경우가 종종 발생하는 이때 비아와 그라운드 판 간의 클리어런스(clearance) 때문에 아래 그림과 같이 슬릿이 발생할 수 있다.

신호선의 임피던스 입장에서 보면 바로 밑에 있던 판이 없어져서 C값이 작아지고, 반면 루프는 커져서 L값이 증가한다. 즉 Z가 커지게 된다. 또한 슬릿 위를 지나가는 트레이스가 많을 경우, 슬릿 양 끝 단에 리턴 전류가 몰리게 되어 크로스토크가 크게 증폭된다.

  위 그림은 적절히 잘 된 디자인이다. 왜냐하면 리턴 전류가 끊김 없이 부드럽게 흐를 수 있도록 디자인되어 있기 때문이다. 여기서 중요한 포인트는 리턴 경로로 사용된 판이 하나라는 점이다. 아래의 예에서는 똑같이 비아를 경유하여 신호 레이어를 갈아타는 구조이만, 적절치 못한 예인데, 왜 그런지 살펴보자.

먼저 첫 번째 경우, 아래쪽의 트레이스에서 위쪽 트레이스로 레이어를 갈아 탈 때, 아래 쪽 트레이스의 리턴 경로는 위로부터 세 번째 판의 밑에 형성이 되고, 위 쪽 트레이스의 리턴 경로는 첫 번째 판 의 위에 형성이 된다. 그리고 이 두 리턴 경로의 연결은 근처에 있는 두 판을 연결 시켜주는 비아를 통해서 이루어진다. 따라서 루프의 면적이 커지게 되고, 임피던스가 깨지게 된다. 임피던스가 깨지는 정도는 면적의 크기에 비례하므로, 보드의 두께가 두꺼울수록 그리고 shorting via와 signal via 사이의 거리가 멀수록 커진다. 두 번째 경우는 아예 근처에 shorting via가 없는 경우이다. 이 경우에는 판과 판 사이의 기생 capacitor를 이용해서 리턴 전류가 흐른다. 혹은 우리가 알지 못하는 어떤 곳을 찾아 흐른다. 첫 번째 경우보다 더 안 좋은 경우이다. 문제는 정도의 차이이다. 보드가 정상 동작할 수도 있겠지만 마진을 확보하기는 어려울 수 있다. 비아를 통해 레이어를 갈아탈 경우, 인접 레이어를 사용하거나 shorting via를 가까이 두자.