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Decoupling Impedance(디커플링 임피던스 특성 분석)

Decoupling이란, 어떤 power와 ground 사이에 DC에서는 impedance가 매우 높고 AC에서는 impedance가 낮은 소자를 놓아서, power와 ground 사이에 DC는 차단하고 AC(노이즈)는 통과시켜서 한 지점의 AC 성분이 다른 지점으로 넘어가지 않도록 하는 것이다.

따라서, decoupling을 얼마나 효과적으로 잘 할 수 있는 지는 power와 ground 사이의 decoupling 소자의 특성에 의존할 수 밖에 없다. Decoupling 소자로 주로 사용되는 것은 capacitor 이다. Capacitor는 DC는 차단하고 AC를 통과시키는 특성을 갖고 있기 때문에 이런 용도로 사용하기에 아주 적합한 소자이다.

여기서는 capacitor 자체 보다는 decoupling 관점에서 capacitor와 관련된 어떤 부분이 어떻게impedance에 영향을 주는지에 대해서 살펴본다.

Capacitor는 등가회로로 ESR, ESL, C의 직렬 회로로 구성할 수 있다. 따라서, 이 값들이 바뀌면 특성도 바뀌게 된다. 이 값들이 변할 경우 어떻게 power와 ground 사이의 impedance가 변하지는 지, 여러 capacitor들의 조합, 그리고 노이즈원과 capacitor의 거리와의 관계에 대해서 살펴보도록 한다.

제일 먼저, power-ground 판으로 구성된 기생 capacitor의 특성을 살펴보자. 요즘 만들어지는 대부분의 고속 PCB는 ground와 power를 판(plane) 형태로 디자인을 한다. 그 이유는 return path의 형성을 쉽게 만들어 주기 위해서 이다. 그런 결과로 wire로 전원을 공급할 때보다 비교할 수 없이 훨씬 큰 기생 capacitor가 만들어진다(물론 이런 기생 capacitor는 의도적으로 만들어진 소자 capacitor와는 비교할 수 없이 작은 경우가 대부분이다).

위 그래프는 PPE 재질의 prepreg를 사용하고 판 사이의 거리가 0.335 mm 인 정사각형 모양의 판으로 구성된 power-ground plane pair이다.

측정 포인트는 보드의 중앙이다. 판의 크기가 작을수록 공진 주파수가 높아지는 것을 알 수 있다. 즉 고주파 노이즈를 더 효과적으로 제거한다.

위 그래프에서 또 하나 눈여겨볼 부분은 다른 일반 capacitor들과 마찬가지로 공진 주파수를 기준으로 주파수가 멀어질수록 impedance가 커진다는 점이다. 즉, 공진 주파수에서 멀어지면 decoupling 기능 수행 능력이 떨어진다는 점이다. 따라서 원하는 노이즈를 제거하고 싶은 영역이 높을수록 보드의 사이즈가 작은 것이 유리할 것이다.

다음으로 판과 판사이의 거리를 조정할 경우 impedance가 어떻게 변하는 지 살펴보자.

위 그래프는 PPE 재질의 prepreg를 사용하고 판의 크기가 300 x 300 mm인 power-ground plane pair의 거리를 0.1mm와 0.335 mm로 했을 경우의 그래프이다.

측정 포인트는 보드의 중앙이다. 판의 거리가 가까울수록 impedance가 낮아져 decoupling 특성이 좋아진다. 공진 주파수는 같다. 즉, 보드 사이즈가 같으면 공진 주파수는 같고, 판 사이의 간격이 좁을수록 특성은 많이 좋아진다(노이즈를 제거하는 대역폭이 넓이진다). 이것은 같은 값을 같는 capacitor를 병렬로 여러 개 사용하는 것과 같은 효과이다.

 Power-ground 판에 의해서 발생하는 기생 capacitor는 ESR성분이 매우 작다. 따라서 공진 주파수에서 sharp한 그래프가 그려진다. 그러나 일반 소자 capacitor는 주파수에 따라서 변하는 (상대적으로 큰) ESR값을 가지고 있다. 이 ESR이 decoupling impedance에 어떤 영향을 주는지 살펴보자.

위 그래프는 앞 예에서 판 사이의 거리가 0.335 mm일 때에 보드의 중앙에 100nF 짜리 capacitor를 부착한 경우이다(ESL = 1 nH). 측정 포인트는 위와 마찬가지로 보드의 중앙이다.

ELR 값이 작을수록 공진 주파수에서 뾰족한 그래프가 만들어지고 클수록 부드러운 곡선이 만들어진다. 주의해서 볼 부분은, 100 nF capacitor가 없을 때에 비해서 공진 주파수 이하 부분의 impedance가 낮아졌다는 것이다. 즉 노이즈 제거 대역폭인 커진 것을 알 수 있다(anti-resonance 무시). 다만 오히려 capacitor가 없을 때에 비해서 impedance가 높아지는 부분(anti-resonance)도 생기는데, 이 부분을 최소화 하려면 ESR값이 큰 capacitor를 사용해야 한다.

capacitor의 ESL은 decoupling에서 어떤 영향을 주는지 살펴 보자. 위의 예와 같은 보드 조건에서 capacitor의 ESR = 0.01 ohm 으로 가정(실제로는 이보다 큰 경우가 대부분이다)하고 ESL 값만 1nH와 2nH 두 가지 경우로 비교를 해 보자.

위 그래프를 보면 ESL이 커지면 공진 주파수가 낮아져서 decoupling 특성이 변하는 것을 볼 수 있다. ESL이 커지면 고주파 노이즈 제거 능력이 나빠진다(반대로 상대적인 저주파 노이즈 제거 능력은 좋아진다).

특정 주파수 구간에서는 ESL이 2 nH 인 capacitor를 2개를 사용하는 것이 ESL이 1 nH 인 capacitor 1개를 사용하는 것보다도 특성이 더 좋지 않음을 확인할 수 있다. 고주파 노이즈 제거에서 ESL을 작게 하는 것이 중요하다.

여러 종류의 값으로 capacitor를 구성할 경우에는 impedance가 낮은 주파수 대역폭을 더욱 넓힐 수 있다.  그림은 100 nF하나만 사용한 경우와 100 nF에 1 nF와 10 10 nF를 더 한 경우들을 보여 준다.

위 그림에서는 세가지 값을 모두 조합한 경우에 제일 좋은 그래프 모양을 보여주고 있다.

Capacitor와 capacitor가 병렬로 만나면 반드시 두 공진 주파수 사이에 anti-resonance가 발생을 하게 되어 있다. 이것은 특정 주파수 범위에서 공진을 유발할 수 있으므로, ESR 값이 큰 capacitor를 사용해서 peak 값을 억제하거나 anti-resonance 주파수가 원하는 동작 주파수 범위 밖에 있도록 디자인을 해야 한다.

이번에는 decoupling capacitor의 거리가 멀어지면 impedance가 어떻게 변하는지 알아보자.

위 그래프는 보드의 중앙에 capacitor를 배치했을 때와 중앙으로부터 각각 15, 30 mm 떨어진 지점에 capacitor를 배치했을 때의 그래프이다. 측정 포인트는 역시 중앙이다.

거리가 멀어지면 공진 포인트가 낮은 주파수 대로 이동하는 것을 볼 수 있다. 즉 ESL 성분이 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한 거리가 어느 정도 멀어지면 더 이상 ESL성분이 커지지 않는 것도 확인 할 수 있다. 즉, capacitor는 적절한 유효 반경을 가지고 있는 것이다. 비교적 짧은 거리에서도 impedance의 변화가 많으므로, capacitor는 노이즈원에 최대한 가깝게 배치하는 것이 바람직하다.

Resistor (저항)

드라이버 칩에서 신호가 나와서 리시버에 신호가 도착할 때 가지의 모든 경로를 인터컨넥션(interconnection)이라고 하며 전기적 모델로는 resistor, inductor, capacitor로 묘사할 수 있다. 그리고 이 세 가지 모두는 전류의 흐름을 방해하는 성질 즉 impedance(임피던스)를 가지고 있다. 임피던스 중에서 Resistance는 상대적으로 inductance나 capacitance에 비해서 덜 중요한데, 그 이유는 resistive impedance는 주파수의 함수가 아니고 다른 두 성분인 capacitive impedance와 inductive impedance는 주파수의 함수이기 때문이다. 일반적인 신호 선의 경우 resistance는 거의 0 에 가까워 다른 두 성분에 비해서 전류의 흐름을 방해하는 정도가 매우 약하다. 따라서 많은 경우에 무시할 수 있다.

Resistor는 위 3가지 성분 중에서 resistance 성분을 다른 성분에 비해서 월등히 많이 가지고 있는 소자(부품)를 resistor라고 한다. 이상적으로는 resistance 성분만 가지고 있는 소자이다.

Resistor는 전류의 크기를 낮추는 성질을 가지고 있다. 그러나 전류의 위상(phase)은 바꾸지 않는다. 왜냐하면 앞 서 언급 했듯이 resistor는 주파수의 함수가 아니기 때문이다. 따라서 저항을 통과하는 전류는 동일한 전압 하에서 저항에 반비례하게 된다. 그리고 전압은 전류와 동일한 위상을 유지한다. 이것을 식으로 나타낸 것이 아래이다. 아래를 보면 시간과 관련된 요소가 없다.

도체의 저항 성분은 도체의 단면적에 비례하고 길이에 반비례한다. 그리고 도체를 이루는 물질(일반적으로는 구리)의 고유 저항(‘비저항’이라고 부른다)에 비례한다. 이것을 식으로 나타내면 아래와 같다.

신호 선이 매우 길지 않으면, 신호 선의 저항 성분은 무시할 만 하다. 저항 성분은 신호 선 보다는 파워 선에서 중요하다. 파워 선에서는 흐르는 전류의 양이 신호 선일 때 보다 수 십 배 이상 많기 때문에 작은 저항 값에도 전압 강하가 일어날 수 있기 때문이다. 예상되는 전압 강하는 위 2개의 식을 이용하면 쉽게 예측할 수 있다. 즉 파워 선의 단면적과 길이를 가지고 저항 값을 예측하고 이렇게 구해진 저항 값과 소모될 전류 량을 곱해서 파워 선에서 발생할 것으로 예상되는 전압 강하 값을 예측한다.

앞에서 저항은 주파수의 함수가 아니라고 했는데, 도체의 관점에서는 맞는 말이다. 그런데 실제로 도체를 흐르는 전류의 입장에서는 주파수가 증가함에 따라서 저항 값이 커지는 것처럼 느껴지는데 이것은 스킨효과(skin effect) 때문이다. 이것은, 도체의 단면에서 보았을 때, 전류의 주파수가 높아지면 전류가 외곽 쪽으로만 쏠리게 되어 실질적으로 전류가 흐르는 단면적이 줄어드는 효과가 발생하기 때문이다. 전류가 외각으로 흐르려는 이유는 inductance 성분을 최소화하기 위함이다. Inductance를 줄이는 것이 궁극적으로 impedance를 낮추게 되기 때문이다(전류는 임피던스가 낮은 쪽으로 흐르려는 성질이 있다). 표면으로부터 전류가 존재하는 곳까지의 깊이를 skin depth라 부르는데, skin depth는 주파수가 증가함에 따라서 얕아지게 된다.

Capacitor (캐퍼시터)

캐퍼시터는 도체 사이에 절연체를 넣어서 만든 3가지 수동 소자 중의 하나이다. 2개의 도체가 있으면 그 사이에는 반드시 capacitance 성분이 존재한다. 캐퍼시턴스는 두 도체가 바라보는 단면적과 두 도체 사이의 거리 그리고 절연체의 유전률에 의해서 결정이 된다. 아래 식은 학창 시절에 많이 보았을 것이다.

두 도체 사이의 거리가 너무 멀면 C는 거의 0에 가까워져서 무시할 수 있을 정도의 수준이 된다. 혹은 두 도체 사이에 바라다보는 면적이 매우 작으면 역시 C는 거의 0에 가까워져서 무시할 수 있을 수준이 된다. 무시할 수 있는 수준이냐 아니냐는 환경에 따라 달라진다. 기억할 것은 캐퍼시턴스를 컨트롤 할 수 있는 3 개의 변수가 있다는 것이다. 이것은 임피던스를 컨트롤할 수 있는 변수를 3개 가지고 있다는 것과 동일한 의미이다.

캐퍼시터는 DC 전류가 인가되면 전하를 보관하는 탱크 역할을 한다. 즉 DC신호는 차단을 한다. 반면에 AC 전류가 인가되면 캐퍼시터는 전류를 통과시키게 된다. 두 도체 사이를 통하여 흐르는 전류는 캐퍼시턴스의 크기와 두 도체 사이의 전압차 변화량에 비례하고 전압이 변하는데 걸리는 시간에 반비례한다. 식으로 표현하면 아래와 같다.

위 식을 살펴 보면, 이상적인 캐퍼시터는 주파수가 높아질수록(dt가 작아질 수록) 더 큰 전류를 통과 시킨다. 즉 손실 없이 더 잘 신호를 통과 시킨다. 주파수가 0이 되면, 즉 DC가 되면 캐퍼시터를 흐르는 전류는 0이 된다(위에서 언급한 내용이다).

실제의 캐퍼시터는 순수한 캐퍼시턴스 성분 이외에 약간의 저항 성분과 인덕턴스 성분도 가지고 있다(모든 도체는 적은 양이라도 어떤 식으로든 저항성분과 인덕턴스 성분을 가질 수 밖에 없다). 이것을 각각 ESR(equivalent series resistance)과 ESL(equivalent series inductance)이라고 부른다. 그런데 재미있는 것은 인덕이브 임피던스도 주파수의 함수라서 주파수가 높아지면 원래의 캐퍼시터가 가지고 있는 캐퍼시티브 임피던스와 경쟁을 하다가 어느 순간 둘의 크기가 동일한 지점에 오게 되면 그 캐퍼시터가 가질 수 있는 가장 작은 임피던스를 보이다가 주파수가 계속 더 높아지면 꼬리가 몸통을 흔드는 격으로 ESL이 더 중요한 역할을 하게 된다. 즉 캐퍼시터가 아니라 인덕터처럼 행동을 하게 된다.

캐퍼시터를 흐르는 전류는 위상에도 변화가 생기는데 전압이 전류보다 90도 뒤쳐지는 현상이 발생한다. 이것은 임피던스 파트를 설명할 때 다루도록 한다.

Inductor (인덕터)

도체에 전류가 흐르면 그 흐르는 전류 주변에는 반드시 자기장이 발생한다. 그 도체가 어떤 모양이든 단면적으로 보았을 때 그 직선을 감싸는 둥근 모양의 자기장이 발생한다(플레밍의 오른손 법칙). 자기장을 많이 발생시키고 싶으면 도체의 모양을 직선으로 만들지 안고 둥글게 만들면 된다. 또한 둥근 모양을 많이 겹쳐 놓으면 더욱 많은 자기장을 유발할 수 있다. 인덕터는 이렇게 자기장이 많이 유발되도록 의도적으로 만든 소자이다. 기억해야 할 것은 어떤 도체든지 전류가 흐르면 자기장이 발생한 다는 것이고 그 자기장은 도체를 완전히 감싸며 루프를 형성한다는 것이다. 그리고 자기장은 그 것이 형성되는 물질의 유전률과는 무관하다. 그러면 인덕턴스는 어떻게 결정될까? 인덕턴스는 도체 주변을 감싸는 자기장의 수(N)에 비례한다. 즉 인덕턴스는 어떤 고정된 자기장의 값이 아니고 자기장 라인(플럭스)의 수에 관한 것이다. 따라서 인덕턴스는 도체의 기하학적 모양의 함수이다. 기하학적 모양에 의해 결정된 L값은 변하지 않는다. 따라서 I가 증가하면 N도 같이 증가하고 I가 줄어들면 N도 같이 줄어든다. 이것을 표현한 식이 아래이다.

같은 모양의 두 개의 도체 라인에 같은 방향으로 전류를 흘리면 적당히 떨어진 곳에서 인덕턴스는 2배가 되고, 각각 반대 방향으로 전류를 흘리면 0이 된다. 각 라인에 의해 형성된 자기장의 방향이 반대가 되어 상쇄되기 때문이다. 이처럼 인덕턴스는 어떤 도체 자기 자신만의 함수가 아니라 다른 도체에 의한 자기장의 영향도 받게 된다. 이것을 상호 인덕턴스라고 한다.

재미있는 현상은 자기장의 개수에 변화가 발생하면 도체의 길이방향으로 전압이 발생을 한다는 것이고 발생하는 전압은 변화하는 자기장의 개수와 직접적으로 관련이 있다는 것이다.

변화하는 자기장 루프의 개수가 많을수록 그리고 변화가 빨리 일어날수록 도체에 유발되는 전압은 커진다. 위 두 식을 합하여 다시 정리하면 다음과 같다.

위 식에서 알 수 있듯이 전류에 변화가 생기면 반드시 전압이 유발된다. 유발된 전압은 전류의 변화가 최소화 되는 방향으로 발생을 한다. 인덕턴스가 중요한 이유는 이렇게 유발된 전압이 신호의 품질에 영향을 주기 때문에 중요한 이유이다.

위의 특성을 정리하면, 인덕터는 전류량의 변화가 없는 DC는 잘 통과시키고, 전류의 변화를 억제하는 전압 발생 때문에 AC는 차단하는 역할을 한다. 주파수가 높아질수록 더 많이 차단된다. 이런 특성은 캐퍼시터와 정 반대되는 특성이다. 신호의 위상의 관점에서 보면 전류가 전압보다 90도 뒤쳐지는 현상이 발생한다.