초고속 디지털 통신시스템의 성능은 빠른 에지율(edge rate), 클럭속도 및 디지털 정보전송방법 등에 영향을 받는다. 특히 고주파 통신시스템의 잡음원은 다수 전송선에서의 신호 간 동시 스위칭, 전원 공급, 신호 반사와 왜곡 등에 의해 발생하며, 다층(multilayer) PCB를 설계할 경우 신호의 충실성이 더욱 훼손된다. 따라서 시스템 H/W의 신호충실성을 얻기 위해 최적 임피던스정합을 갖는 PCB 설계가 필요하다. 본 논문에서는 시스템 신호의 충실성을 위하여 다층 PCB 선로의 패턴에 따른 트랙계산 이론, 설계에 필요한 임피던스 및 특성 자동 분석 시뮬레이터를 개발한다. 특히 다층으로 PCB를 설계할 때 신호선과 접지부분 배치를 사전에 컴퓨터 모의실험을 통하여 최적조건의 임피던스에 맞는 설계가 가능하도록 시뮬레이터를 개발함은 물론 이를 데이터베이스화한다. 그리하여 제안된 시뮬레이션 툴은 PCB 설계 시 소요되는 시간을 단축하고 경제적인 PCB 개발을 가능케 한다.
초고속 디지털 통신시스템의 성능은 빠른 에지율(edge rate), 클럭속도 및 디지털 정보전송방법 등에 영향을 받는다. 특히 고주파 통신시스템의 잡음원은 다수 전송선에서의 신호 간 동시 스위칭, 전원 공급, 신호 반사와 왜곡 등에 의해 발생하며, 다층(multilayer) PCB를 설계할 경우 신호의 충실성이 더욱 훼손된다. 따라서 시스템 H/W의 신호충실성을 얻기 위해 최적 임피던스 정합을 갖는 PCB 설계가 필요하다. 본 논문에서는 시스템 신호의 충실성을 위하여 다층 PCB 선로의 패턴에 따른 트랙계산 이론, 설계에 필요한 임피던스 및 특성 자동 분석 시뮬레이터를 개발한다. 특히 다층으로 PCB를 설계할 때 신호선과 접지부분 배치를 사전에 컴퓨터 모의실험을 통하여 최적조건의 임피던스에 맞는 설계가 가능하도록 시뮬레이터를 개발함은 물론 이를 데이터베이스화한다. 그리하여 제안된 시뮬레이션 툴은 PCB 설계 시 소요되는 시간을 단축하고 경제적인 PCB 개발을 가능케 한다.
As high speed digital systems continue to use components with faster edge rate and clock speeds, transmission of the digital information, it can bring about many troubles. The increasing requirement for controlled impedance PCBs becomes both a critical success factor and a design challenge to implem...
As high speed digital systems continue to use components with faster edge rate and clock speeds, transmission of the digital information, it can bring about many troubles. The increasing requirement for controlled impedance PCBs becomes both a critical success factor and a design challenge to implement a system. Especially, the noise sources in high frequency digital systems include the noise in power supply, ground and packaging, and they destroy the fidelity of signals. Therefore PCB design with impendence matching is needed to improve fidelity of signal in H/W. In this paper, we have developed an impedance control and analysis tool for multi-layer PCB design, and simulates the tracks controlled impedance with the test coupon. So, it can save the design time and support the economical PCB design.
As high speed digital systems continue to use components with faster edge rate and clock speeds, transmission of the digital information, it can bring about many troubles. The increasing requirement for controlled impedance PCBs becomes both a critical success factor and a design challenge to implement a system. Especially, the noise sources in high frequency digital systems include the noise in power supply, ground and packaging, and they destroy the fidelity of signals. Therefore PCB design with impendence matching is needed to improve fidelity of signal in H/W. In this paper, we have developed an impedance control and analysis tool for multi-layer PCB design, and simulates the tracks controlled impedance with the test coupon. So, it can save the design time and support the economical PCB design.
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문제 정의
본 논문에서는 신호의 충실성을 위하여 PCB 설계 시필요한 신호선로의 재질, 유전율 및 선로 패턴에 따른 임피던스를 사전에 분석하고 최적한 임피던스를 갖는 PCB를 설계할 수 있도록, 최적 PCB 설계 시뮬레이터를 개발 한다. 따라서 전송선 신호의 충실성을 해치는 요소들에 대한 이론과 유전손실, 선로의 패턴에 따른 트랙계산 이론을 전개하고 검증할 수 있는 시뮬레이터를 제시한다.
가설 설정
고객이 주문한 규격에 맞추어 PCB를 설계하려면 몇가지 기본 정보가 필요하다. 첫째, 몇 Ω의 임피던스 회로가 필요한가? 둘째, 몇 층의 PCB 구조에 전체 두께는 얼마를 원하는가? 셋째, 임피던스 회로를 어느 층간에 넣을 것인가? 넷째, 회로의 폭은 얼마로 할 것인가? 이러한 순서로 설계된 PCB는 배열구조 결정, 최적 회로폭의 확정 및 임피던스 측정용 쿠폰을 설계하게 된다[16]. 초기에는 생산할 수 있는 공정별 능력을 평가한다.
고객이 주문한 규격에 맞추어 PCB를 설계하려면 몇가지 기본 정보가 필요하다. 첫째, 몇 Ω의 임피던스 회로가 필요한가? 둘째, 몇 층의 PCB 구조에 전체 두께는 얼마를 원하는가? 셋째, 임피던스 회로를 어느 층간에 넣을 것인가? 넷째, 회로의 폭은 얼마로 할 것인가? 이러한 순서로 설계된 PCB는 배열구조 결정, 최적 회로폭의 확정 및 임피던스 측정용 쿠폰을 설계하게 된다[16]. 초기에는 생산할 수 있는 공정별 능력을 평가한다.
시뮬레이션을 위해서 재질은 FR-4를 가정하고, 코퍼 1 oz, 유전율은 ∊r=4.7을 사용할 때, 표 2는 그림 1에서표면 마이크로스트립라인의 임피던스에 대해, 임피던스 계산식(1)을 이용하여 트랙폭에 대한 임피던스의 변화율을 얻는다. 여기서 W와 h에 대한 계산에서 선택된 값은 ±5.
제안 방법
고객의 최적한 PCB 쿠폰설계를 위하여 h, W, T 및 ∊r등 다양한 조건에 따라 최적한 임피던스를 선택하였고, 그에 따른 다층 PCB를 설계할 수 있는 시뮬레이터를 개발함으로써 자동으로 임피던스 특성을 분석할 수 있음을 보였다.
특히 고주파의 PCB를 설계할 경우, 신호의 오율은 임피던스 영향이 절대적으로 중요하다. 그러므로 임피던스의 영향을 분석할 수 있는 시뮬레이터 툴을 개발함으로써 다층화 되고 고도화되고 있는 PCB 설계 및 분석에 용이하게 대처하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 신호의 충실성을 위하여 PCB 설계 시필요한 신호선로의 재질, 유전율 및 선로 패턴에 따른 임피던스를 사전에 분석하고 최적한 임피던스를 갖는 PCB를 설계할 수 있도록, 최적 PCB 설계 시뮬레이터를 개발 한다. 따라서 전송선 신호의 충실성을 해치는 요소들에 대한 이론과 유전손실, 선로의 패턴에 따른 트랙계산 이론을 전개하고 검증할 수 있는 시뮬레이터를 제시한다.
여기서 설계 하고자 하는 주문자의 변수들에 대해 계산된 임피던스는 ±5.5 Ω 범위내에서 55.098 Ω으로 계산하고 쿠폰을 설계한다.
정확한 제작을 위하여 계산된 값과 측정한 값들을 비교한 결과표를 만들어 자사공정과 이론치 사이의 변동을 파악한다. 그림 1에서 트랙폭(W)과 트랙 두께(h) 값을 변경하여 시험을 반복하고, 설계자의 요구치를 맞추는 공정변수들을 찾아내는 일을 반복하여 설계한다.
특히 고객의 최적한 PCB 쿠폰설계를 위하여 h, W, T 및 ∊r 등 다양한 조건에 따라 최적한 임피던스를 선택하는 알고리즘을 보였고, 그에 따른 다층 PCB를 설계할 수 있는 시뮬레이터를 개발함으로써 자동으로 임피던스 특성을 분석할 수 있었다.
성능/효과
일반적인 시험 쿠폰은 200mm×300mm의 PCB로 시험하고자 하는 주기판과 동일한 트랙구조와 층을 구성한다. 또한 동일한 작업상에서 제조된 것이어야 동일한 임피던스 시험이 될 것이며, 모든 전원 및 접지면이 쿠폰에 포함되고, 상호 연결되어야 유효한 시험결과를 얻을 수 있다.
이는 현장에서 경험이나 수동적인 임피던스 계산 방법으로 소요되는 많은 절차를 생략하게 함으로써 시간절약은 물론 PCB설계능률을 높일 수 있었고, 특히 다양한 회로모델을 통하여 모든 정보가 단계별 및 다층 시뮬레이션에 이용될 수 있도록 설계함으로써 시뮬레이터의 확장성을 보강하였다. 또한 제안하는 툴을 통해, PCB의 신호충실성을 기할 수 있을 뿐 아니라 전체 PCB 설계 시간을 절약할 수 있는 경제적인 효과도 얻을 수 있다.
등 다양한 조건에 따라 최적한 임피던스를 선택하는 알고리즘을 보였고, 그에 따른 다층 PCB를 설계할 수 있는 시뮬레이터를 개발함으로써 자동으로 임피던스 특성을 분석할 수 있었다. 이는 현장에서 경험이나 수동적인 임피던스 계산 방법으로 소요되는 많은 절차를 생략하게 함으로써 시간절약은 물론 PCB설계능률을 높일 수 있었고, 특히 다양한 회로모델을 통하여 모든 정보가 단계별 및 다층 시뮬레이션에 이용될 수 있도록 설계함으로써 시뮬레이터의 확장성을 보강하였다. 또한 제안하는 툴을 통해, PCB의 신호충실성을 기할 수 있을 뿐 아니라 전체 PCB 설계 시간을 절약할 수 있는 경제적인 효과도 얻을 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
통신시스템의 성능에 영향을 주는 요인들로 무엇이 있는가?
통신시스템의 성능은 PCB 신호전송라인의 길이, 재질의 손실, 라인형태 및 임피던스 불일치 등에 영향을 받게 된다[2～3]. 따라서 고속주파수 신호를 갖는 PCB의 신호전송경로를 설계할 때 신호선로를 전송선으로 간주함에 따라 신호 파형의 반사와 이웃 선로 간 상호 전자파 간섭으로 인한 누화가 고려되어야 한다.
PCB 쿠폰의 높은 신뢰성 확보를 위해서는 어떻게 시험과 측정을 진행하는 것이 좋은가?
작업 판넬에는 두 개의 쿠폰을 삽입하여 시험과 측정을 하는 것이 보다 높은 신뢰를 얻을 수 있다. 실제로 일부 PCB회사에서는 임피던스 제어 시험을 통하지 않고 경험적인 절차와 방법으로 시험 쿠폰을 두 개씩 삽입하여 PCB에 대한 질적인 보장을 확보한다.
고주파 통신시스템에서 발생하는 잡음의 원인은 무엇인가?
초고속 디지털 통신시스템의 성능은 빠른 에지율(edge rate), 클럭속도 및 디지털 정보전송방법 등에 영향을 받는다. 특히 고주파 통신시스템의 잡음원은 다수 전송선에서의 신호 간 동시 스위칭, 전원 공급, 신호 반사와 왜곡 등에 의해 발생하며, 다층(multilayer) PCB를 설계할 경우 신호의 충실성이 더욱 훼손된다. 따라서 시스템 H/W의 신호충실성을 얻기 위해 최적 임피던스 정합을 갖는 PCB 설계가 필요하다.
참고문헌 (16)
F. Y. Chang "Transient Analysis of Lossless Coupled Transmission Lines in Nonhomogeneous Dielectnec Medium," IEEE Trans. on Micrewave Tech., pp. 616-626, Sep., 1970.
"Calculation of Controllrd Impedance, 2D Field Solving in the SI6000 and CITS25," Polar inc.Application Notes
"Design and Technology Knowhow of PCB Pattern", Information Institute of Science and Technology, STII910757
H. W. Johnson and Martin Graham, "High-speed Digital Design : A Handbook of Black Magic," Prentice-Hall, 1993.
M. I. Montrose, "EMC and the Printed Circuit Board," IEEE Inc., pp. 175-182, 1996.
Hart, Bryan, "Digital Signal Transmission," Pub Chapman and Hall 1988.
Wadell B. C. Transmission Line Design Handbook, Artech House Publishers, 1991.
Werner John, "Design of Printed Circuit Boards as a Part of an EMC-adequate System Development," IEICE Trans. on Comm. vol. E80-Bm No. 11, Nov. 1997.
Harrington, Roger F, "Field Computationby Moment Methods," Pub : MacMillan, 1968
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