고속화 시대의 계측·프로빙 입문(3) - 고주파 신호의 집합‘디지털 신호’측정

고속화 시대의 계측·프로빙 입문(3) … 미래 사회의 기본 인프라 ICT

 

올바른 그라운드에서 올바르게 측정한다
고주파 신호의 집합‘디지털 신호’측정



이번 호부터 3회에 걸쳐 디지털 회로의 계측과 프로빙 방법 에 대해 설명한다. 디지털 회로는 결국 전기신호이다. 이것을 고려하면 디지털이든 아날로그든 개념에 전혀 차이가 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 
여기서는 주로 수십MHz의 클록 속도를 가진 디지털 회로 에 대해 설명한다. 보다 고속의 디지털 신호 전송 계측에 대해 서는 연재 후반에 소개할 예정이다.

디지털 신호의 정체 

1. 10MHz 클록 신호에는 100MHz에 가까운 주파수 성분이 포함되어 있다 

‘디지털 회로는 연결하면 움직인다’라는 말은 이미 20년 전 의 얘기일지도 모른다. 최근에는 디지털 회로가 고속화되어 수백MHz, 경우에 따라서는 GHz의 동작 속도까지도 얻을 수 있다.

그렇지 않더라도 디지털 신호의 상승은 원래 고속이다. 예 를 들면 10MHz의 반복 클록 신호라고 해도 신호에는 5∼9배 (50M∼90MHz)의 매우 높은 주파수 성분, 즉‘고주파 신호’ 가 포함되어 있다.

2. 디지털 신호는 아날로그 신호로 측정해야 한다 

디지털 신호에 고주파 성분이 포함됨으로써 신호 파형은 둔 해지며 반사나 과도 변동, 공진 등에 의해 진동한다. 실제로 그 신호를 계측해 보면 그림 1과 같이‘1/0’의 디지털 신호가 아니라 아날로그 신호인 것처럼 보인다.

 “H”인지“L”인지를 관측하는 것이라면 간단하게 ‘일단’프로빙해 두면 되지만 타이밍 마진 검증이나 버스 충돌, 불안정한 로직 레벨의 디버그 등 개발 도중에 직면하는 문제를 적절하게 해결할 수는 없다.
디지털 회로 계측과 프로빙에서도 아날로그 회로와 마찬가지로 표 1의‘전자회로 계측·프로빙에서 필요한 4가지 포인트’가 중요하다. 이 연재 전체를 통해 이해해야 하는 것은‘디지털 신호도 아날로그 신호로서 다루고 계측해야 한다’는 점이다

측정 기준‘그라운드’의 바른 위치

여기서 1개의 디지털 IC를 생각해 보자. 그리고 이 IC 입력 의 스레숄드 레벨과 입력 신호 파형의 관계를 상세하게 관측 하고 싶다고 하자.

1. 그라운드가 측정점에서 떨어져 있으면 올바로 측정할 수 없다 

그림 2(a)의 경우, 2개의 기판 사이를 신호 전송하는 케이블 이 접속된 디지털 IC의 입력 단자를 프로빙하고 오실로스코프 로 파형을 계측한 것이다. 프로빙의 그라운드 리드는 간단히 접속하기 위해 기판 2개의 전원 공급 공통 포인트에 연결되어 있다. 이렇게 접속했더니 그림 2(b)와 같은 노이즈가 섞여 파형이 흐트러진 디지털 신호 파형이 관측됐다. 실제로는 이 계측 방 법과 얻어진 파형은 IC 입력 스레숄드 레벨과 입력 신호 파형을 관측한다는 의미에서 올바르지 않다. 그 이유를 다음에 설명한다.

2. 디지털 신호에 포함된 고조파가 배선 패턴 등 인덕턴스의 영향으로 노이즈를 발생시킨다 

디지털 IC의 입력 회로는 그림 3에 나타난 것과 같은 모델 로 되어 있다. 결국은 아날로그 회로를 생각하고 있는 것과 같 다고 할 수 있다. 
이 그림에서는 그림 2에서의 접속 모습을 포함하여 기재했다. 즉, 그림 2에서 관측한 것은 IC 자체가 본래 보고 있는(IC 의 입력 단자에서 보이는 신호원 측의) 파형이 아니라 주변 회 로의 노이즈, 과도 변동, 공진에 의한 진동 등이 함께 섞여 있 다. 본래 파형이 아닌 것을 보고 있는 것이다. 
특히 디지털 신호는 5∼9배 등 매우 높은 주파수 성분까지 포함하고 있다. 이것이 그림과 같은 인덕턴스 성분의 영향을 받아 크게 왜곡된다.

 

3. IC 입력 신호를 측정하려면 적어도 IC 그라운드를 기준으로 해야 한다 

그림 3의 IC 자체로 보면 IC 스레숄드의 기준이 되는 전위 는 IC 그라운드 단자와 회로 그라운드가 접속되어 있는 부분 이며, 그림 2에서 계측에 사용하고 있는 그라운드 부분(그림 3 에도 나타냈지만)은 아니다. 이 IC 자체의 기준 전위(그라운 드)를 계측계에서도 기준 전위로 해야 한다. 그래서 IC 입력 단자에서‘원래 보이는 파형’으로 관측하려면 그라운드 리드 를 관측하려는 IC의 그라운드 단자에 확실하게 접속한 후 실 행하는 것이 중요하다.

그림 4에 나타난 것은 접속점을 적절한 포인트로 바꾼 예이 다. 이렇게 하면 앞에서 설명한 것과 같은 주변 노이즈가 혼입 되지 않는다. 그러나 나중에 설명하듯이 그라운드 리드도 파형 이 흐트러지는 원인이 된다. 따라서‘이것만으로는 아직 불충 분’하다.

기판에서 발생하는 측정 오차

지금까지 설명한 바와 같이 적절하게 그라운드를 취하지 않 으면 관측 파형과 실제 파형에 오차가 생긴다. 이 오차 요인은 이론적으로 어떻게 생각해야 할까. 다음에는 기판상에서 발생 하는 측정 오차 요인에 대해 설명한다.

1. 요인 ① : 디지털 신호의 고주파 전류와 기판 인덕턴스에서 발생하는 노이즈 

그림 5와 같이 디지털 회로에서는 논리가 전환될 때(스위칭 할 때) 프린트 기판 위에서 매우 급격한 변화로 전류가 흐른다. 한편, 프린트 기판의 패턴에는 인덕턴스가 기생하고 있다(길이 감이 있는 도체는 인덕턴스 성분을 갖는다). 인덕턴스에서는 흐르는 전류의 미분값에 비례하여 전압이 발생한다. 즉 전류의 변화가 급격할수록 패턴에서 발생하는 전압, 즉 노이즈는 커지 게 된다.

2. 요인 ② : IC의 스위칭 전류가 근처에 있는 IC의 노이즈원으로 되어 링잉이 발생한다
노이즈 발생원은 이것뿐이 아니다. 앞에서 설명한 것을 더 연장해서 생각하면, 그림 6과 같이 좌측 IC가 스위칭되고 그 신호가 우측의 받는 쪽 IC로 스위칭 전류를 발생시킨다. 받는 쪽 IC의 스위칭 전류에 의해 발생하는 전압도 노이즈로 관측 된다. 
또한 그림에 있는 것과 같은 기생용량과 인덕턴스의 조합으 로 스위칭 전류가 흐름에 따라 공진 상태로 되어 링잉이라 불 리는 파형의 진동이 발생해 버린다. 따라서 그림 2(a)와 같이 간단히 접속된다고 해서 기판의 전 원 공급 공통 포인트에서 프로빙할 경우 이 패턴 사이에서 발 생하는 노이즈나 공진에 의한 링잉도‘본의 아니게’함께 관측 된다. 
아날로그 회로 설계에서는 이러한 점을 매우 중요시하고 있 다. 디지털 회로에서도 요즘에는 주의가 필요해지고 있다.

 

3. 요인 ③ : 가능하면 프로빙용 그라운드 패턴을 배치해 둔다 

IC의 그라운드 단자에 프로브의 그라운드를 연결하지 않는 경우는 흔히 있다. 그렇다고 해도 지금까지 설명한 바와 같이 IC 자체의 기준 전위로 돼야 하며, IC의 그라운드 단자가 접속 되어 있는 패턴 부근 전압을 계측계 측으로서도 기준 전위로 해야 한다.

따라서 그림 7과 같이 계측하고자 하는 단자 또는 패턴 부근에 프로브의 그라운드를 연결하는 랜드나 관통전극을 준비해두는 것이 좋을 것이다(레지스트는 빼둘 것).

최근의 고밀도 실장 기판을 고려하면 이러한 제안은‘각하 (却下)’되겠지만 올바른 파형을 관측하기 위해서는 역시 중요 하다고 할 수 있다. 특히 최근에는 BGA(Ball Grid Array) IC 가 증가하고 있는데 이 경우에는 신호나 그라운드 단자를 직접 프로빙할 수 없다. 이와 같이 프로빙 간편성을 고려해 두는 것 은 중요하다.

또 다른 방법으로는 차동 프로브를 사용하여 한쪽을 신호 단자, 또 한쪽을 IC의 그라운드 단자에 접속해 차동 신호로 검 출하는 방법도 있다.

그라운드 리드에서 발생하는 측정 오차와 노이즈 

1. 프로브의 그라운드 리드는 100MHz에서 63Ω! 

고속 디지털 신호를 계측할 경우 패시브 프로브의 그라운드 단자를 그대로 IC 그라운드 단자에 연결하는 데에는 문제가 있다. 그라운드 리드는 그림 8과 같이 그 자체가‘인덕턴스’로 서 모델화된다. 케이블의 인덕턴스는 대체적으로 1mm당 1nH 이므로 100mm 정도 길이의 그라운드 리드라면 이것만으로 100nH의 인덕턴스가 발생한다. 
100nH는 100MHz에서도 6.3Ω, 100MHz에서는 63Ω이다. 또한 이 인덕턴스와 회로 내의 용량 성분, 그림 8에 나타난 프로브의 입력 용량 및 부유 용량이 상호 영향을 주어 계측하고 자 하는 파형의 상태를 변화시키거나 링잉을 발생시킨다. 마치 아날로그적인 움직임이다.

 
2. 인덕턴스를 최대한 줄이면 200MHz 정도까지의 주파수 성분을 계측할 수 있다 

그래서 고속의 신호 계측에는 그림 9에 나타난 예와 같이 그 라운드 리드를 이용하지 않고 짧은 그라운드 핀을 패시브 프로 브 끝에 접속한 후 기생 인덕턴스를 줄여 계측하는 것이 현실 적이다. 
예를 들어 핀 길이가 5mm라면 인덕턴스는 5nH이다. 그러 나 200MHz(20MHz의 클록) 정도까지가 한계이다. 어쨌든 모 델화하여 생각해 보면 서로 영향을 주지도 받지도 않도록 배치 하는 것이다.






3. 패시브 프로브에서 고정밀로 측정할 수 있는 디지털 신호는 수십MHz의 반복 주파수까지이다
디지털 신호에는 홀수 배의 주파수 성분이 포함된다. ‘200MHz 정도’는 디지털 신호 자체의 반복 주파수가 아니라 디지털 신호의 고조파 성분도 고려했을 때의 주파수 대역 한계 이다.
‘인티그리티’가 높은 계측·프로빙을 실행한다면 다음 회에 설명하는‘50Ω계 계측’혹은‘차동 프로브’를 이용하는 것이 확실하다.

오실로스코프가 원인인 오차

1. 오실로스코프의 대역과 신호 상승 시간
그림 10에 나타난 바와 같이 디지털 신호의 상승 시간과 오 실로스코프 주파수 대역의 관계를 확실하게 파악해 두는 것이 중요하다.



이 그림과 같이 일반적으로 신호 변화의 10%∼90%의 시간 을 상승시간 tr[ns]로 정의하고 있다. 신호를 거의 오차 없이 계측하기 위해 오실로스코프의 대역폭을 fBW[MHz]라고 하면 대략 다음과 같이 필요하다.



‘거의’라고 한 것은 아무래도 약간의 오차가 나올 수밖에 없 기 때문이다. 이러한 계산식에서는 오차를 3%로 하고 있다. 또 한 식 (1)은 오실로스코프 대역 특성을 1차계라고 가정하고 계 산하고 있다. 즉, 상승 1ns의 신호(100MHz 반복 파형의 1/10) 를 관측하려면 오실로스코프에 1.4GHz 정도의 대역이 필요하 게 된다는 얘기이다.

2. 어떻게 해도 약간의 오차가 발생한다
식 (1)을 만족하면 되겠지만, 앞서‘오차를 3%로 하고 있다’ 라고 말한 바와 같이 오실로스코프의 주파수 대역 성능 fBW[MHz]가 상승 시간에 약간의 오차를 발생시킨다. 이 관계 는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.



단, tosc는 오실로스코프로 관측한 상승 시간 [ns], fBW는오실로스코프의 주파수 대역 성능 [MHz], tr은 신호 자체의 상승 시간 [ns]이다.
이 식에서 계측한 상승 시간 tosc를 오실로스코프의 주파수 대역 성능 BW로 보정하여 본래의 상승 시간 tr을 예측할 수도 있다.

3. 프로브의 부유 성분과 보정 용량
프로브 끝에는 그림 8과 같이 입력 용량, 부유 용량, 보정 용 량이 있으며 이것이 높은 주파수에서 계측 시 오차를 발생시킨 다. 표 1의‘적절하게 측정 대상과 계측계를 모델화하는 것’이 나‘측정 대상과 계측계를 조합시킨 형태에서 이론적으로 오 차 요인을 해석한다’와 같이 프로빙하는 부분(측정 대상과 계 측계 양쪽)을 확실하게 모델화하여 생각할 필요가 있다.


이번 호에서는 기본적인 디지털 신호 관측 방법에 대해 설 명했다. 신호가 고속화되고 있는 현대에는 디지털 신호라고 해 도‘전기신호’,‘ 아날로그신호’라는것을인식하고계측할필 요가 있다.
다음 달에는 더 깊이 들어가 디지털 회로에서의 문제점을 해결하는 계측에 대해 설명한다.




本 記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=002&idx=313