신호 무결성과 크로스토크

참고

이 문서의 층위 — 기본 이론. 고속에서 파형이 무너지는 원인의 종류를 다룬다. 배선(routing) 규칙과 점검 항목은 고속 PCB 구현이 소유한다.

1. 신호 무결성이 묻는 것

신호 무결성(signal integrity)은 송신단이 보낸 파형이 수신단에서 논리 값으로 인식되는가를 묻는다.

무너지는 방식	원인
진폭이 모자라다	손실 · 분압
파형이 흔들린다	반사(reflection) · 크로스토크(crosstalk)
에지가 둔해진다	손실 · 용량성 부하
도착 시각이 흔들린다	지터(jitter) · 스큐

2. 상승 시간이 모든 것을 정한다

상승 시간(rise time)이 짧아지면	결과
차지하는 주파수 대역이 넓어진다	손실과 불연속의 영향이 커진다
임계 길이가 짧아진다	짧은 배선도 전송선(transmission line)이 된다
리턴 전류가 배선 바로 아래로 몰린다	기준면(reference plane) 불연속이 문제가 된다
결합 전류가 커진다	크로스토크가 커진다

클럭이 아니라 에지가 판정 기준이다. 근거와 환산은 적용 — 고속 PCB 설계 §2 가 소유한다.

3. 반사와 오버슈트

현상	원인	파형에서
오버슈트	부하가 선로보다 큰 임피던스(impedance)	목표 준위를 넘었다가 되돌아온다
언더슈트	부하가 선로보다 작은 임피던스	목표 준위 아래로 내려간다
링잉	양쪽 끝이 모두 정합되지 않았다	감쇠 진동이 이어진다
계단	중간 불연속	왕복 시간 간격의 층계가 생긴다

오버슈트는 파형 문제만이 아니다. 수신 소자의 절대 최대 정격을 넘으면 소자가 손상되고, 반복되면 수명이 줄어든다.

4. 크로스토크

이웃한 두 배선 사이에는 용량성 결합과 유도성 결합이 함께 존재한다.

결합	원천	만드는 전류
용량성	두 배선 사이 전기장	양방향으로 같은 극성
유도성	두 배선의 전류 루프가 공유하는 자속	양방향으로 반대 극성

두 성분이 방향에 따라 더해지거나 상쇄되면서 두 가지 결과를 만든다.

종류	어디로 가는가	성질
근단 크로스토크(NEXT)	공격 신호의 송신단 쪽	두 성분이 더해진다 · 결합 길이에 비례하다 포화한다
원단 크로스토크(FEXT)	공격 신호의 수신단 쪽	두 성분이 상쇄된다 · 매질이 균질하면 작다

참고

스트립라인의 원단 크로스토크는 이론상 거의 0 이다. 위아래가 같은 유전체라 두 결합이 상쇄되기 때문이다. 마이크로스트립(microstrip)은 위가 공기라 상쇄가 완전하지 않아 원단 성분이 남는다.

5. 크로스토크를 정하는 변수

변수	늘리면
두 배선의 간격	급격히 줄어든다
나란히 가는 길이	근단은 포화하고 원단은 계속 커진다
기준면과의 거리	결합이 커진다 — 간격보다 이 값이 지배적일 때가 많다
상승 시간	짧을수록 커진다
피해 배선의 종단(termination)	종단되지 않으면 반사로 되돌아 다시 나타난다

간격을 넓히기 전에 기준면을 가깝게 두는 편이 효과가 크다. 결합은 두 배선 사이 거리와 각 배선의 기준면 거리의 비로 정해진다.

6. 공통 임피던스 결합

전기장·자기장 결합이 아니어도 리턴 경로(return path)를 공유하면 신호가 서로 섞인다.

상황	결과
여러 신호가 같은 리턴 비아를 쓴다	그 비아의 인덕턴스에 공통 전압이 생긴다
기준면이 분할되어 리턴이 우회한다	우회 구간을 공유하는 신호끼리 결합한다
접지 연결이 한 점으로 모인다	그 지점의 임피던스가 결합 경로가 된다

이 결합은 배선 간격을 넓혀도 줄지 않는다. 리턴 경로를 나누는 것이 해결책이다.