크로스토크: 따로 보면 두 페어 모두 멀쩡했다

사례: 따로 보면 두 페어 모두 깨끗했다

같은 커넥터의 고속 페어 두 개이고, 각각 저용량 보호 어레이를 붙였습니다. 각 페어를 따로 올려서 측정했습니다. 둘 다 아이 마스크를 여유 있게 통과했고 ESD 인증도 모든 핀에서 합격했습니다.

그런 다음 두 페어를 동시에 돌리자 그중 하나에서 비트 오류가 나기 시작했습니다.

중요한 것은 일어나지 않은 일들입니다. 손상된 것이 없습니다. 뜨거워진 것도 없습니다. 교체할 것도 없었고 재훈련만으로 링크가 스스로 돌아왔습니다. 파괴된 부품은 재훈련으로 회복되지 않습니다.

이것은 신호 문제이지 보호 고장이 아니다

이 둘은 일찍 갈라 두는 편이 좋습니다. 한 가지로 묶여 조사되기 쉬운데, 고쳐야 할 곳이 완전히 다르기 때문입니다.

• ESD 문제는 소자로 고칩니다. 부품을 바꾸거나 커넥터와의 위치 관계를 바꾸면 클램핑 동작이 달라집니다.
• 크로스토크 문제는 배치로 고칩니다. 소자가 도움이 되거나 해가 되는 지점은 핀이 어디에 있는가 뿐이고, 클램핑 사양을 아무리 바꿔도 답은 움직이지 않습니다.

그러니 답해야 할 질문은 "보호가 충분한가"가 아닙니다. 이 선에 붙은 보호 부품이 한 페어를 다른 페어로 실어 나르고 있는가, 그렇다면 조용한 페어에 실제로 얼마만큼의 잡음을 얹고 있는가입니다.

크로스토크란

스위칭하는 선이 옆의 조용한 선으로 에너지를 밀어 넣습니다. 경로는 두 개이고 항상 둘 다 존재합니다.

• 전기장은 상호 정전용량을 통해 결합합니다. 두 도체가 작은 커패시터를 이루고, 한쪽의 전압 변화가 다른 쪽으로 전류를 흘려보냅니다.
• 자기장은 상호 인덕턴스를 통해 결합합니다. 한 선의 전류 변화가 다른 선의 루프에 자속을 쇄교시켜 전압을 유도합니다.

두 경로 모두 선과 선 사이의 연결을 필요로 하지 않습니다. 이 점은 소리 내어 말할 가치가 있습니다. 연결을 찾는 모든 검사가 왜 통과되는지를 설명해 주기 때문입니다. 도통 시험도, 네트리스트 검토도, 육안 검사도 전부 통과합니다. 찾을 것이 아예 없는데 결합은 계속 일어납니다.

얼마나 결합하는가, 그리고 왜 세대마다 나빠지는가

식 하나가 대부분을 감당합니다. 용량성 경로에서 조용한 선에 실리는 잡음은 다음과 같습니다.

V_n = C_m × dV/dt × Z₀/2

전압 변화율은 진폭을 상승 시간으로 나눈 것이므로 결합 잡음은 상승 시간의 역수에 비례합니다. 엣지가 절반이 되면 결합 잡음은 두 배가 됩니다.

그래서 같은 보드가 세대를 넘어가면서 나빠지는데도 겉으로는 아무것도 변하지 않은 것처럼 보입니다. 같은 간격, 같은 적층, 같은 보호 부품, 전부 같습니다. 바뀐 것은 엣지뿐이고 잡음이 그것과 함께 왔습니다. 200ps 엣지에서 넉넉했던 마진은 50ps에서 사분의 일이 됩니다.

이 사례의 모양도 같은 이유로 설명됩니다. 각 페어를 따로 돌리면 애그레서가 없으니 괜찮습니다. 둘이 함께 돌아가는 순간 한쪽이 다른 쪽의 애그레서가 됩니다.

보호 부품은 여기에 어떻게 관여하는가

보호 소자는 고속 선에 대해 완전히 별개인 두 가지 일을 하고, 그 둘은 늘 서로의 탓으로 돌려집니다.

1. 선에 정전용량을 더합니다. 모든 보호 소자는 신호에 병렬로 걸리는 커패시터입니다. 이것이 부하이고, 삽입 손실과 둔해진 엣지로 그 선에서만 나타납니다.
2. 핀이 페어끼리 얼마나 가까이 지나가는지를 정합니다. 패키지가 두 페어를 얼마나 가깝게 스치게 할지, 그 사이에 무엇이 있을지를 정합니다. 이것이 결합이고, 다른 페어에 잡음으로 나타납니다.

원인이 다르면 해법도 다릅니다. 정전용량을 낮추면 부하는 해결되지만 결합에는 전혀 듣지 않습니다. 결합을 고칠 수 있는 것은 배치뿐입니다.

그래서 이 노트에서 가져갈 만한 한 문장은 이것입니다. 보호 부품을 정전용량만으로 비교했다면 절반만 비교한 것입니다.

효과 하나, 부하: 정전용량의 대가

전송선에 걸린 병렬 커패시터의 삽입 손실은 계산이 단순하고, 5GHz에서의 값은 알아 둘 가치가 있습니다. 낮은 쪽은 생각보다 작고 높은 쪽은 생각보다 크기 때문입니다.

• 0.18pF는 약 0.09dB
• 0.28pF는 약 0.21dB
• 0.45pF는 약 0.51dB
• 1.0pF는 약 2.09dB

여기서 두 가지가 나옵니다. 첫째, 0.45pF에서 1pF로 가는 것은 작은 한 걸음이 아니라 손실이 네 배이며 두 배가 아닙니다. 손실이 정전용량보다 빠르게 오르기 때문입니다. 둘째, 낮은 쪽의 차이는 정말 작아서 0.18pF와 0.28pF의 차이는 0.1dB에도 못 미치고, 마진을 깎아먹는 범인인 경우는 거의 없습니다.

이 모델은 짐작이 아닙니다. 0.45pF에 대해 5GHz에서 0.51dB를 예측하는데, 그것이 바로 실제 12Gbps 링크에서 측정해 PZ0303P-F10 데이터시트에 싣는 값입니다.

효과 둘, 배치: 접지 핀이 어디에 있는가

페어 안쪽의 결합은 페어 그 자체입니다. 차동 페어는 그러라고 있는 것이고 문제가 아닙니다. 문제는 페어와 페어 사이의 결합이고, 보호 부품은 바로 두 페어가 가장 가까이 지나갈 수밖에 없는 지점에 앉아 있습니다.

PZ0303P-F10은 열 핀짜리 DFN2510-10L입니다. 아래 줄 순서는 채널 1, 채널 2, 접지, 채널 3, 채널 4이므로 핀 3이 페어 A와 페어 B 사이에 정확히 들어갑니다.

더 중요한 것은 반대쪽입니다. 윗줄은 10, 9, 8, 7, 6이고 핀 8도 접지이며 핀 3의 정반대편에 있습니다. 즉 페어 사이에 접지 핀이 하나 있는 것이 아니라 위아래 두 줄의 같은 위치가 모두 접지이고, 두 페어가 스치는 바로 그 지점에서 패키지를 가로지르는 접지 구리 벽이 됩니다.

접지 핀이 진짜 값어치를 하는 곳이 여기입니다. 서로 말을 섞으면 안 되는 두 네트 사이에 서서, 결합된 전기장이 옆 페어로 계속 가는 대신 끝날 자리를 주기 때문입니다.

저희라면 무엇을 쓸까

1. 페어가 둘이면 PZ0303P-F10. 4채널이라 두 페어가 한 부품에 들어가고 위아래 두 줄의 접지 핀이 사이에 섭니다. 0.45pF, 동작 전압 3.3V, 8/20µs에서 6.0A, 동적 저항 0.21옴, 접촉 ±16kV, 공기 ±21kV, DFN2510-10L.
2. 페어가 하나이고 정전용량이 그 페이지에서 가장 빡빡한 숫자라면 PZ0302A-F7. 2채널에 표준 0.18pF, 최대 0.28pF, 동작 전압 3.3V, 6.5A, 접촉 ±18kV, 공기 ±21kV, DFN1610-6L.

이 숫자들을 적는 방식에 대해 한마디. 저희는 표준값만이 아니라 최대 정전용량을 공개합니다. 표준값은 분포의 한가운데이고, 당신의 최악의 보드는 표준 부품으로 만들어지지 않습니다. 최대값으로 설계하세요. 그리고 경쟁사 데이터시트가 표준값만 준다면, 둘을 비교하기 전에 그것부터 물어볼 가치가 있습니다.

제대로 답하려면 필요한 것

두 효과 모두 보드를 그리기 전에 종이 위에서 숫자로 만들 수 있지만, 데이터시트에 있는 것은 한쪽뿐입니다. 정전용량은 이미 압니다. 결합은 당신의 배치에 달렸으니 네 가지가 필요합니다.

1. 라인 레이트. 삽입 손실 곡선의 어디에 앉아 있는지가 정해집니다.
2. 엣지 레이트. 결합을 실제로 몰아가는 쪽이고, 보통 라인 레이트에서 짐작하는 것보다 빠릅니다.
3. 페어 간 피치. 두 페어가 얼마나 떨어져 있고 얼마나 길게 나란히 가는지.
4. 적층 구조. 기준면이 얼마나 가까운지가 전기장이 얼마나 국소에 머물고 옆까지 가지 않는지를 정합니다.

이 넷이 있으면 부하와 결합을 의견이 아니라 숫자로 드릴 수 있고, 실제로 어느 쪽이 마진을 깎고 있는지 알려 드릴 수 있습니다. 지목당한 쪽이 아닌 경우가 드물지 않습니다.