[SI/PI] Signal integrity 란 무엇인가(Cross talk, Rail collapse noise)

지난 포스팅에는 Signal integrity의 필요성과 영향을 미치는 항목들 중 단일 Net 신호 품질을 알아보았다. 이번 포스팅에서는 Cross Talk, Rail-Collapse Noise, EMI와 관련된 내용을 간단히 학습하도록 하겠다.

1. Cross Talk

Cross Talk 은 여러가지의 신호들의 Interconnection 사이에서 발생한다. 예를 들어 신호가 전달되는 A Net 이 있을 때, 주변의 C, D.. Net 들에게 Voltage, Current 가 전달될 수 있다. 이는 C, D의 동작 여부와 관계없이, 주위의 A의 Net을 통하여 전달되는 것이다.이는 A Net 의 신호가 전달되면서 주위의 net과 Capacitive와 Inductive Coupling 이 일어나면서 발생하는 것이다. Cross Talk 은 interconnect가 uniform 한 경우와, non uniform 한 경우 2가지가 있다. Uniform 한 경우는 대부분의 Circuit Board 등의 환경이며, non uniform 한 경우는 Connector, Packages로 예를 들 수 있다.

Impedance 가 잘 matching 된, 즉 Signal 들의 Return path 가 넓고 잘 잡혀있는 경우에는 Capacitive Coupling, Inductive Coupling 는 상대적으로 비교 가능한 수준으로 발생한다. 그리고 그 효과는 FEXT(Far end cross talk), Next(Near end cross talk)으로 합쳐 저 주위 Signal에게 전달된다.

그러나 Return Path 가 좁아지거나 끊어지는 경우, 예를 들어 Connectors 연결, 여러가지의 Signal 이 1 return Path를 사용하는 경우, 에는 Inductively Coupling의 수준이 Capacitive Coupling의 경우보다 높아진다. 이와 같은 경우를 Switching noise, simultaneous switching output noise이라고 한다.

이러한 Coupling 에 기인된 Noise를 줄이기 위해선 Signal Path 들간의 거리를 넓히거나, Signal Path 들 사이에 있는 절연체의 Dielectric Constant를 낮추어야 한다.

2. Rail-Collapse Noise

Cross Talk 의 경우는 Signal, Return path 관점의 Noise이지만, Rail-collapse Noise는 Power/Ground 에서 발생하는 noise이다. 이는 Chip의 Output Switch, Core gate Switch 등에 의해서 PWR, GND Path 전류 세기가 바뀔 때, PWR, GND Path의 Impedance에 의해서 전압 강하가 발생하는 현상이다. 이러한 전압 강하로 인하여, Chip의 Power 가 제대로 전달되지 못하는 경우가 발생하고 이는 Chip 동작에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그리고 이는 고성능(high speed), Low Power 소자들에게는 더 치명적이게 된다. High speed 일 수록 Switching 속도가 빨라지고 전압 강하가 빈번하게 발생하며, Low Power 일 경우 일 수록 Power Path, Return path에서의 전압 강하의 영향력이 커지기 때문이다.

이를 최소화 하기 위해서는 Power/Ground를 Low Impedance로 만들어 Chip 동작에 영향이 없는 수준의 전압 강하만 발생할 수 있도록 해야 한다. 그렇게 되기 위해선 아래 4가지 항목을 기준으로 Design을 해야 한다

1. 인접한 Power / Ground Distribution Plane을 가깝게 배치한다. (Plane 사이에 얇은 절연체를 사용한다)

2. Low-inductance decoupling capacitors를 배치한다.

3. Package 내에서 Power Ground 배선을 짧게 한다.

4. Chip 내 Decoupling Capacitance를 배치한다.

금일은 Cross Talk, Rail-Collapse Noise로 SI/PI에 대한 정리를 간략히 하였다.

추후 Posting 은 EMI와 Electrical Products 들의 Trend 및 Design 방법론에 대해서 정리해보도록 하겠다.