PCB 디자인 힌트: (1)

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■ 그라운드의 기본원리와 배선 방법

원저: Howard Johnson
편집: 국제테크노정보연구소 기술정보실
 

전지로 구동되는 3.3V 출력동작의 CMOS 발진기가 아무것에도 접촉되지 않고 공간에 떠 있다고 가정하자. 발진기의 케이스는 플라스틱으로 되어 있고, 접지단자는 없다. 다만 하나의 출력단자가 있다. 이 출력 단자를 오실로스코프에 접속하면 어떤 파형이 관찰될까.
그림 1에 측정계의 주요 구성을 나타냈다. 이 그림에서 중요한 것은, 전류는 항상 루프를 구성한다는 점이다. 발진기의 전류를 꺼내려면 전류를 환류시키는 리턴패스(경로)가 필요하게 된다. 이 발진기는 내부의 접지단자가 플라스틱으로 된 케이스 밖으로 노출되고 있지 않으므로루프를 만드는 경로가 없는 것처럼 보인다. 그러나, 이 경로는 존재한다. 발진기의 내부회로와 이 근방에 있는 대지와의 사이에서 기생용량 C1에 의해 루프를 만드는 경로가 형성된다.
 


[그림 1] 긴 접지 배선을 사용했을 경우의 등가회로
기생 용량 C1은 플라스틱으로 된 케이스를 통하여 프린트 회로기판의 접지 단자와 대지를 접속한다


실제로 공중에서 측정을 하면, 발진기로부터 출력된 전류는 출력단자에 접속한 케이블을 경유하여 오실로스코프에 유입된다. 이것과 같은 크기의 전류가 오실로스코프 수직앰프의 입력저항 ZIN를 경유하여 케이스에 흐른다. 이 전류는 오실로스코프의 프레임으로부터 접지단자를 통하여 대지에 흘러든다. 다시 대지로부터 기생용량 C1를 통해 전속(電束)으로 형태를 바꾼 변위전류가 발진기로 돌아온다. 전류가 이러한 경로를 통하는 경우, 그림 1에서 보라색으로 가리킨 영역은 C1과 ZIN에 직렬로 접속 한 인덕터 L1으로서 동작한다. 이 때문에, 전류는 보라색으로 가리킨 영역에서 자속(磁束)을 발생한다.
C1과 L1에 의한 임피던스는 ZIN을 흐르는 전류에 영향을 준다. 이 전류를 오실로스코프로 관찰하게 된다. 따라서, L1과 C1에 의한 임피던스가 ZIN에 대해서 충분히 낮으면 정확하게 파형을 측정할 수 있다.
오실로스코프의 프로브를 액티브의 FET 프로브로 바꾸고, L1과 C1에 의한 임피던스가 ZIN보다 작아지는 주파수대역에서 측정해 본다. 이때, 접지하고 있지 않은 1pF의 프로브를 사용해 측정하는 것으로 가정한다. 게다가 프로브의 케이블은 프린트 회로기판상에 늘려져 있는 상태로 한다.
이러한 측정 구성으로 하면, 프로브의 쉴드와 프린트 회로기판의 접지 사이에는 C1=10 pF의 기생용량에 의한 결합이 생긴다. 이 기생용량은 루프에 의해 생기는 유도계수 L1=500nH와 직렬로 접속 되고 있다. 프로브의 입력저항 ZIN는 1pF의 콘덴서와 100kΩ의 저항을 병렬로 접속한 회로의 임피던스에 상당한다. 따라서, 이렇게 적당한 측정을 실시해도 100 k~100 MHz로 충분히 넓은 주파수대역에서 리즈너블한 결과를 얻을 수 있다. 그러나, C1과 L1에 의한 임피던스가 프로브의 입력저항 ZIN보다 충분히 낮지 않은 경우는 오실로스코프의 파형이 케이블의 위치에 따라 영향을 받게 된다. 실제로 실험을 통하여 이 현상을 확인해 보는 것도 좋을 것이다.
접지하고 있지 않은 프로브를 사용할 때, 또 한가지 문제점은, 큰 유도계수 L1과 프로브의 입력용량(1 pF)의 결합에 의한 공진현상이 발생하는 것이다. 이것을 프로브 공진이라고 부른다. 이 현상은 기생용량 C1이 단락상태로 되는 정도의 고주파수 대역에서 일어난다.
프로브의 입력저항은 용량성이라고 볼 수 있다. 이 때문에 프로브 공진의 공진주파수는1/(2π(L1CPROBE)1/2)의 식을 사용하여 정확하게 구해진다. 이번 예에서는 프로브 공진주파수는 225 MHz였다. 발진기의 발진주파수나 발진기의 고조파 성분이 특정의 주파수에 도달하면 프로브 공진이 발생하고 만다.
접지에 대한 배선을 짧게 하고, 오실로스코프의 접지단자와 테스트 대상 간에서 발생하는 C1과 L1의 영향을 적게 하면 프로브 공진주파수는 높아진다. 이 결과, 측정의 대상이 되는 주파수 범위에서는 프로브 공진의 영향을 받지 않게 된다.
좋은 프로브는 이러한 문제를 피하기 위해, 짧고 작은 접지배선용 어태치먼트를 갖추고 있다. 싱글엔드 단자의 측정에는 그림 1과 같이 긴 접지배선을 사용하지 말고, 짧은 접지 배선을 사용해야 한다.

 

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