개요: 핀 수가 많은 자동 테스트 장치(ATE)를 설계, 제작 및 공급하는 많은 테스트 업체들이 있다. 이들 테스터는 테스터의 각 핀을 구동하는 복잡한 집적 회로를 갖고 있다. 테스터는 최대 4096개의 핀을 가질 수 있다. 그림 1에서 보듯이 각 핀에는 보통 드라이버, 비교기, 부하를 비롯하여 때로는 PMU(parametric measurement unit)까지 있음을 알 수 있다. 이들 전자장치에는 케이블이 달려 있어 핀에 연결된다. 벤더들은 비용을 낮추기 위해 저품질의 케이블을 선택할 수 있지만 모든 케이블은 그 중에서도 특히 저품질의 케이블은 신호 손실을 발생시켜 테스터의 궁극적인 성능 저하를 초래한다.
그림 1. DUT (device under test) 핀에 대한 일반적인 테스터 구성
케이블 손실 정의
일반적인 동축 케이블(그림 2)에서 케이블 손실에는 표면 효과 손실과 유전체 손실의 두 가지 주요 성분이 있다.
그림 2. 일반적인 동축 케이블
표면 효과 손실
고주파수에서 신호는 내부 도체의 표면을 따라 전파되는 경향이 있다(그림 2). 이러한 현상을 표면 효과 손실이라고 한다. 이 표면 깊이(δ)는 다음과 같이 정의된다.
여기서 ω는 주파수(rad/s), µ는 도체의 자기 투과성(H/m), ρ는 도체 저항(ohmmeter)이다. 표면 효과 손실은 단위 길이당 저항 Rl 및 단위 길이당 인덕턴스 Ll을 주파수의 제곱근에 비례하여 증가시킨다. 단위 길이당 저항은 다음과 같이 계산된다.
여기서 w는 도체의 폭이다. 반경 r의 원형 와이어의 경우 폭은 2πr이다. 또한 리턴 경로 저항을 추가할 필요가 있지만 이는 보통 순방향 경로보다 훨씬 적으므로 무시할 수 있다.
유전체 손실
그림 2에 보이는 유전 절연체 역시 주파수에 따라 달라지는 케이블 손실의 원인이다. 유전체 상수(ε)는 다음과 같이 정의된다.
여기서 ε'는 유전체 상수의 실수 성분이며 tanδ는 유전체의 허수 성분 또는 손실 탄젠트, 손실 계수를 나타낸다. 유전 절연체는 커패시턴스에 영향을 미치므로 단위 길이당 커패시턴스(Cl)는 Cl(1 + jtanδ)가 된다.
전체 케이블 손실
표면 효과와 유전체 손실을 포함하여 단위 길이당 이상적인 케이블 모델은 이러한 손실을 포함하도록 그림 3과 같이 변경할 수 있다.
그림 3. 간단히 표시한 케이블 모델
그림 3에서 우리는 전파 상수를 jk = √ZK로 정의한다. 여기서 Z는 분산 직렬 임피던스이며 Y는 분산 병렬 어드미턴스이다. 이 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다.
테일러 확장 근사를 사용하고 더욱 단순화시켜 다음 항을 추출할 수 있다.
여기서 ZO는 라인의 특성 임피던스이며 εr은 상대 유전체 상수, c는 빛의 속도이다.
마지막으로 우리가 실제로 구하는 것은 케이블 이득 H(f) = e-jkl로 여기서 l은 라인의 길이이다. 위에서 얻은 결과를 사용하여 다음에 도달하였다.
여기서,
그리고
위의 계산으로부터 다음과 같은 간단한 결론을 내릴 수 있다.
표면 효과 손실(α1)은 저주파수에서 지배적이다(그림 4).
유전체 손실(α2)은 고주파수에서 지배적이다(그림 4).
실제 케이블에서 H(f)는 위의 근사치와 조금 다르지만 감쇄가 최대 6dB까지 증가하는 대부분의 ATE 동작에는 충분히 정확하다.
그림 4. 표면 효과(내부 도체), 유전체, 리턴 경로 (외부 도체) 손실
그림 4는 그림 2에 보이는 50Ω의 임피던스 특성, 내부 구리 도체, 편조 강철(braided steel)의 외부 도체를 갖는 일반적인 동축 케이블에 대한 손실을 기본적으로 보여준다. 각 케이블은 고유의 손실을 갖지만 그림 4와 거의 비슷하게 나타난다.
케이블 손실 요약
케이블 손실 미분에 대한 엄격한 수학적 접근 방법을 제공하는 것은 이 애플리케이션 노트의 목적이 아니다. 이러한 정보는 다양한 전문 자료에서 찾아볼 수 있다. 그러나 수식에서 증명된 내용은 그림 4에 요약되어 있다. 위의 분석으로부터 우리는 다음과 같은 중요한 사항을 얻을 수 있다.
모든 케이블은 손실을 가지며 이들 손실은 궁극적으로 시스템 성능을 제한한다. 손실의 크기는 케이블 품질과 규격에 따라 달라진다.
발생하는 손실은 다음과 같다.
a.저주파수에서 지배적인 표면 효과 손실
b.고주파수에서 지배적인 유전체 손실
c.리턴 경로 손실. 미미한 수준이므로 대부분의 경우 무시할 수 있다.
d.커넥터, 릴레이 및 기타 출력 노드 또는 DUT 연결을 통한 손실
케이블 손실 vs. 케이블 비용
그림 5는 일반적인 케이블에 대한 케이블 손실을 보여주며 표 1은 손실과 관련하여 일부 케이블의 비용을 비교한 것이다.
그림 5. 다양한 케이블에 대한 케이블 손실
표 1. 특정 제조업체의 다양한 플렉서블 동축 케이블에 대한 피트당 일반 비용
Cable
Loss at 900MHz (dB/m)
Cost per Meter ($)
RG174
0.75
1.3
RG142
0.382
14.6
RG400/U
0.3492
15.11
RG232/U
0.4589
10.4
R393/U
0.296
22.7
RG58 low loss
0.3691
1.46
RG58/U
0.531
1.14
RG8X
0.25
1.79
RG8
0.14
14.3
참고
저품질 케이블과 비교한 고품질 케이블의 비용 승수(cost multiplier)는 20 대 1정도로 높다(그림 5, 표 1).
ATE 제조업체는 저가의 케이블을 선호하지만 이러한 저가 케이블과 관련된 시스템 성능 저하를 겪을 수 있다.
케이블 보상이 없는 핀 전자장치는 케이블 손실을 교정할 수 없다.
손실이 있는 케이블을 사용할 경우 고가의 넓은 대역폭의 전력 소모가 많은 핀 드라이버를 대체하는 것은 저가의 낮은 대역폭, 저전력 드라이버에 비해 최저한의 향상만 제공한다.
단일 테스터에 4096 케이블을 사용하면 1미터 길이마다 케이블 조립 비용이 $5325에서 $92,979가 된다(표 1).
케이블 보상을 핀 전자장치로 옮겨 구현하면 4096 핀 테스터상에서 테스터당 $92,979 - $5325, 즉 $87,654까지 절감이 가능하다.
이 참고에 제시되는 비용 가치(cost value)는 표 1의 정보를 기준으로 한 것이며 ATE 제조업체에 따라 달라질 수 있다. 그러나 이들 수치로 케이블 조립 비용이 얼마나 비싼지 알 수 있으므로, ATE 제조업체가 저가 케이블 사용이 가능한 대체 솔루션을 찾는 것이 왜 중요한지를 잘 보여준다.
표 1에 나온 케이블은 플렉서블 케이블이다. 가장 우수한 케이블은 세미그리드 및 그리드 케이블이다. 이들 케이블의 비용은 피트당 약 $30로 이는 최고 수준의 플렉서블 케이블의 3배가 넘는다. 이러한 비용은 테스터 제조업체에게 걸림돌이 되므로 이들 케이블은 사용되지 않는다.
테스터 주파수의 증가에 따라 케이블 보상이 필수적으로 요구된다. 하이 엔드 테스터는 이미 1Gbps보다 빠르다.
케이블 손실로 인한 성능 저하
200Mbps 범위에서 실행하는 테스터에서 케이블 손실은 큰 문제가 되지 않을 수 있다. 그러나 500Mbps 이상에서 실행하는 테스터의 경우에는 핀에서 전체 성능을 정확하게 측정하기 위해 전체 신호 경로, 전자장치, 케이블 및 핀의 성능을 신중하게 분석해야 한다. 다음의 성능 규격은 고속 테스터에서 가장 중요하다.
파형 레벨의 DC 정확도
상승 및 하강 시간
최대 토글 레이트
최소 펄스 폭 성능
전파 정확도 및 각 에지에 대한 정합
전파 vs. 최소 펄스 폭, 진폭 및 공통 모드와 같은 전파 스큐
위에서 언급한 모든 성능 특성은 케이블의 선택의 영향을 받는다. 토글 레이트가 증가하면 케이블을 구동하는 드라이버의 대역폭과 상관없이 케이블 손실이 테스터의 성능을 지배하고 제한하기 시작한다. 그림 6과 7의 그래프는 이러한 문제를 잘 보여준다.
그림 6. 짧은 고품질 케이블의 단계 응답
그림 7. 긴 저품질 케이블의 단계 응답
그림 6과 7은 대부분의 엔지니어가 이미 알고 있는 파형들을 보여준다. 그러나 다음 사항들에 주목할 필요가 있다.
t0은 파형 진폭의 50%를 나타낸다. 통상 10% ~ 90% 상승 시간은 약 28.6 x t0이다. 이들 2개의 파형은 이러한 2개 케이블 길이에서 상승 시간의 상당한 저하를 보여준다.
곡선의 대역폭 제한 롤오프 특성은 최대 토글 레이트, 최소 펄스 폭 및 대역폭에 영향을 미친다. 따라서 이러한 곡선에서는 신호 경로의 성능 저하가 뚜렷하다.
신호의 성능 저하는 실제 드라이버와 아무런 관련이 없다. 이 경우 무한 대역폭의 단계 응답을 제공하며 이때 상승 시간의 저하를 초래하는 것은 케이블이다.
속도가 빠르고 케이블이 길수록 이러한 문제는 악화된다.
모든 케이블은 길이와 품질에 상관없이 약간의 차이는 있지만 그림 6과 7의 특성을 보인다.
드라이버의 완전한 대역폭을 사용할 수 있기 위해서는 케이블 손실에 대한 솔루션을 찾는 것이 필수적이다. 그렇지 않을 경우 고가의 고품질 케이블을 사용해도 애플리케이션에는 그리 도움이 되지 않는다.
케이블 보상을 전자장치에 설계하여 이러한 케이블 손실 문제를 해결할 수 있다.
결론
고속 테스터에 사용되는 케이블은 테스터의 전체 성능에 영향을 미치고 궁극적으로 성능을 저하시킬 수 있다. 케이블의 높은 비용으로 인해 보통 이러한 고속 시스템에는 높은 손실을 갖는 저가 케이블이 사용되지만 테스터의 속도가 1Gbps를 넘으면서 더 이상 이러한 손실을 무시할 수 없게 되었다. 드라이버를 고대역폭 드라이버로 대체하여도 케이블에 의해 발생되는 이러한 손실은 보상되지 않으며 따라서 케이블은 시스템의 성능을 제한하게 된다.
1Gbps보다 큰 대역폭을 갖는 테스터가 잠재적 성능을 극대화하기 위해서는 이러한 케이블 손실에 대한 솔루션을 찾는 것이 필요하다. 다행히 전자장치에 케이블 보상을 설계함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.
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