SiP Technology

글 : 토드 넬슨(Todd Nelson) / 시그널 체인 모듈 개발 매니저리니어테크놀로지(Linear Technology) / www.linear.com고속 장비나 고감도 기지국의 하향 변환 체인의 일부분으로서 고속 리시버를 설계하기 위해서는 최대의 성능을 달성하기 위해 높은 수준의 경험을 필요로 한다. 고감도 장비 기술이 흔히 무선 기지국을 위한 부품 개발의 덕을 보는데 이러한 경향의 가장 최근의 예가 100MHz 이상의 샘플 레이트의 16비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)이다.하지만 이들 새로운 부품으로부터 최대의 성능을 이끌어내기 위해서는 기술력과 경험을 필요로 하는데 이를 소수의 디자이너들밖에 갖고 있지 못하므로 연속적인 학습 사이클에 걸쳐서 경험을 쌓아야 한다. 설계 사이클 시간을 단축해야 하는 치열한 경쟁에 의해서 회로 설계 및 보드 레이아웃에 있어서 첫 회 성공을 필요로 하며 이는 간접적으로 학습 프로세스를 지연시킨다. 시스템 인 패키지(SiP) 제품이 이러한 경험상의 간극을 제거하고 상충되는 것으로 보이는 이러한 경향들을 충족할 수 있도록 한다.최종적인 하향 변환 스테이지를 고속 16비트 ADC로 인터페이스하는 작업을 위해서는 여러 분야에서 기술력을 필요로 한다. 그러한 분야로서 ADC 및 디지털 영역과 비교해서 RF 영역에서 이용되는 다른 용어들을 다루기 위해 용어, 에일리어싱 방지를 위한 필터 설계와 오늘날의 ADC 샘플 앤 홀드 입력을 구동하기 위해 필요한 차동 증폭기 설계, 100MHz에서도 ADC의 고대역폭 프론트 엔드가 예기치 않은 소스로부터 잡음을 픽업하므로 고주파 레이아웃 등의 분야를 포함한다.업체들은 흔히 경험을 축적하고 설계 시간을 단축할 수 있도록 기술적 지원이나 참조 디자인과 기타 자료를 제공한다. 이러한 전통적인 툴 이외에도 리니어 테크놀로지는 LTM9001 μModule 리시버 서브시스템으로 어떻게 하면 자사의 전문성을 포함시킬 수 있을지 생각했다. LTM9001은 SiP 기술을 이용해서 그림 1에서 보는 바와 같이 16비트 130Msps ADC와 고정 이득 증폭기를 통합하고 있다. 모노리딕 ‘버퍼드’ ADC와 달리 LTM9001은 위에서 언급한 다양한 분야에 걸쳐 고도의 전문적인 기술력을 필요로 하지 않고 IF 신호 체인으로 곧바로 인터페이스할 수 있다. 그러한 기술력은 어느 정도는 여전히 필요하지만 μModule 리시버를 이용함으로써 첫 회 성공을 달성할 수 있는 가능성이 훨씬 높아진다.내부 구성μModule 리시버는 와이어 접속 다이, 패키지화 부품, 수동 부품이 고성능 4층 기판 상에 탑재되는 것으로 구성된다. 조만간 LTM9001의 다수의 각기 다른 버전이 나올 예정이다. LTM9001-AA는 이의 첫 번째 제품으로써 16비트 130Msps ADC로 구성된다. 증폭기 이득은 20dB이고 입력 임피던스는 200Ω이고 입력 범위는 ±250mV이다. 이러한 조건들로 증폭기 출력과 ADC 입력 사이에 인터페이스를 최적화하도록 매칭 네트워크가 설계되었다. 뿐만 아니라 에일리어싱을 방지하고 증폭기로부터 잡음을 제한하기 위해서 162.5MHz ±25MHz로 설계된 이차 대역 통과 필터를 포함한다.그러면 각각의 분야에 대해 설명하고 LTM9001이 이들 각각의 분야에서 어떻게 설계 사이클 시간을 가속화하고 첫 회 성공 가능성을 높이는지 살펴보자.용어RF 신호 체인의 용어는 가장 기본적인 가정으로서 50Ω 단일종단 신호 경로를 이용한다. 그러므로 수학적 계산이 50Ω 또는 이의 배수에서 가장 잘 작동한다. 차동 신호 경로는 일반적으로 200Ω이며 RF 엔지니어가 수용하기가 편리하다. 전통적인 ADC 입력은 50Ω의 배수가 아닐 뿐만 아니라 복잡한 스위치드 커패시터 구조이므로 샘플 레이트의 전류 펄스를 킥백(kick back)하며 그러므로 신속한 RF 계산에 이용하기가 편리하지 않다. RF 엔지니어는 ADC의 입력 전력 성능을 dBm으로 알고자 하나 이는 ADC 데이터 시트 상에서는 제공되지 않는다. 그 다음으로 좋은 것은 전력을 계산하기 위해 입력 전압 범위와 입력 임피던스를 아는 것이다. 입력 범위는 전통적인 ADC에 대해서는 제공되지만 임피던스는 앞서 언급했듯이 고정적인 저항성 수치가 아니다. LTM9001은 고정적인 저항성 200Ω 차동 입력 임피던스를 나타내는 차동 증폭기를 포함한다. 그러므로 스위치드 커패시터 ADC보다 더 간단한 인터페이스를 제공하며 RF 신호 체인의 최종 스테이지에 대해서 연결을 간소화한다.저잡음 저왜곡 증폭기 스테이지는 신호로 상당한 잡음 또는 왜곡을 추가하지 않고 이득을 제공한다. 증폭기의 낮은 잡음에도 불구하고 증폭기의 이득에 의해 잡음이 배가되므로 이득이 높을수록 불가피하게 시스템으로 잡음을 추가한다. 하지만 이득 덕택에 증폭기의 입력 범위는 비례적으로 더 낮아지며 이렇게 낮아진 입력 범위는 선행 부품들로부터 더 낮은 왜곡을 가능하게 한다.또 다른 용어 문제는 잡음과 관련되는 것이다. RF 분야에서는 잡음 지수(NF)가 흔히 이용된다. 잡음 지수는 디바이스의 출력 잡음 전력과 입력 종단 상의 열 잡음에 기인한 몫의 비율로서 보통 실온에서 정의된다. ADC 데이터 시트에서는 잡음이 신호대 잡음비(SNR)나 또는 유사한 측정으로 지정된다. SNR은 기본 입력 주파수의 RMS 진폭과 처음 5차 고조파를 제외하고 그 외 모든 주파수 성분의 RMS 진폭의 비이다. 증폭기는 둘 다 지정할 수 있으나 어느 것도 보편적으로 적용 가능하지 않다. 이들 용어는 NF 측정에 포함되는 50Ω 임피던스나 SNR에 포함되는 나이퀴스트 대역폭 같은 특정한 조건들을 의미하기 때문이다. 증폭기 역시 nV/√Hz로 잡음을 지정할 수 있으며 그러므로 환산이 가능하다. LTM9001은 200Ω 입력 임피던스와 대역폭 제한 필터를 이용해서 SNR을 지정하므로 체인 분석이 훨씬 용이하다. 용어를 간소화함으로써 지필 분석을 가속화할 수 있다. 시간을 대대적으로 절약하지는 못하더라도 훨씬 편리하다.차동 필터 설계신호 체인의 지필 분석 후 다음 단계는 드라이버를 ADC로 인터페이스하는 것이다. 디스크리트 디자인에서는 수동 필터 네트워크가 에일리어스 방지 필터를 구현하고 증폭기 출력을 ADC 입력으로 매칭한다. ADC 드라이버와 ADC 입력 사이의 에일리어스 방지 필터가 광대역 증폭기 잡음을 제한하고 ADC의 높은 SNR을 유지할 수 있도록 한다. 첨단 ADC와 드라이버는 차동 방식이며 차동 신호를 위한 필터를 설계하는 일은 기존의 단일종단 디자인보다 더 복잡하다. 2개 단일종단 필터를 구현할 수는 있으나 이 결과는 차동 필터보다 다소 견고성이 떨어진다. 가장 큰 차이는 차동 디자인은 각각의 단일종단 경로에 대해 접지를 위한 부품이 아니라 2개 신호 경로 사이에 병렬 부품을 이용한다는 것이다. 2개 단일종단 필터의 불일치는 위상 또는 진폭 차이를 야기할 수 있다. 이러한 차이가 ADC 샘플 앤 홀드 회로의 불완전성을 악화시킴으로써 이차 고조파 왜곡을 증가시킬 수 있다.LTM9001에는 에일리어스 방지 필터가 통합되었으며 이는 단순한 2극점 L-C 타입 차동 디자인이다. 이는 완벽하게 LTM9001에 포함되므로 어떠한 설계를 필요로 하지 않는다. 이 디자인은 온도에 걸쳐서 상세하게 지정된 SNR 및 왜곡을 이용해 특성화하고 철저하게 테스트할 수 있다. LTM9001-AA의 경우에 이 필터는 162.5Mhz를 중심으로 하는 50MHz 대역통과 필터이다. 다른 필터를 이용하는 LTM9001의 다른 버전들을 개발하고 있는 중이다. LTM9001이 설계 작업의 이 단계에서 시간을 절약한다. 특히 증폭기를 ADC로 매칭하기 위해서는 업체로부터의 애플리케이션 지원이 필요하기 때문이다.레이아웃16비트 고속 ADC로부터 최대 성능을 끌어내기 위해서는 우수한 회로 설계뿐만 아니라 신중한 레이아웃이 필요하다. 회로 토폴로지와 부품 값이 적합하다 하더라도 인쇄 회로 보드(PCB) 레이아웃이 성능에 중대하게 영향을 미칠 수 있다. RF 레이아웃 디자이너들은 회로의 동작 주파수에 따라서 ‘우수 관행’의 목록을 가지고 있다. 그러한 목록은 샤프 코너를 피하라, 신호 경로를 대칭적으로 하라, 클록 입력과 디지털 출력을 격리시키라 등의 권고들을 포함한다. 가장 흔히 하는 실수가 140MHz의 IF라고 해서 고주파 레이아웃 기법들이 필요하지 않을 것이라고 생각하는 것이다. 하지만 LTM9001의 것과 같은 고성능 ADC의 경우에는 샘플 앤 홀드의 대역폭이 700MHz 이상이다. 샘플 앤 홀드에 의해서 고주파 잡음이 픽업됨으로써 SNR을 감소시킬 수 있다. 이러한 경우에 광범위한 경험이 요구된다.또 다른 간단한 예는 전원 바이패스 커패시터의 배치이다. 기존의 ADC 보드 레이아웃에서의 일반적인 문제는 바이패스 커패시터에서 ADC로 긴 트레이스에 의한 과도한 잡음이다. 우수 관행은 커패시터를 되도록 디바이스의 전원 핀에 가깝게 배치하는 것이다. 디스크리트 디자인에서는 다이를 IC 패키지의 리드 프레임으로 와이어 접속한다. 그러면 바이패스 커패시터가 조금 더 떨어진다. 그림 2에서 보듯이 0.8mm(오른쪽 그림)에 비해서 3.5mm(왼쪽 그림)으로 접속 와이어가 μModule 리시버의 것보다 현저히 길다. 그러므로 LTM9001의 내부 바이패스 커패시터는 디스크리트 디자인에서 가능한 것보다 다이에 훨씬 가깝다. LTM9001은 훨씬 소형의 AC 풋프린트를 이용하므로 의도하지 않은 소스로부터 잡음을 수집하고 노이즈 플로어를 상승시키는 위험성을 낮춘다.커패시터의 전원 측과 접지 측 모두 디바이스에 가까워야 한다. 전원 핀을 기준으로 해서 커패시터가 증폭기의 상단측으로 리턴해야 하는가, 아니면 하단측으로 리턴해야 하는가? ADC 바이패스 커패시터는 어디서 리턴해야 하는가? 이는 IC의 설계 및 레이아웃에 따라 다른데 이러한 것들은 데이터 시트에 기술되지 않는다. 많은 경우에 이것이 문제가 되지 않는다. 하지만 일부 경우에는 특정한 전원 핀이 증폭기의 입력 스테이지 아니면 출력 스테이지로 전력을 공급하므로 상단측 또는 하단측으로 리턴하는 것이 문제가 된다.이러한 경우에 LTM9001을 이용한 디자이너들은 개별 증폭기 및 ADC 부품의 디자이너들과 협력해서 가능한 최상의 배치를 달성하는 이점을 누릴 수 있다.디스크리트 차동 대역통과 필터는 신호 경로의 양측에 직렬 인덕터를 이용한다. 우수 관행은 최상의 대칭성을 달성하도록 두 인덕터를 나란히 배치하는 것이다. 일반적인 규칙은 두 인덕터를 한 바디 폭만큼 떨어지도록 하는 것이다. 이는 원거리장 효과를 제거하기에 충분히 가까우면서도 유효 인덕턴스를 결합시키고 감소시킬 만큼 가깝지는 않다. 이와 같은 많은 규칙들이 존재하며 이에 대해 대다수 RF 레이아웃 디자이너들이 알고 있다. 하지만 이 설계 작업은 흔히 디지털 보드 상에서 이루어지며 지속적으로 RF 레이아웃에 종사하지 않는 작업자에 의해서 실시될 수 있다.LTM9001 기판 디자인은 수년 간의 애플리케이션 경험에서만 나올 수 있는 그러한 아이디어들을 적용했다. 뿐만 아니라 신중하게 레이아웃하고 적절하게 설계한 고성능 부품의 전체적인 모음을 한 단위로 포괄적으로 특성화하고 테스트했다. 그러므로 매칭된 부품 세트를 구입할 수 있다. LTM9001은 또한 이 컨셉을 확장해서 30개 이상 부품의 매칭된 세트의 레이아웃을 구입할 수 있다. 이러한 결과로서 매우 적은 수의 외부 부품을 필요로 하는 한 부분의 시스템을 제공한다(그림 3 참조). 설계 작업의 이 단계에서 LTM9001은 설계 및 레이아웃에 있어서 상당한 시간을 절약할 뿐만 아니라 높은 비용의 보드 변경 횟수를 줄인다.결론더 높은 수준의 성능과 더 높은 주파수로 설계 시간을 단축해야 하는 압력은 이들 부품을 이용해서 경험을 쌓아야 하고 그러한 경험을 쌓기 위해서 시간이 필요하다는 점과 상충된다. 아무리 완벽한 회로 설계라 하더라도 전원 바이패스 커패시터의 배치와 같은 사소한 레이아웃 문제가 성능에 영향을 미칠 수 있다. 오늘날 고감도 고속 리시버에 채택되고 있는 SiP 기술은 각기 다른 프로세스 기술의 IC 부품들과 수동 부품을 통합할 뿐만 아니라 성능을 극대화하기 위해 요구되는 레이아웃 기법들을 채택하고 있다. 이들 μModule 리시버는 첫 회 성공을 향상시키고 설계 시간을 단축할 수 있도록 한다.비고: LTM은 리니어 테크놀로지의 등록상표이며 μModule은 리니어 테크놀로지의 상표입니다.
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