프로그래머블 클럭 발생기로 LOCx2 자동 품질 보증 구현

본 논문은 ATLAS 액체 아르곤(LAr) 칼로리미터 트리거 시스템의 Phase‑1 업그레이드에 따라 설계된 LOCx2 ASIC의 대량 품질 보증(Quality Assurance, QA) 요구를 해결하기 위해, 프로그래머블 클럭 발생기와 이를 제어하는 소프트웨어 스택을 개발한 과정을 상세히 기술한다. Ⅰ. 서론에서는 LAr 트리거 시스템의 구조와 LOCx2가 담당하는 고속 저지연 데이터 전송 역할을 설명하고, 7 000여 개의 ASIC을 개별 테스트하는 것이 비현실적임을 강조한다. 따라서 눈 다이어그램(Eye diagram), PLL 튜닝 범위, 비트 오류율(BER), I²C 통신, 입력 스큐 등을 자동으로 측정할 수 있는 테스트 플랫폼이 필요함을 제시한다. Ⅱ. 시스템 구조에서는 핵심 클럭 소스로 Si5338 EVB(Evaluation Board)를 선택하고, 이를 제어하기 위한 MCU로 C8051F340을 채택한 이유를 설명한다. Si5338은 4채널 any‑frequency 클럭 제너레이터로, 레지스터를 통해 주파수와 위상을 자유롭게 설정할 수 있다. 전원 공급은 AD5263 가변 저항과 MAX8869 전압 레귤레이터를 조합해 5개의 VDD 핀에 맞춤 전압을 제공하며, 이 역시 MCU가 I²C로 제어한다. USB 인터페이스는 USBXpress 라이브러리를 이용해 호스트 PC와 MCU 간 통신을 구현한다. Ⅲ. 펌웨어 설계에서는 MCU 펌웨어가 4 352 Byte라는 제한된 메모리 용량 내에서 동작하도록 설계된 점을 강조한다. 복잡한 로직 대신 “USB → 명령 패킷 → I²C 레지스터 쓰기/읽기” 형태의 단순 브리지 구조를 채택했으며, 명령 패킷의 첫 바이트가 0xFF이면 쓰기, 0x00이면 읽기로 구분한다. 쓰기 명령은 I²C 주소, 레지스터 주소, 데이터 값을 포함하고, MCU는 이를 SMB0DAT 레지스터에 기록한 뒤 SMB0CN 비트를 설정해 I²C 전송을 트리거한다. 읽기 명령도 유사하게 처리되며, 읽은 값은 USB를 통해 호스트에 반환된다. 이러한 설계는 펌웨어를 사실상 USB‑I²C 어댑터로 만들며, 복잡한 제어 로직을 호스트 소프트웨어에 위임한다. Ⅳ. 호스트 소프트웨어는 4계층 구조로 설계되었다. 최하위 레이어는 USBXpress API(SI_Open, SI_Read, SI_Write, SI_Close)를 사용해 USB 통신을 캡슐화한다. 그 위에 USB2I2C.dll이 USBXpress를 호출해 I²C 읽기·쓰기·초기화 기능을 제공한다. 세 번째 레이어인 LIB5338.dll은 Si5338 레지스터 맵을 추상화해 주파수 설정, 위상 오프셋 조정, 채널 출력 제어 등을 고수준 API로 제공한다. 최상위 애플리케이션 레이어는 이러한 API를 호출해 자동화된 테스트 시퀀스를 구현한다. 예를 들어, 특정 주파수와 위상으로 클럭을 생성하고, LOCx2에 입력한 뒤 오실로스코프(SDA72004B)에서 눈 다이어그램을 캡처하고, BER 측정을 위해 KC705 FPGA와 동기화한다. Ⅴ. 시스템 검증에서는 5 MHz~200 MHz 범위의 클럭을 연속적으로 생성하고, 위상 오프셋을 0°~360°까지 정확히 조정할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 또한, 6칩 동시 BER 테스트를 수행해 테스트 시간을 기존 대비 약 80 % 단축했으며, 전체 7 000개 LOCx2에 대한 자동 QA 흐름을 성공적으로 운영했다. Ⅵ. 결론에서는 제안된 프로그래머블 클럭 발생기와 소프트웨어 스택이 LOCx2의 대량 품질 보증을 효율적으로 수행하도록 함을 강조한다. 현재 시스템은 Windows 환경에 종속적이며, Si5338의 위상 잡음 특성에 대한 추가 평가가 필요하지만, 향후 FPGA 기반 DDS 또는 멀티‑OS 지원을 통해 확장 가능성이 있다.