같은 넷에서 직렬 및 병렬 종단을 함께 사용할 수 있나요?

디지털 신호에서 가장 흔히 사용되는 저항 종단 방식은 직렬 종단과 병렬 종단입니다. 저항은 광대역 특성을 가지고 있으며, GHz 범위에 이르기 전까지는 기생 요소의 영향을 받지 않기 때문입니다. 대부분의 디지털 신호와 관련된 채널 대역폭에서, 인터페이스에 임피던스 사양이 없더라도 종단이 필요한 경우가 있습니다.

두 옵션 모두 디지털 신호에 적합하기 때문에, 임피던스 사양이 없는 긴 전송선을 종단하기 위해 어떤 방법을 사용해야 할까요? 때때로 두 방법 모두 사용해야 한다는 인식이 있거나, 모든 네트워크에 두 방법을 모두 사용할 수 있다고 생각하는 경우가 있습니다. 두 방법을 동시에 사용할 수 있는 경우도 있지만, 일반적으로 하나만 선택되며 이는 다른 하나의 필요성을 제거할 수 있습니다.

이 글에서는 직렬 종단과 병렬 종단에 관련된 신호 처리와 두 종단이 모두 사용되는 특별한 경우에 대해 살펴보겠습니다.

직렬 및 병렬 종단을 통한 전달 함수

아래에 제공된 설명은 신호 역학 자체에 기반한 것이 아닙니다. 그에 대해서는 Kella Knack의 이 좋은 기사를 읽어보시면 예시 파형을 보여줍니다. 대신, 전송선에서 전압 수준에 정확히 무슨 일이 일어나는지 보여주기 위해 전달 함수 관점에서 살펴보겠습니다. 이는 대역폭이 디지털 신호에 미치는 영향도 드러냅니다.

아래에서 보여줄 이 두 종단에 대해서, 그리고 왜 같은 네트에서 함께 사용되지 않는지에 대한 것은 다음 가정에 기반합니다:

• 인터페이스에 지정된 임피던스 목표가 없어, 트레이스 임피던스가 어떤 것이든 될 수 있음
• 드라이버 임피던스는 일반적으로 낮은 값이며, 부하 임피던스는 간단한 부하 커패시턴스로 모델링됨
• 드라이버 출력 임피던스는 알려져 있거나 측정이나 시뮬레이션(IBIS)과 같은 방법으로 결정될 수 있음

이제 이 종단들을 자세히 살펴보겠습니다.

직렬 종단 전달 함수

아래에 표시된 회로는 ABCD 파라미터로부터 전송선 전달 함수를 결정하기 위해 사용된 형식을 보여줍니다. S-파라미터를 사용할 수도 있지만, ABCD 파라미터가 훨씬 더 쉽습니다.

전달 함수는 부하 전압과 소스 전압의 비율입니다. 전달 함수 접근 방식의 좋은 점은 위에서 보여진 것처럼 부하 전압이 소스 임피던스의 관점에서 명시적으로 정의된다는 것입니다. 이제 우리는 소스 임피던스와 모든 직렬 저항을 대입할 수 있습니다.

직렬 저항기가 전송선을 완벽하게 종단시키는 데 사용될 때, 저항기는 R = ZS - Z0이 되도록 크기가 조정됩니다. 이 저항기는 일반적으로 드라이버 IO 핀에 배치되며, 이제 총 소스 임피던스가 ZS = Z0인 관계를 가지게 됩니다. 이것은 새로운 총 출력 임피던스입니다. 전송선의 ABCD 매개변수의 정의를 사용하여, 우리는 다음을 가집니다:

여기서, 우리는 부하 임피던스와 전송선 임피던스를 포함하는 전압 분배기처럼 보이는 전달 함수를 가지고 있습니다. 부하에서의 전압은 다음과 같습니다:

부하 임피던스를 매우 크게 만들면, 부하에서의 전압에 대해 다음 값을 가지게 됩니다:

이것은 부하 용량에 의해 정의된 채널 대역폭 내에서 적용됩니다. 드라이버에서 나온 신호가 시리즈 저항을 포함한 전체 소스 임피던스와 상호 작용한 후 어떻게 영향을 받게 되는가? ABCD 파라미터의 정의를 사용하여 V1을 계산하면, ZS + R = Z0일 때 다음과 같습니다:

이제 시리즈 저항의 기능을 볼 수 있습니다: 완벽하게 일치할 때, 소스 임피던스와 트레이스 임피던스는 전압 분배기처럼 작동합니다. 소스 임피던스가 트레이스 임피던스보다 낮거나 높으면, 부하에서 반사된 후 오버슈트나 언더슈트를 관찰할 수 있습니다.

반사된 부하를 통해서만 절반의 신호 레벨이 전체 레벨로 복원됩니다. 이것이 수신기 전압이 소스 전압과 동일한 값을 봐야 할 때 동일한 네트워크에 병렬 종단을 일반적으로 적용하지 않는 이유입니다. 이제 병렬 종단 자체를 살펴보겠습니다.

병렬 종단

병렬 종단의 전체 포인트는 위에서 언급했듯이 수신기에서의 반사를 억제하는 것입니다. 임피던스가 지정된 버스에서는 종단이 보통 반도체 다이에 배치됩니다. 보다 일반적인 경우, 특정 라인 드라이버와 같이 임피던스가 지정되지 않은 경우에는 종단을 수동으로 적용해야 할 수도 있습니다.

직렬 저항 종단 없이 병렬 종단이 작동하는 방식은 다음과 같습니다:

• 직렬 저항이 없기 때문에 전압 분할 기능으로 인해 전체 신호가 전송선에 배치됩니다(V1 = VS)
• 그런 다음 신호는 부하로 전파되어 반사되지 않으므로 병렬 저항을 통해 완전히 흡수됩니다

완벽한 소스 임피던스 ZS = 0을 가정하면, 병렬 종단에 대한 전달 함수는 부하와 소스 전압 간의 다음과 같은 관계를 제공합니다:

병렬 종단에서는 분자에 2라는 인자가 있음을 볼 수 있습니다. 종단 회로는 부하 커패시턴스와 병렬로 저항을 생성하는데, 여기서 저항은 R = Z0입니다. 채널의 무릎 주파수 대역폭 한계 내에서, 그 커패시턴스 부하에 의해 정의된 대로, 부하 임피던스는 병렬 저항과 거의 동일합니다. 이것은 다시 R = Z0이고 따라서 ZL = Z0일 때 부하에서 볼 수 있는 전압을 제공합니다:

다시 한번, 우리는 상호 연결에 보낸 전체 강도 신호를 되돌려 받습니다.

소스 임피던스가 0이 아니라면, 전달 함수 정의로 돌아가서 소스 임피던스 값에 대해 입력하세요. 이는 측정이나 시뮬레이션에서 추출될 수 있습니다.

시리즈와 병렬 종단을 동시에 사용할 수 있나요?

시리즈 종단 저항의 전달 함수 일반 형태를 비교할 때, 이미 시리즈 저항이 있는 상태에서 병렬 저항을 의도적으로 추가하는 이유가 명확해야 합니다. 이산 시리즈 저항과 완벽하게 일치시킨 후에 병렬 저항과도 일치시키면, 신호 레벨의 절반만이 선로에 도달하고 이는 병렬 저항에 의해 흡수됩니다. 다시 말해, 부하에서 볼 수 있는 전압은 다음과 같습니다:

3.3 V 신호 레벨을 사용하는 구성 요소를 사용하고 수신기도 3.3 V 신호 레벨을 요구하는 경우, 시리즈와 병렬 종단을 동시에 사용할 수 없을 수 있습니다. 부하에서의 전압이 너무 낮지 않도록 수신기의 논리 임계값을 주의 깊게 살펴봐야 합니다.

코너 케이스는 소스 전압에서 더 낮은 부하 전압으로 내려가려는 경우입니다. 예를 들어, 3.3 V 소스와 1.8 V 진폭이 필요한 부하가 있는 경우, 시리즈 및 병렬 종단을 사용하면 부하에서 받는 신호 레벨은 1.65 V가 됩니다. 이는 수신기에서 HIGH 논리 상태로 등록하기 위한 전압의 하한선일 수 있습니다. 우리는 같은 결과를 얻는 일반적인 논리 레벨의 다른 예를 찾을 수 있습니다.

종단 저항으로 단계를 내리려고 시도하는 대신, 일반적으로 레벨 시프터를 사용하여 두 다른 신호 레벨 사이를 변경합니다. 이러한 구성 요소는 특정 인터페이스를 지원하도록 설계되었거나 가능한 범위의 인터페이스와 호환될 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 다른 공급 전압을 받아들이고 출력에서 더 높거나 낮은 전압으로 들어오는 신호의 복제본을 생성합니다. 텍사스 인스트루먼트의 SN65DP159에 대한 예는 아래에 나와 있습니다.

이 모든 것이 차동 쌍에도 적용됩니까?

답은 "예"이지만 별표가 붙습니다. 차동 쌍을 사용하는 경우 위의 전달 함수에서 특성 임피던스를 홀 모드 임피던스로 교체하고, 인터커넥트의 수신기 측에서 반대 극성 신호의 차이를 계산해야 합니다.

대부분의 차동 인터페이스는 특정 종단 요구 사항과 트레이스 임피던스 요구 사항을 가지고 있으며, 이는 이미 선의 드라이버 측에서 온-다이(on-die)로 구현되어 있습니다(최소한). DC 결합이 필요한 경우, 드라이버 측의 온-다이 종단은 직렬 저항기 사용을 배제합니다. 다른 경우에는, 수신기 구성 요소가 온-다이 종단을 갖고 있지 않을 때 병렬 종단을 사용할 수 있으나, 이는 흔하지 않습니다. 종단(직렬, 병렬 또는 둘 다)의 사용은 특수한 경우에 여전히 적용될 수 있지만, 데이터시트에 명시되어 있거나, 테스트를 통해 결정되거나, 이미 온-다이에 포함되어 있을 것입니다.

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