차동 쌍 임피던스: 계산기를 사용하여 PCB 설계하기

PCB에서의 차동 임피던스는 종종 잘못 이해되는 다소 복잡한 주제입니다. 저 역시 다양한 신호 에지 속도와 고속 디지털 프로토콜에 대해 차동 쌍이 올바르게 작동하도록 보장하는 데 필요한 것에 대해 몇 가지 오해를 가지고 있었습니다. 디지털 설계가 임피던스 사양이 없는 단일 종단 버스(SPI, I2C 등)만을 사용하는 경우가 아니라면, 고속 데이터를 구성 요소 간에 이동시키기 위해 차동 쌍 라우팅을 사용해야 합니다. 이는 DDR, SerDes 채널 또는 순수하게 차동 직렬 프로토콜과 같은 넓은 병렬 버스를 포함할 수 있습니다. 이 모든 것들은 차동 임피던스를 포함한 트레이스 임피던스의 정확한 계산이 필요합니다.

차동 쌍 임피던스 계산기의 결과는 종종 잘못 이해되며, 단일 종단 임피던스, 특성 임피던스, 그리고 이상 모드 임피던스를 둘러싼 여러 정의가 혼동되어 때로는 서로 바꿔 사용되기도 합니다. 설계자들이 안내를 찾고 있을 수 있으므로, Altium은 설계자들이 차동 쌍 임피던스 계산기의 결과를 이해하고 설계 과정에 결과를 구현하는 데 도움이 되는 중요한 지침을 제공하기 위해 이 가이드를 만들었습니다.

차동 쌍 임피던스 계산기 사용하기

임피던스 계산기에서 숫자를 얻는 것은 쉽지만, 그 숫자가 무엇을 의미하는지와 그것을 어떻게 사용하는지를 이해하는 것이 진짜 도전입니다. 차동 쌍 임피던스 계산기는 적어도 두 가지 중요한 값을 반환하며, 이러한 값들이 무엇을 의미하는지/어떻게 사용하는지를 이해하는 것이 중요합니다. 대부분의 계산기에서 반환되는 차동 임피던스 값은 각 트레이스의 홀모드 임피던스 합과 같습니다:

두 트레이스가 정확히 동일한 임피던스로 설계되었을 때, 차동 임피던스를 2로 나누면 각 트레이스의 홀모드 임피던스 값을 얻을 수 있습니다:

이 모든 것은 커플링에서 기인한 기여를 포함합니다. 실제로, 차동 쌍 임피던스 계산기의 역할은 홀모드 또는 차동 임피던스 중 하나를 계산하고, 이를 사용하여 다른 하나를 계산하는 것이며, 이때 두 쌍의 끝이 특정 기하학을 준수한다고 가정합니다. 디자이너들에게 시작점을 제공하기 위해, 마이크로스트립과 스트리플라인의 차동 임피던스 초기 추정치를 얻을 수 있는 이 차동 임피던스 계산기들을 살펴보세요.

• 온라인 차동 마이크로스트립 임피던스 계산기 사용하기
• 온라인 차동 스트리플라인 임피던스 계산기 사용하기

차동 대 단일 종단 임피던스 계산하기

개별 트레이스에서 단일 종단 임피던스(단일 종단)는 일반적으로 인접한 트레이스를 무시하고 계산되므로, 설계 내 다른 도체와의 결합은 포함되지 않습니다. 이는 단일 종단 임피던스가 단순히 특성 임피던스라는 것을 의미합니다. 그러나 차동 임피던스의 경우는 다릅니다; 차동 쌍에서 차동 임피던스는 쌍을 이루는 각 트레이스 사이의 전기 용량성 및 유도성 결합에 의해 결정됩니다. 결과적으로, 차동 쌍의 트레이스에서 단일 종단 임피던스는 동일한 트레이스의 특성 임피던스가 아니며, 값은 이상 모드 임피던스이며 두 트레이스 사이의 기생 결합으로 인해 차이가 발생합니다. 이상 모드 임피던스와 특성 임피던스는 트레이스 사이의 간격이 무한대로 접근할 때만 서로 수렴합니다.

차동 쌍 임피던스의 경우, 특성 임피던스와 결합 강도만을 사용하여 부하에 연결되지 않은 쌍의 임피던스를 추정할 수 있는 몇 가지 간단한 공식이 있습니다. 이 웨비나에서 Ben Jordan과 함께 이 계산에 대해 자세히 알아보고 차동 마이크로스트립을 위한 간단한 공식을 확인하세요. 위에 표시된 계산기는 모두 결합된 전송선에 대한 보다 정확한 Wadell의 방정식을 사용하는데, 이는 손실 없는 임피던스를 고려할 수 있는 최고의 분석 모델로 널리 인정받고 있습니다.

수학자들을 위해서, 디지털 신호의 주파수 내용은 아날로그 주파수의 합으로 표현될 수 있으며, 디지털 신호의 각 아날로그 부분은 유전체의 크로마틱 분산으로 인해 약간 다른 유전 상수를 볼 것입니다. 이는 디지털 신호나 광대역 아날로그 신호의 주파수 스펙트럼 전반에 걸쳐 차동 쌍의 결합이 변화한다는 것을 의미합니다. 불행히도, 차동 임피던스 계산기는 이 특정 영역뿐만 아니라 여러 다른 영역에서도 부족한 부분이 있는데, 이에 대해서는 아래에서 설명하겠습니다.

차동 쌍 임피던스 계산기가 놓치는 것

온라인에서 찾을 수 있는 차동 쌍 임피던스 계산기는 특정 기하학적 구조에 대해 예상할 수 있는 임피던스의 좋은 첫 번째 추정치를 제공합니다. Gbps 미만의 디지털 비트 스트림(보통 100ps 상승 시간보다 긴)의 경우, 결과는 합리적으로 정확할 것입니다; 이 범위의 신호는 넉넉한 스큐 한계를 가질 수 있으므로, 인터커넥트를 따라 길이 매칭이 적용되는 한 임피던스 계산의 작은 부정확성이 신호를 망치지 않습니다. 더 높은 데이터 속도/더 빠른 에지 속도는 간단한 계산기 애플리케이션과 온라인 계산기를 사용할 때 내재된 오류로 인해 실패하기 쉽습니다. 차동 임피던스 계산기가 알려주지 않는 것과 PCB 스택업을 설계할 때 고려해야 할 것을 아는 것이 중요합니다:

전파 상수 및 손실

대부분의 온라인 계산기는 차동 쌍에 의해 전달되는 신호의 전파 상수나 감쇠 값을 제공하지 않습니다. 제공한다고 해도, 사용자가 지정한 단일 주파수에서만 가능하며, 이 지정된 주파수는 계산에 직접 사용되지 않습니다. 디지털 신호는 광대역이며 단일 주파수에서 전력이 집중되지 않기 때문에, 결과는 특정 설계에서의 실제 전파 동작을 대표하지 않을 것입니다. 차동 쌍 임피던스 계산기에서 전파 상수에 대한 값을 얻는다면, 거의 항상 손실이 포함되지 않은 단지 위상 속도일 뿐입니다. 이는 더 단순한 임피던스 계산기의 또 다른 단점과 관련이 있습니다: 유전 상수.

유전 상수와 분산

디지털 신호와 광대역 아날로그 신호의 경우, 차동 임피던스를 계산할 때 신호의 주파수 스펙트럼을 고려해야 합니다. 차동 임피던스 계산기에서 정확한 결과를 얻으려면 기판의 복소 유전 상수를 제한 대역폭 값까지 모든 주파수에서 알아야 합니다. 즉, 분산을 고려해야 합니다. 단일 주파수(예: RF 신호)에서 작동하는 단일 엔드 트레이스의 경우, 단일 주파수에서 유전 상수의 값을 알기만 해도 괜찮습니다. 디지털 신호의 경우, 광대역 접근 방식을 취하지 않고 전체 신호 대역폭에 걸쳐 전파를 비교하지 않으면 전파 중 왜곡과 손실의 진정한 가능성을 가릴 수 있으며, 손실로 인한 목표 임피던스에서의 편차도 발생합니다.

이것이 스택업을 설계하고 임피던스를 결정할 때 제조업체의 경험과 재료 세트를 활용해야 하는 이유 중 하나입니다. 그들은 특정 임피던스에 도달하는 유전 상수 데이터와 트레이스 배열을 제공할 수 있습니다. 그런 다음 이를 설계 도구에 프로그래밍하여 길이 매칭 한계 내에 있는지 확인할 수 있습니다. 또한 기하학적 매개변수를 조정하여 어느 정도의 허용 오차까지 원하는 임피던스 창 내에 있는지 확인할 수도 있습니다.

섬유 직조 및 스킨 효과

온라인 임피던스 계산기 중에서 섬유 직조 효과나 거칠기를 고려할 수 있는 것을 본 적이 없습니다. 이러한 현상의 한 가지 이유는 섬유 직조의 준-무작위적 특성 때문입니다. 만약 단단한 직조 위에 라우팅하지 않는다면, 개방된 직조에 의해 각 트레이스에 생성되는 스큐는 예측할 수 없으므로, 이 문제를 통계적으로 접근해야 합니다. 거칠기의 경우, 스킨 효과와 거칠기에 의해 생성된 임피던스와 손실은 공정 특정적이며, 표에 기반한 데이터를 바탕으로 포함되어야 합니다. 그러나, 구리 거칠기로 인한 스킨 효과 임피던스의 증가된 크기를 결정할 수 있는 몇 가지 기본 모델이 있으며, 이러한 모델은 일반적으로 온라인에서 찾을 수 없는 더 고급 계산기에 포함될 것입니다.

입력 임피던스

온라인 차동 쌍 임피던스 계산기에서 얻는 값은 고립된 차동 쌍에 해당하며, 부하 구성 요소를 고려하지 않으며 입력 임피던스를 계산하지 않습니다. 복잡한 임피던스 매칭의 경우, 입력 임피던스는 신호가 차동 쌍에 들어갈 때 볼 수 있는 임피던스이므로 중요하며, 이는 전체 유전 상수를 포함하는 복잡한 임피던스 값과 함께 수동으로 계산하거나 고급 라우팅 도구에 내장된 반사 시뮬레이터를 사용하여 계산해야 합니다.

레이어 스택 디자이너에서의 차동 쌍 임피던스 계산

위에서 언급한 단순한 차동 쌍 임피던스 계산기 도구의 한계로 인해, ECAD/EDA 소프트웨어 회사들은 디자이너들이 차동 쌍 임피던스 및 전파 상수 계산을 가속화할 수 있도록 많은 조치를 취하고 있습니다. 귀하의 레이어 스택 디자인 도구는 더 고급 차동 쌍 임피던스 계산기에 접근할 수 있게 함으로써 필요한 임피던스에 따라 디자인할 수 있도록 도와야 합니다. 온라인에서 찾을 수 있는 일반적인 계산기에서 얻는 차동 임피던스는 단지 근사값일 뿐이며, 결과를 검증하고 라우팅 중 올바른 트레이스 폭을 강제하는 디자인 규칙을 설정하기 위해서는 더 고급 도구가 필요합니다.

Altium Designer의 레이어 스택업 디자인 도구는 PCB 에디터에 통합되어 있어, 공통적인 네 가지 차동 트레이스 배열을 수용하는 강력한 2D 필드 솔버에 빠르게 접근할 수 있습니다. 이 기능에 접근하려면 PCB 에디터에서 레이어 스택업을 열고 임피던스 탭을 클릭하기만 하면 됩니다. 여기서 스택업과 선택한 트레이스 배열을 기반으로 임피던스 계산을 실행할 임피던스 프로필을 생성할 수 있습니다. 올바른 차동 임피던스를 계산했는지 확인하기 위해 적절한 유전 상수를 스택업에 복사해야 합니다.

또한, 한 쌍의 트레이스 중 하나의 특성 임피던스와 같지 않다는 점에 유의해야 합니다. 차동 페어를 서로 멀리 떨어뜨려 라우팅할 계획이라면, 관련 임피던스는 트레이스의 특성 임피던스이지, 단일 트레이스의 홀 모드 임피던스가 아닙니다. 이 점에 대해 차동 페어 설계 및 라우팅에 관한 다른 기사에서 논의했습니다; 이 기사들에서 더 자세히 읽어볼 수 있습니다:

• 차동 임피던스 사양에 따른 설계 방법
• 밀착 대비 느슨한 차동 페어 간격 및 결합 사용 여부

레이어 스택 관리자를 Altium Designer^®에서 확인해 보시고 최고의 차동 페어 임피던스 계산기를 사용하여 레이어 스택을 쉽게 구축하는 방법을 알아보세요. 레이어 스택을 완성하고 제조업체에 디자인 평가를 받을 준비가 되었다면, Altium 365^™ 플랫폼으로 디자인 파일을 출시할 수 있습니다. 프로젝트를 협업하고 공유하기 쉽게 만드는 다른 어떤 디자인 도구 조합보다 편리합니다.

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