그라운드 평면 없는 차동 쌍: 문제가 될까요?

차동 쌍은 일부 기본적인 신호 무결성 문제를 해결하는 데 도움이 되었으며, 현대의 CAD 도구는 이를 설계하고 라우팅하는 것을 쉽게 만들어줍니다. 그러나 차동 쌍이 저수준 수신기에서 공통 모드 노이즈를 억제하는 데 유용함에도 불구하고 모든 신호 무결성 문제에 대한 만병통치약은 아닙니다. 차동 쌍 라우팅을 논의할 때 항상 제기되는 질문이 있습니다: 이 트레이스에는 접지면이 필요한가요?

때로는 이 질문에 대한 답변이 누구에게 묻느냐와 차동 쌍이 어떻게 작동하는지 설명하는 개념적 예를 사용하느냐에 따라 달라집니다. 이 블로그와 다른 블로그에서 마주치는 대부분의 공학 질문처럼, 이 질문에 대한 모든 답변에는 진실의 핵심이 있으며, 그 포인트들을 맥락에서 벗어나 쉽게 취할 수 있습니다. 차동 쌍 접지면을 사용해야 할 때와 접지 없이 차동 쌍을 라우팅하는 것이 단지 나쁜 생각일 때를 살펴봅시다.

차동 쌍 접지면이란 도대체 무엇인가요?

접지 없이 차동 쌍을 라우팅할 때 적절한 시기를 알고 싶다면, 접지면이 무엇을 하는지와 왜 중요한지를 아는 것이 도움이 됩니다. 먼저, 접지면이 물리적으로 무엇을 하는지(단지 큰 구리 도체가 되는 것 이상으로) 살펴봅시다:

• 용량: 전원 평면과 인접한 층에 짝을 이루면, 실질적으로 큰 커패시터를 만들게 됩니다. 두 평면이 가까울 때(평면 사이의 얇은 라미네이트), 더 큰 면간 용량
• 을 갖게 됩니다. 차폐: 접지 평면은 충전/방전의 큰 원천을 제공합니다. 접지 평면에서 전하가 어떻게 끌리거나 방출되는지는 기본적으로 중요하지 않습니다. 또한, 평면으로 향하는 전기장을 종료하기 위한 이미지 전하를 제공합니다.
• 단일 참조점: 이상적으로, 참조 전위를 제공합니다. 즉, IC가 논리 레벨을 등록하는 데 사용하는 전압 "측정"을 포함하여 모든 전압 측정에 대한 참조점을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 손실이 없는 연결의 구동 끝에서 측정한 3.3V 신호는 수신 끝에서도 3.3V로 인식될 것으로 합리적으로 보장됩니다.

보드 전체에 열과 전력을 간단하게 분배하는 것과 같은 몇 가지 다른 기능 외에도, 접지 평면은 때때로 대학원 수준의 전자기학 수업에 도달할 때까지 논의되지 않는 몇 가지 기본적인 전기 기능을 제공합니다. 어쨌든, 마지막 두 포인트는 접지 없이 차동 쌍에 중요합니다. 라우팅을 올바르게 하면, 차동 쌍에 접지가 필요 없을 수도 있습니다.

차동 쌍, 접지면, 그리고 신호 레벨

차동 쌍이 접지면에 의존하는 방식은 몇 가지 요소에 따라 다르며, 이는 임피던스를 지배하는 기생적 특성과 관련이 있습니다. 먼저, 차동 쌍 사이의 기생적 특성을 살펴보겠습니다. 모든 차동 쌍은 그들 사이에 약간의 기생적 용량을 가지고 있으며, 이는 그들의 기생적 인덕턴스와 접지면에 대한 고유한 기생적 용량과 결합됩니다.

이러한 기생적 특성은 두 가지 효과를 낳습니다:

• 기생적 상호 용량과 상호 인덕턴스는 쌍을 이루는 두 선 사이의 결합을 제공하며, 이는 그들의 차동 임피던스를 결정하는 데 도움이 됩니다.
• 기준면으로의 기생적 용량은 접지면에서 변위 전류가 전파되도록 합니다.

기생적 특성은 함께 쌍의 차동 임피던스와 쌍의 개별 트레이스의 단일 종단(홀수 모드 임피던스)을 결정합니다.

트레이스 아래에 리턴 전류가 있다면 차동 쌍에서는 (단일 엔드 트레이스에 대해 이야기하는 것과 같은 방식으로 가정할 때) 그 쌍 바로 아래에 매우 가깝게 위치하며, 쌍 사이의 중간 지점에서는 거의 0에 가까워집니다. 고속 신호의 경우, 트레이스 아래의 리턴 전류 분포가 대략 가우시안 분포를 따를 것으로 예상할 수 있습니다. 이는 아래 이미지의 그래프에서 보여집니다.

여기서, “리턴 경로”를 제공하기 위해, 실제로 접지면이 필요하지 않습니다. 위 그림에서 접지면과 트레이스 사이의 거리를 천천히 늘려 상상해 보십시오. 양극 트레이스에서 나오는 모든 전기장 선은 음극 트레이스에서 끝납니다. 이것은 차동 임피던스의 정의를 설명해 줍니다: 두 트레이스 사이의 상호 결합으로 인한 임피던스입니다. 이는 차동 쌍에서 신호 레벨이 각 트레이스의 값 차이로 읽히는 이유를 설명하는 데에도 도움이 됩니다.

이곳에서 누군가 이렇게 물을 것입니다: "전류가 어떻게 양극 트레이스에서 음극 트레이스로 흐르나요? 반드시 IC를 통해서 일어나야 하지 않나요!" 이상하게도, 리 리치는 이 특정 그래픽이 표지에 나타난 교과서를 알고 있다고 주장합니다. 전류가 어디로 흐르는지 묻기보다는, 전류가 파이프 속의 물처럼 어디론가 "흐른다"는 생각에서 벗어나는 것이 엔지니어들에게 제안하고 싶습니다.

트레이스 한쪽 끝에서 파동이 흥분되면, 전기장은 도체 상의 어떤 자유 전하 분포에 의해 흥분됩니다. 한 도체의 전기장은 반대 도체에서 분극을 유도하는데, 이것은 변위 전류로 간주됩니다. 파동이 차동 쌍을 따라 전파됨에 따라, 이 두 쌍을 따라 전하 불균형도 함께 이동합니다. 이 전하 불균형이 트레이스를 따라 이동하는 속도가 바로 반환 전류입니다. 상호 인덕턴스에서도 기여가 있으며, 같은 설명이 적용됩니다.

왜 차동 쌍에 대해 접지면을 사용하나요?

단일 종단 트레이스와 관련하여 모두가 언급하지만 차동 트레이스에서 잊어버리는 한 가지 포인트는 접지면이 제공하는 격리 수준입니다. 간단히 말해서, 차동 쌍 근처의 접지면은 전계선을 왜곡시키고 그것들을 평면의 표면에서 종결시킵니다. 만약 여러분이 인접한 두 레이어에 차동 쌍 라우팅을 하고 있다면, 단순히 레이어 사이에 접지면을 두어 쌍을 격리할 수 있습니다.

이것은 접지면을 사용하는 또 다른 이유로 이어집니다: 차동 크로스토크 억제. 아래에 보여진 전계선은 차동 쌍이 다른 트레이스에서 크로스토크를 유발할 수 있는 이유를 설명해 줍니다. 트레이스의 양쪽에서. 만약 여러분이 위에 링크된 기사를 읽었다면, 차동 쌍과 그 접지면 사이의 거리가 클수록 다른 트레이스(단일 종단이든 차동이든)에서 유발되는 크로스토크 수준이 증가할 것임을 볼 수 있습니다.

이것은 아래 이미지에서 보여지듯이, 차동 쌍의 각 트레이스를 둘러싼 필드 때문입니다. 여기서, 쌍의 가장자리에서 필드는 0이 아니며, 이는 다른 트레이스에서 공통 모드 또는 차동 노이즈를 유발할 수 있음을 의미합니다. 층간 격리뿐만 아니라, 접지면을 사용하는 것은 차동 쌍과 같은 층에 있는 다른 트레이스 사이에 추가적인 격리를 제공합니다. 이는 트레이스를 더 가깝게 배치할 수 있게 할 수 있습니다.

접지 부족 및 접지 오프셋 문제

참고로, 접지 없이 차동 쌍을 사용하면서 다른 EMI 문제를 방지하려면, 차동 쌍의 신호가 수신기에 타이밍 예산 내에 도착하도록 길이 매칭을 적용해야 합니다. 이는 불일치하는 신호가 수신기에 도착할 때 그 차이가 측정되지만, 어떤 불일치도 수신기의 공통 모드 감소 능력을 줄일 수 있기 때문입니다. 근처 참조에서의 반환 전류와 관련하여, 이는 기술적으로 가장 가까운 용량성 결합된 접지 영역에서 순간적인 전류 폭발을 생성할 수 있습니다. 접지 영역이 쌍에서 멀리 떨어져 있다면(즉, 멀리 떨어진 평면이나 섀시인 경우), 단시간 전자기 폭발이 방사될 수 있으며, 사실상 자체 공통 모드 노이즈 소스로 작용합니다. 그러나 실제로는 이러한 방사가 밀집된 PCB에서는 문제가 될 수 있지만, 그 경우에는 어차피 크로스토크에 취약한 구성 요소 사이에 더 많은 공간을 두어야 합니다.

차동 쌍을 사용하는 주요 장점은 접지 오프셋에 대한 내성입니다. 차동 쌍은 일반적으로 접지 오프셋에 내성이 있으며 차동 링크의 양쪽에 있는 접지를 예를 들어 차폐 케이블로 연결할 필요가 없습니다. 접지 오프셋은 신호 레벨을 보드에서 변경하기 때문에 단일 종단 신호에서만 문제가 됩니다. 이는 별도의 접지 평면이 있는 PCB에서나 아래와 같이 두 개의 밀폐된 시스템 사이에 라우팅된 긴 케이블에서 개략적으로 도식화할 수 있습니다.

차동 쌍은 쌍의 양쪽에 있는 신호 간의 차이를 측정에 의존하기 때문에 이 링크에서 접지 오프셋은 중요하지 않습니다. 이것이 균일한 접지 평면이 있는 PCB에서는 그다지 문제가 되지 않을 수 있지만, 먼 장비를 연결하는 데 사용되는 긴 전기 링크에서는 실제 문제입니다.

종단이 어떻게 구현되었는지와 쌍의 각 측면 사이의 임피던스 편차에 따라, 실제 접지 오프셋 보상 방법은 링크의 한쪽 끝에 전류 소스를 사용하여 구현됩니다(이는 수신기에 내장되어 있습니다). 현대의 차동 수신기 및 송신기 구성요소에 온-다이 종단이 구현되어 있어, 실제로 이에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 설계자로서의 귀하의 임무는 필요한 임피던스 목표를 달성하고 특정 인터페이스에 대해 허용 가능한 한계 이하로 스큐를 최소화하는 것입니다.

접지가 없는 경우 임피던스를 결정하는 것은 무엇인가요?

단일 트레이스의 경우, 특성 임피던스는 트레이스 폭 대 유전체 두께 비율에 따라 달라집니다. 마이크로스트립을 가지고 있고 접지까지의 거리를 매우 큰 값으로 증가시키면, 트레이스의 특성 임피던스는 로그함수적으로 매우 큰 값으로 증가합니다. 그렇다면 접지 평면이 없고 각 트레이스의 특성 임피던스가 매우 커질 때, 차동 쌍의 임피던스는 어떻게 고정된 값에 머무르나요?

• 답은 쌍을 이루는 트레이스 사이의 간격에 있습니다. 차동 임피던스 목표뿐만 아니라 각 트레이스의 단일 종단 임피던스는 두 트레이스 사이의 간격을 일정하게 유지함으로써 유지됩니다. 이것은 단일 종단 임피던스와 차동 임피던스를 목표 값으로 설정합니다, 심지어 접지면이 없는 경우에도!

주어진 간격에 대해, 각 트레이스의 단일 종단 임피던스는 두 트레이스 사이의 결합으로 인해 기이 모드 임피던스로 설정됩니다. 쌍을 이루는 각 트레이스에서 신호 전파에 영향을 주는 트레이스 임피던스는 특성 임피던스가 아니라 기이 모드 임피던스입니다. 이것은 차동 신호를 전달하는 케이블의 역할을 설명해야 합니다; 그들 사이의 결합은 개별 와이어 임피던스를 필요한 기이 모드 값으로 설정합니다, 근처의 어떤 접지면의 존재가 아니라(이것은 접지 도체가 없는 비차폐 케이블에서 완전히 임의적입니다).

지면 간격 위를 경로 설정한 다음 다시 지면 평면 위로 경로를 설정하면 어떻게 될까요? 간격의 크기와 평면까지의 거리에 따라 임피던스 불연속성이 발생할 수 있습니다. 각 섹션에서 트레이스 임피던스가 일치하는지, 그리고 입력 임피던스가 반사를 방지하기 위해 보이지 않는지 확인해야 합니다. 임피던스 및 스택업 계산기에서 이를 고려해야 합니다.

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