어떻게 하나: 임피던스 매칭 및 커패시티브 부하 종단

Altium의 Youtube 채널을 주목하는 여러분이라면, 신호 무결성이 뜨거운 화제이며 많은 질문을 생성한다는 것을 알고 있을 것입니다. 최근에 한 시청자로부터 흥미로운 질문을 받았는데, 이는 용량성 부하를 종료하는 것에 대해 물었습니다.

임피던스 매칭 및 들어오는 케이블 임피던스에 맞추기 위해 트레이스의 폭을 설계하는 것에 대한 많은 훌륭한 비디오가 있지만, 용량성 부하와의 매칭은 어떻습니까?

현재 세대의 MOSFET와 GaN HEMT는 이제 100 ns 미만의 스위칭이 가능하므로 전력 장치의 게이트에 매칭하는 것이 미래에 훨씬 더 큰 문제가 될 것 같습니다...

아래에서 설명하검, 순수하게 용량성 부하는 어느 정도 환상에 불과합니다. 네, 캐패시터는 존재하지만, 모든 캐패시터는 비이상적이며, 이론적인 용량에서의 이탈이 용량적 행동을 보이는 부하에 대한 임피던스 매칭 방법을 결정합니다. 이 중요한 상호연결 설계 측면을 살펴보고 용량성 부하를 종료하는 것이 실제로 무엇을 의미하는지 알아봅시다.

용량성 부하는 무엇입니까?

매우 간단하게 말해서, 순수한 용량성 부하는 존재하지 않습니다. 심지어 커패시터 뱅크조차도 적어도 반응 전력 관점에서는 진정한 “용량성” 부하가 아닙니다. 전자기기와 특히 PCB에서, 용량성으로 보이는 부하는 특정 주파수 범위에서만 그렇게 보일 뿐이며, 용량은 의도적으로 배치된 커패시터 때문에 발생하지 않을 수 있습니다.

대신 전자기기에서 부하가 용량성이라고 할 때, 우리는 대부분 부품의 임피던스, 또는 구체적으로는 입력 임피던스를 말하고 있습니다. 용량성 입력 임피던스는 일반적으로 주파수가 증가함에 따라 감소하며 전류가 전압보다 위상에서 앞서게 합니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다:

• RC 회로 또는 일부 RLC 회로
• 집적 회로의 I/O
• MOSFET의 게이트 단자
• 전송선의 스터브, 그 길이와 종단에 따라 다름
• 임피던스 매칭 네트워크

다시 말해, 요소는 커패시터로 근사되지만, 정확히 그렇게 작동하지는 않습니다. 이를 염두에 두고, 용량성 임피던스와 종단이 고려되는 두 가지 주요 경우인 좁은 대역 아날로그 신호와 광대역 디지털 신호를 탐구해 보겠습니다.

아날로그 신호

특정 주파수에서만 작업하거나 매우 좁은 주파수 범위에서 작업하는 경우 표준 LC 필터 회로를 사용하고 싶을 것입니다. 구체적으로, 두 개의 커패시터 또는 L-필터 그룹이 일반적으로 사용되어 부하 임피던스의 실수부가 0보다 커야 한다는 것을 결정합니다. 이는 실제 부하가 순수하게 용량성이 아닐 것이라는 사실을 반영합니다.

전체 인터커넥트에 대해 완전한 임피던스 매칭을 하려면 다음 과정을 사용해야 합니다:

1. (부하 + 필터) 등가 임피던스를 목표 임피던스로 설정하기 위해 필요한 LC 필터 회로를 결정합니다. 이는 직렬/병렬 변환을 사용하고 L 및 C 값을 해결함으로써 쉽게 수행됩니다.
2. 표준 공식을 사용하여 입력단에서 본 특정 전송선의 입력 임피던스를 계산합니다.
3. 2단계에서 계산한 입력 임피던스와 소스 임피던스를 일치시킵니다.

용량성 부하에 사용되는 다양한 임피던스는 아래에 나와 있습니다. 일반적으로 매칭 네트워크는 L-매치 네트워크 또는 부하와 함께 파이(pi) 배열에서의 커패시터/인덕터 쌍이 될 것입니다. 설계자는 매칭 네트워크에서 고역 통과 또는 저역 통과 기능을 선택하고 회로 분석을 적용하여 Zeq을 얻을 수 있습니다.

단계 1은 회로 분석에서 기초적인 부분이므로 여기서 전체 설명을 보여주지는 않겠습니다. 이 부분은 다른 기사에서 다룰 예정입니다. 3페이지부터 시작하는 훌륭한 튜토리얼을 이 링크에서 찾을 수 있습니다. 단계 2에서는 단계 1에서 계산한 목표(등가) 임피던스가 단계 2에서 입력 임피던스 계산에 사용되는 부하가 됩니다. 마지막으로, 단계 3에서는 소스 임피던스를 (선로 + 필터) 입력 임피던스에 맞추기 위해 추가 매칭 네트워크를 적용해야 할 수도 있습니다.

전송선 입력 임피던스에 맞추기

위에서 언급했듯이, 소스는 입력에 맞춰야 할 필요가 있을 수 있습니다. 제가 말하는 것은, 선이 전기적으로 짧은 선의 한계보다 약간 길고 잔류 불일치가 있는 경우, (선 + 필터) 입력 임피던스는 전송선의 특성 임피던스와 상당히 다를 수 있다는 것입니다. 따라서, 필요한 주파수에서 선의 입력 임피던스와 일치하도록 소스 출력 임피던스를 설정해야 합니다. 이는 다른 매칭 네트워크를 사용하여 수행됩니다(아래 참조). 이는 단순히 직렬 저항기일 수도 있지만, 전송선이 있는 반응성 회로에서는 필요한 주파수에서 임피던스 매칭을 위해 LC 회로를 사용하는 것이 때때로 의미가 있습니다.

당신은 생각할 수 있습니다: 왜 실제 부하 임피던스가 필요한 경우에만 인덕터와 커패시터를 사용하여 임의의 용량성 부하에 맞출 수 있는가? 사실, 부하 임피던스는 매우 작은 실제 부분을 가질 것입니다. 인쇄된 구성 요소나 임의의 임피던스에 대해서도, 부하 회로는 항상 회로 어딘가에 일부 기생 저항을 가지고 있을 것입니다. 이는 구성 요소 리드, PCB 트레이스 및 연결을 만들기 위해 PCB 레이아웃에서 사용된 모든 다른 구조에서 발생할 것입니다.

짧은 선

전송선이 짧으면 일이 훨씬 쉬워집니다. 이 경우 위에 보여진 입력 매칭 네트워크가 필요하지 않습니다. 짧은 선에서는 소스 임피던스 Zs가 부하만을 보기 때문에, 출력 매칭 회로 블록을 설계할 때 소스 임피던스를 임피던스 목표로 사용할 수 있습니다. RF 회로에서는 일반적으로 이런 상황을 보지 않습니다. 다른 회로 블록(케이블, 송신기 등)으로의 전파가 있기 때문에, 일부 입력 임피던스 편차를 고려해야 합니다.

고속 논리 회로

고속 논리 회로를 논의할 때 항상 이야기하지는 않지만, CMOS 논리 회로의 입력에는 수신기의 트랜지스터와 패키징 치수에 의해 결정되는 일정량의 커패시턴스가 있습니다. 모든 트랜지스터 기반 논리 회로는 커패시턴스를 가지고 있으며, 입력으로 신호를 안내하는 트레이스도 마찬가지입니다. 트레이스와 패키징은 함께 전파되는 신호가 원하는 논리 상태로 해석되기 위해 충전되어야 하는 일정량의 기생 커패시턴스를 가지고 있습니다.

전송선과 용량성 부하 사이의 차이점은 전송선이 복잡한 유전 상수를 가진 정말로 집중된 LC 회로(실제로는 RLC 회로)라는 것입니다. 따라서 그 임피던스는 대략 실수입니다. 그러나 부하 용량은 실제 효과를 만들어냅니다. 전형적인 부하 용량 값은 포장 및 기술 노드에 따라 현대 디지털 구성 요소에 대해 1 pF에서 100 pF까지 다양할 수 있습니다. 부하 용량은 고임피던스 논리 회로(1 MOhm의 순서)와 병렬로 연결되므로, 들어오는 파동을 받으면 함께 RC 회로처럼 작동합니다. 따라서 우리는 모든 것이 저항기로 만들어진 것처럼 종단을 적용하는 것에만 걱정합니다. 우리는 부하 용량이 지배하기 시작하는 한계까지의 주파수만 신경 씁니다.

분명히, 이것은 "용량성" 부하입니다. 디지털 회로에서 우리는 부하 용량이 대역폭 제한 요소라는 것을 인정합니다. 이것은 고GHz 주파수로 들어갈 때만 중요해집니다. 즉, 이 입력 임피던스의 롤오프 주파수 범위가 디지털 신호 대역폭의 상당 부분과 겹칠 때만 신경 씁니다. 이러한 회로에서 광대역 종단을 적용하여 반사를 완전히 억제하는 것은 실용적이지 않습니다. 여행 신호가 부하에 도달할 때 항상 일부 반사가 발생합니다.

그러므로, 업계는 주어진 상승 시간에 대해 신호를 복구하고 데이터 전송률을 증가시키기 위해 등화 및 다중 레벨 신호 체계와 같은 것에 초점을 맞추고 있습니다. 어떤 경우에든, 종단 요소는 특수 로직이 사용되지 않는 한 구성 요소 다이에 존재할 수 있습니다. 아래에 병렬 종단의 예가 나와 있습니다.

여기서의 대안은 수신기에서 RC 종단을 사용하는 것이지만, 이는 덜 일반적이며 외부 구성 요소 쌍이 필요합니다. 여기서의 아이디어는 상승 시간을 늦추는 것으로, 일반적으로 다이 상의 장치 구조(일반적으로 고임피던스 입력)에 의해 제한됩니다. RC 종단은 신호를 수신기가 아닌 드라이버에서 늦추는 것이 더 낫기 때문에 일반적으로 이 목적에 선호되지 않습니다. 그러나, 예를 들어 드라이버가 PCB에 위치하지 않고 수신기에서 RC 종단을 배치하는 옵션만 있는 경우와 같이, 어떤 경우에는 선택의 여지가 없을 수도 있습니다.

이해해야 할 핵심은 다음과 같습니다: 디지털 집적 회로의 경우, 우리는 특정 주파수에서가 아니라 가능한 가장 넓은 대역폭에서 임피던스를 맞추려고 하기 때문에, 필연적으로 용량성 종단에 대해 걱정하지 않습니다. 이는 물리적 채널 설계에 대부분의 강조점을 두어 짧은 채널에서는 반환 손실이 최소화되고 긴 채널에서는 삽입 손실이 최소화되도록 보장합니다. 만약 우리가 특정 주파수에서만 매칭하는 것에만 관심이 있다면, 신호의 대부분의 전력을 잃어버릴 수 있고 완전히 손실될 수 있습니다.

요약

요약하자면, 몇 가지 중요한 핵심 사항들은 다음과 같습니다:

• 순수하게 용량성 부하는 존재하지 않습니다. 충분히 높은 주파수에서는 심지어 커패시터도 이상적인 커패시터처럼 동작하지 않습니다. 실제 부하는 대략적으로 용량성으로 행동할 수 있습니다.
• 아날로그 신호는 표준 LC 필터 회로를 사용하여 용량성 부하에 임피던스 매칭될 수 있습니다.
• 디지털 회로에서는 디지털 신호의 광대역 특성 때문에 실제로 부하 용량을 종단시킬 수 없습니다.

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