PCB 설계자를 위한 고속 신호 무결성에 대한 최고의 입문서

신호 무결성의 기초

신호 무결성은 PCB(인쇄 회로 기판)를 통해 전기 신호가 이동할 때의 품질과 신뢰성을 말합니다. 고속 PCB 설계에서 신호 무결성을 유지하는 것은 중요한데, 심지어 작은 신호 왜곡도 데이터 손상, 통신 오류, 전체 시스템 실패로 이어질 수 있기 때문입니다. 임피던스 불일치, 크로스토크, 신호 반사, 전력 변동과 같은 요소들이 신호 무결성에 큰 영향을 미칠 수 있어, 신중한 설계와 분석이 필요합니다.

PCB에서의 임피던스 이해하기

PCB 설계의 맥락에서 임피던스는 교류가 회로를 통해 이동할 때 마주치는 저항을 의미합니다. 이 임피던스는 트레이스의 너비와 두께, 이 트레이스 사이에 사용된 유전체 재료의 종류, PCB 층의 전체 구성 등 여러 요소에 의해 형성됩니다. 고속 PCB 애플리케이션에서는 신호 반사를 피하고 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 보장하기 위해 균일한 임피던스를 유지하는 것이 중요합니다.

고속 PCB 설계에서 임피던스 일관성을 보장하기 위해 여러 전략적 기술이 적용됩니다:

• 제어된 임피던스 트레이스: 엔지니어들은 목표 임피던스 값을 달성하기 위해 트레이스의 기하학적 형태—특히 그 폭과 간격을 설계합니다. 고급 시뮬레이션 도구를 사용하여 이러한 임피던스 수준을 모델링하고 생산 전에 검증합니다. 예를 들어, 설계 요구 사항 중 하나가 특정 신호 트레이스에 대해 50옴의 임피던스를 설정하는 것일 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 트레이스 치수는 이 사양을 일관되게 충족하도록 미세 조정됩니다.

• 차동 쌍: 강력한 고속 신호 전송을 위해, 신호는 종종 차동 쌍으로 라우팅되며, 이는 두 개의 상보적인 신호가 동시에 전송되는 것을 포함합니다. 이 구성은 임피던스를 안정화할 뿐만 아니라 노이즈를 완화하는 데도 도움이 됩니다. USB 3.0 기술에서 차동 쌍이 신호 무결성을 향상시키고 전자기 간섭을 줄이는 것은 일반적인 응용입니다.

• 재료 선택: 기판 재료의 선택은 임피던스 안정성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 일관된 유전체 특성을 가진 재료를 선택함으로써 PCB 전체에 걸쳐 임피던스가 변하지 않도록 합니다. 예를 들어, 안정된 유전 상수로 알려진 표준 FR4 재료는 회로 기판 전체에서 임피던스 균일성을 유지하기 위해 종종 선택됩니다(트레이스가 너무 길지 않은 경우).

Altium Designer의 PCB 스택업 편집기와 통합된 전자기장 솔버

반사 및 신호 종료

신호 반사는 신호가 그 경로를 따라 임피던스 불일치를 만날 때 발생하여 신호의 일부가 소스 쪽으로 반사되게 합니다. 이 반사는 신호를 왜곡시키고, 데이터 오류를 일으키며, 전반적인 신호 무결성을 감소시킬 수 있습니다. 임피던스 불일치의 일반적인 원인에는 트레이스 폭의 급격한 변화, 비아, 그리고 커넥터가 포함됩니다.

종단 기술은 전송선의 임피던스를 부하와 일치시켜 반사를 최소화하는 데 사용됩니다:

• 직렬 종단: 이는 신호 근처 소스에 저항을 직렬로 배치하는 것을 포함합니다. 이는 짧은 트레이스에 대해 간단하고 효과적입니다. 예를 들어, 고속 메모리 인터페이스에서는 트레이스 임피던스를 일치시키고 반사를 방지하기 위해 33 옴의 직렬 저항이 사용될 수 있습니다.

• 병렬 종단: 트레이스의 끝에 저항을 배치하여 선의 임피던스와 일치시킵니다. 이 방법은 보통 더 긴 트레이스와 차동 쌍에 사용됩니다. 예를 들어, PCB 내의 긴 전송선에서는 50-옴 병렬 저항이 트레이스를 종단시켜 반사를 제거할 수 있습니다.

• AC 종단: 이 기술은 저항성 및 용량성 요소를 결합하여 다양한 주파수에서 임피던스를 일치시킵니다. 예를 들어, AC 종단은 고속 클록 신호를 종단하기 위해 50옴 저항을 커패시터와 병렬로 사용할 수 있으며, 넓은 주파수 범위 일치를 제공합니다(여기서 종단 네트워크의 임피던스가 전송선의 임피던스와 일치하는 컷오프 주파수(fc)는 다음 공식에 의해 주어집니다: fc=1/2πRC)

Altium Designer 신호 무결성 도구는 설계자들이 적절한 트레이스 종단을 지정할 수 있도록 합니다

고속 설계를 위한 PCB 재료 선택

PCB 재료의 유전 상수(Dk)와 손실 탄젠트(Df)는 신호 무결성을 유지하는 데 중요한 요소입니다. Dk는 신호가 전파되는 속도에 영향을 미치며, Df는 거리에 따른 신호 손실에 영향을 미칩니다. 고속 설계의 경우, 신호 왜곡과 손실을 최소화하기 위해 낮은 Dk와 낮은 Df를 가진 재료가 선호됩니다.

신호 무결성에 영향을 미치는 주요 재료 특성에는 다음이 포함됩니다:

• 열 안정성: 높은 열 안정성을 가진 재료는 다양한 온도에서 일관된 성능을 보장합니다. 예를 들어, 고온에서 안정된 성능을 보장하기 위해 고속 설계에서는 종종 고-Tg FR4 재료가 사용됩니다.

• 낮은 수분 흡수: 수분을 적게 흡수하는 재료는 고속 신호에 필수적인 일관된 유전 특성을 유지합니다. 예를 들어, Rogers 3003과 같이 낮은 수분 흡수를 가진 재료는 습한 환경에서도 신호 무결성이 유지되도록 고속 설계에 사용됩니다.

• 기계적 강도: 견고한 재료는 제조 및 운영 중 기계적 스트레스를 견디며 신호 경로를 보존합니다. 폴리이미드는 예시로, 우수한 기계적 강도와 안정성 때문에 유연한 PCB에 자주 선택됩니다.

Altium Designer의 고급 Layer Stack Manager에서의 PCB 재료 선택

전력 무결성과 신호 무결성에 미치는 영향

전력 무결성은 PCB의 모든 구성 요소에 안정적으로 전력을 공급하는 것을 의미합니다. 부적절한 전력 무결성은 전압 변동을 초래할 수 있으며, 이는 지터, 노이즈 및 타이밍 오류와 같은 신호 무결성 문제를 일으킬 수 있습니다. 고속 설계에서 전체 신호 무결성을 보장하기 위해 강력한 전력 무결성을 유지하는 것이 중요합니다.

전력 무결성을 보장하기 위한 기술:

• 디커플링 커패시터: 이 커패시터들은 IC의 전원 핀 근처에 배치되어 노이즈를 필터링하고 안정적인 전원 공급을 제공합니다. 예를 들어, 고속 FPGA의 전원 핀 근처에 배치된 0.1 µF 디커플링 커패시터는 고주파 노이즈를 필터링하고 안정적인 전압 공급을 보장할 수 있습니다.

• 전원 평면: 전용 전원 평면은 임피던스를 줄이고 고속 신호에 안정적인 전압 참조를 제공합니다. 예를 들어, 다층 PCB는 임피던스를 줄이고 고속 구성 요소에 일관된 전원 공급을 보장하기 위해 별도의 전원 및 접지 평면을 포함할 수 있습니다.

• 적절한 접지: 반환 전류에 대한 저임피던스 경로를 확보하면 노이즈가 감소하고 신호 무결성이 향상됩니다. 신호 층 아래에 연속적인 접지 평면이 있으면 저임피던스 반환 경로를 제공하여 노이즈를 줄이고 신호 무결성을 향상시킬 수 있습니다.

Altium Designer에서 Keysight의 전원 분석기

결론

PCB 설계에서 고속 신호 무결성을 유지하기 위해서는 임피던스 제어, 신호 반사, 재료 선택, 그리고 전원 무결성을 마스터하는 것이 포함됩니다. 이러한 기술을 통해 엔지니어는 정확한 데이터 전송과 강력한 시스템 성능을 보장하는 신뢰할 수 있는 고속 PCB를 만들 수 있습니다. 신중한 계획, 시뮬레이션, 그리고 제조업체와의 협력을 통해 설계자는 고속 PCB의 도전과제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

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