고속 신호를 위한 길이 매칭: 트롬본, 아코디언, 그리고 톱니 모양 튜닝

옛날 옛적에, 고속 신호에 대한 길이 매칭 가이드라인은 다양한 트레이스 길이 조정 방식을 수동으로 적용하면서도 생산성을 유지할 수 있는 충분한 기술을 가진 디자이너를 필요로 했습니다. 오늘날 현대 PCB 설계 도구의 고급 인터랙티브 라우팅 기능 덕분에, 디자이너는 더 이상 PCB 레이아웃에서 길이 조정 구조를 수동으로 그릴 필요가 없습니다. 디자이너가 결정해야 할 남은 선택은 어떤 길이 매칭 방식을 사용할 것인지입니다: 트롬본, 아코디언, 또는 톱니 모양 라우팅.

그렇다면 이러한 다양한 옵션 중 고속 설계에 가장 적합한 것은 무엇일까요? 충분히 넓은 트레이스(즉, HDI 영역이 아닌)와 GHz에 가까운 대역 제한 신호를 사용할 경우, mmWave 및 sub-mmWave 영역에서 아날로그 신호로 작업할 때 발견할 복잡한 공진 문제에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 그러나 고속 PCB 설계에서 길이 매칭과 관련하여 전송선 및 신호 무결성 행동에 대해 고려해야 할 몇 가지 중요한 점이 여전히 있습니다.

고속 신호를 위한 길이 매칭 옵션

병렬 버스를 사용하여 여러 신호에 걸쳐 길이 조정이 필요하든, 차동 쌍의 두 끝을 길이 맞춤해야 하든, 어떤 방법을 사용하여 길이 조정을 해야 할 것입니다. 저속에서는 이러한 신호의 상승 시간이 길기 때문에 다른 길이 맞춤 스타일 간의 차이는 표면적입니다. 이러한 차이는 더 빠른 에지 속도에서 더 분명해지며, 길이 조정 구조로 들어가는 입력 임피던스가 눈에 띄게 되고 고주파에서 다양한 구조에서 모드 변환의 다른 수준을 생성하기 시작합니다.

길이 조정 옵션을 선택할 때, 두 가지 중요한 점을 고려해야 합니다:

• 버스가 단일 종단인지 아니면 병렬인지?
• 버스 임피던스가 제어되는지?
• 얼마나 많은 불일치를 허용할 수 있는지?

길이 조정 구조는 항상 세 가지 문제를 생성합니다: 입력 홀 모드 임피던스 불일치, NEXT, 그리고 차동 쌍에서의 모드 변환. 아래에서 고속 PCB 레이아웃에서 발견되는 세 가지 일반적인 길이 조정 옵션을 소개했습니다.

톱니 모양 조정

길이 튜닝의 가장 대표적인 예는 톱니 모양 튜닝으로, 때때로 뱀 모양 튜닝이라고도 불립니다. 여기에 포함된 지침은 이 길이 튜닝 구조의 원래 의도를 반영한 것으로, 확장된 섹션 간의 모드 변환과 크로스토크의 출현을 제한하는 것입니다.

아래의 톱니 모양 튜닝 예에서, 트레이스를 따라 부드러운 굽힘은 없습니다. 트레이스는 아래와 같이 정확하게 간격을 두어야 합니다. 먼저, 아래에 사용된 "S-2S" 규칙이 있으며, 이는 길이 튜닝된 트레이스의 길이를 따라 45도 굽힘이 사용되도록 원래 의도되었습니다. "3W" 규칙(동일한 이름의 크로스토크 방지 규칙과 혼동해서는 안 됨!)은 실제로 상한선입니다; 톱니 모양의 확장된 부분의 길이는 W에서 3W까지 다양할 수 있지만, 이 규칙에 대해서는 지침이 다를 수 있습니다. 이러한 치수는 트레이스의 길이를 따라 임피던스 불연속을 최소화하는 데 사용됩니다.

고속 신호를 위한 톱니 모양 길이 매칭: "3W" 규칙.

아코디언 튜닝

아코디언 튜닝은 또한 종종 세르펜틴 길이 튜닝으로 언급됩니다. 위에 보여진 대각선 확장을 사용하는 대신, 추가적인 튜닝 길이를 더 작은 거리에 맞출 수 있도록 직각 확장이 사용됩니다.

아래에 보여진 레이아웃은 다양한 거리의 여러 트레이스 확장을 사용합니다. 이 방법은 많은 단일 종단 신호의 병렬 버스를 포함하는 응용 프로그램에서 자주 발견됩니다;典型적인 예는 DDR입니다. 이러한 신호들은 시간에 있어 동기화가 필요하지만, 이 트레이스들은 차동 버스의 일부가 아니므로, 트레이스 쌍 간에 정확한 위상 요구 사항이 없습니다. 따라서, 길이 튜닝 섹션을 어디에 두는지는 중요하지 않으며, 수신 구성 요소는 차동 모드와 공통 모드 노이즈를 구별하지 않습니다. 이것이 DDR 인터페이스의 전형적인 라우팅이 아래와 같이 보이는 이유입니다.

고속 신호를 위한 아코디언 길이 매칭.

트롬본 튜닝

낮은 속도 또는 낮은 주파수 신호를 다루고 있다면, 최소한의 NEXT를 가진 평행 버스에서 트롬본 튜닝을 사용하여 문제를 해결할 수 있습니다. 이 기술은 차동 쌍의 길이 조정에 사용되어서는 안 됩니다. 이것은 평행 버스에서 자주 발견되는 또 다른 옵션이지만, 아코디언이나 톱니 모양의 길이 조정보다 훨씬 더 많은 NEXT를 생성할 것입니다. 이유는 이 트레이스 구성에서 여러 번의 90도와 180도 회전 때문입니다.

이것이 차동 쌍에 사용된다면, 트롬본 부분이 신호가 한쪽 끝에서 트롬본을 통해 앞뒤로 이동함에 따라 차동 쌍의 각 측면 사이에서 차동 및 공통 모드 결합을 번갈아 가며 변화한다는 것이 분명해야 합니다. 신호는 전파됨에 따라 공통 모드와 차동 모드 구동 사이를 교대로 전환합니다; 이것이 바로 모드 변환의 정의입니다. 다른 두 가지 일반적인 길이 매칭 방법과 마찬가지로, 트롬본 튜닝을 사용해야 한다면, 차이가 발생하는 차동 쌍의 끝부분에만 배치해야 합니다.

고속 신호를 위한 트롬본 길이 매칭.

차동 쌍 대 단일 종단

위의 세 가지 방법 모두에서, 직렬 길이 매칭 섹션의 각 부분을 너무 가깝게 배치하지 않도록 주의해야 합니다. 직선 트레이스에서의 연장과 섹션 간 거리는 두 가지 가능한 신호 무결성 효과를 결정합니다:

• 병렬 버스와 차동 쌍: NEXT 구조의 길이에 따라
• 병렬 버스와 차동 쌍: 길이 조정 구조로 들어오는 신호의 반사
• 차동 쌍의 경우: 모드 변환(공통 모드와 차동 모드 노이즈 사이의 전환)

교차 간섭 효과(NEXT)와 길이 조정 섹션으로 들어오는 반사는 길이 매칭 섹션을 따라 이동하는 신호를 왜곡시킬 것입니다. 모드 변환 효과는 길이 조정 섹션 이전에 수신된 공통 모드 노이즈가 수신기에서 차동 모드 노이즈로 나타나게 합니다. Howard Johnson은 이 기사에서 교차 간섭 효과에 대해 흥미로운 설명을 제공합니다.

아래 표는 위에서 논의된 각 길이 조정 방법이 가장 적합한 경우를 개요로 설명합니다.

검증은 시뮬레이션을 필요로 합니다

여기에 제시된 지침들은 그저 지침일 뿐입니다. 신호 속도나 길이 조정 스타일에 관계없이, 차동 쌍의 각 측면을 가능한 한 대칭적으로 라우팅하는 것이 일반적으로 권장됩니다; 이것이 넓은 병렬 버스에 대해 그리 간단하지 않다는 것을 이해합니다. 차동 쌍을 라우팅하는 방법을 어떻게 선택하든, 시뮬레이션 도구를 사용하여 각 신호의 동작을 항상 검증해야 하며, 궁극적으로는 측정을 사용하여 검증해야 합니다.

길이 조정에 있어서 어떤 옵션이 객관적으로 "최선"인지를 일반화하기도 어렵습니다. 특정 상황에서 경험칙이 실패하는 것을 본 사람이라면, 고속 신호의 길이 매칭을 포함하여 레이아웃을 항상 확인해야 한다는 것을 알고 있을 것입니다. 이는 후배치 시뮬레이션 도구를 사용하여 확인하는 것입니다. 이는 크로스토크, 굴곡에서의 과도한 신호 반사, 그리고 정밀한 동기화가 필요한 여러 트레이스 간의 차동 신호나 스큐와 같은 중요한 신호 무결성 문제를 검토하는 데 도움이 됩니다.

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