Tight vs. Loose 차동 쌍 간격 및 커플링을 사용해야 할까요?

PCB 제작 시 특정 임피던스를 맞추기 위한 적절한 트레이스 크기를 계산하는 방법과 트레이스 임피던스에 대해 많은 질문을 받습니다. 단일 트레이스의 적절한 트레이스 폭을 결정하는 것만큼 중요한 것이 차동 쌍에서 두 트레이스 사이의 적절한 간격 결정입니다. 그렇다면 질문은, 차동 쌍의 트레이스가 서로 얼마나 가까워야 하며, "밀접한 결합"이 정말 필요한 것인가입니다?

이 설계 지침에 흥미로운 점은 아마도 가장 명확하게 정의되지 않은 유일한 PCB 설계 규칙일 것입니다. "느슨한 결합"이나 "밀접한 결합"이 수치적으로 무엇을 의미하는지 정확히 무엇인가요? 신호 무결성 전문가 10명에게 물으면 20가지 다른 대답을 받을 것입니다!

이 글에서는 차동 쌍 간격의 밀접한 결합 대 느슨한 결합에 대한 현실적인 설명에 다가가고자 합니다. 또한 차동 쌍 간격이 임피던스, 차동 모드 노이즈, 공통 모드 노이즈의 수신, 종단 등에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 보시다시피, 밀접한 결합(그것이 무엇을 의미하든)에 대한 초점은 그 자체로 공로가 있지만, 종종 잘못된 이유로 필요하다고 언급됩니다.

차동 쌍 간격이 신호 무결성에 미치는 영향

위에서 언급한 각 차원을 살펴보며 차동 쌍 간격이 어떤 역할을 하는지, 그리고 적절한 값을 어떻게 설정하는지 구체적으로 알아보겠습니다.

임피던스

차동 쌍에서 간격에 의해 영향을 받는 주요 파라미터는 임피던스입니다. 차동 쌍의 임피던스는 각 트레이스의 자기 용량과 자기 인덕턴스, 그리고 각 트레이스 간의 상호 용량과 상호 인덕턴스에 따라 달라집니다. 이는 차동 쌍의 전형적인 임피던스 공식을 홀수 임피던스와 차동 임피던스로 분해해야 함을 의미하는데, 이는 다음과 같이 정의됩니다:

상호 인덕턴스와 용량은 두 쌍에 동등한 총 인덕턴스와 용량을 제공하기 위해 존재합니다. 위의 방정식에서 우리는 손실(R과 G를 전송선 임피던스 방정식에서)을 무시했지만, 여기서 중요한 것은 간격에 주의를 기울이는 것입니다.

• 쌍을 서로 가까이 배치할수록 차동 임피던스는 L_M과 C_M이 커지기 때문에 더 작아집니다. L_M과 C_M은 간격이 무한대로 갈수록 0으로 수렴합니다.

다시 말해, 차동 임피던스 목표(예를 들어 표준에서 지정하거나 측정에서 결정한 것)를 달성하려고 할 때, 두 쌍을 너무 가까이 두어서는 안 됩니다. 그렇게 하면 차동 임피던스가 너무 작아져서 임피던스 목표를 위반하게 됩니다. 그러나 더 작은 간격은 두 트레이스 사이의 전기 및 자기장을 경로의 길이를 따라 집중시켜 손실을 증가시킵니다.

두 트레이스 사이의 상호 인덕턴스와 상호 용량을 계산하는 것은 쉽지 않으며, 사용할 수 있는 간단한 폐쇄형 공식이 없습니다. 일부 연구 논문에는 더 긴 공식이 있지만, 그것들은 매우 길고 다루기 어렵습니다. 더 나은 옵션은 내장 계산기가 있는 스택업 편집기를 사용하는 것입니다. 이러한 유형의 유틸리티는 보통 상호 용량과 인덕턴스를 결정하는 대신 전자기장 솔버를 사용하여 차동 쌍의 임피던스를 결정합니다.

공통 모드 노이즈 억제

차동 쌍은 때때로 크로스토크에 면역이 있는 것으로 설명되지만, 이것이 단일 종단 신호에서인지 차동 신호에서인지 항상 명시되지는 않습니다. 어쨌든, 차동 쌍이 차동 모드 노이즈 소스나 공통 모드 노이즈 소스로부터 크로스토크에 면역이 없다는 것이 사실입니다. 전자에 대해 더 알고 싶다면, 이 차동 크로스토크에 관한 기사를 읽어보십시오.

단일 종단 공격 트레이스가 인근 차동 모드 쌍에 신호를 유도하는 경우, 차동 쌍의 두 트레이스를 아무리 가깝게 배치한다고 해도 전체 공통 모드 노이즈 억제를 보장할 수 없습니다. 그러나 더 타이트한 결합은 도움이 됩니다.

왜 그런지 이해하려면 단일 종단 공격 트레이스에서 퍼져 나가는 필드를 살펴보면 됩니다. 필드는 트레이스로부터의 거리에 따라 감소하기 때문에, 차동 쌍에서 더 가까운 트레이스가 더 멀리 있는 트레이스보다 더 많은 노이즈를 받습니다.

여기서, 저는 최적의 해결책은 차동 쌍을 더 가깝게 배치하는 것이 아니라 단일 종단 트레이스를 차동 쌍에서 더 멀리 이동시키는 것이라고 주장하고 싶습니다. 그것이 실행 가능한 해결책이 아니라면, 더 작은 간격이 동일한 효과를 줄 것이지만, 차동 쌍을 따라 더 높은 손실을 가져올 것입니다.

차동 모드 EMI

차동 쌍이 전자기 간섭(EMI)을 전혀 발생시키지 않는다는 또 다른 오해가 있습니다. 이것도 사실이 아닙니다; 만약 사실이라면, 우리는 차동 크로스토크를 측정할 수 없을 것입니다. 그러나 차동 쌍에서 방사되는 EMI는 차동 모드에 있기 때문에, 단일 엔드 트레이스나 트레이스 그룹에서 방출되는 소음보다 덜 강렬합니다. 이것이 고속 직렬 데이터를 차동 링크를 통해 전송할 때 지속적으로 EMC 테스트에 실패하지 않는 이유 중 하나입니다: 단일 트레이스를 통해 데이터가 전송되었다면 볼 수 있는 소음보다 훨씬 적습니다.

차동 EMI는 직렬 데이터를 긴 차동 쌍을 통해 라우팅할 때만 문제가 될 수 있으므로, 소음을 상쇄하기 위해 쌍을 더 가깝게 가져오고 싶을 수 있습니다. 다시 말하지만, 이 상황에서는 손실(삽입 손실)이 훨씬 더 중요하다고 말하고 싶습니다. 차동 쌍을 사용해야 하는 긴 링크에서는 손실이 채널 동작을 지배할 것이며, 극도로 밀접한 간격을 필요로 하지 않습니다. 특정 신호 표준을 사용하여 차동 쌍 디자인을 최종화하기 전에, 가능하다면 시험 보드를 사용하여 채널 동작을 시뮬레이션하고 측정하는 것이 좋습니다.

길이 튜닝에서의 모드 변환 및 반사

길이 조정 구조 내부에서 밀접한 결합에 의해 발생하는 두 가지 관련 신호 무결성 문제가 있습니다.::

• 길이 조정 구조에서의 모드 변환
• 길이 조정 구조의 입력에서 반사

이 두 가지 포인트는 트레이드오프를 나타냅니다: 길이 조정 구조는 신호를 위상에 맞추기 위해 필요하지만, 반사와 모드 변환을 생성합니다.

차동 신호가 길이 조정 구조를 따라 이동할 때, 일부 모드 변환이 발생하며, 이는 공통 모드 노이즈가 차동 모드 노이즈로 변환될 수 있음을 의미하며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 쌍 사이의 간격이 더 작을 때, 길이가 맞춰진 트레이스를 따라 더 큰 홀 모드 임피던스 편차가 발생하며, 각 트레이스의 전파 지연 변화도 더 클 것입니다.

결과적으로 길이 조정 구조는 일부 공통 모드 노이즈가 수신기에서 차동 모드 노이즈로 나타나게 하며, 이는 수신기의 노이즈 마진을 위반할 수 있습니다.

• 길이 조정 구조에서의 모드 변환에 대해 자세히 알아보기
• 길이 조정 구조의 임피던스에 대해 자세히 알아보기

간격 및 길이 매칭에 초점을 맞추는 이유는 무엇인가요?

옛날에는 디자이너들이 다양한 CAD 도구와 전문 전자 설계 소프트웨어에 접근할 수 없었을 때, 차동 쌍에 길이 매칭과 일관된 간격을 적용하는 것은 시간이 많이 걸리는 과정이었습니다. 오늘날, PCB 디자이너들은 차동 쌍에 길이 매칭 섹션을 매우 쉽게 적용할 수 있는 CAD 도구로 풍부해졌습니다. 라우팅 도구와 인터페이스하는 설계 규칙은 차동 쌍의 각 트레이스 사이에 일관된 간격을 매우 쉽게 적용할 수 있게 해주며, 필요한 경우 매우 타이트한 간격도 가능하게 합니다.

전통적인 종단 방법과 차동 임피던스 목표 내에서는 필요하지 않을 수 있지만, 작은 간격을 사용해야 하는 몇 가지 이유가 있습니다:

• 차동 모드 노이즈 방출 및 차동 크로스토크 감소
• 노이즈가 진정한 공통 모드 노이즈로 수신될 가능성이 높아짐
• 쌍 사이에서 방출되는 차동 모드 노이즈 감소

그러나 일반적인 믿음과는 달리, 종단을 위해 가능한 가장 작은 간격을 선택할 필요는 없으며, 이는 쌍의 길이를 따라 손실을 증가시킬 것입니다. 그런 다음 길이 조정을 밀접하게 배치된 쌍에 적용하면, 길이 조정 섹션이 적용될 때 더 큰 모드 변환과 임피던스 편차를 볼 수 있습니다. 종단은 몇몇 비디오와 다른 기사에서 제시할 긴 논의입니다. 개요는 이 기사에서 찾을 수 있습니다, 그리고 주요한 결론은 종단이 차동 쌍을 어떤 차동 임피던스의 관점이 아닌 두 개의 단일 종단 신호로 처리한다는 것입니다.

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