시리즈 종단된 전송선의 스위칭 동작

직렬 종단 라인과 차동 신호는 모든 CMOS 장치에서 연결 고리 역할을 합니다. 차동 신호의 작동 방식과 이점에 대해 상세히 설명했지만, 직렬 종단 라인의 스위칭 동작에 대해서는 다루지 않았습니다. 이 글의 목적은 바로 그것입니다.

기본 사항

직렬 종단 전송 라인에 대한 중요한 점은 다음과 같습니다:

• 이 유형의 전송 라인에서는 각 드라이버의 출력에 직렬 종단이 배치됩니다.
• 고속 논리 신호에 대해 가장 낮은 전력 소비를 제공합니다.
  •     논리 라인이 논리 0에서 논리 1로 전환될 때만 회로에서 에너지가 소비되기 때문에 가장 낮은 전력 소비 방법입니다.

이전의 포인트들이 매우 직선적으로 보일 수 있지만, 직렬 종단 전송선이 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 신호가 각 수신기에 제대로 전달되고 있는지를 보장하는 데 필수적입니다. 그림 1은 전형적인 5V-CMOS 드라이버로, 50옴 전송선이 수동 CMOS 수신기에 연결되어 있습니다. 이는 이 장치가 입력에서 제시된 전압 파형에 단순히 반응한다는 것을 의미합니다. 이 설명을 위해, CMOS 수신기는 매우 작은 커패시터처럼 보이며, 개방 회로로 간주될 수 있습니다. 이 예에서, 선은 12인치 또는 약 30cm 길이입니다. PCB에서, 에너지는 대략 나노초당 6인치로 이동하므로, 아래에 제시된 선은 대략 2나노초 길이입니다.

그림 1. 5볼트 직렬 종단 CMOS 전송선

그림 2. 그림 1에 표시된 전송선의 등가 회로.

그림 2에서 볼 수 있듯이, 전송선의 길이에 따라 용량과 인덕턴스가 분포되어 있습니다. 이 요소들은 기생 요소이며, 단위 길이당 인덕턴스와 단위 길이당 용량의 비율로 전송선의 동작을 결정합니다. 이것은 방정식 1에서 보여지는 선의 임피던스를 결정합니다. Lo는 단위 길이당 인덕턴스이고, Co는 단위 길이당 용량입니다. 2D 필드 솔버와 같은 도구를 사용하여(많은 필드 솔버들이 다양한 신호 무결성 도구의 일부로 제공됩니다) 특정 전송선에 대해 이 두 변수를 결정할 수 있습니다.

방정식 1. 분포된 용량과 인덕턴스의 함수로서의 임피던스

그림 1에서 드라이버가 전송선의 논리 레벨을 논리 0에서 논리 1로 이동시키려고 할 때, 전송선의 분포된 기생 용량을 충전해야 합니다. 이것이 CMOS 논리 회로가 소비하는 주된 전력입니다. 같은 드라이버가 논리 레벨을 논리 1에서 논리 0으로 이동시킬 때, 그 충전을 제거해야 합니다.

신호가 전선이나 전송선을 통해 전송될 때, 그 안의 에너지는 전자기(EM) 필드의 형태로 존재합니다. 이 에너지는 경로를 따라 이동하며, 종단 저항에 의해 흡수되거나 전도체의 저항에 의해 서서히 손실되지 않는 한, 경로의 끝에서 영원히 반사됩니다. 경로의 끝이 개방 회로인 경우, 반사된 에너지는 입사 에너지와 같은 극성을 가집니다. 경로의 끝이 단락 회로인 경우, 반사된 에너지는 반전됩니다.

논리 라인의 전하가 0에서 1로 이동하는 방법

드라이버가 논리 라인을 0에서 1로 이동하기 시작하는 순간, 그림 3에 표시된 등가 회로가 형성됩니다. 볼 수 있듯이, 드라이버 출력 임피던스와 상단의 직렬 종단의 조합, 그리고 하단의 전송선 임피던스에 의해 전압 분배기가 형성되었습니다. 직렬 종단이 적절히 선택되었을 때, Zout과 Zst의 조합은 Zo와 같게 됩니다. 이 예에서, 둘 다 50 옴이 될 것이며, 전송선 입력으로의 전압은 V/2가 될 것입니다.

그림 3. 드라이버가 로직 0에서 로직 1로 전환될 때의 그림 1의 등가 회로.

그림 4는 시간이 경과함에 따라 전송선로의 입력과 수신기의 입력에서의 전압 파형을 보여줍니다.

그림 4. 그림 1의 회로에 대한 스위칭 파형

이 그림은 다음 데이터 포인트를 포함합니다:

• 빨간 파형은 전송선로로의 입력이고, 주황색 파형은 전송선로 끝의 수신기로의 입력입니다.
• 보여지는 바와 같이, 0에서 1로의 전환 직후의 전압 레벨은 오직 절반 크기입니다.
• 이는 그림 3에 표시된 전압 분배기 때문입니다.
• 이 전압 레벨은 종종 "벤치" 전압으로 언급됩니다.
• 전송선로로 EM 필드 형태의 에너지가 발사되었습니다.
• 이 에너지는 필드가 전송선로를 통해 이동함에 따라 전송선로의 기생 커패시턴스를 V/2의 전압 레벨로 충전합니다.
• 전송선의 전기적 길이인 2나노초 후, 선은 V/2까지 완전히 충전되었고, EM 필드는 수신기에서 개방 회로를 만납니다. 이러한 필드가 개방 회로를 만날 때, 필드의 에너지는 흡수되지 않습니다. 대신, 외부로 나갈 때와 동일한 크기로 반사됩니다.
• 전체 반사의 순간에, 선의 끝 부분의 전압 수준은 V/2입니다. EM 필드의 전압 크기가 V/2이므로, 전체 반사 후에는 진폭이 V가 됩니다. 볼 수 있듯이, 오렌지 파형은 EM 필드가 선의 끝에 도착하는 즉시 V의 진폭을 가집니다. 되돌아오는 여정에서, 전송선의 기생 용량은 V까지 충전됩니다. EM 필드가 드라이버로 돌아오면, 그림 5에 표시된 등가 회로를 만납니다.

그림 5. 반사파가 드라이버에 도착할 때의 그림 1의 등가 회로

그림 5에 표시된 것처럼 전압원은 임피던스가 제로임을 알아야 합니다.

Zout과 Zst의 합이 50 옴이고, 전압원이 단락 회로인 경우, 이들은 전송선의 임피던스와 동일한 값을 가지는 병렬 종단을 구성합니다. 결과적으로, 전자기장의 모든 에너지가 흡수되며, 전송선 상의 전압 수준은 이 회로에 대한 이상적인 논리 1인 5볼트에서 안정화됩니다.

참고: 저항기가 전송선의 임피던스와 동일한 값을 가지고 그 선의 끝에 걸쳐 배치될 때, 전자기장의 모든 에너지가 그 저항기에 의해 흡수됩니다. 더 이상의 반사가 없으며, 이 저항기는 병렬 종단으로 라벨링됩니다.

논리 1에서 논리 0으로 전환하는 과정

그림 1에서 회로가 논리 1에서 논리 0으로 전환될 때, 드라이버는 논리 0에서 논리 1로 이동하기 위해 선로 용량에 저장된 전하를 제거하는 임무를 맡습니다. 이는 드라이버 레벨이 내부적으로 5V에서 0V로 이동함에 따라 발생합니다. 논리 0에서 논리 1로의 전환과 마찬가지로, 동등한 회로는 그림 3에 나타난 것과 같지만, 이제 선로는 5V에 있고 출력 임피던스와 직렬 종단 저항은 0V에 연결되어 있습니다. 따라서 전압 분배기는 이전과 같이 작동합니다.

앞서 언급한 결과로, 선로 전압은 V/2로 이동하고, EM 필드 형태의 전하가 에너지가 선로를 따라 이동하면서 이 수준까지 선로 커패시턴스에서 제거됩니다. (이 전환의 전압 수준은 -V/2입니다.) EM 필드가 전송 선로의 끝에 도달한 후 2나노초 뒤에, 개방 회로를 만나고 선로를 따라 반사되어 돌아옵니다. 반사가 일어난 후, 선로는 0V가 됩니다. 2나노초 후 EM 필드가 다시 드라이버에 도착하여 그림 4에 표시된 회로를 만나고 흡수됩니다.

수신기에서의 전압 파형(주황색)이 바람직하고 정확한 사각파 논리 신호임을 볼 수 있습니다(이것이 이 신호 경로의 목표입니다). 이 신호 방식은 반사파가 전송선을 따라 왕복하면서 올바른 논리 레벨을 생성하기 때문에 "반사파" 스위칭으로 알려져 있습니다. 전류가 선이 충전되는 동안에만 전력 시스템에서 끌리기 때문에 이는 논리 신호 방식 중에서 가장 낮은 전력 소비 방법입니다. 선이 논리 1로 완전히 충전되면 전류 소모는 0으로 갑니다. 이 스위칭 방법은 대부분의 개인 컴퓨터에 탑재된 PCI 버스에서 사용됩니다.

또한, 드라이버 출력에서의 전압 파형은 전송선을 따라 왕복 지연 시간이 발생할 때마다 불확정 논리 상태(V/2)에 있음을 주목하세요. PCI 버스와 같이 전송선 길이에 따라 부하가 배치되는 경우, 반사된 파동이 돌아오는 여정에서 그들을 지나갈 때까지 "데이터 정상" 상태를 경험하지 않습니다. 따라서, 이러한 입력에서 데이터의 클로킹은 모든 입력에서 데이터가 정상일 때까지 지연되어야 합니다. 이것이 PCI 버스뿐만 아니라 반사된 파동 스위칭에 의존하는 다른 버스 프로토콜에서 데이터가 클로킹되는 방식입니다.

드라이브 임피던스와 선 임피던스가 일치하지 않을 때 어떤 일이 발생하나요?

그림 6에 표시된 회로는 그림 1에 표시된 것과 동일하지만, 출력과 함께 직렬 종단이 삽입되지 않았습니다.

그림 6. 직렬 종단이 없는 5볼트 CMOS 회로

그림 7은 논리 0에서 논리 1로의 전환 시 스위칭 파형을 보여줍니다. 보이는 바와 같이, 벤치 전압은 V/2보다 훨씬 높습니다. 실제로는 전체 5볼트의 2/3, 즉 3.33V입니다. 이는 그림 3에서의 전압 분배기가 상단 저항이 25옴 또는 드라이버의 Zout이고 하단 저항 또는 임피던스가 50옴이기 때문입니다. 이로 인해 2/3 전압 레벨이 생성됩니다.

그림 7. 그림 6의 회로에 대한 전압 파형

그림 7에서, EM 필드는 이전과 같은 값으로 선로 용량을 충전하고 있습니다. EM 필드가 생성된 후 2나노초 뒤에 수신기에 도착하면, 전압이 6.66V로 두 배가 되어 반사됩니다. 이전과 마찬가지로, EM 필드는 선로 용량을 6.66V까지 충전합니다. 또 다른 2나노초 후, EM 필드는 드라이버에 다시 도착하여 그림 5에 표시된 종단을 만납니다. 그러나, 병렬 종단은 50 옴이 아닌 25 옴입니다. 이는 두 가지를 의미합니다. 첫째, 이번에는 전압 분배기가 위에 50 옴, 아래에 25 옴입니다. 시리즈 종단자 값이 0 옴이기 때문에, 전압이 분배됩니다. 두 번째로 발생하는 것은 모든 에너지가 흡수되지 않는다는 것입니다.

이전과 마찬가지로, 에너지의 양이 수신기에서 전압 수준을 두 배로 증가시키고 드라이버 쪽으로 다시 이동합니다. 드라이버에 도착했을 때, 일부는 흡수되고 나머지는 반전되어 반사됩니다. 이 과정은 드라이버 출력 임피던스에서 모든 에너지가 흡수될 때까지 계속되며, 논리 레벨은 5V에서 안정됩니다. 이는 그림 7에서 볼 수 있습니다.

참고: 위의 내용을 좀 더 자세히 살펴보면, 병렬 종단이 배치된 전송선의 임피던스와 일치하지 않을 때, TL을 따라 반사된 모든 에너지를 흡수하지 못합니다. 이 종단의 값이 TL 임피던스보다 큰 경우, 에너지는 입사 파형과 동일한 극성으로 반사됩니다. 이를 종종 오버슈트라고 합니다. 종단의 값이 TL 임피던스보다 작은 경우, 2나노초 후에 반사된 에너지는 반전되어 입사 파형의 반대 극성이 됩니다. 이를 종종 언더슈트라고 합니다.

그림 7의 파형에는 두 가지 문제가 있습니다. 첫째, 전압이 Vdd보다 1.66볼트 높아집니다. 이 과도한 전압은 논리 실패나 수신기를 손상시킬 수 있습니다. 둘째, 신호가 드라이버로 돌아와 반전된 후, 수신기의 논리 1이 4볼트 아래로 떨어집니다. 이는 논리 1을 논리 실패를 일으킬 수 있는 수준으로 감소시킵니다. 이러한 상황은 어느 것도 좋지 않습니다. 이것이 바로 이러한 회로에 시리즈 종단이 추가되는 이유입니다.

그림 8은 신호가 논리 0으로 전환될 때의 파형을 보여줍니다. 볼 수 있듯이, 이 논리 상태에서도 동일한 논리 위반 사항이 발생합니다.

그림 8. 그림 6에 표시된 회로의 스위칭 파형, 논리 전환 모두 포함

요약

차동 신호와 함께, 시리즈 종단 전송선은 CMOS 장치에서 연결 고리 역할을 합니다. 이러한 유형의 전송선은 고속 신호에 대해 가장 낮은 전력 소비를 제공합니다. 시리즈 종단 전송선이 작동하는 방식과 충전 및 방전 방법을 이해하는 것은 신호 품질을 유지하고 설계 및 제작된 대로 선이 성능을 발휘하도록 보장하는 데 도움이 됩니다.

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참고 문헌:

1. Ritchey, Lee W., 및 Zasio, John J., 처음부터 올바르게, 고속 PCB 및 시스템 설계에 관한 실용적인 핸드북, 제1권 및 제2권.