고속 및 고주파 PCB에서의 종단 방법

고속 디지털 시스템을 다룰 때 종단에 관한 주제는 필연적으로 나오게 됩니다. 대부분의 디지털 시스템은 적어도 하나의 표준화된 고속 인터페이스를 가지고 있거나, 빠른 에지 속도 신호를 생성하는 빠른 GPIO를 가지고 있을 수 있습니다. 고급 시스템은 통상적으로 반도체 다이에 적용된 종단을 가진 많은 표준화된 인터페이스를 가지고 있을 것입니다. 실제로 종단이 필요하다고 판단되면, 어떤 방법을 사용해야 할까요?

결과적으로, 대부분의 디지털 시스템에서는 많은 구성 요소가 디지털 통신을 위한 표준화된 버스를 구현하기 때문에 별도의 종단기를 적용하는 것이 매우 드뭅니다. 하지만 빠른 I/O를 가진 고급 구성 요소를 다루고 있다면, 별도의 구성 요소로 수동으로 종단을 적용해야 할 수도 있습니다. 이러한 경우가 발생하는 또 다른 예는 특정 프로세서와 FPGA에서 가끔 사용되는 특수 로직과 같습니다. 마지막으로, RF 종단의 문제가 있는데, 이는 디지털 시스템의 종단과 매우 다릅니다.

종단을 적용하는 시기와 방법

위에서 언급했듯이, 별도의 구성 요소로 수동으로 종단을 적용해야 하는 경우는 좁은 범위에 해당됩니다.

• 귀하의 인터페이스에는 임피던스 사양이 없습니다
• 귀하의 데이터 시트는 수동 종단이 필요하다고 명시하고 있습니다
• 귀하의 인터페이스 사양은 특정 종단을 요구합니다(예: DDR, 이더넷의 Bob Smith 종단)

RF와 디지털 임피던스 매칭은 다소 다릅니다. 전반적인 목표는 동일합니다: 전송선으로 보내진 신호는 전파 중 최소한의 손실을 경험하고 수신 구성요소에 의해 올바른 전압/전력 수준으로 등록되어야 합니다. 아래 표는 디지털과 RF에서 사용되는 종단 방법을 비교합니다:

다음으로 이해해야 할 점은 특정 시스템에 적합한 종단 방법의 선택입니다. 아래 섹션에서는 단일 종단, 차동 종단 및 RF 연결에서 사용할 수 있는 다양한 종류의 종단에 대한 간략한 개요와 자료 링크를 제공합니다.

직렬 종단

이 종단 방법은 드라이버의 출력 핀 바로 앞에 직렬 저항기를 배치하는 것을 포함합니다. 기술적으로 전송선은 선형 시스템이며 직렬 저항기는 연결선을 따라 어디에나 배치될 수 있습니다. 그러나 출력 신호의 가장 정확한 스케일링과 올바른 반사 억제를 제공하기 때문에 드라이버 출력 바로 앞에 직렬 저항기를 배치하는 것이 선호됩니다.

• 직렬 종단 저항 계산
• 직렬 종단 저항기를 사용한 감쇠 및 반사 전달

종단에 필요한 직렬 저항값을 결정하기가 어려울 수 있습니다. 필요한 데이터가 데이터시트에 항상 있는 것은 아니기 때문입니다. 대신, 드라이빙 핀에 대한 알려진 좋은 IBIS 모델에서 결정되거나 측정을 통해 결정되어야 합니다. 따라서 때때로 병렬 종단을 사용하는 것이 더 바람직할 수 있습니다.

병렬 종단

병렬 종단은 수신기에서의 반사를 억제하면서도 부하의 입력 핀이 전체 스케일 전압을 받을 수 있도록 합니다. 따라서 부하 구성 요소의 입력 핀 바로 옆에 배치해야 하며, 저항값은 전송선의 임피던스와 같게 설정됩니다.

• 병렬 종단 파형 및 설명
• 분기된 선로에서의 병렬 종단기

특별한 경우에는 병렬 종단과 직렬 종단을 동일한 연결에서 함께 사용할 수 있지만, 이는 흔하지 않습니다. 이는 주로 출력 신호 레벨을 의도적으로 낮은 전압으로 이동시켜야 하는 특수 로직에서 더 자주 발견됩니다. 하지만 반드시 완벽하게 매칭된 직렬 저항기가 필요한 것은 아닙니다. 또 다른 경우는 설계자가 감쇠를 위해 직렬 저항기를 배치하여 그라운드 바운스를 억제하려고 시도하지만, 부하에서의 반사는 여전히 병렬 종단으로 억제되는 상황입니다.

테브닌, 풀업, AC 종단

테브닌 종단, 풀업 종단, AC 종단은 모두 수신 구성 요소의 입력 핀에 적용되는 병렬 종단의 유형입니다. 본질적으로 저항기를 사용한 단순 병렬 종단과 동일한 기능을 수행하지만, 일부 추가적인 결과를 초래합니다.

• 테브난 - 전압 수준을 조정하고 대체 전원 전압에서 전력을 끌어옵니다
• 풀업 - 신호가 어떤 종단 전압 수준 주위로 전환되도록 강제함; 논리 반전에 사용될 수 있음
• AC 종단 - 채널 대역폭을 낮은 주파수로 제한하고 필터링 기능을 제공함

이 세 가지 종류의 종단 중에서 테브난과 풀업이 더 자주 사용됩니다. 이들은 반도체 다이에서 구현되는 것을 더 자주 볼 수 있으며, 이산 부품으로 사용된다면 아마도 특수 논리 사례일 것입니다. 모든 세 종단은 분할 종단의 일부로서 차동 인터페이스에서 찾을 수 있습니다.

RF 종단

RF 종단의 사용은 본질적으로 드라이버의 출력이나 수신기/부하의 입력에 필터를 배치하여 소스로부터의 출력 임피던스가 목표 임피던스에 도달하도록 하는 것을 포함합니다. RF 임피던스 매칭 회로는 이상적으로 제로 저항을 가져야 하며, 즉 반응성 구성 요소만을 사용해야 합니다. 그 이유는 신호가 임피던스 매칭 네트워크와 상호 작용할 때 어떠한 전력도 잃고 싶지 않기 때문입니다.

저항기는 광대역 종단 구성 요소이므로, 우리는 디지털 신호와 같은 광대역 신호와 함께 사용하고자 합니다. 반응성 임피던스 매칭 네트워크는 특정 대역폭 내에서만 임피던스 매칭을 생성합니다:

• 반응형 구성 요소 종단 회로는 고Q 또는 저Q 통과대역을 생성합니다
• 여러 반응형 구성 요소를 단계별로 결합하여 고차 필터를 생성할 수 있습니다
• 일부 회로는 종단 네트워크 토폴로지에 따라 통과대역에서 리플을 가질 수 있습니다

별도의 부품을 사용하지 않는 또 다른 방법은 전송선 부분을 사용하는 것입니다. 이 부분들은 매우 고Q 대역폭에서만 임피던스 매칭을 적용하며, 고조파 신호와 함께 사용하기에 가장 적합합니다. 이러한 점들이 왜 중요한지 알아보려면 아래 링크를 읽어보세요.

• 실제 및 반응형 부하를 위한 4분의 1 파장 변압기 설계
• 임피던스 매칭 네트워크 S-파라미터 시뮬레이션
• 임피던스 매칭을 위한 RF 트레이스 테이퍼 설계 방법

몇 GHz 이상에서, 이산 부품으로의 종단은 기생성분의 존재로 인해 설계대로 기능하지 않습니다. 이것이 수많은 GHz에서 작동하는 구성 요소들이 출력 핀이 직접 50 옴에 맞도록 반도체 다이에 직접 임피던스 매칭 요소를 배치하는 이유입니다. 몇 GHz까지는 이산 부품의 배치와 사용된 값들을 시뮬레이션하고 측정해야 합니다.

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