PCB 설계에서의 전송선 지연 계산기

전송선은 현대 생활을 가능하게 하는 그런 속임수 같은 복잡한 것들 중 하나입니다. 단순한 금속 케이블처럼 보이는 것이 실제로는 정밀하게 설계된 시스템입니다. PCB 상의 트레이스도 마찬가지이며, 이는 전자 장치를 구동하는 혈관과 같습니다.

그렇다면 전송선이란 무엇일까요? 이 용어는 PCB 상의 트레이스와 민간 전력선 사이의 비유를 만들기 위해 처음 도입되었습니다. “전송선”이라는 용어는 많은 맥락 없이 자주 사용됩니다. PCB 상의 모든 트레이스가 전송선인 것은 아니며, 일부 경우에는 전송선에 대한 설계 규칙이 중요해집니다.

내 트레이스가 전송선인가요?

“전송선”이라는 용어는 PCB 상의 트레이스의 구성이 아닌 행동을 나타냅니다. 주어진 트레이스는 어떤 조건에서는 전송선으로 행동할 수 있으며 다른 조건에서는 단순한 도체로 행동할 수 있습니다.

트레이스가 전송선처럼 작동하는지 여부는 신호가 트레이스를 따라 전파되는 데 걸리는 시간에 달려 있습니다. 이 시간은 선 지연, 전파 지연, 또는 전송 지연으로 언급되었으며, 이 모든 용어는 상호 교환적으로 사용됩니다.

트레이스의 선 지연이 트레이스를 따라 이동하는 디지털 신호의 상승 시간보다 훨씬 길 경우, 해당 트레이스는 전송선처럼 작동합니다. 아날로그 신호의 경우, 상승 시간은 신호의 진동 주기의 4분의 1로 간주됩니다. 양 경우 모두, 각 끝에 있는 트레이스와 구성 요소는 다양한 신호 무결성 문제를 방지하기 위해 임피던스가 일치해야 합니다.

전기 전송선

온라인 전송선 계산기

특정 임피던스 값을 갖도록 트레이스를 설계하는 빠르고 간단한 방법을 원한다면, 온라인 전송선 계산기를 사용할 수 있습니다. 이 도구는 마이크로스트립, 내장 마이크로스트립, 스트리플라인 트레이스와 같은 다양한 배열에 대해 단위 길이와 같은 여러 중요한 매개변수를 계산할 수 있습니다.

하나 주목하게 될 것은 대부분의 온라인 전송선 계산기가 전송선 임피던스의 주파수 의존성을 완전히 무시한다는 것입니다. 실제로, 주파수에 따른 영향이 있으며, 시스템 내의 저항, 용량, 인덕턴스, 전도도에 따라 그 영향이 더욱 두드러집니다.

저주파 신호가 마주치는 임피던스는 고주파에서의 임피던스보다 주파수 변화에 더 민감한 경향이 있습니다. 일부 온라인 전송선 계산기는 저주파에서의 임피던스를 탐색할 수 있게 해주지 않으며, 일반적으로 고주파에서 작업한다고 가정합니다.

RF 응용 프로그램에서 사용되는 매우 높은 주파수와 같은 경우, 이 주파수 의존성은 일정한 값으로 포화됩니다. 따라서 대부분의 온라인 계산기는 이러한 의존성을 무시할 수 있을 만큼 충분히 높은 주파수에서 작업한다고 가정합니다.

전송선 계산기에서 중요한 출력 중 하나는 유효 유전 상수입니다. 이 매개변수는 트레이스의 치수와 도체와 기판 유전 상수 사이의 대비에 따라 달라집니다. 이 매개변수는 광섬유에서의 유효 굴절률과 같은 역할을 하여 신호가 전송선을 따라 얼마나 빠르게 전파되는지 결정합니다.

이것이 온라인 전송선 계산기가 유용한 곳입니다. 유효 유전 상수를 얻으면, 이를 사용하여 트레이스의 선 지연을 계산할 수 있습니다. 선 지연을 계산하고 신호 상승 시간과 비교한 후, 트레이스가 실제로 전송선으로서의 역할을 하는지에 대한 답을 얻게 됩니다.

계산기를 이용한 전자 설계

SPICE 시뮬레이션 및 전송선

SPICE 시뮬레이터는 특히 고속, 고주파, HDI, 저전류 애플리케이션에서 PCB의 신호 무결성 문제를 검토하는 데 유용합니다. 모든 SPICE 시뮬레이션이 직접 전송선의 임피던스 값을 반환하는 것은 아니지만, 트레이스와 구성 요소 간의 임피던스 불일치로 인해 발생할 수 있는 신호 무결성 문제를 진단할 수 있게 해줍니다. 온라인 및 데스크톱 디자인 소프트웨어 패키지를 통해 SPICE 시뮬레이션에 접근할 수 있습니다.

모든 PCB는 기판 유전체에 의해 금속 요소가 분리됨으로써 일부 기생 용량과 인덕턴스를 가지고 있습니다. SPICE 시뮬레이션을 사용할 때, 기생 임피던스의 영향은 등가 회로 모델에서 직렬 및 병렬 위치에 캐패시터와 인덕터를 추가함으로써 모델링해야 합니다.

전형적인 SPICE 시뮬레이션은 이를 직접 포함하지 않으며, 기생 리액턴스를 고려하기 위해 전략적인 지점에 인덕터와 캐패시터를 추가해야 합니다. 더 고급 SPICE 시뮬레이터는 이를 직접 고려합니다. PCB 기판의 유전 상수와 보드 상의 도체 배열로부터 기생 용량과 인덕턴스를 직접 계산할 수 있습니다.

좋은 SPICE 모델에서 나오는 출력은 매우 중요합니다. 왜냐하면 이를 통해 링잉, 그라운드 바운스, 전파 지연으로 인한 신호 불일치, 심지어 노이즈 커플링과 같은 문제를 시각화할 수 있기 때문입니다. 제조 전에 이러한 신호 문제를 진단하면 불량 보드의 물량을 주문하는 것을 피할 수 있습니다.

이 출력은 일반적으로 전압(또는 전류) 대 시간의 그래프로 표시됩니다. 이러한 유형의 출력을 통해 입력 및 출력 신호 강도, 전파 지연, 신호 무결성을 비교할 수 있습니다. 주파수 도메인에서 작업할 때 입력 및 출력 신호 간의 관계를 정의하는 전달 함수를 볼 수 있습니다.

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