전송선 임피던스: 여섯 가지 중요한 값

다양한 전송선 임피던스 값을 살펴볼 때, 특성 임피던스와 차동 임피던스는 일반적으로 신호 표준에서 명시된 두 가지 중요한 값으로 도드라집니다. 그러나 PCB 설계에서 중요한 전송선 임피던스 값은 실제로 여섯 가지가 있습니다. 때로는 읽는 교과서나 기술 기사에 따라 일곱 가지일 수도 있습니다.

특성 임피던스 방정식은 많은 기사와 교과서에서 쉽게 찾을 수 있지만, 다른 일반적인 전송선 임피던스 값은 계산하기가 더 어렵습니다. 이러한 어려움은 여러 전송선의 배열과 그 사이의 결합 강도에 의존하기 때문입니다. 다른 전형적인 임피던스 값은 선의 길이와 임피던스 불일치에 따라 달라지는 입력 임피던스입니다.

전송선 임피던스 값

PCB 설계 및 라우팅의 일부로 이해해야 할 중요한 전송선 임피던스 값은 다음과 같습니다.

특성 임피던스

“전송선 임피던스”라는 용어를 Google에서 검색하면, 특성 임피던스의 정의가 검색 결과 첫 페이지에서 가장 가능성 높게 볼 수 있는 결과입니다. 대부분의 설계자들은 집중 회로 모델 내에서 정의된 특성 임피던스에 익숙할 것입니다. 이 모델은 다음과 같은 인기 있는 특성 임피던스 공식을 제공합니다:

충분히 높은 주파수나 충분히 낮은 손실에서, 특성 임피던스는 순수하게 저항적이 되며 다음 값에 수렴합니다:

고주파 한계에서의 전송선의 특성 임피던스.

여기서는 디지털 신호의 대역폭이 약 1GHz까지 적용되는 스킨 효과가 무시되었음을 주목하세요. 전파 지연과 특성 임피던스로부터 L과 C의 값을 표준 공식을 사용하여 유도할 수 있으며, 다양한 트레이스 형상에 대해 계산할 수 있습니다. 그런 다음 이러한 회로 값들을 사용하여 트레이스 폭과 인덕턴스를 최적화하고 과도한 링잉을 최소화할 수 있습니다.

특성 임피던스는 때때로 “서지 임피던스”라고 불리며 “서지 임피던스 로딩”이라는 용어와 관련이 있습니다. 이 용어는 종종 전력 시스템 엔지니어들에 의해 전송선을 통해 전달되는 전력을 측정하고 부하에서 볼 때 사용됩니다.

짝 모드와 홀 모드 임피던스

서로 충분히 가까운 두 전송선은 용량성 및 유도성 결합을 경험합니다. 이 결합은 일반적으로 크로스토크를 결정하지만, 각 선상의 신호가 보는 임피던스도 수정합니다. 결합된 선들이 공통 모드(동일한 크기, 동일한 극성)로 구동될 때, 짝수 모드 임피던스는 한 쌍의 전송선 중 하나에서 신호가 여행하는 동안 보는 임피던스입니다. 선들이 차동 모드(동일한 크기, 동일한 극성)로 구동될 때 비슷한 정의가 적용됩니다:

짝수 및 홀수 모드 전송선 임피던스 값은 결합된 전송선 쌍에 대한 Z 매개변수 측면에서 정의됩니다:

Z 행렬(임피던스 매개변수라고도 함)은 S-매개변수로 쉽게 변환될 수 있습니다. 또한 공통 모드 또는 차동 구동이 있는 여러 결합된 전송선에 일반화될 수 있습니다. 이 PDF를 살펴보세요 Z-매개변수 또는 특성 임피던스 값을 S-매개변수로 변환하는 데 필요한 방정식을 위해.

공통 모드 및 차동 임피던스

공통 모드 및 차동 모드 임피던스 값은 짝수 모드 및 홀수 모드 임피던스 값과 관련이 있습니다. 차동 임피던스 값은 일반적으로 홀수 모드 임피던스보다는 차동 쌍의 임피던스 매칭을 위해 지정됩니다. 차동 쌍 임피던스는 특성 임피던스와 차동 쌍의 각 끝 사이의 간격에 따라 달라집니다. 공통 모드 임피던스에도 동일한 원칙이 적용되지만, 공통 모드 임피던스는 공통 모드 구동 시 발생합니다.

물리적으로, 차동 임피던스는 쌍이 차동 모드로 구동될 때 두 연결된 전송선 사이에서 측정된 임피던스입니다. 마찬가지로, 공통 모드 임피던스는 쌍이 공통 모드로 구동될 때 두 연결된 전송선 사이에서 측정된 임피던스입니다.

입력 임피던스

이 전송선 임피던스 값은 임피던스 매칭에 중요하며, 전송선이 임계 길이를 초과했을 때를 정량화하는 데 사용될 수 있습니다; 허용 가능한 임피던스 불일치를 어떻게 정량화할 수 있는지 보려면 연결된 기사를 확인하세요. 해당 기사의 모든 내용을 반복하지 않고, 입력 임피던스는 특성 임피던스, 전파 상수, 부하 임피던스, 그리고 전송선의 길이에 따라 달라집니다:

통합 전송선 임피던스 계산기

여기에 제시된 여러 방정식들은 실제 PCB의 복잡한 기하학적 형태를 고려하지 않는 이상적인 상황을 설명합니다. 그러나 이들은 전송선을 설계할 때 시작하기에 좋은 장소입니다. 회로 모델은 상호 용량과 인덕턴스 측면에서 선 사이의 결합을 근사할 수 있으며, 이를 사용하여 짝/홀수 및 공통/차동 임피던스 값을 결정할 수 있습니다.

매우 정확한 전송선 임피던스 계산이 필요할 때는 통합 전자기장 솔버가 있는 경로를 사용해야 합니다. 이를 통해 실제 PCB에서 매우 정확한 임피던스 결과를 얻을 수 있으며, 상승 및 하강 에지에서의 신호 동작도 잘 설명할 수 있습니다. 이는 회로 모델로 가져올 수 없는 복잡한 기생 요소를 잘 설명하며, 설계자가 결합된 전송선의 길이에 따른 길이 조정 기하학을 고려할 수 있게 합니다.

Altium Designer®의 레이어 스택 관리자 및 라우팅 도구에는 일반적인 트레이스 기하학에 대한 정확한 임피던스 프로필을 생성하는 전자기장 솔버가 포함되어 있습니다. 이를 통해 제어 임피던스 라우팅을 빠르고 쉽게 수행할 수 있으며, 전송선을 설계할 때 서브-밀 정확도를 제공합니다. 이제 무료 시험판을 다운로드하여 업계 최고의 레이아웃, 시뮬레이션 및 생산 계획 도구에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오늘 Altium 전문가와 대화하세요 더 알아보기 위해.