고속 설계에서 신호 반사 이해하기

소개

신호 반사와 임피던스 매칭에 관련된 공학은 고속 디지털 시스템 설계와 관련된 기본 주제 중 하나입니다. 비트 "0"과 "1"의 상태 정보가 사각파 신호 형태로 전송되는 고비트율 디지털 시스템의 경우, 상승 및 하강 에지의 상승(또는 하강) 시간이 이진 신호 주파수에 비해 무시할 수 있다고 가정합니다. 실제로 디지털 신호는 절대 무한히 빠르게 상승하거나 하강하지 않습니다. 상승(및 하강) 시간은 송신기, 수신기 매개변수 및 전송선의 물리적 특성을 포함하는 신호 경로의 매개변수에 의해 결정됩니다.

고속 시스템의 경우, 상승 및 하강 시간은 1ns 이하일 수 있습니다. 디지털 시스템에서 이진 신호 주파수는 수 GHz에 이를 수 있으며, 상대적으로 사각형 모양을 유지하기 위해서는 상승 및 하강 에지가 비트 지속 시간의 일부분이어야 합니다.

전자기파 전파 속도(전송선에서의 전압 및 전류의 전파)는 전송선의 종류와 기판의 종류를 포함한 여러 요소에 따라 달라집니다. 예를 들어, FR4 기판과 마이크로스트립 전송선의 경우, 전파 속도는 대략 160Mm/s(메가미터/초) 또는 525Mft/s(메가피트/초)입니다. 만약 에지 상승(또는 하강) 시간이 예를 들어 200ps라면, 상승(또는 하강) 에지는 상승 또는 하강 시간 동안 전송선을 따라 32mm 또는 1.25인치를 이동할 것입니다.

신호 형태를 유지하는 것은 PCB를 따라 전송선이 상승(또는 하강) 에지가 이동하는 거리와 비교할 수 있는 길이에서 임피던스 연속성을 유지하고 수신기 측에서 적절한 종단 처리를 하는지 여부에 달려 있습니다. 매우 짧은 연결이나 디지털 신호의 상승(하강) 시간이 느린 경우, 여기서 설명하는 반사 현상이 관찰되지 않을 수 있으며 생략될 수 있습니다. 경험칙으로, 신호 에지가 이동하는 거리(즉, 전파 시간과 전파 속도의 곱)가 전송 길이의 10% 이상인 경우, 출력, 입력 및 전송선을 적절히 맞추는 데 주의를 기울여야 합니다. 이 절차는 임피던스 매칭이라고 하며 PCB상의 트레이스 설계뿐만 아니라 저항으로 구성된 매칭 네트워크를 포함합니다.

임피던스 매칭 및 저항 매칭

임피던스 매칭 조건을 결정하는 관계는 잘 알려져 있습니다. TX의 출력 임피던스가 수신기의 임피던스의 복소 공액이고 송신기와 수신기를 연결하는 경로의 저항이 송신기와 수신기의 실수 부분과 같다면, 신호 경로는 매칭됩니다. 디지털 시스템의 실제 사례에서는 송신기 또는 수신기 경로에 복소 공액 임피던스 매칭 네트워크를 구현하여 매칭을 수행하지 않습니다(이는 신호 라인에 인덕터와 커패시터를 추가하여 모든 가상 임피던스 구성 요소를 취소해야 하므로. 또한 이러한 유형의 매칭은 일반적으로 좁은 대역이므로 디지털 시스템에서 실용적인 응용이 없습니다).

일반적인 관행은 송신 및 수신 IC의 저항 부분만을 매칭하고 전송 라인의 특성 임피던스를 순수하게 저항적으로 만드는 것입니다. 이 경우, 필요한 매칭을 제공하기 위해 저항기만 필요합니다. 예를 들어, 드라이버 출력에 직렬 저항기는 송신기를 전송 라인에 매칭시키기 위한 가능한 해결책 중 하나입니다. 수신기에서는 접지에 병렬 저항기를 사용할 수 있습니다(또는 차동 쌍의 경우 - 차동 쌍을 형성하는 트레이스 사이에 저항기). 수신기 종단 토폴로지와 관련된 일부 예시는 Altium Designer에서 사용 가능한 Signal Integrity 도구에서 가져온 그림 1에 나와 있습니다.

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그림 1: Altium Designer 신호 무결성 도구에서 사용 가능한 종단 토폴로지

디지털 시스템에서의 신호 반사 예시

이 장에서는 50Ω 시스템을 기반으로 한 반사 파형이 있는 신호 매칭 예시를 논의합니다 - 라디오 주파수 설계에 일반적인 시스템이지만, 이 섹션에서 제시된 관계는 다른 임피던스 프로파일을 사용하는 디지털 시스템과 차동 쌍을 통해 전송되는 신호에도 적용됩니다 - 예를 들어, 고속 디지털 시스템에서 일반적인 USB3.0이나 PCIe 등입니다. 제시된 고려 사항은 송신기, 수신기의 임피던스의 허수 부분의 영향을 생략합니다. 전송선은 Altium Designer에서 정의된 임피던스 프로파일(50Ω으로 설정)을 통해 설계됩니다. 이 경우 매칭 조건은 방정식 1에 의해 정의된 형태를 취하며 각 저항은 50Ω의 값을 가집니다.

시뮬레이션 목적으로 LMK00334RTVR 칩의 IBIS 모델이 사용되었습니다. 이 칩에 대한 매칭 구성 요소로 사용된 저항은 50Ω에 충분히 가까웠으며 - 시뮬레이션을 통해 50Ω 저항을 사용했을 때 시스템이 잘 매칭되었음이 입증되었습니다. LMK00334RTVR은 입력 및 출력을 종단하기 위해 다른 값이 필요할 수 있습니다.

Ro=Ri=Rt=50Ω (방정식 1)

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• Ro - 송신기의 출력 저항,
• Ri - 수신기의 입력 저항,
• Rt - 전송선의 특성 임피던스.

매칭된 시스템 사례, 단일 펄스 여기

적절한 매칭 설계의 경우, 매칭 네트워크 내의 저항은 방정식 1에 의해 정의됩니다. 이러한 시스템의 다이어그램은 그림 2에 나타나 있으며, 시뮬레이션 결과는 그림 3에 제시되어 있습니다. 전송선을 따라 시스템 내에 신호 반사가 없습니다. 신호는 U1의 핀 U29에서 발송되어, 시리즈 매칭 저항(R5)을 통과하고, 선의 다른 쪽 끝에 있는 부하 저항(R4)에 의해 완전히 흡수됩니다. 전체 에너지는 R4에 의해 흡수되었으므로 반사가 발생하지 않았습니다 - 오직 소스 펄스만이 보입니다.

그림 2: 시뮬레이션에 사용된 회로 설정의 개략도

그림 3: 완전히 매칭된 회로에서의 단일 펄스 시뮬레이션

단일 펄스 여기에 대한 시스템 내 반사. 동위상 반사 사례

방정식 1에 의해 주어진 저항값이 같지 않으면 시스템에서 반사가 발생합니다. 신호 반사의 예는 그림 4에서 제시되었으며, 여기서 수신기 션트 저항이 50Ω에서 10kΩ으로 증가했고(그림 2, 저항 R4 참조) 송신기 저항(R5)은 1Ω으로 감소했습니다. 이 경우, 송신기에 의해 보내진 펄스는 수신기 측의 R4에 의해 흡수되지 않았습니다. 신호가 반사되어 약 1.6ns 후에 송신기 입력으로 돌아왔습니다. 전파 시간과 속도를 알고 있으면, 임피던스 불일치가 발생한 장소까지의 신호 송신기로부터의 거리를 계산할 수 있으며, 이때 펄스가 이 거리를 두 번 이동한다는 점을 기억해야 합니다. Altium Designer는 주어진 넷에 대한 전파 시간 값을 제공합니다 - 그림 5를 참조하세요. 이 특정 넷에 대한 전파 시간은 Altium Designer에 의해 계산되었으며, 이는 807ps와 같습니다. 왕복 여행에 대해 이는 대략 1.6ns입니다.

그림 4: 단일 펄스 반사 사례

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그림 5: Altium Designer에 의해 계산된 전송선의 전파 지연

단일 펄스 여기에 대한 시스템 내 반사. 위상이 맞지 않는 반사 사례

이 경우 매칭 네트워크 저항은 다음과 같이 설정되었습니다: Ro=R5=50Ω. 또한, Ri=R4는 100mΩ(50Ω에 비해 단락으로 간주될 수 있음)으로 설정되었습니다. 다른 쪽 끝의 전송선이 소스와 전송선의 저항보다 낮은 저항으로 종료되면, 신호는 위상이 180도 반사됩니다. 이 반사는 전송선에서 음의 전압을 발생시키는데 - 그림 6을 참조하십시오. 이 음의 전압은 집적회로 핀의 보호 다이오드를 전도시키거나 심지어 칩을 손상시킬 수 있습니다.

그림 6: 전송선에서의 음의 및 양의 반사

전송선의 비균일한 임피던스 프로필에 의한 반사, 단일 펄스 여기

이 경우 송신기와 수신기는 일치되어 있습니다(Ro=Ri=50Ω=R4=R5), 반면에 전송선은 그 길이에 따라 비균일한 특성 임피던스를 가지도록 설계되었습니다 - 그림 7을 참조하십시오. 이로 인해 선로를 따라 비균일한 임피던스에 의한 반사가 발생합니다. 이 경우에 대한 시뮬레이션 결과는 Altium Designer의 SI 도구에서 수행되었으며, 그림 8에 나타나 있습니다. 이 경우 선로를 따라 일련의 신호 반사가 발생합니다. 이는 전송 경로의 임피던스가 그 길이에 따라 균일하게 설계되어야 함을 보여줍니다. 이러한 설계는 시스템의 신호 무결성을 향상시킵니다.

전송선을 따라 특성 임피던스의 원치 않는 변화는 다양한 원인에서 비롯될 수 있습니다. 예를 들어, 그것은 그 폭의 변화(그림 7에서 보여지는 것처럼)와 관련될 수 있습니다. 또한, 기준면의 손실, 선로를 따라 있는 일련의 비아, 전송선에 가까이 위치한 구리 필드 등 다른 요소들도 비균일한 임피던스를 만드는 데 중요한 역할을 합니다.

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그림 7: 전송선을 따라 비균일한 임피던스

그림 8: 비균일한 전송선의 영향

사각파 여기와 함께 일치하지 않는 전송선에서의 반사

그림 9는 수신기, 송신기 및 전송선(불연속 포함)의 신호 불일치 사례를 제시합니다. 이 경우, 송신기는 시스템 내 디지털 통신을 모방하기 위해 1GHz의 사각파 신호로 선을 공급합니다. 이러한 불일치 시스템에서 신호는 일련의 반사에 의해 완전히 왜곡됩니다. 전송선의 전압은 1.5V 주변에서 진동하며, 초기 상태(1.85V)보다 거의 400mV를 초과합니다. 이 경우, 시스템 내 통신이 중단될 것입니다. 또한 1GHz를 초과하는 고주파 성분이 선 내에 존재하여 EMI 문제 및 간섭의 원인이 될 수 있습니다. 송신기는 지속적으로 선을 자극하여 전송선 내에 이른바 정상파를 유지하며 원래 신호를 완전히 왜곡시킵니다.

그림 9: 전송선에서 지속적인 자극이 있는 불일치 시스템

결론

신호 반사는 송신기, 수신기 및 전송선 저항 또는 임피던스를 포함하는 신호 체인의 임피던스 불일치의 결과입니다. 반사는 또한 디지털(고속) 또는 아날로그 신호, 예를 들어 라디오 시스템의 반송파와 같은 전송선의 잘못된 설계와 관련이 있습니다. 반사의 발생은 신호의 무결성을 저하시키고 시스템의 오류율 증가 및 전자기 방출 증가로 이어질 수 있습니다.

본문에서 제시된 시뮬레이션 결과는 Altium Designer 신호 무결성 도구에서 수행되었습니다. Altium Designer는 고주파 회로 및 신호 반사와 같이 본문에서 논의된 현상을 시뮬레이션하는 도구를 제공함으로써, 고속 시스템의 설계자들이 올바른 회로도 및 PCB 설계를 구현할 수 있도록 지원합니다.