전송선에서 임피던스 정합이 중요한 이유

이 트레이스들의 전송선 중요 길이를 알고 계십니까?

디지털이든 아날로그 신호든 작업 중이라면, 소스, 전송선, 부하 사이에서 임피던스를 맞추는 것이 필요할 것입니다. 임피던스 매칭이 전송선에서 중요한 이유는 5V 신호를 전송선을 통해 보냈을 때, 수신기에서도 5V 신호로 인식되도록 하기 위해서입니다. 전송선 매칭이 왜 중요한지 이해하면, 이 작업이 드라이버나 수신기 끝에서 언제 필요한지를 시작으로 이해할 수 있습니다.

임피던스 매칭에 대해 이야기할 때, 드라이버, 전송선, 수신기의 임피던스를 동일한 값으로 설정하는 것을 말합니다. 이는 보통 단일 종단 전송선의 경우 50 옴이지만, 차동 신호 표준은 임피던스 매칭을 위해 다른 값을 지정할 수도 있습니다. 전송선에서 임피던스 매칭이 왜 중요한지와 PCB 연결에서 일관된 임피던스를 구현하는 방법을 여기서 설명합니다.

임피던스가 맞춰진 인터커넥트: 3가지 경우

전송선에서의 임피던스 매칭의 목표는 인터커넥트 전체에 걸쳐 일관된 임피던스를 설정하는 것입니다. 드라이버, 수신기, 그리고 전송선의 임피던스가 매칭될 때, 몇 가지 중요한 일들이 발생하는데, 이는 아래에서 논의될 것입니다. 전송선에서 임피던스 매칭이 중요한 이유를 논의할 때 다음의 경우들을 다루어야 합니다:

• 드라이버, 선, 그리고 수신기가 동일한 임피던스로 매칭됩니다. 이는 완벽한 매칭이라고 간주될 수 있는 경우입니다. 이 경우, 선상에서의 반사(선의 입력이나 출력에서)가 없으며, 최대 전력이 수신기로 전달됩니다. 신호의 전압은 산란 손실, 흡수, 그리고 DC 및 스킨 효과 손실로 인해 감소합니다.

• 드라이버와 수신기는 매칭되지만, 선은 매칭되지 않습니다. 이 경우, 신호가 전송선으로 발사되는 즉시 일부 반사가 발생합니다. 즉, 선이 드라이버에 매칭되지 않을 때, 소스 신호의 일부가 드라이버로 반사됩니다. 이는 전송선으로의 일부 전력 전달을 실질적으로 방해합니다. 마찬가지로, 수신기 끝에서 반사가 발생하고 신호는 드라이버로 다시 이동합니다.

입력 임피던스는 최대 전력이 드라이버에서 수신기로 전송되는지 여부를 결정합니다. 짧은 전송선의 경우, 전송선 임피던스는 전송선이 매우 짧을 때 부하의 임피던스처럼 보입니다. 이 중요 길이에 대한 질문은 다른 기사에서 다루고 있습니다. 다음 방정식을 사용하여 정확한 입력 임피던스(첫 번째 신호 반사 후의 전송선 임피던스로 정의됨)를 결정할 수 있습니다:

손실이 있는 및 없는 전송선의 입력 임피던스

• 드라이버, 수신기, 그리고 선 모두가 맞지 않습니다. 이 경우, 전송선의 길이가 어떻게 되든 상관없이 신호가 선을 따라 이동하면서 지속적인 반사가 발생하여 수신기가 보는 전압의 바람직하지 않은 계단식 증가가 생깁니다. 드라이버와 수신기가 맞지 않기 때문에, 선이 매우 짧더라도 드라이버에서 수신기로 최대 전력을 전송할 수 없습니다.

전송선에서 임피던스 매칭이 중요한 이유: 반사

드라이버와 전송선이 일치할 때, 전송선 입력에서 반사를 억제할 수 있습니다. 그러나 이 경우 수신기에 맞지 않는 선이 있으면 수신기에서 여전히 반사가 발생합니다. 마찬가지로, 선이 드라이버와 수신기와 일치하지 않으면 반사로 인해 일부 신호를 실제로 잃게 됩니다. 선, 드라이버, 수신기의 임피던스를 동일한 값으로 설정하면 신호가 수신기로 전송되도록 보장합니다.

두 개의 연결 부분 사이의 인터페이스에서 임피던스 매칭은 해당 인터페이스에서 반사를 방지합니다. 임피던스 불연속성(즉, 드라이버-선 인터페이스 또는 드라이버-소스 인터페이스)에서 반사가 발생할 때마다 신호 수준에 급격한 변화가 있어 과도 응답이 인터커넥트에서 발생합니다. 결과적으로 발생하는 반사는 원하는 신호 수준 위에 중첩된 링잉(즉, 오버슈트/언더슈트)으로 나타나며 디지털 신호의 경우 가능한 계단 응답으로도 나타납니다. 반사는 디지털 신호나 아날로그 신호를 다루는지에 따라 또 다른 문제를 일으킵니다.

디지털 신호에서의 반사

불일치하는 전송선에서 반복되는 왕복 반사는 수신기와 소스에서 볼 수 있는 전압에 계단식 응답을 생성할 수 있습니다. 이 계단식 응답은 신호 수준의 점진적인 증가(아래 예시 참조) 또는 상하 계단식 스타일 응답으로 나타날 수 있으며, 둘 다 이후 들어오는 신호와 간섭합니다. 결과적으로, 수신기에서 볼 수 있는 전압은 아래 예시에서 보여지는 것처럼 시간에 따라 변할 수 있습니다. 각 반사에서 생성된 전압 변화 위에 일반적인 과도 응답이 명확성을 위해 생략되었음을 참고하십시오.

불일치하는 전송선에서 고속 디지털 신호에 대한 예시 계단식 응답

아날로그 신호에서의 반사

디지털 신호가 수신기와 선로가 일치하지 않을 때 전송선에서 반복적으로 반사될 수 있는 것처럼, 아날로그 신호에도 동일한 원리가 적용됩니다. 특정 주파수에서 아날로그 신호로 구동될 때 선로상에 정재파 공명을 형성할 수 있습니다. 이러한 주파수는 가장 낮은 기본 주파수의 정수 배수가 될 것입니다. 이는 특정 주파수에서 전송선으로부터 강한 방사를 일으키는 원인이 됩니다. 매우 짧은 전송선의 경우에도, 드라이버와 수신기가 일치하지 않으면 여전히 이 현상이 발생하며, 관련 주파수는 전송선 상의 더 짧은 파장을 수용하기 위해 훨씬 더 커질 것입니다.

전송선상의 정재파는 회로의 트레이스가 이러한 안테나처럼 작동하는 것처럼 보이게 만듭니다

결론

선로가 짧더라도 전송선에서 반복된 반사와 링잉을 방지하기 위해 드라이버와 수신기의 임피던스를 일치시켜야 합니다. 또한, 선로가 짧다고 정의하는 정확한 길이는 정해져 있지 않으며, 상호연결을 따라 허용되는 임피던스 불일치에 따라 달라집니다. 점점 더 많은 장치가 낮은 수준과 빠른 에지 속도로 작동함에 따라, 허용되는 불일치는 점점 더 까다로워지고 있습니다. 이는 설계 단계에서 더 정확한 임피던스 제어 라우팅이 필요함을 의미합니다.

여기서 우리는 단일 종단 신호를 암시적으로 설명했지만, 동일한 논의가 차동 신호에도 적용됩니다. 단지 용어 "특성 임피던스"를 "차동 임피던스"로 교체하면 같은 개념이 적용됩니다. 우리는 설계자들이 더 고급 인터커넥트 아키텍처, 신호 표준, 그리고 변조 방식에 대해 빠르게 올바른 결정을 내릴 수 있도록 돕기 위해 다가오는 기사에서 이러한 문제들을 계속 살펴볼 것입니다.

Altium Designer^®의 강력한 스택업 디자인 및 라우팅 도구는 정확한 필드 솔버와 통합되어 있어, 보드를 구축함에 따라 트레이스의 임피던스를 빠르게 결정합니다. 이는 PCB 전체에 인터커넥트를 라우팅하면서 초정밀 임피던스 매칭을 유지하도록 돕습니다. 이 도구들은 다수의 시뮬레이션 도구와 인터페이스하는 통합 규칙 기반 설계 엔진 위에 구축되어 있습니다. 또한, 단일 플랫폼에서 완벽한 제조, 계획, 문서화 기능 세트에도 접근할 수 있습니다.

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