더 나은 고등학교를 위한 5가지 팁

케리 차이카 | 2023년 5월 25일

고속 회로 설계는 전자 설계에서 가장 기본적이면서도 도전적인 영역 중 하나입니다. USB, HDMI, PCIe와 같은 표준을 사용하려면 대부분의 전문 전기 엔지니어가 고속의 세계를 탐구해야 하기 때문에 오늘날 고속 회로가 일반적으로 사용됩니다. 미래에는 전반적으로 클럭 주파수가 증가하는 일반적인 추세를 볼 수 있으며, 이는 고속 신호가 훨씬 더 일반화될 것임을 의미합니다. 오늘날 전자 설계자라면 고속을 피할 수 없습니다.

고속 신호는 하드웨어 설계를 덜 간단하게 만드는 추가적인 복잡성과 고유한 기술적 과제를 야기합니다. 이러한 기술적 고려 사항 중 하나는 회로 설계에서 독특하고 잘 알려지지 않은 영역인 임피던스 매칭입니다. 이번 글에서는 임피던스 매칭의 기본 사항을 다루고 고속 회로 설계가 의도한 대로 작동하도록 보장하는 5가지 팁을 공유하겠습니다.

고속 회로 설계 방법을 이해하려면 먼저 전송선 이론을 살펴봐야 합니다.

전기 회로의 모든 도체는 기생 커패시턴스, 인덕턴스 및 저항의 총합 기여를 고려하여 특성 임피던스를 갖습니다. 대부분의 저속 시스템에서는 인덕턴스 및 커패시턴스의 영향이 주파수에 따라 크기 때문에 이러한 기생 성분의 영향은 무시할 수 있습니다. 그러나 주파수가 충분히 높아지기 시작하면 이러한 기생 성분은 더 이상 무시할 수 없으며 전송선 효과가 작용하게 됩니다.

특히 이는 신호의 파장이 도체의 물리적 길이와 비슷해질 때 발생합니다. 또는 인치 단위의 상호 연결 길이가 나노초 단위의 신호 상승 시간의 두 배보다 긴 경우 전송선 효과가 관련됩니다.

전송선 효과의 영향을 받는 회로는 일반적으로 Z0로 표시되는 특성 임피던스로 특징지어지며, 이는 선로의 기하학적 구조에 의해 결정되는 전송선 동작의 수학적 추상화입니다. 고속 회로에서는 부하(또는 소스) 임피던스와 라인의 특성 임피던스가 일치하지 않으면 회로에서 신호 반사가 발생하므로 특성 임피던스가 중요합니다. 즉, 부하(또는 소스) 임피던스가 라인의 특성 임피던스와 정확히 동일하지 않으면 신호 에너지의 일부가 라인을 따라 다시 반사됩니다. 신호 반사의 비율은 방정식(Zl-Z0/Zl+Z0)으로 정의됩니다.

반사는 전송선을 따라 신호 왜곡과 정상파 패턴을 발생시키기 때문에 회로 성능에 매우 해롭습니다. 신호가 왜곡되면 무결성이 손상되고 신호 품질이 저하되며 버스의 데이터가 손상될 수 있습니다. 전송선 효과에 세심한 주의를 기울이지 않으면 고속 회로가 완전히 실패할 수 있습니다.

고속 회로에서 신호 반사의 영향을 완화하려면 설계 전반에 걸쳐 신호가 직면하게 되는 임피던스를 제어해야 합니다.

임피던스 매칭 또는 임피던스 제어는 신호 반사가 최소로 유지되도록 PCB 트레이스를 선택적으로 설계하는 인쇄 회로 기판(PCB) 설계 기술입니다.

대부분의 경우 신호의 목표 임피던스는 프로토콜과 해당 프로토콜을 구현하는 부품에 의해 정의됩니다. 예를 들어, USB에는 일반적으로 90Ω 목표 차동 임피던스가 필요한 반면, 많은 표준 단일 종단 프로토콜은 50Ω을 목표로 지정합니다.

설계자는 트레이스의 기하학적 구조를 신중하게 선택하고 해당 치수를 기판 재료 특성에 일치시킴으로써 트레이스의 임피던스를 제어할 수 있습니다. 여기서 주요 기하학적 변수는 트레이스 폭, 두께, 접지면까지의 거리이며, 모두 신호의 임피던스에 직접적인 영향을 미칩니다. 다른 재료 기반 변수에는 유전 상수와 같은 기판 특성이 포함됩니다. 실제로 이러한 값은 PCB 설계 도구 외부에 있는 PCB 계산기를 사용하여 결정됩니다.