PCBInside

Connector

임피던스 컨트롤이 중요한 이유는 임피던스의 변화가 곧 신호(전압)의 전압 변화를 투영하기 때문이다. 즉 임피던스가 커지면 신호가 커지고 임피던스가 작아지면 신호는 작아진다. 따라서 신호의 출발부터 신호의 도착까지 모든 인터커넥션 구간의 임피던스가 균일해야 신호에 노이즈(왜곡)이 발생하지 않는다. 따라서, 드라이버의 임피던스와 전송선의 임피던스를 맞추어야 하고 – 세련된 표현으로 정합(match)이라고 한다 – 경우에 따라서 전송선과 리시버 단의 임피던스를 맞추어야 한다.

전송선 구간의 경우, 대부분 PCB를 통해서 구현되므로, 제작 시에 기하학적인 공차 관리만 잘하면 어느 정도 균일한 임피던스를 구현할 수 있다. 그런데 보통 시스템 레벨에서 한 개의 PCB 만으로 동작하는 경우도 많지만, 여러 장의 PCB가 결합을 하여 동작하는 경우도 많다. 즉, 드라이버와 리시버가 같은 PCB에 있는 것이 아니고 각각 다른 PCB에 있는 경우가 많다. 이 경우 신호가 전달되기 위해서는 두 PCB간을 이어주는 connector가 필요하다. 그리고 신호는 이 커넥터를 통해서 지나가야만 한다.

그런데, 커넥터에서의 임피던스도 컨트롤이 되고 있을까? 많은 경우에는 그렇지 않다. 신호가 커넥터를 지나가는 데 걸리는 시간은 일반적으로 작게는 수십 ps에서 크게는 수백 ps 정도이다. 200 ps를 가정하자. 1 ns 이상(100MHz 이하)의 transition time을 갖는 신호는 커넥터 구간에서 설령 임피던스가 깨졌더라도 별로 영향을 받지 않는다. 그리고 실제로 아직도 많은 시스템에서 이렇게 느린 신호를 사용하고 있다. 이런 경우 커넥터의 중요성은 기구적인 관점만 고려될 뿐이다. 그러나, 최근 초고속 신호의 rise time은 100 ps 이하의 값을 갖는다. 따라서 커넥터 구간 200 ps는 충분히 길고, 전송선으로 볼 수 있는 구간이 된다. 결과적으로 임피던스가 컨트롤 되지 않은 커넥터에서는 임피던스 불일치의 영향을 받아서 신호에 노이즈가 유발 된다. 그러므로, 어떤 커넥터를 어떻게 사용할 지의 문제는 매우 중요하고 심각한 문제 중 하나이다

임피던스 컨트롤이 되지 않는 경우, 커넥터 구간에 대해서 임피던스 곡선을 보면 아래 그림과 같다.

PCB 트래이스에서 커넥터와 연결되는 부분에는 패드가 형성이 되는데, 이 패드구간은 C 성분이 크므로 임피던스가 아래로 내려간다. 그리고 이어지는 커넥터의 핀 구간은 일반적으로 L 성분이 훨씬 더 크다. 그리고 다시 다른 보드의 핀 패드 구간이 오면서 C 성분이 보인다. 이 경우 C-L-C 조합의 π 모델로 커넥터를 표현할 수 있다. 반면 커넥터 한 쪽 끝이 동축 케이블 같은 전송선 구간으로 되어서 핀 패드가 없는 경우, 아래 그림처럼 뒤 쪽의 C 성분이 없으므로 그냥 C-L 조합의 Γ 모델로 표현 될 수 있다.

이렇게 만들어진(혹은 추출된) 모델에 신호의 rise time을 바꾸어가면서 simulation을 해보면 유기되는 노이즈의 차이가 달라지는 것을 쉽게 확인할 수 있다.

Connector Pin Assignment

인터커넥션 구간에서 임피던스 불일치가 발생할 수 있는 곳은 드라이버 출력 단, 리시버 입력 단, 그리고 PCB 트래이스가 변경되는 곳 등이 있다. 드라이버나 리시버 단에서는 ‘터미네이션’ 이라는 기술을 사용하여 임피던스가 일치 되도록 만든다. 그러면 트래이스가 변경되는 곳에서는 어떻게 해야 임피던스가 변경되는 것을 막을 수 있을까?

트래이스가 변경되는 곳은 크게 2 곳 이다. 첫째는 PCB 내의 비아(via)이다. 트래이스가 비아를 통해서 다른 레이어로 변경이 될 때, 임피던스가 변할 가능성이 있다. 이것을 막기 위해서는 레이어 변경 시 인접 레이어로 변경하거나, 비아 근접 부위에 레퍼런스를 연결시켜 주는 비아를 만들어 주어야 한다. 두 번째는 커넥터 혹은 소켓을 통해서 다른 PCB로 신호가 넘어갈 때 트래이스의 변경이 생긴다. 이 경우 커넥터의 핀에 신호를 어떻게 할당하느냐에 따라서 신호 품질에 큰 영향을 준다.

먼저, 아래와 같은 경우를 생각해 보자.

이 경우 9개의 신호가 1개의 리턴 경로를 공유하게 된다. 리턴 경로를 살피게 되면 많은 신호가 ground 핀에 몰려 있는 것을 볼 수 있다. 이 경우, 신호와 노이즈가 G핀 근처에서 심해질 것을 예상할 수 있다. 또한 가장 왼쪽 신호의 입장에서 보면, 리턴 신호가 원래 신호 바로 아래 형성되지 않고, 크게 돌아가는 것을 볼 수 있다. 이것은 동일 PCB 내에서 레퍼런스 슬릿 위로 신호가 지나가는 경우와 동일하다고 보면 된다(아래 그림 참조).

처음 그림을 아래 그림과 같은 핀 배치를 조금 조정해 보자. 레퍼런스 핀을 중간으로 옮겼다. 이 경우 그라운드 핀으로 리턴 신호가 몰리는 것은 위와 동일 하지만 몰리는 신호의 분포가 좌우로 분산되어 크로스토크의 영향도 다소 줄일 수 있고, 무엇보다도 돌아가는 리턴 신호의 경로를 위의 경우보다 반 정도 단축시켜서, 이로 인한 루프 인덕턴스 성분을 감소시킨다는 것이다.

레퍼런스 핀의 위치 이동으로 효과를 보기는 했지만, 신호가 고속화 될수록 이것만으로 부족한 경우가 많이 발생한다. 따라서 리턴 경로의 루프를 취소화하고 신호간 크로스토크를 최소화 화기 위해서는 더 많은 레퍼런스 핀을 할당해야만 한다.

정확한 판단을 위해서는 커넥터 모델을 만든 후에 시뮬레이션을 통한 예측을 해보아야 한다.