트레이스가 전송선이 되는 경우

실제로 중요한 질문

모든 흔적은 전송선입니다.그게 물리학이죠.유용한 질문은 그것이 1인지 아닌지가 아니라 신호가 전달하는 주파수에서 물리가동작하는지*입니다.

발사가 완료되기 전에 신호가 맨 끝에서 다른 임피던스를 볼 수 있을 만큼 충분히 길면 트레이스는 전송선처럼 동작합니다.이때 반사가 일어나고, 선을 끊지 않았다면 반사가 울립니다.

임계 길이 미만에서는 트레이스가 전기적으로 짧아집니다.가장자리의 전환이 끝나기 전에 맨 끝단이 충전되고 전체가 덩어리진 커패시터처럼 보이며 임피던스를 제어해도 아무 소용이 없습니다.

숫자 두 개

FR4에서 트레이스의 전파 지연은 약 6.4ns/m입니다 (내부 레이어의 경우 약 170ps/인치, 외부 레이어의 경우 140ps/인치).길이를 곱하면 편도 비행 시간$T_D$이 나옵니다.

상승 시간$T_R$은 클럭 주기도, 데이터 속도도, 엣지가 아니라 운전자가 산출하는 것과 같습니다.

비율$T_R / T_D$이 모든 것을 결정합니다.

• $T_R / T_D > 5$ — 트레이스가 전기적으로 짧습니다.종료가 필요 없습니다.20% 법칙: 반사 에너지는 입사 에지의 20% 미만이며, 대부분의 디지털 로직에서 반사 에너지는 노이즈 마진보다 낮습니다.
• $T_R / T_D < 3$ — 트레이스는 전기적으로 깁니다.종료하세요.터미네이션을 사용하지 않으면 가장자리가 안정되기 전에 첫 번째 반사가 시작되어 신호에 추가 (또는 감산) 됩니다.두 번 반사된 후 벨이 울립니다.
• 3~5 사이** — 소음 예산과 마진 정도에 따라 다릅니다.

이러한 임계값은 Bogatin이 무손실 선의 스텝 응답을 분석한 결과입니다.$k = 5$에서는 반사된 스텝이 인시던트의 20% ("20% 규칙”) 이고$ k = 3$에서는 전환 중에 왕복 반사가 도달하므로 신호와 분리할 수 없습니다.

사람들을 놀라게 한 사례

100MHz 클럭을 예로 들어 보겠습니다.주기는 10ns입니다.“느리다” 맞죠?

하지만 드라이버는 상승 시간이 300ps인 현대식 CMOS입니다.FR4에서 5cm (2인치) 트레이스의 단방향 딜레이는 약 340ps입니다.$T_R / T_D = 300 / 340 = 0.88$송전선 영역 깊숙한 곳이죠.100MHz에서 2인치 트레이스는 제어된 임피던스와 터미네이션이 필요합니다. 100MHz가 빠르기 때문이 아니라 300ps 에지가 빠르기 때문입니다.

이제 에지가 3ns인 부품에서 동일한 100MHz 클록을 가져옵니다.동일한 추적:$T_R / T_D = 3000 / 340 = 8.8$전기적으로 짧습니다.원하는 대로 라우팅하세요.

클럭 주파수는 아무 것도 알려주지 않아요.엣지 레이트가 모든 것을 말해주었죠.

판단 결정$k = 5$의 20% 임계값은 대부분의 로직에서 보수적입니다.노이즈 마진이 400mV인 LVCMOS는 3.3V 스윙 시 흔들림 없이 20% 의 반사율을 흡수할 수 있습니다.100mV의 차동 노이즈 버짓을 지원하는 LVDS는 그렇지 않습니다.

따라서 이 수치에는 다음과 같은 판단이 내재되어 있습니다.

• 높은 노이즈 마진 (GPIO, LED, 리셋) :$k = 5$또는$ k = 3$도 괜찮습니다.종료하지 말고, 임피던스를 제어하지 말고, 노력을 절약하세요.
• 타이트한 노이즈 마진 (DDR 스트로브, SerDes, LVDS) :$k = 6$이상.모두 종료하세요.
• 중간 정도: $k = 5$를 기본값으로 사용하고 데이터시트에서 지시하는 대로 좁히십시오.

요점은 “임계 길이”는 물리 상수가 아니라는 것입니다.반사에 대한 허용 오차를 나타내는 설계 임계값입니다.

전파 속도는 하나의 숫자가 아닙니다.

6.4ns/m라고 했는데, 이는$\varepsilon_r \approx 4.2$에서의 FR4의 내부 레이어 평균입니다.실제 속도는 형상에 따라 달라지는 유효 유전율에 따라 달라집니다.

• 스트립라인: $v = c / \sqrt{\varepsilon_r}$.필드는 완전히 유전체이므로 벌크 값을 사용합니다.
  • 마이크로스트립: $v = c / \sqrt{\varepsilon_{eff}}$.필드의 일부가 공중에 있으므로$\varepsilon_{eff} < \varepsilon_r$및 추적이 더 빠릅니다.
    • 동일 평면 도파관: 충전 계수에 따라 중간 정도.

    로저스 4350B ($\varepsilon_r = 3.66$) 에서는 내부 레이어 트레이스가 FR4보다 약 10% 더 빠릅니다.즉, 임계 길이가 10% 더 길다는 뜻입니다. 즉, FR4에서 종료해야 했던 트레이스가 Rogers에서는 괜찮을 수 있습니다.

    레이어 간 길이 매칭의 경우 이 속도 차이를 보정해야 합니다.밀리미터 단위는 일치하지만 서로 다른 레이어로 라우팅되는 두 트레이스는 피코초 단위로 일치하지 않을 수 있습니다.

    흔히 저지르는 실수

    상승 시간 대신 시계 주기를 사용하십시오. 기간을 통해 반복률을 알 수 있습니다.상승 시간은 대역폭을 알려줍니다.엣지가 500ps인 25MHz 클록의 무릎 주파수는 1GHz이며 길이가 약 1.5cm보다 긴 클록에서는 전송선 처리가 필요합니다. 데이터시트를 사용하면 일반적인 상승 시간입니다. 데이터시트는 매우 일반적입니다.저온의 패스트 코너 실리콘은 부하가 적은 상태에서 2~3배 더 빠르게 작동할 수 있습니다.빠른 코너에 맞게 설계하세요. 복귀 경로 무시 기준 평면에 슬롯이 있는 트레이스는 유효 경로가 더 깁니다. 즉, 복귀 전류가 슬롯 주변으로 우회합니다.물리적 길이는 “짧다”라고 하지만 전기 길이는 “길다”라고 되어 있습니다. 중요한 것은 전기 길이입니다. 지연과 주기가 혼동됩니다. 추적은$T_D $ $ T_R $에 근접할 때 중요해지지만$ T_D$이 클럭 주기에 가까워질 때가 아닙니다.펀더멘털에서 한 파장 길이인 트레이스는 이미 일반적인 에지의 임계 길이보다 6-10배 이상 지난 상태입니다.

    실제로 해야 할 일

    1.상승 시간을 알아보세요.데이터시트 패스트 코너, 일반적이지 않습니다. 2.트레이스 지연을 측정하거나 계산합니다.170ps/인치의 내부 레이어 FR4는 첫 번째 패스에 충분히 가깝습니다. 3.비율을 계산하세요.5보다 크면 완료된 것입니다.3점 미만이면 종료하세요. 4.그레이 존에서는 소음 예산을 확인하세요.

    임계 추적 길이 계산기 가 이 작업을 대신 수행하며 보수적 ($k = 5$) 및 허용 ($ k = 3$) 임계값과 지오메트리의 단방향 지연 및 무릎 주파수를 제공합니다.