Impedance matching 방법

Impedance가 Mismatching으로 인해 Overshoot, Undershoot, Ringing 현상, Propagation delay 등의 문제가 발생합니다. 이러한 문제는 Crosstalk 문제나 EMI 등의 원인으로 작용합니다. 따라서 Impedance matching은 꼭 필요합니다.

 

Impedance matching방법에는 어떤 것들이 있을까요?

 

Impedance matching방법에는 『PCB Transmission Line Impedance의 구성 요소』를 조절 하여 Impedance를 Matching 할 수 있습니다.
하지만 이런 방법으로만 Impedance matching하기에는 현실적으로 어렵기 때문에 일반적으로 Termination을 통해 신호를 안정화 시킵니다.

 

Termination이란 무엇일까요?

Termination이란 ‘Impedance를 맞춰준다’, ‘끝맺다.’라고 말할 수 있습니다. Termination 종류에는 크게
 Series termination, Parallel termination, Thevenin termination, AC termination 이렇게 4가지 방법이 있습니다.

 

1.     Series termination

Series termination은 Source termination 방식으로 위의 Topology에서 보듯이 Output단(Driver)에 인접하게
직렬로 Termination resistor를 배치합니다. 직렬로 배치된 Termination은 Output단(Driver)의 Buffer Impedance에 따라
 Series termination(RT)의 값을 조절하여 Transmission Line의 Impedance 값과 Matching시킵니다. 이런 방법은 신호의
고주파 성분을 억제하고, Ground bounce 및 Overshoot 문제를 줄이는 것에 효과적입니다.

 

아래 Waveform을 보시면 Series termination의 유무에 따라 Overshoot, Undershoot이 얼마나 큰 차이를 보이는지 알 수 있습니다.

Series termination의 장점으로는 Power의 소비가 적습니다. 그리고 Signal Line에서 DC Load나  GND로 Impedance를
추가하지 않습니다. 단점으로는 Input단(Receiver)에서 받는 Signal의 Amplitude가 줄어들어 Noise Margin이 줄어듭니다. 또한 대부분의 Output단(Driver)의 Output Buffer Impedance가 Linear하지 않으므로 Termination값을 결정하기 어려운 단점이 있습니다.

 

2.     Parallel termination

 

Parallel termination은 Load termination방식으로 위의 Topology와 같이 Input단(Receiver) 앞에 병렬로 배치합니다.
병렬로 배치된 Termination은 Transmission Line의 Impedance와 Input단(Receiver)에서 반사된 전압을 안정화 시키는데
효과적입니다. 아래의 Waveform을 보면 Parallel termination의 유무에 따라 Input단(Receiver)에서 반사된 신호에 의해 생긴 Overshoot, Undershoot이 줄어드는 것을 알 수 있습니다.

신호는 Driver단에서 흐르는 신호와 Receiver단에서 반사된 신호가 합쳐져서 전압 값이 2배가 되는데,
이렇게 2배가 된 전압이 Parallel termination과 나눠져서 신호를 안정되게 잡아줍니다. 하지만 Termination이
GND와 연결되어 있어 Power 손실이 생기게 되므로 Driver단에서 높은 전류를 내보내야 하며 다중 연결부하에
사용하지 못하는 단점이 있습니다.

 

3.     Thevenin termination

Parallel termination 방식과 유사하나 두 개의 Resistor 중에 하나는 Vcc에 연결하고 다른 하나는 GND에 연결하는 방식입니다. RTH와 RTL은 Termination 기능과 함께 Pull up, Pull down 역할을 하기 때문에 전체적인 Waveform을 올릴 수도 있고, 내릴 수도 있습니다.
특히 Voltage switching이 큰 System에서 Overshoot을 잡아주는 역할을 합니다.
하지만 이 방식 역시 Termination(RTL)이 GND와 연결되어 있어서 Power 손실이 큽니다.

 

 

4.     AC Termination

Parallel termination에 Capacitor를 추가하는 방법입니다. 이 방법은 Capacitor를 추가함으로써 Parallel termination의 단점인 Power손실을 줄일 수 있습니다. 하지만 Capacitor의 추가로 인해 충전, 방전하는 시간이 Rising time, Falling time에 영향을 주고, 점점 소형화 되는 PCB Board상에서 자리를 차지하게 되며 제작 비용이 올라간다는 단점이 있습니다.

 

위에서 AC termination이 있는 경우의 그래프에서 Overshoot, Undershoot의 크기가 줄어들었고,
표를 보면 수치상으로 확연히 줄어들었음을 볼 수 있습니다. 반면 Flight time은 AC termination이 있는 경우가
Capacitor로 인해 늘어나는 것을 알 수 있습니다.

 

지금까지 일반적으로 Impedance matching하는 4가지 방법(Series termination, Parallel termination,
 Thevenin termination, AC termination)에 대해 알아봤습니다.

Simulation을 통해 Impedance matching 전후의 결과에 대해 비교해 보았듯이 Impedance matching 할 때 적절한 Topology에 적절한 Termination 값을 선택하는 것은 매우 중요합니다.

이 결과는 일반 FR4의 유전율 및 유전손실을 적용하여 PCB pattern Impedance 50옴을 구현하여 Simulation 하였습니다.

 

 

출처 : http://www.internex.co.kr/insiter.php?design_file=notice_v.php&PB_1247810668=3&article_num=12 

Impedance matching 방법 : 인터넥스 자료실