전자 장치는 지속적으로 작아지는 반면 데이터 전송 속도는 지속적으로 증가하고 있습니다. 설계자가 이러한 추세를 따르려면 데이터 전송 속도, 신뢰성 및 신호 무결성을 유지하면서 더 작은 공간에 더 많은 회로를 통합할 수 있어야 합니다. 또한 설계자는 공기 냉각 및 물리적 절연 문제를 해결하여 전자기 간섭(EMI)을 최대한 최소화해야 합니다.
인쇄 회로 기판(PC 보드)을 적층하는 것은 회로 밀도를 높이는 일반적인 방법입니다. 도터보드와 샌드위치 도터보드를 사용하면 냉각 및 신호 격리 경로를 구축하는 동시에 더 많은 회로 기판 공간을 확보할 수 있습니다.
이 기사에서는 고속 회로 설계자가 직면한 다양한 과제에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 W urth Elektronik의 기판 간 커넥터를 소개하고 이러한 커넥터를 사용하여 신호 무결성을 유지하면서 안정적인 신호 연결을 달성하는 방법을 설명합니다.
샌드위치 패널
샌드위치 패널의 레이아웃은 수직으로 쌓인 두 개의 병렬 회로 기판으로 구성되며, 이는 기판 간 커넥터를 통해 전기적으로 연결됩니다(그림 1, 왼쪽).
다중 열 샌드위치 장착 회로 기판
그림 1: 왼쪽 이미지는 여러 샌드위치 실장 인쇄 회로 기판(PCB)의 예를 보여줍니다. 오른쪽 그림은 커넥터, 표면 실장 기술 또는 나사형 절연 컬럼을 통해 설치할 수 있는 서브 보드의 설치 방법을 보여줍니다. (이미지 출처: W ürth Elektronik)
두 개의 회로 기판으로 구성된 이 기판 간 배열은 회로에 더 많은 물리적 공간을 제공합니다. 이 구조는 체적 효율성을 개선하고, 상호 교환성을 달성하거나, 물리적 격리를 형성하여 공기 흐름을 개선하고 EMI를 줄이는 데 사용할 수 있습니다. 보드-보드 커넥터는 케이블을 사용하지 않고 회로 보드에 직접 연결됩니다. 샌드위치 패널 커넥터는 정해진 보드 간격으로 다양한 적층 높이를 달성할 수 있습니다. 상부 회로 기판은 커넥터로 지지 및 고정할 수 있으며, 표면 실장 또는 나사형 절연 컬럼으로 고정하여 진동 및 충격 저항을 강화할 수 있습니다(그림 1, 오른쪽).
신호 무결성을 위한 고려 요소
신호 무결성은 커넥터를 통해 한 회로 기판에서 다른 회로 기판으로 전송될 때 신호가 어떻게 왜곡되거나 감쇠되는지를 설명합니다. 접촉 저항과 같은 일부 효과는 주파수 독립적이며 계산에 쉽게 통합되고 수정될 수 있습니다.
그러나 주파수와 관련된 두 가지 주요 신호 무결성 매개 변수는 반사 계수(ρ)와 전송 계수(t)입니다(그림 2). 전송 계수는 일반적으로 삽입 손실을 사용하여 데시벨(dB)로 표시됩니다. 반사 계수(반사 손실)는 임피던스 값 단계에 직면할 때 데이터 신호가 신호 소스로 다시 반사되어 발생합니다. 삽입 손실은 전송 경로의 감쇠를 정량화하는 데 사용됩니다. 둘 다 PC 보드 라인 임피던스(Zs)에 대한 커넥터 임피던스(ZCAB)에 따라 달라집니다.
반사 손실과 삽입 손실은 모두 커넥터의 임피던스에 따라 달라집니다.
그림 2: 반사 손실과 삽입 손실은 PC 기판 라인 임피던스에 대한 커넥터 임피던스에 따라 달라집니다. (이미지 출처: W ürth Elektronik)
전송 손실은 커넥터를 통과하는 신호의 진폭을 감소시키며 경로 길이와 커넥터의 기하학적 구조에 비례합니다. NEXT(근거리 누화) 또는 FEXT(원단 누화)도 약간의 에너지 손실을 일으킬 수 있습니다. 반사 손실과 전송 계수는 커넥터 임피던스(케이블로 시뮬레이션)와 회로 기판 전송 라인 임피던스(이 예에서는 50Ω으로 가정) 간의 차이에 따라 달라지는 주파수 종속 매개변수입니다. 반사 계수와 투과 계수는 표시된 공식으로 정의됩니다.
그림 2는 커넥터(케이블)의 임피던스에 따른 이러한 매개변수의 변화를 보여줍니다. 커넥터의 임피던스가 50Ω인 경우 이론적인 반사 손실은 0이고 전송 계수는 100%로 손실이 없음을 나타냅니다. 커넥터의 임피던스가 50Ω에서 벗어나면 관련 매개변수의 변화는 50Ω에서 커넥터 임피던스의 편차 값과 주파수에 비례합니다. 커넥터에서 임피던스는 사용된 절연 재료와 너비, 길이, 거리(간격)를 포함한 핀의 기하학적 구조에 따라 달라집니다. 또한 인접한 핀의 배선도 영향을 미칠 수 있습니다.
고속 데이터 전송을 위한 두 가지 일반적인 배선 구성이 있습니다(그림 3). 하나는 데이터 신호가 접지를 참조하는 단일 종단 구조입니다. 또 다른 유형은 두 개의 상보적인 신호선을 사용하는 차동 구조이며, 데이터 신호의 진폭은 두 신호선 사이의 전압 차이입니다. 차동 신호는 이중 신호 라인의 잡음과 간섭을 줄이기 위해 사용됩니다. 일반적으로 차동 신호는 데이터 전송률이 가장 높은 애플리케이션에 사용됩니다. 데이터 신호는 일반적으로 노이즈 픽업을 줄이기 위해 하나 이상의 접지 신호와 쌍을 이룹니다.