LVDS를 사용한 고속 신호 경로에서의 임피던스 불연속 극복 - Technology

LVDS를 사용한
고속 신호 경로에서의 임피던스 불연속 극복

백플레인에서의 고속 인터페이스에는 전체 신호 경로를 따른 임피던스 제어가 필요하다. 간단한 LVDS 버퍼를 사용하여 임피던스 불연속을 격리시키거나 상호 연결 길이를 줄이면 수많은 고주파 커넥터를 사용할 필요가 없어져 시스템 비용을 절감하고 인터페이스 성능을 향상시킬 수 있다.

글│브라이언 스턴스(Brian Stearns), 내셔널 세미컨덕터

400Mbps~1.5Gbps의 데이터 전송 속도에서 데이터 신호 경로는 전송 라인이 된다. 이러한 속도에서는 신호 경로 모델의 케이블 또는 백플레인에 유도성 기생 구성 요소가 포함되어 있어야 한다. 이러한 요소는 데이터 전송 속도 자체가 아니다. 에지 비율이 크면 분산 임피던스 환경에서 더 나쁜 반응을 하는 더 큰 주파수 에너지를 포함하게 된다. 200Mbps 이상의 기생 임피던스 및 임피던스 불연속을 무시하면 전송 라인에서 추가로 노이즈가 발생해 데이터 비트 오류가 발생한다.

고속 신호 전송 예 분석

기본적인 고해상도(HD) 디지털 비디오 라우터를 예로 들어 보겠다. HD 비디오 라우터는 방송, 스튜디오 또는 프로덕션 비디오 설비에서 배포용으로 여러 HD 소스 스트림을 관리한다. HD 비디오 채널은 270Mbps부터 최대 1.485Gbps까지 범위에서 동작하므로, 스위칭 라우터 시스템이 비디오 데이터 무결성을 저하시키지 않도록 주의 깊게 레이아웃을 만들고 일관된 설계 방식을 채택해야 한다.

이 시스템(그림 1)에서 Adaptive Equalizer(EQ)는 BNC 커넥터를 통해 직접 HD 신호를 받는다. 공통 백플레인은 원하는 대상 채널로 출력하기 위해 입력 카드의 신호를 스위치 카드에 연결한다. 신호는 PCB를 통해 EQ로부터 지점 간에 약 8인치 정도 백플레인 커넥터로 이동한 다음 백플레인의 3~15인치(길이는 사용된 슬롯에 따라 다름) 정도 두 번째 커넥터로 이동하며, 그 후에는 다시 PCB에서 8인치만큼 크로스포인트 스위치 디바이스 입력으로 이동한다.
리-클로커/케이블 드라이버는 케이블에서 신호를 구동하기 위해 크로스포인트 스위치의 출력에 직접 연결한다. 이러한 HD 비디오 라우터 시스템은 모듈식이며 8~1000개의 입력/출력 채널을 가질 수 있다. 따라서 신호 밀도를 높일 수 있다. 공통 FR4 회로 보드 재료는 일관된 임피던스 환경이지만 분산 기생 임피던스는 신호 품질에 부정적인 영향을 미친다.
가장 큰 문제는 기본 데이터 전송 속도보다 큰 속도에서 작동하는 수많은 주파수 구성 요소에 기인한 에지 상승시간이 빨라져 신호 손실이 발생하고 변환 시간이 느려진다는 점이다.
또한 구성 요소들 간의 모든 상호 연결(예: BNC 커넥터, 집적 회로, 보드 레이어들 간 바이어스 또는 보드들 간 커넥터)이 신호 품질에도 영향을 줄 수 있는 특성 임피던스(Z0)로 인해 임피던스 부정합이 발생할 수 있다(그림 2).

조밀한 백플레인 커넥터는 유도성의 부하를 걸고 PCB의 바이어스는 신호경로상의 커패시턴스성의 부하를 건다.
임피던스가 변하는 전송 경로의 임의의 위치에서 신호 반사가 발생한다. 이러한 반사와 기생 임피던스는 신호 진폭 손실, 벨소리, 상승 시간 저하 및 EMI를 일으킨다. 이 시스템 예에서, EQ 출력에서 여러 개의 임피던스 불연속이 있는 크로스포인트 스위치 입력으로 최대 31인치의 FR4가 존재할 수 있다. 우발적 에지 속도가 이 경로에서 175~200ps/inch 정도 떨어지고 데이터 전송 속도가 1.485Gbps(반파장=343ps)이면 주어진 시간에 해당 경로에 18개의 전이 에지가 존재할 수 있다. 임피던스 불일치 지점에서 우발적 에지에 의해 발생한 반사는 신호 경로에 존재하는 모든 에지에 영향을 미친다. 에지 1~17로부터의 반사는 신호 경로 끝에 도달하는 시간까지 에지 번호 18을 크게 왜곡시킨다.
결과적인 아이 패턴(그림 3)은 진폭 손실, 과도한 지터 및 상승/하강 시간 저하를 보여준다.

신호 전송 품질을 개선하는 방법

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 Daughter Card와 백플레인 사이에 더 좋은 품질의 커넥터를 사용하는 것이다. 그러면 커넥터 불연속이 최소화 된다. 바이어스 설계가 우수할수록 TDR 측정 플롯이 평평해져 신호 경로 길이에서의 임피던스가 Z0에 훨씬 가깝게 유지된다
더 비용 효과적인 솔루션은 DS90-LV004와 같은 간단한 LVDS 버퍼를 사용하여 백플레인에서 신호를 구동하고 수신하는 것이다. 그러면 전송 경로가 더 작은 세그먼트로 효과적으로 나눠져 임피던스 불일치가 숨겨지고 신호 감쇄가 감소한다.
Daughter Card 가장자리에 버퍼를 배치하여 커넥터와 백플레인을 구동하고, 스위치 Daughter Card의 두 번째 버퍼는 신호를 수신하고(그림 4), 그 신호를 크로스포인트 스위치 입력으로 다시 보내 두 버퍼 사이의 임피던스 불연속을 효과적으로 숨긴다(그림 5). 올바르게 종단하여 수신기가 라인의 모든 에너지를 흡수하고 소스로 다시 반사되는 일이 없게 해야 한다.

또한 버퍼를 이용하면 보통 신호 품질이 더 개선된다. 예를 들어, 입력 균등화를 특징으로 하는 버퍼는 백플레인에서의 전송 이전에 미디어 손실로 인한 결정적 지터를 제거한다. 출력 프리 앰퍼시스는 신호 진폭을 높여 크로스포인트 입력 또는 수신기에서의 아이 패턴이 추가로 시작되게 할 수 있다. 버퍼 I/O에서의 높은 ESD 정격은 Daughter Card의 다른 구성 요소를 백플레인의 ESD 이벤트로부터 보호한다.

LVDS 버퍼 - DS90LV004

DS90LV004는 4채널 1.5Gbps LVDS 버퍼/리피터다. 고속 데이터 경로 및 Flow-Through 핀아웃은 내부 디바이스 지터를 최소화하고 보드 레이아웃을 간소화하며, 구성 가능한 프리 앰퍼시스를 통해 손실을 유발하는 백플레인 및 케이블의 ISI 지터 효과를 극복한다. 차동 입력 및 출력이 내부적으로 100Ω 레지스터를 사용하여 종단되므로 성능이 향상되고 보드 공간이 최소화 된다. 리피터 기능은 손실을 유발하는 백플레인 및 케이블에서 긴 거리 전송을 위한 신호 부스트에 특히 유용하다.
핫 플러그 보호 및 15kV ESD 보호를 특징으로 하는 DS90LV004는 백플레인 및 케이블의 간섭 저항력을 향상시키며, FPGA와 ASIC의 신호 무결성을 보증한다. DS90LV004는 통신, 데이터콤, 산업용 시스템, 의료 장비, 자동차 전자 시스템, 사무실 영상 애플리케이션 등에 사용할 수 있다. 그림 6에서 일반적인 애플리케이션을 보여준다. DS90LV004 버퍼는 공통 백플레인 또는 간단한 케이블 구성을 통해 최대 4개의 LVDS 클럭 및/또는 데이터 경로를 구동할 수 있다. 이 칩은 넓은 차동 입력 전압 범위에서 작동하므로 LVDS, LVPECL(Low-Voltage Positive Emitter Coupled Logic) 또는 전류 모드 로직 수준의 입력을 매우 쉽게 수신할 수 있다. 출력 수준은 LVDS 사양을 따른다.

DS90LV004의 최대 데이터 전송 속도는 1.5Gbps이다. 시스템 설계자는 손실을 유발하는 상호 연결 라인을 보상하기 위해, 구성 가능한 프리 앰퍼시스를 사용하여 출력을 과도하게 구동한다. 또한 전원이 제한된 애플리케이션(예: 중복 애플리케이션)의 경우 칩의 4개 채널이 일시 중단되면 시스템이 저전력 모드를 통해 전력 소비를 최소화할 수 있다.

요약

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>