1 PCB 트레이스 삽입 손실과 기호 간 간섭(ISI)

리드라이버와 절연 리피터는 신호를 균등화하고 증폭함으로써 신호 무결성을 향상시키는 장치입니다. 두 장치 사이의 주요한 차이는 리드라이버의 경우 출력 파형이 이퀄라이제이션을 적용하지 않은 상태에서 입력 파형에 대해 선형적으로 비례하는 데 반해, 절연 리피터의 경우 입력 신호의 로직을 바탕으로 절연 장벽 전체에 걸쳐 새로운 신호 사본을 생성하는 디지털 절연기로 구성되어 있습니다. 리드라이버와 절연 리피터의 이퀄라이저에 의해 보상되지 않은 입력 지터는 트랜스미터 출력 시점에 반영됩니다. 절연 리피터에는 추가적인 온-오프 키잉 회로가 있기 때문에 절연 리피터의 전체 출력 지터는 절연 회로에서 생성되는 지터와 미보상 입력 지터의 RSS(제곱평균제곱근) 값입니다.

그림 1-2은 5쌍의 차동 트레이스로 이루어진 PCB(인쇄회로기판)입니다. 이 트레이스들의 양쪽 끝에 배치된 USB 2.0 타입 A부터 타입 B 리셉터클은 USB 케이블을 통해 이러한 트레이스들을 ISOUSB211DPEVM에 연결합니다. 이러한 차동 트레이스들의 차동 임피던스(ZDiff)는 트랙 폭을 50밀, 트랙 간격을 9밀, 트랙 높이를 0.4밀, 절연 높이를 59.2밀, 그리고 유전 상수를 4.9로 설정함으로써 달성되는 90옴이 되도록 설계했습니다. 그림 1-3을 보면 이러한 차동 트레이스들의 삽입 손실을 측정할 수 있도록 VNA(벡터 네트워크 분석기)에 올바로 연결하기 위해 USB 리셉터클을 SMA(서브미니어처 버전 A)로 교체했음을 알 수 있습니다.

그림 1-4은 6인치부터 4피트까지 차동 트레이스 5개에 대해 측정한 차동 삽입 손실을 보여줍니다. 첫 번째 관찰된 사실은 트레이스 길이가 더 길수록 DC 손실이 더 크다는 것입니다. 두 번째 관찰된 사실은 PCB 트레이스의 삽입 손실값은 전송 빈도에 비례해 상승한다는 것입니다. 세 번째 관찰된 사실은 트레이스를 따라 임피던스 비연속성에 의해 곡선 상에 링잉이 발생한다는 것입니다. 일반적으로, DC 손실은 저항기 효과와 마찬가지로 신호 진폭의 감소를 초래합니다. 고주파수(작동 주파수)에서 발생하는 삽입 손실과 반사는 ISI(기호 간 간섭)을 초래하며, 그 결과 리시버의 드라이브 길이는 크게 감소하고 BER(비트 오류율)은 증가하게 됩니다.

초전도체 같은 이상적인 전송 매체를 통해 이동하는 신호는 그림 1-5에 보이는 것처럼 일정한 기호 간격 내에서 전환을 완료합니다. 하지만 신호가 앞서 말한 것처럼 손실이 발생하는 백플레인을 통해 이동하는 경우 전환은 인접 간격으로 확장합니다. 그 결과 신호는 클록 패턴 같은 활발한 인자 데이터를 전송할 때 전환을 완료하기도 전에 반대편 레일로 전환될 수 밖에 없으며, 이러한 동작을 ISI라고 합니다. 그림 1-6은 최악의 경우는 실행 길이가 긴 여러 개의 0에 이어 1이 하나 따라오거나 그 반대의 경우로, 신호가 레일 중 하나에 도달할 만한 충분한 시간이 있지만 이로 인해 다음 반대 전환의 피크 전압이 최저가 되고 눈 높이를 직접적으로 감소시키게 되는 경우 발생한다는 것을 보여줍니다. 그림 1-7은 6인치, 1피트, 2피트, 3피트, 4피트까지 FR4 트레이스에 대한 아이 다이어그램에서 ISI의 영향을 보여줍니다. 눈 높이와 눈 너비는 손실이 발생하는 FR-4 트레이스의 삽입 손실에 비례해 줄어듭니다.