1. 임피던스(impedance)란?
PCB 설계에서 임피던스는 매우 중요한 요소입니다. 임피던스란 도체의 구조나 구성에 상관없이 전도체의 복합적인 특성이며, 전압을 가했을 때 전류의 흐름을 방해하는 요소를 말합니다. 신호가 전류를 타고 흘러가는 과정에서 손실이 없이 안정적으로 전달도되기 위해선 임피던스 값이 일정하게 유지되어야 합니다. 손실 없이 안정적으로 전달이 되려면 알맞은 임피던스 값이 유지가 되어야 하고, 이를 위해 PCB의 레이어 구조와 전기적 특성을 고려해 특정한 디자인 규칙을 따라야 합니다.
임피던스의 영향을 주는 요소는 크게 회로폭, 회로 두께, 절연 두께, 높이 네 가지로 볼 수 있습니다. 회로폭과 회로 두께가 좁을수록, 절연 두께가 클수록 높이가 높을수록 임피던스가 증가합니다. 반대로 회로폭과 회로 두께가 넓을수록, 절연 두께가 작을수록, 높이가 낮을수록 임피던스는 감소합니다.
회로폭 좁을수록/넓을수록
회로 두께 좁을수록/넓을수록 임피던스 증가/감소
절연두께 넓을수록/좁을수록
높이 높을수록/ 낮을수록
이런 요소들을 고려해 PCB를 설계할 때는 전송라인의 특징들을 면밀히 살핀 후 만들어야 신호 안정성과 무결성을 보장할 수 있습니다.
2. 임피던스의 유형
임피던스는 크게 single-ended impedance, Differntial impedence 두 가지 유형이 존재합니다. 이 두 가지는 전기회로에서 신호를 다룰 때 다른 유형의 신호를 나타냅니다.
- Single-ended impedance(단일 종단 임피던스)
single-ended impedance는 신호가 한 쌍의 전도체 혹은 지상 사이에서 전달될 때 측정되는 임피던스입니다. 전통적인 방식으로 전류가 한 방향으로 흐르는 단일 신호에 대한 전압 및 전류의 비율을 나타냅니다.
- Differntial impedance(차분 임피던스)
차분 임피던스는 두 개의 신호 경로 간의 임피던스의 차이를 나타냅니다. 일반적으로 두 개의 신호 선 사이에 있는 임피던스의 차이를 의미하며, 주로 고속 데이터 전송에 사용됩니다. 두 신호가 서로 상호작용하기 때문에 신호의 안정성을 높이고 노이즈를 감소시킵니다.
더 높은 임피던스는 신호의 속도를 느리게 하고, 더 낮은 임피던스는 신호 속도를 빠르게 합니다. 그렇다고 무조건 낮은 임피던스가 좋은 것이라고 볼 수는 없습니다. 전송라인의 물리적 특성이나 신호의 전달 요구 사항에 따라 그에 알맞은 임피던스가 설계되어야 합니다.
일반적으로 impedance값은 single의 경우 50옴(Ohm)이 가장 흔한 값입니다. differntial의 경우, 90~100옴이 가장 흔하며 주로 고속 데이터 통신에 사용됩니다.
다시 말해, PCB 임피던스 값은 해당 신호의 특성이나 설계 목표에 따라서 결정이 되며, PCB를 설계할 때는 시뮬레이션 및 테스트를 통해서 안정적인 임피던스 수치가 나오는지 확인해야 합니다. 그래야만 비로소 신호의 안정성과 무결성을 보장하고 신호의 잡음 및 왜곡을 줄일 수 있습니다.
3. 임피던스 쿠폰(Impedance Coupon)
PCB 각 pcs마다 임피던스를 측정할 수는 없기 때문에 쿠폰이라는 테스트보드를 만들어 간접적으로 측정합니다. 이 테스트 보드를 임피던스 쿠폰(impedence coupon)이라고 합니다. 주로 PCB 모서리나 특정 위치에 아주 작게 포함되어 있습니다. 일반적이고 직선적이고 간단한 트레이스 형태이며, 비록 테스트보드이지만 실제 신호라인과 같은 물리적 특성을 갖고 있습니다.
