PCB 임피던스를 지배하는 50, 90, 100옴의 이유: 제어 임피던스 뒤에 숨겨진 과학과 표준

인쇄 회로 보드 (PCB) 의 세계에서는 50, 90, 100 오름의 임피던스 값이 보편적입니다.산업 협업, 그리고 실제 세계 성능 테스트를 위해 고속 디지털 및 RF 디자인을 위해 올바른 임피던스를 선택하는 것이 중요합니다. 그것은 신호 반사를 방지하고 손실을 최소화합니다.그리고 커넥터와의 호환성을 보장합니다., 케이블 및 외부 장치.

이 가이드는 왜 50, 90, 100 오름이 PCB 임피던스의 황금 표준이 되었는지 설명합니다.그들의 실용적인 응용 (RF 트랜시버에서 USB 포트까지)5G 안테나나 USB-C 인터페이스를 설계하든, 이러한 임피던스 값을 이해하는 것은 신호 무결성을 최적화하는 데 도움이 될 것입니다.EMI를 줄이세요, 그리고 당신의 PCB가 다른 구성 요소와 원활하게 작동하는지 확인합니다.

주요 내용
1.50 오프: 단발 RF 및 고속 디지털 추적, 평형 전력 처리, 신호 손실 및 전압 내성을위한 보편적 표준 5G, Wi-Fi 및 항공 우주 시스템에 중요합니다.
2.90 오프: USB 디퍼셜 페어 (2.0/3.x) 를 위한 선택지, 소비자 전자제품에서 크로스 스톡을 최소화하고 데이터 속도를 극대화하기 위해 선택되었다.
3.100 오프: 이더넷, HDMI 및 SATA 인터페이스를 지배하며, 더 긴 거리를 가로 질러 차차 신호에서 노이즈 면역을 위해 최적화되었습니다.
4표준화 이점: 이러한 값을 사용하면 케이블, 커넥터 및 테스트 장비와 호환성을 보장하고 설계 복잡성과 제조 비용을 줄입니다.
5임피던스 제어: 추적 기하학, 기판 재료 및 레이어 스택은 임피던스에 직접 영향을 미칩니다. 작은 오차도 신호 반사 및 데이터 오류를 유발할 수 있습니다.

PCB 저항 의 과학
임피던스 (Z) 는 회로의 역류 (AC) 에 대한 저항을 측정하며 저항, 용량 및 인덕턴스를 결합합니다. PCB에서,제어된 임피던스는 신호가 왜곡없이 전파되도록 보장합니다., 특히 높은 주파수 (> 100MHz) 에서. 임피던스가 추적 경로에 따라 일관되면 신호 에너지는 소스에서 로드로 효율적으로 전송됩니다. 불일치로 인해 반사가 발생하여 데이터가 손상됩니다.EMI 증대, 그리고 범위를 줄여

PCB 흔적 저항 을 결정 하는 것 은 무엇 인가?
임페던스는 5가지 주요 요소에 따라 달라지며, 이 모든 요소는 설계 및 제조 과정에서 엄격하게 통제되어야 합니다.

1트레스 너비: 더 넓은 트레스는 임피던스 (더 많은 용량) 를 줄이고, 좁은 트레스는 증가합니다.
2흔적 두께: 두꺼운 구리 (예를 들어, 2oz) 는 더 얇은 구리 (0.5oz) 에 비해 impedance 를 낮춰줍니다.
3.다일렉트릭 두께: 흔적과 가장 가까운 지상 평면 사이의 거리는 더 두꺼운 다일렉트릭이 임피던스를 증가시킵니다.
4변전기 상수 (Dk): FR-4 (Dk = 4.0 ∼4.8) 와 같은 물질은 신호 전파를 느리게 한다. 낮은 Dk 물질 (예를 들어, 로저스 4350, Dk = 3.48) 는 임피던스를 증가시킨다.
5트레이스 스피싱: 디퍼셜 짝의 경우 더 가까운 스피싱으로 인해 용량 결합이 증가하기 때문에 임피던스가 감소합니다.

엔지니어들은 이러한 변수를 계산하기 위해 필드 솔버 도구를 (예를 들어, 폴라 Si8000) 사용하며 고속 설계에 중요한 ±10% 허용량으로 목표 임피던스를 달성합니다.

왜 50 오름 이 단편적 인 흔적 에 대한 보편적 표준 이 됩니까?
50 오름은 PCB에서 가장 널리 사용되는 임피던스이며, 특히 단단 RF 및 고속 디지털 신호에 사용됩니다. 그것의 지배력은 세 가지 중요한 성능 메트릭의 완벽한 균형에서 비롯됩니다.
1전력, 손실 및 전압의 균형
초기 RF 엔지니어들은 단일 임피던스 값이 세 가지 주요 매개 변수를 모두 최적화 할 수 없다는 것을 발견했습니다.

a.최저 신호 손실: ~77 오름 (마이크로 웨이브 링크와 같은 장거리 통신에 이상적입니다).
b.최대 전력 처리: ~30오엄 (대전력 송신기에 사용되지만 전압 붕괴에 취약하다).
c.최대전압 허용량: ~60오엄 (도망에 저항하지만 신호 손실이 더 높습니다.)

50 오름은 실용적인 타협으로 나타났고, 세 가지 범주 모두에서 수용 가능한 성능을 제공했습니다.대부분의 애플리케이션에서 5G 베이스 스테이션에서 Wi-Fi 라우터까지이 균형은 전문 구성 요소없이 신뢰할 수있는 작동을 보장합니다..

2케이블 및 커넥터와 호환성
50 오름은 RF 시스템의 척추인 동축 케이블이 이 임피던스에서 가장 잘 작동하기 때문에 표준화되었습니다. 초기 동축 설계 (예를 들어,RG-58) 는 손실을 최소화하고 전력 전송을 극대화하기 위해 50 오흐프 임피던스를 사용했습니다.이 케이블에 PCB가 통합됨에 따라, 50 오름은 커넥터에서 임피던스 불일치를 피하기 위해 기본이되었습니다.

오늘날 거의 모든 RF 커넥터 (SMA, N 타입, BNC) 는 50오엄으로 등급되어 있으며, 무선 설계에서 이 표준을 피할 수 없습니다.50오흐미 PCB 추적 장치와 50오흐미 커넥터 및 케이블이 결합되어 5G 및 레이더 시스템에서 범위를 유지하는 데 중요한 <1% 신호 반사를 보장합니다.

3FR-4의 실용 제조
가장 흔한 PCB 기판인 FR-4는 50오hm의 흔적을 달성하는 것을 단순화합니다. 전형적인 4층 FR-4 PCB (1.6mm 두께) 1온스 구리 흔적 (13밀리 너비) 50밀리 다이 일렉트릭 계층을 통해 자연스럽게 50오프에 도달이 호환성은 제조업체들이 엄격한 임피던스 허용을 달성하기 위해 표준 프로세스를 사용할 수 있기 때문에 제조 복잡성과 비용을 줄입니다.

450 오름의 실제 응용 프로그램
50오엄은 단발 고주파 신호를 가진 모든 설계에서 필수적입니다.

a.5G 및 셀룰러: 베이스 스테이션, 소형 셀 및 사용자 장비 (UE) 는 3GPP를 준수하는 신호 전송을 위해 50오프 (ohm) 추적에 의존합니다.
b. 항공우주 및 국방: 레이더 시스템, 위성 송신기 및 군사 라디오는 신뢰할 수 있는 장거리 통신을 위해 50 오임을 사용합니다.
시험 장비: 오실로스코프, 신호 생성기 및 스펙트럼 분석기가 50 오프에 캘리브레이션되어 정확한 측정이 보장됩니다.
d. 자동차 레이더: 77GHz ADAS 레이더 모듈은 컴팩트 디자인에서 손실을 최소화하기 위해 50 오프미터 추적을 사용합니다.

왜 90 와 100 오름 이 차이 쌍 을 지배 하는가
이차 신호는 두 개의 상호 보완적인 흔적을 (긍정적 및 부정적) 사용하여 초고속 디지털 시스템에서 소음과 교차 스톡을 줄입니다.이차 쌍은 이차 임피던스 (두 트랙 사이의 임피던스) 에 의존합니다., 90와 100오름이 특정 인터페이스의 표준으로 등장합니다.

190오엄: USB 표준
USB (Universal Serial Bus) 는 소비자 전자제품에 혁명을 일으켰고, 90오흐미의 차차 임피던스를 채택한 것은 우연이 아니었다.USB 구현자 포럼 (USB-IF) 은 세 가지 주요 요구 사항을 균형을 맞추기 위해 90 오임을 선택했습니다.:

a. 데이터 속도: USB 2.0 (480Mbps) 및 USB 3.x (520Gbps) 는 낮은 크로스 토크를 필요로하며, 90 오흐m 페어는 긴 추적 간격 (일반적으로 1 온스 구리 5 8m for) 을 통해 달성됩니다.
b.케이블 호환성: USB 케이블은 90 오름의 저항을 가진 굽힌 쌍을 사용합니다. PCB 흔적을 일치시키는 것은 커넥터에서 반사되는 것을 방지합니다.
c. 제조 가능성: 90 오hm 쌍은 표준 FR-4 PCB에서 제조하기가 쉽습니다. 전형적인 USB 3.0 트레스 (8 밀리 너비, 6 밀리 간격, 1 온스 구리) 는 ± 10% 허용량으로 90 오hm을 달성합니다.

2. 100 오프: 이더넷, HDMI, SATA
100 오름은 장거리 디지털 인터페이스에서 소음 면역이 중요한 차원 쌍의 표준입니다.

a. 이더넷: IEEE 802.3 표준 (10BASE-T ~ 100GBASE-T) 은 100 ohm의 이차 임피던스를 의무화합니다. 이 값은 또한 100 ohm의 트위스트 된 쌍을 사용하는 Cat5e / Cat6 케이블에서 크로스 스톡을 최소화합니다.PCB 흔적 (10마일 너비), 8mils 간격) 이 임피던스 대응, 100m + 거리에 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장합니다.
b.HDMI: 고화질 멀티미디어 인터페이스는 48Gbps까지의 비디오 / 오디오 신호를 전송하기 위해 100 오함 페어를 사용합니다. (HDMI 2.1). 긴밀한 임피던스 제어로 홈 시네마 시스템에 중요한 EMI가 감소합니다.
c.SATA: 일련 ATA 인터페이스 (하드 드라이브에 사용되는) 는 최소 오류로 6Gbps 데이터 속도를 달성하기 위해 100 오흐m 쌍에 의존합니다.

3. 왜 이차적 임피던스가 단결적과 다른가
이차적 임피던스는 단순히 단일 끝 값의 두 배가 아닙니다. 예를 들어, 100 오함의 이차 쌍은 50 오함의 단일 끝 흔적 두 개로 구성되지 않습니다. 대신,그것은 두 흔적 사이의 결합에 달려 있습니다:

a.용량 결합: 더 가까운 흔적은 역량을 증가시키고, 차차 임피던스를 낮추는 것입니다.
b. 인덕티브 커플링: 더 긴 간격은 루프 인덕턴스를 감소시키고, 또한 임피던스를 감소시킵니다.

이 결합은 왜 90~100 오름이 미분 쌍에 최적이되는 이유입니다. 그들은 비현실적으로 작은 흔적 간격을 요구하지 않고 결합과 노이즈 면역을 균형 잡습니다.

표준 저항 값 을 무시 하는 결과
비표준적 임피던스 (예: RF에 60오프, USB에 80오프) 를 사용하는 것은 소규모 설계 선택처럼 보일 수 있지만 측정 가능한 성능 문제로 이어집니다.
1신호 반사 및 데이터 오류
임페던스 불일치로 인해 신호가 불연속성 (예를 들어, 75 오흐미 커넥터에 연결된 50 오흐미트 트랙) 에서 반사됩니다. 이러한 반사들은 원래 신호와 혼합되어:

a.링링: 디지털 데이터를 손상시키는 오시슬레이션 (예: 1이 0이 되는 경우)
b.오버쇼트/아더쇼트: 민감한 부품 (예를 들어, FPGAs) 을 손상시키는 전압 스파이크.
c. 타이밍 지터: 데이터 속도를 줄이는 신호 타이밍의 변동.

10Gbps에서 10%의 임피던스 불일치 (50 오름 대 55 오름) 도 고속 링크를 사용할 수 없게 할 정도로 비트 오류율 (BER) 을 10배 증가시킬 수 있습니다.

2EMI 증가와 규제 결함
부적절한 임피던스는 반사된 신호가 작은 안테나처럼 작용하기 때문에 전자기 방사선을 생성합니다. 이 EMI는:

a. 인근 회로에 간섭한다 (예를 들어, 5G 모듈이 GPS 수신기를 방해한다).
b. FCC/CE 배출량 테스트에서 실패하여 제품 출시가 지연됩니다.
c. ADAS 시스템에 중요한 자동차 표준 (예: CISPR 25) 을 위반합니다.

3케이블 및 테스트 장비와 호환성
대부분의 준비 된 부품 (케이블, 커넥터, 프로브) 은 50, 90, 또는 100 옴으로 설계되어 있습니다. 비 표준 값을 사용하면 사용자 정의 구성 요소가 필요합니다.

a.비용 20~50% 증가 (예를 들어, 맞춤형 60오hm 동축 케이블).
b. 납품 시간을 연장합니다 (특별 연결 장치에는 12 주 이상의 납품 시간이 필요할 수 있습니다).
c. 테스트 옵션 제한 (대부분의 오실로스코프와 신호 발생기는 50 오흐미 입력 장치가 있습니다.)

4케이스 연구: 10 오름 불일치의 비용
산업용 이더넷 스위치 제조업체는 실수로 100오hm 대신 90오hm의 미분 궤적을 설계했습니다. 결과는:

a. 신호 반사로 인해 1Gbps에서 10%의 패킷 손실이 발생했습니다.
b. 재 테스트 및 재 설계는 프로젝트 타임 라인에 8 주가 추가되었습니다.
c. 90오프m 케이블은 BOM 비용을 단위당 15달러로 증가시켰습니다.
d.제품은 IEEE 802.3의 규격에 부합하지 않아 회수해야 합니다.

PCB 설계에서 제어 된 임페던스를 달성하는 방법
50, 90, 또는 100 오름 을 설계 하는 것 은 기하학, 재료, 제조 과정 에 주의 를 기울여야 합니다. 정확성 을 보장 하기 위해 다음 과 같은 단계 를 따르십시오.
1올바른 기판 재료를 선택
PCB 물질의 변압수 상수 (Dk) 는 임피던스에 직접 영향을 줍니다. 50오hm RF 흔적의 경우:

a.FR-4: 저비용 설계에 적합합니다 (Dk = 4.0~4.8), 그러나 Dk는 주파수와 습도에 따라 달라집니다.
b. 로저스 4350B: 고주파 (>10GHz) 설계에 이상적입니다 (Dk = 3.48 ± 0.05), 온도에서 안정적인 임피던스를 제공합니다.
c.PTFE 기반 재료: 항공우주에서 사용되지만 비싸고 제조하기가 어렵습니다.

디ферен셜 짝 (90/100 오름) 에 대해서는 FR-4가 대부분의 소비자 전자제품에 충분하며, 로저스 재료는 10Gbps+ 설계에 예약되어 있습니다.

2. 추적 기하학을 최적화
필드 풀러 도구를 사용하여 흔적 너비, 간격 및 다이 일렉트릭 두께를 계산하십시오.

a. 단발 (50 오름): 50 밀리 다이렉트릭을 가진 FR-4 (Dk = 4.5) 에 1 온스 구리 흔적은 13 밀리 폭이 필요합니다.
b.USB (90 오프): 50 밀리 다이 일렉트릭 상에서 6 밀리 간격으로 8 밀리 너비의 두 개의 흔적이 90 오프를 달성합니다.
c. 이더넷 (100 오프): 50 밀리 다이 일렉트릭 상에서 8 밀리 간격으로 10 밀리 너비의 두 개의 흔적이 100 오프에 도달합니다.

항상 트랙 바로 아래의 바닥 평면을 포함합니다. 이것은 임피던스를 안정시키고 EMI를 줄입니다.

3당신 의 제조업체 와 협력 하십시오
제조업체는 임피던스에 영향을 미치는 독특한 능력을 가지고 있습니다.

a.어치 tolerances: 대부분의 가게는 ± 10%의 임피던스 제어, 그러나 고급 제조업체 (예를 들어, LT CIRCUIT) 는 중요한 설계에 ± 5%를 제공합니다.
b.물질의 변동성: FR-4 또는 로저스 물질의 대량에 대한 Dk 테스트 데이터를 요청하십시오. Dk가 ± 0로 변할 수 있기 때문입니다.2.
c. 스택업 검증: 다이 일렉트릭 두께와 구리 무게를 확인하기 위해 생산 전 스택업 보고서를 요청합니다.

4테스트 및 검증
제조 후 임피던스를 확인합니다:

a. 시간 영역 반사학 (TDR): 경로를 따라 임피던스를 계산하기 위해 반사를 측정한다.
b. 벡터 네트워크 분석기 (VNA): 주파수 (RF 설계에 중요한) 를 통해 임피던스를 테스트합니다.
시그널 무결성 시뮬레이션: 키사이트 ADS와 같은 도구는 눈 다이어그램과 BER를 예측하여 USB 3.2 또는 이더넷과 같은 표준을 준수하도록합니다.

자주 묻는 질문: 일반적 인 막대기 신화 와 오해
질문: RF 설계에 50오름 대신 75오름을 사용할 수 있나요?
A: 75 오름 은 신호 손실 을 최소화 한다. (케이블 TV 를 위해 이상적 이다.) 그러나 대부분의 RF 커넥터, 증폭기, 시험 장비 는 50 오름 을 사용 한다.75 오함 PCB는 50 오함 부품에 연결되면 신호 반사 20% ~ 30%를 겪습니다., 범위를 줄이고 EMI를 증가시킵니다.

Q: USB와 이더넷은 왜 다른 이차 역량을 사용합니까?
A: USB는 소형성 (단기 케이블, 더 긴 추적 간격) 을 우선시하며, 90 오임을 선호합니다. 이더넷은 장거리 전송 (100m+) 에 중점을두고 있으며, 100 오름은 멀티 페어 케이블에서 크로스 스톡을 감소시킵니다..이 값은 상호 운용성을 보장하기 위해 각각의 표준에 고정됩니다.

Q: 모든 PCB 레이어는 제어된 임피던스를 필요로 합니까?
A: 고속 신호 (> 100Mbps) 만 제어 된 임피던스를 필요로하지 않습니다. 전력, 지상 및 저속 디지털 계층 (예: I2C, SPI) 은 제어되지 않은 임피던스를 사용할 수 있습니다.

질문: 임피던스 용도는 얼마나 긴해야 할까요?
A: 대부분의 설계에서는 ±10%가 허용됩니다. 고속 인터페이스 (예: USB4, 100G 이더넷) 는 BER 요구 사항을 충족시키기 위해 ±5%가 필요합니다. 군사 / 항공 우주 설계는 극심한 신뢰성을 위해 ±3%를 지정 할 수 있습니다.

Q: 같은 PCB에서 임피던스 값을 혼합할 수 있나요?
A: 네, 대부분의 PCB에는 50 오함 RF 추적, 90 오함 USB 페어 및 100 오함 이더넷 페어가 있습니다. 서로 다른 임피던스 도메인 간의 교차 소리를 방지하기 위해 고립 (지상 평면, 간격) 을 사용하십시오.

결론
PCB 설계에서 50, 90, 100 오름의 지배성은 우연이 아닙니다.이 값은 성능, 호환성 및 제조성의 최적의 균형을 나타냅니다.50 오름은 단일 끝 RF 및 고속 디지털 시스템에서 우수합니다.이 표준을 준수함으로써, 이 표준은 USB, 이더넷, HDMI의 차이 신호의 필요에 맞게 조정됩니다.엔지니어들은 기존의 케이블과 손쉽게 작동하도록 설계합니다., 커넥터 및 테스트 장비는 위험, 비용 및 시장 진출 시간을 줄입니다.

이러한 임피던스 값을 무시하면 불필요한 복잡성을 도입합니다. 신호 반사, EMI 및 호환성 문제로 프로젝트를 탈선시킬 수 있습니다.5G 스마트폰이나 산업용 이더넷 스위치를 설계하든, 제어된 임피던스는 후반적인 것이 아닙니다. 그것은 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치는 기본 설계 원칙입니다.

초고속 기술이 발전함에 따라 (예를 들어, 100G 이더넷, 6G 무선), 50, 90, 100 오름은 여전히 중요합니다.그들의 장수성은 새로운 재료와 더 높은 주파수들에 적응할 수 있는 능력에서 비롯되며 동시에 전자 산업을 움직이는 상호 운용성을 유지합니다..

엔지니어들은 이 표준을 수용하고, 임피던스 제어 검증을 위해 제조업체와 긴밀히 협력하고, 시뮬레이션 도구를 사용하여 설계를 검증합니다.당신은 일관성 있는 PCB를 만들 것입니다., 가장 까다로운 응용 프로그램에서도 신뢰할 수있는 성능.

다음 번에 PCB 레이아웃을 검토할 때, 기억하세요: 그 숫자는 50, 90, 100은 단지 저항 값이 아닙니다. 그들은 수십 년의 엔지니어링 지혜의 결과입니다.의사소통, 그리고 의도한대로 수행합니다.