KR0153910B1 - 고속 백플레인용 복합형 정합 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속신호 전송시스템에서 전송선로의 종단부에 연결되는 정합회로에 있어서, 종래의 다이오드 정합방식과 교류정합방식의 결합을 이용하여 작은 구동전류를 가짐으로 정상 상태에서의 전력소모를 줄일 수 있으며, 부하 임피던스의 변화에 대응할 수 있고, 전송된 신호의 논리 천이시 발생되는 오버슈트(overshoot)를 감소시킬 수 있는 고속 백플레인용 복합형 정합회로를 제공하는데 그 목적이 있으며, 이를 달성하기 위한 본 발명은 병렬로 구성되어 한쪽단에 각각 전원전압을 병렬로 입력받는 제1 저항저항수단(1)과 제2 저항수단(2), 상기 제1 저항수단(1)의 나머지 다른 단과 상기 제2 저항수단(2)의 나머지 다른 단 사이에 연결이 되는 제1 커페시터수단(5), 상기 제1 저항수단(1)과 연결된 상기 제1 커페시터수단(5)의 단으로부터 입력을 받는 제1 다이오드 수단(3), 상기 제1 저항수단(1)과 연결된 상기 제1 커페시터수단(5)의 단에 출력하는 제2 다이오드 수단(4), 및 소정의 바이어스 전압에 연결된 상기 제1 다이오드 수단(3)의 출력과 상기 제2 다이오드 수단(4)의 입력이 연결되는 한쪽단이 접지된 제2 커페시터수단(6)을 구비하며, 이러한 본 발명은 백플레인을 이용하는 고속신호 전송 시스템에서 전송선로 양단에 적용할 수 있으며 사용되는 소자들의 결정방법을 제시하므로써 여러 사용자들이 간단히 이용할 수 있어, 점차 고속화 되어가는 시스템의 설계에 있어서 간단하면서도 효율적으로 사용할 수 있는 매우 우수한 효과가 있다.

Description

고속 백플레인용 복합형 정합 회로

제1도는 종래의 병렬 정합 회로의 구성도.

제2도는 에미터 결합 논리(ECL) 구동 회로의 출력 예시도.

제3도는 종래의 병렬 정합 회로와 교류(AC)정합 회로로 이루어진 정합 회로의 구성도.

제4도는 상기 제3도의 회로를 이용한 수신부 입력 신호 파형도.

제5도는 종래의 다이오드 정합 회로와 교류(AC) 정합 회로로 이루어진 정합 회로의 구성도.

제6도는 다이오드 정합 회로에 사용된 자기 버블 소자(MBD101) 소트키 다이오드의 바이어스 전압에 대한 등가 저항 값의 그래프.

제7도는 상기 제5도의 회로를 이용한 수신부 입력 신호 파형도.

제8도는 본 발명에 따른 고속 백플레인용 복합형 정합 회로의 일 실시예 구성도.

제9도는 상기 제8도의 회로를 이용한 수신부 입력 신호 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2 : 저항 3, 4 : 다이오드

5, 6 : 커패시터

본 발명은 고속신호 전송 시스템에서 전송 선로의 종단부에 적용되는 고속 백플레인용 복합형 정합 회로에 관한 것이다.

다기능화 대용량화 되어가고 있는 현대의 통신 시스템에서는 전체 시스템을 하나의 인쇄 회로 기판(PCB)을 이용하여 설계하기에는 시스템의 부피가 증가할 뿐만 아니라 신호의 지연으로 인한 신호왜곡이 발생될 수 있다. 따라서 이를 보완하기 위하여 전체시스템의 구성시 유사한 기능을 가진 몇 개의 부분으로 분할하여 여러 장의 기능보드들로 설계하며 각각의 기능 보드들은 신호선 및 결합기로 구성된 백플레인을 통하여 각 기능 보드들을 접속함으로써 전체 시스템을 구성하는 추세에 있다.

이러한 형태로 제작된 시스템들은 사용자에게 있어서 필요한 기능보드만을 이용하여 시스템을 구성할 수 있게 하며 시스템의 불량으로 인한 오동작시 특정 보드만을 교체함으로써 시스템을 복구할 수 있는 장점이 있는 반면에, 상기 각 기능보드들의 탈착 또는 장착시 기능보드들의 등가 입력 커패시턴스의 변화로 인해 선로에서의 부하 임피던스가 변화하게 되고, 특히 백플레인을 이용하여 전송하는 신호의 주파수가 높아질수록 기능보드들의 탈착 또는 장착으로 인한 부하 임피던스 변화는 더욱 크게 발생된다. 상기 이러한 임피던스의 변화는 선로를 통하여 전송되는 신호에 반사를 일으켜 수신단에서 전송된 신호의 복원을 방해하는 요소로 작용하게 되므로, 백플레인의 설계시 기능보드들의 탈착 또는 장착으로 인한 부하 임피던스의 변화를 고려하여 반사에 의한 신호 왜곡을 최소화할 수 있도록 선로의 전단 또는 후단에 임피던스 정합 회로가 필요하다. 한편, 상기 백플레인에서는 무부하시 선로의 특성 임피던스가 크면 클수록 부하시 선로의 특성임피던스는 단위 길이당 부하 커패시턴스의 변화에 민감해지며 단위길이당 부하 커패시턴스는 기능 보드의 등가 입력 커패시턴스와 기능 보드의 간격에 따라 변한다. 또한 신호의 상승 시간에 비해 선로에서의 지연이 커질 경우 신호의 왜곡 또한 비례하여 커지게 되므로 정확한 임피던스 정합을 위해서는 무부하시의 선로 특성 임피던스, 선로에서 지연시간, 전체 백플레인의 길이, 기능보드들의 간격, 수신단과 송신단 게이트에서의 상승 및 하강 시간들이 정합을 결정하는 중요한 요인이 된다. 정합 회로에 사용되는 등가 저항값을 무부하시 선로의 특성 임피던스와 동일하게 설정하는 경우, 플레인에 기능 보드가 완전히 정착 되었을 때 신호의 왜곡이 가장 심하게 발생되나, 보드의 입력단에 있는 입력 등가 커패시턴스가 전압의 급변을 막아주어 신호의 왜곡을 부드럽게 하는 역할을 한다. 또한 기능 보드의 탈착 또는 장착으로 인해 임피던스 정합이 이루어지지 않아 반사가 발생할 때 그 반사 계수의 부호가 양이 되도록 하므로서, 전송된 신호에는 약간의 오버슈트(overshoot)가 발생되나, 중부하시 선로의 특성 임피던스와 정합 저항을 같게하여 기능 보드가 탈착되어 생기는 신호의 반사가 음의 반사 계수값을 가지므로 생기는 신호의 상승 시간이 늘어나고 이로 인해 입사파 스위칭을 어렵게 하는 것을 막을 수 있다.

그 밖에, 부수적인 요인들로는 기능 보드의 게이트로 에미터 결합논리(ECL ; Emiter Coupled Logic) 게이트를 사용할 경우, 임피던스 정합은 풀 다운(pull down)저항의 역할을 하여야 하며 정상상태에 전력 소비가 적어야 하는 등의 역할들을 해 줄 수 있어야 한다.

상기 전술한 종래의 임피던스 정합의 종류로는 병렬정합, 교류정합, 및 다이오드 정합등이 있다.

제1도는 종래의 병렬 정합 회로의 구조를 나타낸 것이다.

버스 구조에서는 임피던스 정합이 선로의 양 종단에서만 이루어지게 되므로 상기 방식을 이용하여 임피던스 정합을 한다. 상기 방식은 선로의 시상수와 결합하여 선로의 지연을 유발시키고 정상상태에서 전력 소비가 큰 단점을 가지고 있으나 바른 입사파 스위칭이 가능하며 풀다운(pull-down)저항의 역할을 할 수 있어 에미터 결합 논리(ECL)버스에서의 정합방식으로 널리 사용되고 있다.

제2도는 에미터 결합 논리(ECL) 구동 회로의 출력예시도로서 에미터 팔로우(emitter follower)의 구조를 가지고 있으므로 출력이 논리 1이 되어 트랜지스터가 도통(ON)되면 부하에 전류를 공급할 수 있으나, 트랜지스터가 차단될 경우(OFF)부하 커패시터에 충전된 전하를 방전시킬 수 없다. 따라서 소정의 음전압(-5V 또는 -2V)의 정합 전압에 연결된 풀다운 저항을 이용하여 차단시에 부하 커패시터에 충전된 전하를 방지시킨다. 이때 부하 커패시터의 변화는 시상수에 영향을 미치게 되어 응답이 전송 신호의 형태와 주파수에 의존하기 때문에 정상상태에서의 전력 소모를 줄이면서 임피던스 정합을 하기 위하여 다음, 제3도와 같이 커패시터를 이용하여 교류 정합 회로와 결합한다.

제3도는 종래의 병렬 정합 회로와 교류(AC) 정합 회로로 이루어진 정합 회로의 구성도이다.

정합 저항 Rt1과 Rt2는 풀다운 기능만을 수행하며, 정합 저항 Rt3은 선로의 임피던스와 정합을 위해 사용된다. 전송 신호의 천이시에 고주파 성분으로 인해 커패시터의 임피던스는 무시할 수 있으므로 전체 임피던스는 저항 Rt1과 Rt2, Rt3의 병렬 저항에 의해서만 결정된다. 따라서 신호의 상승 및 하강 시간에는 저항에 의한 임피던스 정합이 이루어지며, 정상 상태에서는 상기 커패시터에 의해 상기 저항 Rt3으로 흐르는 전류가 제한되므로 전력 소모를 줄일 수 있다. 이 경우 저항과 커패시터의 결합으로 결정되는 시상수는 시스템의 클럭 주기보다 커야 하고, 선로의 단위 길이당 전송 지연시간 보다 2배 이상 커야 하며, 소모되는 전력을 줄이기 위해 상기 커패시티 Ct의 값은 작아야 한다.

제4도는 상기 제3도의 회로를 이용한 경웅의 수신부 입력신호의 파형도를 나타낸다.

풀다운 저항의 존재로 신호가 논리 1에서 논리 0으로 신속하게 이동하나, 논리 0에서 논리 1로 갈 때 오버슈트(overshoot)가 발생됨을 관찰할 수 있다. 이때 발생된 오버슈트는 다이오드 정합을 이용하여 줄일 수 있다. 그러나 AC 정합과 병렬 정합 회로의 경우 정합 가능한 임피던스가 고정되어 있으므로 백플레인에서는 보드의 탈착 및 장착으로 인해 수시로 변화하는 부하 임피던스에 대해 정확한 정합을 할 수 없는 단점을 지니게 된다. 이는 선로의 임피던스 변화에 대하여 능동적으로 임피던스 정합이 가능한 다이오드 정합을 이용하여 기능 보드에 탈착 및 장착에 의한 신호의 왜곡을 최소화할 수 있다.

제5도는 종래의 다이오드를 이용한 정합 회로와 교류 정합 회로로 이루어진 정합 회로를 나타내었으며, 이때 사용되는 다이오드는 스위칭 특성이 좋은 소트키 다이오드를 이용하여야 한다.

상기 다이오드의 등가 저항은 다이오드 양단의 바이어스 전압에 따라 달라지므로 선로의 임피던스와 정합이 되기 위해서 바이어스 전압은 다이오드의 종류에 따라 달라져야 함을 알 수 있다. 이때 일반적으로 다이오드의 순방향 전압이 0.4 내지 0.5V일 때 등가저항이 40Ω 내지 100Ω인 자기 버블 소자(MBD101) 쇼트키 다이오드를 사용한다.

제6도는 상기 자기 버블 소자 쇼트키 다이오드의 순방향 바이어스 전압에 따른 등가 저항을 나타낸 것이며 다이오드 양단에 걸리는 전압이 변함에 따라 다이오드를 통해 흐르는 전류가 편하므로 다이오드의 순방향 전압 변화에 따라 가변 저항처럼 동작한다. 그러나 다이오드의 순방향 전압이 일정 범위를 벗어나면 저항은 무한대 또는 영(0Ω)에 근접하게 되므로 다이오드의 바이어스 전압을 주의해서 결정해야 한다. 선로의 임피던스와 정합을 시키기 위해서는 도면에 도시한 바와 같이 다이오드 양단의 전압차가 0.45V와 0.5V 사이에 있어야 함을 알 수 있다. 구동회로의 출력은 논리 0이면 소정의 -1.7V, 논리 1이면 -0.8V의 신호가 선로를 따라 전송되므로 다이오드의 바이어스 전압을 -1.3V로 인가한다. 이로인해 출력 값이 변화할 때 하나의 다이오드는 역방향 전압이 걸리므로 전류가 흐르지 않고 다른 하나는 순방향 전압으로 인해 전류가 흘러 임피던스 정합 작용을 하며, 출력이 논리 1이면 다이오드 D2의 양단에 순방향 전압이 인가되어 임피던스 정합 작용을 한다.

제7도는 상기 제5도의 회로를 이용한 경우 수신부의 입력신호 파형도를 나타낸다. 도면을 통해 알수 있듯이 논리 상태가 1일 경우에는 다이오드로 인해 클램핑(champing)이 이루어져 신호의 오버슈트를 막아 주지만 풀다운 저항의 부재로 신호의 하강시 출력단의 등가 커패시터에 충전된 전압의 방전이 신속히 이루어지지 못해 논리 1에서 논리 0으로의 신호 천이가 불안정함을 알 수 있다.

상기와 같은 각 정합회로들은 저항, 커패시터, 및 다이오드 등으로 구성되며, 이들 방식들 중에서 기능보드의 탈착 또는 장착으로 인해 변화하는 선로의 부하 임피던스에 대응되어 사용할 수 있는 정합방식으로 다이오드 정합이 있으나, 다이오드 정합은 다이오드가 손상을 입게 도는 경우에서는 타 방식들에 비해 상대적으로 시스템의 동작에 미치는 영향이 크고, 교류 정합 회로에서는 구동 전류는 작으나 전송되는 신호 주파수에 의해 임피던스가 변화하게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 종래의 다이오드 정합 방식과 교류 정합 방식의 결합을 이용하여 작은 구동 전류를 가짐으로 정상상태에서의 전력 소모를 줄일 수 있으며, 부하 임피던스의 변화에 대응할 수 있고, 전송된 신호의 논리 천이시 발생되는 오버슈트(overshoot)를 감소시킬 수 있는 고속 백플레인용 복합형 정합회로를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1 전원 입력단에 병렬로 연결된 제1 저항(Rt1) 수단 및 제2 저항(Rt2) 수단, 상기 제2 저항 수단에 직렬로 연결되고, 상기 제1저항 수단에는 병렬로 연결된 제1 커패스터 수단, 제2 전원 입력단과 접지에 연결되어 인가 전원을 충전하는 제2 커패스터 수단, 상기 제2 전원 입력단에 순방향으로 연결되고, 상기 제1 저항 수단과 상기 제1 커패시터 수단에 연결된 제2 다이오드 수단, 및 상기 제2 다이오드 수단과 병렬로 연결되어 상기 제2 전원 입력단에 역방향으로 연결되고, 상기 제2 커패시터 수단과 상기 제1 커패시터 수단 및 제1 저항 수단에 연결된 제1 다이오드 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제8도는 본 발명에 따른 고속 백플레인용 복합형 정합 회로의 일실시예 구성도로서, 도면에서 1은 제1 저항(Rt1), 2는 제2 저항(Rt2), 3은 제2 다이오드(D2), 4는 제1 다이오드(D1), 5는 제1커패시터(Ct1), 6은 제2 커패시터(Ct2)를 각각 나타낸다.

본 발명은 다이오드 양단의 전압을 0.45 내지 0.5V로 유지하기 위해 -0.3V의 바이어스 전압을 인가하며 신호의 천이시 제1 커패시터(5)는 단락 상태이므로 제1 저항(1)과 제2 저항(2)의 병렬 저항값이 선로의 특성 임피던스와 동일하게 그 값을 설정한다. 또한 제1 커패시터(5), 제1 저항(1), 그리고 제2 저항(2)의 결합으로 발생되는 시상수는 선로의 단위 길이당 전파 지연 속도의 2배 이상의 되도록 설정한다. 여기서 제2 커패시터(6)는 -1.3V로 충전되어 있어 신호의 천이시 전류의 공급을 줄여주며 -1.3V 전원이 불안정해 지더라도 다이오드 바이어스 전압을 안정 시킬 수 있다.

상기 사용되는 소자들의 값은 다음과 같이 구할 수 있다. 먼저 제1 커패시터(5)는 전송 신호 천이시 단락이 되므로 제1 저항(1)과 제2 저항(2)의 병렬 저항 값이 선로의 특성을 임피던스(Zo)와 같아야 하므로 그 값은 식(1)과 같다.

상기 제1 커패시터(5)는 신호의 천이시 신속하게 단락이 되어 임피던스 정합을 이루어야 하므로 너무 큰 값을 사용할 수는 없다. 따라서, 상기 제1 커패시터(5)의 결정기준으로써 제1 저항(1), 제2 저항(2), 선로 특성임피던스(Zo)와 제1 커패시터(5)로 이루어지는 시상수가 선로의 단위 길이당 소정의 전송 지연 시간(t_pd)의 3배가 되도록 하였다. 따라서 제1 커패시터(5)의 값은 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

한편, 제2 커패시터(6)는 전원의 변동에 상관없이 다이오드의 바이어스 전압을 유지 시켜주기 위해서 그 값이 상당히 커야 하므로 본 발명에서 0.1uF으로 채택하였다.

제9도는 상기 제8도의 회로를 이용한 경우의 수신부 입력신호의 파형도로서 상기 본 발명에 사용된 소자들의 값을 결정한 후 선로의 양종단에 정합하였을 경우 수신부의 입력신호 파형을 나타낸 것이다. 도면에 도시한 바와 같이 병렬정합 회로를 이용하여 검증한 상기 제4도의 결과와 다이오드 정합회로를 이용하여 검증한 상기 제7도의 결과에 비해 신호의 오버슈트와 언더슈트가 상당히 감소하며 전송된 신호가 논리 1에서 논리0상태로 천이할 때에도 양호함을 검증할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 본 발명은 작은 구동 전류를 가짐으로 정상상태에서의 전력 소모를 줄일 수 있으며, 부하 임피던스의 변화에 대응할 수 있고, 전송된 신호의 논리 천이시 발생되는 오버슈트(overshoot)를 감소 시킬수 있고, 또한 백플레인을 이용하는 고속 신호 전송 시스템에서 전송선로 양단에 적용할 수 있으며 사용되는 소자들의 결정방법을 제시하므로써 여러 사용자들이 간단히 이용할 수 있어, 점차 고속화 되어가는 시스템의 설계에 있어서 간단하면서도 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 제1 전원 입력단에 병렬로 연결된 제1 저항(Rt1) 수단(1) 및 제2 저항(Rt2) 수단(2), 상기 제2 저항 수단(2)에 직렬로 연결되고, 상기 제1 저항 수단(1)에는 병렬로 연결된 제1 커패시터 수단(5), 제2 전원 입력단과 접지에 연결되어 인가 전원을 충전하는 제2 카패시터 수단(6), 상기 제2 전원 입력단에 순방향으로 연결되고, 상기 제1 저항 수단(1)과 상기 제1 커패시터 수단(5)에 연결된 제2 다이오드 수단(3), 및 상기 제2 다이오드 수단(3)과 병렬로 연결되어 상기 제2 전원 입력단에 역방향으로 연결되고, 상기 제2 커패시터 수단(6)과 상기 제1 커패시터 수단(5) 및 제1 저항 수단(1)에 연결된 제1 다이오드 수단(4)을 구비한 것을 특징으로 하는 고속 백플레인용 복합형 정합 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 저항 수단(1)과 상기 제2 저항 수단(2)의 병렬 저항값은 선로의 특성 임피던스(Z₀)의 2배가 되게 설정하는 것을 특징으로 하는 고속 백플레인용 복합형 정합 회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전원 입력단의 인가 전원은 -2V이고, 상기 제2 전원 입력단의 인가 전원은 -1.3V로 하는 것을 특징으로 하는 고속 백플레인용 복합형 정합 회로.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 커패시터 수단(6)의 값은 전원의 변동에 상관없이 다이오드의 바이어스 전압을 유지 시켜주기 위해 0.1uF의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 고속 백플레인용 복합형 정합 회로.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 저항 수단(1), 제2 저항 수단(2), 선로 특성 임피던스(Z₀)와 상기 제1 커패시터 수단(5)으로 이루어지는 시상수가 선로의 단위 길이당 전송 지연 시간의 3배가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고속 백플레인용 복합형 정합 회로.