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ADC란 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 전자회로를 말한다.
Real World는 아날로그 세상이며 아날로그 데이터를 디지털 전자회로 위에서 다루기 위해서는 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환을 해줘야 한다.

 
이때 사용되는 소자를 ADC라고 하며 ADC는 굉장히 많은 곳에서 사용되고 있다.
(아날로그와 디지털을 모두 다루기 때문에 Mixed-signal device이다.)
간단히 ADC의 기본 원리부터 ADC의 성능 지표가 되는 파라미터들을 정리해 보겠다.

ADC는 위 블록처럼 아날로그 데이터 (연속된)를 0, 1로 구성된 디지털 데이터로 변환시켜 준다.
 
ADC의 원리를 이해하기 위해서 가장 직관적인 ADC를 보면 아래와 같을 수 있다. (Flash ADC)

저항과 비교기, Priority Encoder를 사용해 구현한 ADC이다.
전압 분배, 비교기, Encoder에 대해 알고 있다면 VIN에 따른 2-bit Output의 출력이 아래 테이블과 같이 나온다는 것을 알 수 있다.

위 방식으로는 4개의 입력을 구분할 수 있다. (Resolution = 2bit)
 
ADC의 종류는 다양하기 때문에 (Flash, SAR, Pipeline, Sigma-Delta, Integrating ADC, Multi-Slope ADC) 널리 사용되는 SAR (Successive Approximation Register)에 대해서만 정리하도록 하겠다.
 
SAR ADC는 연속 근사 ADC라고 하며 가능한 디지털 양자화 레벨을 이진 탐색하여 값을 찾아가며 동작한다.

SAR ADC의 구성 블록의 설명은 아래와 같다.
 
1. S/H (Sample and Hold)
 - 입력된 아날로그 데이터 Vin 값을 변환을 위해 저장한다.
 
2. DAC (Digital to Analog Converter)
- SAR 로직이 설정한 디지털 값을 아날로그 전압으로 변환한다.
- 일반적으로 capacitor array DAC (CDAC)를 사용한다.
 
3. Comparator
- 입력된 아날로그 값 Vin과 DAC에서 출력된 Vdac를 비교한다.
 
4. SAR (Successive Approximation Register)
-  MSB부터 LSB까지 비트를 순차적으로 결정하며 이전 비교 결과를 기억해 다음 비트 판단을 수행한다.
 
이제 SAR DAC가 어떻게 동작하는지 보자.

동작을 설명하기 위해서 4 bit의 ADC라고 가정을 하게 되면 DAC는 위와 같은 아날로그 전압 기여도 (weight)를 가진다.
5V의 Ref Voltage가 DAC에 공급되고 입력된 아날로그 전압이 Vin일 때, 아래의 애니메이션처럼 이진 탐색을 수행하며 Vin에 맞는 값을 찾아가게 된다.
Comparator를 통해 입력된 Vin를 MSB부터 LSB까지 비교 및 결정해 값을 찾아가며 N bit의 ADC의 경우 총 N번의 비교가 필요하게 된다.

위 애니메이션을 보면 1.3V 입력이 들어왔는데 최종 판단된 데이터는 0b0100 = 1.25인 것을 알 수 있다.
4bit ADC가 가지는 Resolution Limit에 의해 오차가 발생하였고 이를 Quantization Error라고 한다.
 
Quantization Error을 포함해 ADC의 성능 지표들에 대해 알아보자.
아래 등장하는 여러 성능에 대한 Datasheet는 TI사의 ADC128S102 제품을 예시로 들었다.
 
ADC의 성능 지표들을 분류해 보자면 정적 성능인 (Static converter characteristrics)와 동적 성능인 (Dynamic converter characteristics), 속도/타이밍, 노이즈 등이 있다. 많은 성능지표가 있으나 대표적인 성능 지표들에 대해서만 정리하도록 한다.
 

Static converter characteristrics

입력-출력 관계가 얼마나 정확한 지 표현하는지에 대한 성능 지표

- Resolution
ADC가 나누는 코드의 개수이며. 전압 분해능인 LSB를 결정한다.

- INL (Integral Non-Linearity)
ADC의 정밀도를 나타내는 핵심 지표이며 전체 전송 특성이 이상적인 직선에서 얼마나 벗어났는지를 의미한다.
INL이 안 좋으면 전체적인 선형성이 깨져서 측정 데이터의 왜곡 (Distortion)이 발생한다.
 

output codes 별로 INL값을 보여준다.
 
- DNL (Differential Non-Linearity)
코드 간 간격이 1 LSB에서 얼마나 벗어났는지를 의미한다.
DNL < -1 LSB 이면 Missing Code가 발생한다.
DNL = (Actual Step) - (Ideal Step)

- Offset Error
입력이 0V 일 때, 출력이 0이 아닌 정도

- Gain Error
입력에 따른 출력의 변환 정도 (기울기)가 달라지는 정도

- Full Sacle Error
입력이 최대일 때, 출력이 최대가 아닌 정도
Full Sace Error = Offset Error + Gain Error

Dynamic converter characteristrics

시간에 따라 변하는 신호를 얼마나 깨끗하게 변환할 수 있는지에 대한 성능 지표

- SNR (Singal-to-Noise Ratio)
SNR은 ADC가 출력하는 신호 중에서 신호(Signal)가 잡음(Noise)에 비해 얼마나 큰가를 나타내는 비율이다.
입력 신호와 ADC에서 발생하는 잡음이 합쳐서 출력되는 신호가 얼마나 선명한지를 의미한다.

- THD (Total Harmonic Distortion)
THD는 ADC가 아날로그 신호를 디지털로 바꿀 때, 출력에 발생한 고조파 성분들의 총합을 의미한다.
ADC가 가지는 비선형성 때문에 입력된 신호의 주파수 외에 고조파 성분이 발생하게 된다.
이때 발생한 고조파 성분에 의한 왜곡을 의미한다.

- SINAD (Signal-to-Noise and Distortion)
SNR에 THD(왜곡)을 포함한 값으로 ADC의 성능을 더 정확히 표현한다.

- ENOB (Effective Number of Bits)
ADC가 실제로 몇 비트짜리 ADC처럼 동작하는지를 즉, Actual Resolution을 의미한다.
12-bit ADC라고 하더라도 노이즈, 왜곡에 의해 실제로는 더 낮은 bit의 resolution을 가질 수 있으므로 실제 사용되는 영역을 표현한다.

 
속도/타이밍

얼마나 빠른 속도로 샘플링, 디지털 변환 할 수 있는지에 대한 성능 지표

- Sampling Rate (Fs)
초당 샘플 수 SPS로 표현한다. (Samples Per Second)
 
- acquisition Time
sample & hold circuit이 외부 입력을 smapling 하는데 필요한 시간.
 
- Conversion Time
sampling 완료된 입력 전압을 디지털로 변환하는데 필요한 시간.
 
- Throughput Time
Acquision Time + Conversion Time으로 아날로그 입력이 디지털 출력으로 변환되는데 필요한 최종 시간.
 
 
위와 같이 ADC에 대해 간단히 알아보았다. ADC는 굉장히 많은 영역에서 사용되며 특히 음성, 음악, 영상 등 실제 사람들이 많이 사용하는 전자제품들에 들어가 있으며 (휴대폰은 물론이고 에어팟, 카메라 등에도 들어가 있다.) 아날로그 세상을 디지털 세상으로 바꾼 일등공신 부품이라고 할 수 있다.

드림 웍스 (Dream Works)가 드림웍스 30주년 기념으로 만든 애니메이션 와일드 로봇.
아래는 시놉시스...
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뉴욕타임즈 베스트셀러 & 아마존 올해의 책!
전 세계를 매료시킨 아동 문학 거장 피터 브라운 소설 첫 영화화!
<드래곤 길들이기> 제작진이 선사하는 따뜻한 감성 어드벤처

“이 비행은 너에게 주는 선물이야”
우연한 사고로 거대한 야생에 불시착한 로봇 '로즈'는
주변 동물들의 행동을 배우며 낯선 환경 속에 적응해 가던 중,
사고로 세상에 홀로 남겨진 아기 기러기 '브라이트빌'의 보호자가 된다.

‘로즈'는 입력되어 있지 않은 새로운 역할과 관계에 낯선 감정을 마주하고
겨울이 오기 전에 남쪽으로 떠나야 하는 '브라이트빌'을 위해
동물들의 도움을 받아 이주를 위한 생존 기술을 가르쳐준다.
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위 설명에서 볼 수 있듯이 로봇과 동물 간의 또똣한 이야기를 다룬다.
귀여움 몽몽이들이 많이 나와서 애들이 좋아하겠다~ 싶겠지만... 어른들이 봐야 하는 영화이다.
로보뜨가 인간의 감정을 가지게 되는 전개는 다른 이야기에도 있지만... (아톰, 월-E 등)
와일드 로봇이 다른 점은 부모와 자식 이야기란 점이다.

로즈 (로보또)는 부모로 브라이트빌 (아기러기)를 키우며 모성애를 깨달으며 새로운 정체성을 찾아간다.
로즈는 기러기가 아니기도 하고 (심지어 기리기 로보뜨도 아니다.) 부모가 처음이기에 많은 어려움을 겪는다.
그래도 The 컴퓨터 두뇌 로즈는 자신의 능력을 십일분 활용해 육아를 잘 해내고
그 과정에서 다른 동물들의 도움을 받기도 도와주기도 하며 숲의 반장 같은 역할을 수행하기도 한다.

로즈의 고군분투를 보고 있으면 우리의 부모님들도 처음이라 서투르고 잘 몰라서 어려웠을 수 있겠다는 생각이 든다.
어린 날 부모님에게 서운했던 것들 혹은 아직까지 마음에 남아있는 무언가 들이 옅어질 수 있을 것 같은 그런 이야기이다.

SerDes는 Serializer-Deserializer, 즉 직렬화-병렬화의 줄임말로 고속 시리얼 통신에서 사용되는 핵심 기술 중 하나이다.
PCIe, USB, Ethernet, HDMI 등 대부분의 고속 시리얼 인터페이스에서 사용된다.
 
Serdes의 기본 개념은 병렬 데이터를 직렬화하여 송신 후 다시 병렬화한다는 거다.

이 방식의 장점은 명확하다.
물리적인 케이블의 수를 줄일 수 있다는 것이다.
예를 들어 8 bit width를 가지는 데이터를 보내는데 기존에 8개의 케이블이 필요했다고 한다면
직렬화해서 보내게 되면 1개의 케이블만 있으면 된다.
그리고 고속으로 갈수록 8개의 케이블의 사소한 길이 차이가 데이터 정렬을 어렵게 한다.
 
어느 엔지니어링이 그러하듯 얻는 게 있으면 잃는 게 있다.
기존의 Data Rate를 유지하기 위해서는 더 높은 전송 속도를 필요하게 된다.
극단적으로 한 케이블 당 1초에 1bit의 데이터를 전송하였다고 (1 bps) 하면 병렬 방식은 1초에 8bit의 데이터를 받을 수 있다.
즉, 이 시스템의 Data Rate는 8 bps이다.
 
직렬화 방식에서 해당 Data Rate를 만족시키기 위해서는 한 케이블당 8 bps의 속도가 필요하다.
기존보다 8배 빠른 속도가 필요해진다.
 
그래서 초기에는 높은 속도와 설계 복잡도 문제 때문에 고속 데이터 송신에 병렬 송신이 주로 사용되었다. (20세기 후반)
하지만 반도체 공정 기술의 발전으로 여러 기술적 문제들을 해결하게 되었고 고속 데이터 송신의 표준으로 자리 잡게 되었다.
이 시기에 PCIe, SATA (기존의 PATA를 대체), USB 등의 현재 활발하게 사용되고 있는 기술들이 나오기 시작했다.
 
SerDes의 기본 블록 다이어그램은 아래와 같다.

TX 구성 요소

- Encoder는 8b/10b, 64b/66b encoding 등 DC-Balancing을 위해 데이터를 변환을 수행한다.
- PISO는 Parallel In Serial Out으로 병렬로 입력된 데이터를 직렬 출력으로 변환한다.
- Driver & Equalization (Pre-emphasis) 신호가 선로를 지나며 약해질 것을 대비해 미리 신호의 고주파 성분의 강화하여 데이터를 송신한다.

RX 구성 요소

- Equalizer (CTLE/DFE)는 선로를 통과하며 뭉개진 신호 파형을 다시 펴서 '0'과 '1'을 구분하기 좋게 하는 작업을 수행한다.
- CDR은 Clock and Data Recovery라고 하며 SerDes에서 가장 중요한 부분이다. 별도의 클럭 선 없이 데이터가 전송되는 SerDes에서 Clock을 복원해 정확한 타이밍으로 데이터를 읽어낸다.
- SIPO는 Serial In Parallel Out으로 직렬로 입력된 데이터를 다시 병렬 출력으로 변환한다.
- Decoder는 encoding 된 데이터들을 다시 decoding 하여 원래 데이터로 변환한다.
 
SerDes를 주요 구성요소에 대해서는 아래에서 좀 더 자세히 알아보자.

Driver는 임피던스 매칭을 유지하며 고속 스위칭을 수행해 물리적으로 데이터를 전송하는 역할을 한다.
일반적으로 SerDes에서는 CML (Current Mode Driver)가 가장 흔히 사용된다.

Equalization은 신호가 선로를 통과할 때 발생하는 고주파 성분의 저하로 수신단에서 신호를 구분할 수 없게 되는 것을 방지하기 위해 송신단에서 미리 보정하는 역할을 한다.
보정 방식에는 Pre-emphasis (전강조)와 De-emphasis (역강조)가 있다.
Pre-emphasis는 Signal Transion 지점을 더 강하게 송신하여 고주파 신호를 보강하는 방식이다.
위 그림을 보면 Pre-emphasis 이후 수신단에서의 신호가 더 사각파에 가까운 것을 볼 수 있다.
 
De-emphasis는 신호가 바뀌지 않고 유지되는 저주파 지점의 에너지를 줄이는 방식으로 고주파 영역이 강조되는 효과를 준다.
이 방식은 전력 효율이 좋기 때문에 대부분의 고속 표준에서 사용되고 있다.

Equalization은 Feed-Forward 방식이며 주로 FIR Filter가 적용된다.
FIR (Finite Impulse Response) Filter는 "현재 입력 + 과거 입력의 가중합"으로 출력을 만드는 필터로
Feedback 방식과 다르게 출력된 값을 통해 입력 값을 조정하지 않고 이전에 입력했던 값들을 기준으로 현재 입력을 결정한다.
 
Equalizer는 전송선로를 통해 감쇄되고 왜곡된 신호의 '0', '1' 판단을 잘할 수 있게 신호를 깨끗하게 펴주는 역할을 한다. 송신단에서 equalizaiton과 비슷한 역할을 한다고 보면 된다.

Equalizer를 구성하는 기능들은 CTLE, VGA, DFE 등이 있다.

CTLE (Continuous Time Linear Equalizer)는 고주파 신호를 증폭시키고 저주파는 감쇠시키는 아날로그 필터이며 Front-End에 위치한다.
 
VGA (Variable Gain Amplifier)는 입력 신호들을 적절히 증폭시켜 뒷단의 회로들이 신호를 처리하게 좋게 만들어 주며 이름 그대로 가변 증폭기이다.
 
DFE (Decision Feedback Equalizer)는 Equalizer의 구성 기능 중 이전의 필터들이 개선하지 못하는 ISI문제를 개선한다.

ISI (Inter Symbol Interference)는 이전 심볼이 다음 심볼에 영향을 주는 심볼 간 간섭 현상을 말한다.
ISI가 일어나는 주요 원인은 임피던스 미스매칭, 대역폭 제한, 군지연 분산 (Group Delay Dispersion)이 있다. 대역폭 제한은 높은 주파수 성분을 잘 보내지 못하는 선로의 물리적 한계 때문에 파형이 퍼지게 만들고 군지연 분산은 동일한 매질을 통과하더라도 주파수 차이에 의해 다른 속도로 통과하기 때문에 발생한다.
 
DFE는 t-1 시점에서 이미 판정한 심볼을 t0 시점에 이미 알고 있는 걸 활용해 t-1 시점의 심볼이 만든 ISI를 제거하여 t0시점의 심볼 판정 정확도를 높이는 방식이다. 앞서 판정한 값을 활용하기 때문에 초기 판정 시 오판정하면 에러 전파 (Error Propagation) 현상이 나타난다는 구조적 문제가 있지만  앞단의 CTLE와 같은 전처리 필터와 잔상을 빼주는 정도인 Tap Coefficient 최적화, 수신단 뒤쪽에 FEC (Forward Error Correction) 알고리즘을 적용하여 해당 문제를 막는다.

CDR (Clock and Data Recovery)는 데이터로부터 Clock 신호를 추출하여 데이터를 복원하는 기능이다.
다른 통신 (SPI 등)과 다르게 SerDes는 Clock 신호를 별도로 송신하지 않고 송신한 데이터에서 Clock을 복원해 데이터 판정에 사용한다. 데이터로부터 Clock을 복원 후 Data를 복원하는 과정을 거치며 Clock Recovery에는 PLL(Phase-Locked-Loop) 이 주로 사용된다. PLL은 디지털 회로에서 중요한 역할을 하기 때문에 나중에 따로 다루도록 하겠다.
 
이렇게 SerDes에 대해 알아보았다. SerDes는 고속, 대용량 데이터 시대에서 없어서는 안 되는 필수 기술이다. 고속 디지털 데이터를 다루는 엔지니어에겐 피할 수 없고 피해서는 안 되는 중요한 기술이기에 깊게는 아니어도 각 기능에 대해서 파악하고 있는 게 도움이 될 것이다.

Bounce Diagram이란, 전송선로에서 신호가 시간에 따라 어떻게 반사되고 이동하는지 시각적으로 추적하는 도구이다.
즉, 전송선로에서 임피던스 미스매칭에 의해 발생하는 신호의 반사를 시각적으로 보여준다.

 
기본 구조는 세로축을 시간(t), 가로축을 거리(x)로 설정하며
좌측 수직선은 신호를 보내는 Source (Driver, x = 0)이 되며
우측 수직선은 신호를 받는 Load (Receiver, x = L)이 된다.

Source에서의 반사계수는 위 그림의 좌측식이 될 것이고, Load에서의 반사계수는 우측식이 될 것이다.
(참고 : https://jclthink.tistory.com/12)
 
최초의 입사 파는 아래 그림과 같이 저항에서의 전압 분배에 의해 Zo에 걸리는 전압이 전달이 된다.

 
그 이후에는 Load에서의 임피던스 미스매칭으로 (Load에서의 반사계수) X (입력 전압) 만큼이 반사가 된다.

역시 Source에서도 임피던스 미스매칭으로 (Source에서의 반사계수) X (반사되어 돌아온 전압) 만큼이 반사가 된다.

이렇게 에너지가 저항에 의해 모두 소멸될 때까지 이 과정을 무한히 반복하게 되며
특정 지점(x)에서의 전압 변화를 관찰하면 아래와 같은 Ringing 현상을 볼 수 있다.

전송선로 (Transmission Line)에서 Impedance를 맞추는 걸 Impedance Matching이라고 한다.
전성선로 이론에 대한 설명은 간략히 하겠다. (왜냐면 나도 잘 생각안나거덩...)
 
무한히 긴 선로가 있고 이 선로의 특성은 매우 균질하다고 하면 위치에 따른 전기적 특성을 다르지 않을 것이다.
그럴 때 아래처럼 전송선로를 모델링할 수 있다.

위 전송선로를 회로이론으로 풀어보면 아래와 같다.
반사되는 V-, I-가 없다고 가정하고

 
위 Zo은 전송선로의 전압과 전류의 비를 의미하면 모든 지점에서 일정하다.
따라서 ZL과 반사계수 ΓL은 아래와 같이 유도할 수 있는데

 
부하 임피던스 (ZL)과 특성 임피던스 (Z0)의 관계로 정의가 되게 된다.
즉, 부하 임피던스와 특성 임피던스를 같게 만들면 반사가 일어나지 않게 설계를 할 수 있음을 의미한다.

반사가 일어나게 되면 디지털 신호가 왜곡되게 된다.
 
RF 같은 경우에선 Source, Transmission Line, Load에서의 특성 임피던스를 모두 맞추는 게 중요하지만
디지털 HW에서는 이게 불가능하고 의미도 없어 일반적으로 PCB, Cable에서만 임피던스 매칭을 하면 된다.
 
그럼 우리는 언제 전송선로의 임피던스 매칭을 해야 할까?
전송선로를 무한히 긴 균질한 선로라고 했는데 균질한 건 알겠고... 무한히 기다란 게 무슨 의미일까?
 
→ 무한히 길 다라는 건 추상적, 교과서적 표현이고 일반적으론 아래의 기준을 따른다.
- 선로 길이 ≥ 신호 파장 / 10 (RF 신호 기준)
- 선로 지연 ≥ 신호 상승시간의 1/6 ~ 1/10 (디지털 신호 기준)
 
- example 1) MCU GPIO, 1 MHz, 상승 시간 : 20 ns, 10 cm
PCB에서의 신호 전파 속도를 150 ps/cm (FR-4 기준)이라고 할 때,
선로 지연 = 10 cm * 150 ps/cm = 1.5 ns이다.
1.5 ns ≪ 20/6 ≈ 3.3 ns로 사실 전송선로를 고려하여 임피던스를 매칭할 필요가 없는 신호이다.
 
- example 2) Serdes 2.5 GHz, 상승 시간 : 100 ps, 5 cm
선로 지연 = 5 cm * 150 ps/cm = 0.75 ns
0.75 ns ≫  0.1/6 ≈ 0.017 ns로 전송선로의 임피던스 매칭이 필수적이다.
 
그러면 이게 실제 디지털 하드웨어 설계에 어떻게 적용되는지 보자.
 
디지털 하드웨어에서 사용되는 특성 임피던스 값은 주로 아래의 표와 같다.
물론 더 많은 특성 임피던스 값들이 사용되고 있지만 디지털 하드웨어에서 주로 사용되는 특성 임피던스 만을 정리하였다.

 
디지털 하드웨어에서는 데이터를 주고받는 Transmitter와 Receiver가 있다.
데이터를 보내는 쪽을 TX (Transmitter), 받는 쪽을 RX (Receiver)라고 주로 명명한다.

실제 HW의 예시를 들기 위해서 아래의 라즈베리파이 사진을 가져와 봤다.

 
은색의 프로세서와 검은색 IC가 서로 데이터를 주고받게 되는데 데이터의 TX/RX가 모두 이루어지기 때문에 각자가 Transmitter 이자 Receiver가 될 테고 이때 전송선로에는 둘 사이를 연결하는 PCB에 그려진 구리 패턴 (노란 박스)이 포함될 것이다.
 
이때 전송선로를 이루는 요소들은 크게 아래와 같다.
 
1. Trace
Trace는 PCB위에서 전기 신호를 전달하는 전기가 흐를 수 있는 금속 도체를 의미한다.
주로 구리를 사용해 제작하며 아래 그림을 보면 Trace에 대해 직관적으로 이해할 수 있다.

그럼 이 Trace의 특성 임피던스는 어떻게 계산이 될까?
전송선로 이론에서 보았듯이 특성 임피던스에는 주변 구조에도 영향을 받게 된다.
 
예시로 PCB의 최상단 혹은 최하단에 위치하여 한 면은 노출되어 있는 Microstrip이다.

신호가 지나가는 Trace와 그 밑에 위치할 GND의 거리, Trace의 두께와 폭, 유전체의 종류 모두 R, L, C, G에 영향을 주게 된다.
이런 영향들을 근사 시켜 공식을 만들면 아래와 같이 Microstip에서의 특성 임피던스 근사 공식을 얻을 수 있다.

• Zo = 목표 임피던스(Ω)
• h = 신호층 ↔ GND plane 거리(mm)
• w = trace 폭(mm)
• t = trace 두께(mm)
• εr = PCB 유전율

Microstrip 외에도 아래와 같이 여러 Trace Type들이 있고 각 형태별로 근사 공식이 존재한다.

2. Via
Via는 Trace와 비슷하게 전기 신호를 전달하는 금속 도체이지만 여러 적층 구조에서 층간 신호의 이동을 위해 사용된다.
(Trace가 무빙워크라면 Via는 엘리베이터)

Via의 경우 Trace와 다르게 구조가 일정하지 않기 때문에 특성 임피던스를 갖지는 못한다.
(단면이 일정하지 않아 전기장 분포가 일정하지 않고 plane과 pad에도 영향을 받기 때문에)
 
그래서 임피던스 매칭은 불가능하고 임피던스의 불연속성을 줄이거나 전기적으로 반사를 최소화하는 방법을 사용한다.

Via는 구조적으로 거대한 구리 기둥이며 Trace에 비해 물리적인 면적이 급격히 넓어진다.
그래서 일반적으로 주변의 그라운드 평면과 기생 커패시턴스를 만든다.
 
기생 커패시턴스에 의해 C가 증가하여 임피던스를 낮아지게 하는데
임피던스 불연속성을 줄이는 방법은 다시 임피던스를 높여서 차이를 줄이는 것이다.
(여기서 주의할 점은 모든 경우가 이렇지는 않고 임피던스가 높아지는 경우도 있다.)
 
Via의 임피던스를 높이는 방식은 여러 가지가 있지만 대표적으로 Pad의 크기를 줄여서 C를 줄이는 방식이 있다.
 
전기적으로 반사를 최소화하는 방법으론 불필요한 Stub를 짧게 가져가서 불연속 구간의 길이 자체를 줄여 임피던스가 깨진 구간의 물리적 길이를 줄이는 방식이 있다.
 
3. Cable
Cable의 경우에는 신호가 PCB 외부로 전달되어야 할 경우이다.
일반적으로 Cable은 특정한 특성 임피던스를 가지도록 설계 및 제작이 된다.

예를 들어 시중에 판매하는 HDMI 케이블의 경우 100 Ω의 특성 임피던스를 가지고 있다.
 
디지털 신호를 잘 전달하기 위해서는 임피던스 매칭에 대한 이해가 필요지만
그렇다고 모든 디지털 신호가 임피던스 매칭이 필요한 것은 아니다.
 
저속의 신호를 다루는 경우에 임피던스 매칭을 고려해 설계하는 것을 오히려 자원 낭비이며 Over-Engineering이다.
하지만 고속의 신호에서는 임피던스 매칭을 고려하지 않으면 시간과 돈을 드려 벽돌을 만드는 것과 같다.

최근 항공우주연구원에서 한화에어로스페이스로 기술 이관한 누리호 4차의 발사가 성공적으로 완료가 되었다.
여담으로 누군가 누리호 발사 축하한다고 연락이 왔다.(나는 발세체를 만들지는 않는다.)
 
그래서 인공위성과 발사체에 대해 정리를 해보려고 한다.

위성의 정의는 행성과 같은 천체 주변을 공전하고 있는 천체를 의미한다. (예로 달은 지구라는 행성을 공전하는 위성)
인공위성이라 하면 달처럼 지구를 공전할 수 있게 인공적으로 만든 위성이다.
 
아래에서 우리나라의 정부출연연구기관 중 하나인 항공우주연구원에서 만든 위성을 보면 위성이 있고 발사체란 게 있다.

 
발사체란 인공위성이 달처럼 지구를 공전할 수 있게 우주의 특정 궤도에 배달시켜 주는 역할을 한다.
이건 인공위성에서 바라본 발사체이긴 하다. 사실 뭔가를 발사(?)시킬 수 있으면 다 발사체라고 하는데 미사일도 발사체다.
(인공위성을 탑재하는지 탄두 같은 폭발물을 탑재하는지의 차이)
아래는 구글 AI가 정리한 발사체의 설명이다.
 
**발사체(發射體)**는 외부의 힘으로 던져지거나 추진되어 우주 공간으로 날아가는 물체로, 인공위성 등을 지구 궤도로 올리는 **우주발사체(로켓)**와 목표물을 파괴하는 미사일 등이 포함됩니다. 우리나라의 대표적인 우주발사체로는 자체 기술로 개발한 **누리호(KSLV-II)**가 있으며, 이는 인공위성을 지구 저궤도에 올리는 역할을 합니다.
 
특정 궤도라 표현한 이유는 인공위성의 목적에 따라 공전하는 궤도가 다르기 때문이다.
인공위성을 용도에 따라 분리해 보면 대략 아래와 같다.
 
- 통신위성 : TV 방송, 전화, 인터넷 등 통신 서비스 제공 (ex. Starlink)
- 기상위성 : 날씨 예보, 기우 연구 등 기상 관측 (ex. 천리안)
- 항법위성 : 위치 정보 제공 (ex. GPS, Galileo)
- 과학위성 : 우주 현상 연구, 천문 관측, 기술 시험 (ex, 나로과학위성)
- 지구관측위성 : 지구 표면 관찰, 환경 모니터링, 자원 탐사 (ex, 아리랑 위성, 차세대중형위성)
 
각 용도에 따라 운용되어야 하는 궤도가 달라지는데 대표적인 궤도에 대한 설명은 아래와 같다.

 
누리호 4차 발사에 대한 기사를 보면 고도 600km, 즉 저궤도에 주 탑재위성으로 차세대 중형위성 3호기를 싣고 있다.
차세대 중형위성의 주 목표 중 하나인 지구 오로라, 대기광 관측 (ROKITS)을 위해서 해당 궤도를 목표로 한다.

정리하면 발사체는 무언가를 싣고 우주로 올라가는 것이고 인공위성은 우주에서 지구를 공전하면서 임무를 수행하는 것이다.
 
누리호 4차 발사가 성공하면서 우리나라는 이제 저궤도에 인공위성을 올릴 수 있는 기술을 확보하였다. (세계적으로 열손가락)
앞으로 중궤도, 정지궤도까지 정복하여 우주강국이 되는 날까지 파이팅 하셨으면 좋겠다.