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자인 일렉트로닉스에 모인 사원들의 열정을 이야기한 칼럼과 스토리, 또,
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개발 칼럼 NEW

USB나 HDMI 등의 고속 인터페이스의 전송 거리, Equalizer 탑재 Redriver IC로 대폭 연장이 가능

USB나 HDMI, DisplayPort 등 주변 장치 인터페이스의 고속화가 시급하다. 본 연재의 1회에서는, 이 고속화 현상을 소개함과 동시에, 얻을 수 있는 장점과 단점을 해설했다. 실은 이 단점이 꽤 성가시다. 데이터의 전송 거리가 짧아지기 때문에, 용도에 따라서는 치명적인 문제가 되기 때문이다. 제2회가 되는 이번 회는, 이 문제를 해결하는 Redriver IC를 소개한다. 이것을 이용하면, 전송 거리를 크게 늘릴 수 있게 된다.

원인은 케이블의 저항 성분에 있다

USB나 HDMI, DisplayPort라고 하는 주변 장치 인터페이스는 고속이 될수록 데이터를 전송할 수 있는 거리가 짧아져 버린다. 왜 이런 현상이 일어나는걸까? 원인은 데이터 전송에 사용하는 케이블이 가지는 임피던스에 있다.

임피던스에는 주파수 특성이 존재한다. 주파수가 높을수록 케이블의 임피던스는 커지고, 감쇠량이 증가해 버린다. 그 결과, 신호 파형의 전압 진폭이 작아지거나 신호 파형이 큰폭으로 흐트러지거나 하는 현상이 발생한다.
 

고속이 될수록 감쇠량은 증가한다

그러면 고속 신호는 케이블을 사용해 전송하는 것으로 얼마나 감쇠될까?

예를 들면, 데이터 전송 속도가 최대 10Gbps인 「USB3.1 Gen2」의 신호를 직경이 0.3211mm인 AWG28의 동축 케이블로 1m 전송했을 경우를 생각한다. 이 때 규격으로 권장되는 감쇠량은 1.25GHz의 신호 성분으로 1.4dB, 2.5GHz의 성분으로 2.0dB, 5.0GHz의 성분으로 3.1dB이 된다(Fig.1). 즉, 주파수가 높아질수록 감쇠량은 커지는 것이다.  

다음으로, 신호를 보내는 케이블을 바꿔본다. 직경이 0.2019mm로 약간 가는 AWG32의 동축 케이블을 사용하여 같은 신호를 1m 보낸다. 이 경우, 규격으로 권장되는 감쇠량은 1.25GHz의 신호 성분으로 2.2dB, 2.5GHz의 성분으로 3.4dB, 5.0GHz의 성분으로 4.9dB이 된다. 이것으로 알 수 있는 것은 케이블이 가늘어질수록 감쇠량이 증가한다는 것이다. 바꿔말하면, 구부리기 쉽고 취급하기 쉬운 케이블일수록, 감쇠량이 커진다.

신호의 감쇠는 자세히 보면 DC(저주파) 성분의 감쇠와 AC(고주파) 성분의 감쇠인 2가지로 나눌 수 있다. DC 성분의 감쇠는 신호 진폭이 작아지는 것으로 직결된다. 신호 진폭이 너무 작아지면, Receiver 회로로 수신할 수 없게 되어 버린다. 한편, 고주파 성분의 감쇠는 아이 패턴에 대해 충분한 개구를 얻을 수 없게 되는 사태를 초래한다. 아이 패턴이 무너지면 신호를 올바르게 수신할 수 없게 된다. DC 성분의 감쇠와 AC 성분의 감쇠 모두 전송할 수 있는 거리가 짧아지게 될 것이다.

연속 시간 Linear Equalizer를 활용

이러한 문제에 대처하기 위하여 자인 일렉트로닉스는 Redriver IC 「THCX222」를 제품화하고 있다.

이 IC는, 연속 시간 Linear Equalizer(CTLE:Continues Time Linear Equalizer)와 드라이버를 조합한 것. 이것을 주변 장치 인터페이스의 도중에 삽입함으로써 전송 가능한 거리를 늘릴 수 있다.

연속 시간 Linear Equalizer(이하, Equalizer)의 역할은 케이블에 의해서 감쇠해 버린 신호 성분을 증폭에 의해서 원래의 상태로 되돌리는 것에 있다(Fig.2).
THCX222에서는 전송 신호의 DC 성분과 AC 성분의 양쪽을 증폭시키기 위해 각각의 Gain을 개별로 설정할 수 있다. 전자 기기의 설계자가 케이블에 의한 감쇠량을 측정해 그 크기에 맞춰서 Gain을 외부 저항으로 설정한다(Fig.3).
Gain은 세세하게 설정할 수 있다. 구체적으로는 64개(6Bit)의 설정이 가능하다. 「경쟁 타사 제품에 비해 설정수가 많다. 그만큼 최적치에 맞출 수 있다.」(자인 일렉트로닉스)고 한다. 내역은 DC Gain이 4개(2Bit)이고, AC Gain이 8개(3Bit)이다. 설정 가능한 최대치는 Gen2 대응의 THCX222R10으로 DC Gain이 +5.2dB, AC Gain이 +14.8dB이다(Fig.4).
남은 2개(1Bit)는, 출력 신호의 선형 성능(Linearity)이다. 포화해버리는(뭉게지는) 출력 신호 전압의 고저를 선택할 수 있다. 높은 선계 성능을 선택하면 전송 특성을 개선할 수 있지만, 소비 전력이 커지는 트레이드 오프가 있다. 적용하는 어플리케이션에 따라 선택할 필요가 있다.

얇은 케이블에서도 5m 거리 연장

THCX222를 활용하면, 실제로는 어느 정도 전송 거리를 늘릴 수 있게 되는 걸까? USB3.1 Gen2의 경우로 생각해 보자.

전술한 대로, USB3.1 Gen2의 데이터 전송 속도는 10Gbps이지만, 최대 주파수 성분은 5GHz이다. THCX222R10은, 5GHz로 +14.8dB의 Gain을 얻을 수 있다. 즉, +14.8dB분의 케이블 길이만큼 전송 거리를 연장할 수 있게 되는 것이다.

예를 들면, 직경이 0.2540mm인 AWG30의 동축 케이블이라면, 규격으로 권장되는 감쇠량은 5GHz에서 −3.9dB/m이다. 따라서, 14.8dB/3.9dB=약3.8m 전송 거리를 늘릴 수 있게 된다. 다만 실제로는 USB 트랜스미터 IC의 Receiver 회로에서는 표준 사양 중에서 +6dB 만큼의 Gain을 갖추는 것이 기재되어 있으므로, 이것을 포함하면 20.6dB/3.9dB=약5.3m의 거리 연장이 가능해진다. 「가상현실(VR)/확장현실(AR) 단말에서는 5m 이상의 케이블 길이를 추가하여 간단한 처리가 요구된다. THCX222를 사용하면 이 요구를 만족할 수 있다」(자인 일렉트로닉스).

물론 THCX222는 USB 외에, HDMI나 DisplayPort 등에도 적용 가능하다. 다만 HDMI에 사용할 경우에는 주의가 필요하다. 차동 인터페이스의 입력부에 직류 성분을 컷트하는 커패시터를 접속하는 것과 동시에, 종단 저항(Terminating)도 붙여야 한다.

덧붙여 자인 일렉트로닉스는, 데이터 전송 속도가 20Gbps로 높은 「USB3.2」 규격에 준거한 Redriver IC 「THCX422」도 준비하고 있다. USB3.2는 10Gbps의 전송로(Lane)를 2개 준비하는 것으로 20Gbps로 높은 데이터 전송 속도를 실현하고 있다. THCX422에는, 1개의 Chip에 THCX222의 기능을 2개 집적한 것으로 USB3.2 규격에 대응했다. 이미 샘플 출하를 시작하고 있다.

보다 사용하기 편리한 패들 카드를 준비

이번에 소개한 Redriver IC를 사용하면, 고속 주변 장치 인터페이스의 전송 거리를 비교적 간단하게 늘릴 수 있습니다. 그러나, 대상이 되는 케이블의 전송 특성을 측정하고, DC Gain이나 AC Gain을  최적치로 설정해 최종적으로 아이 패턴의 개구를 충분히 얻고 있는지를 확인하는 작업이 필요합니다. 비교적 높은 전문성이 요구되기 때문이다.

「보다 간단하게 주변 장치 인터페이스의 전송 거리를 늘리고 싶다」. 이러한 목소리에 응답하기 위해, 자인 일렉트로닉스에서는 패들 카드와 변환 어댑터를 준비하고 있다. 이것들을 사용하면 복잡한 작업을 하지 않고 전송 거리의 연장이 가능해진다. 어떤 제품인가. 그 자세한 내용은 다음회(제3회)에 소개한다.

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