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高速PCBボード設計におけるクロストーク解析と制御の研究について
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高速PCBボード設計におけるクロストーク解析と制御の研究について

高速PCBボード設計におけるクロストーク解析と制御の研究について

2022-07-15
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Author:ipcb

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今日の急速に発展するとともに、デザインフィールドは高速・小型化が進む一方だ。電子システムのサイズを減らしながら、システムの速度と性能を向上させる方法は、デザイナーのための重要な問題になっている。EDA技術は高速PCBとボードレベルシステムのための設計解析ツールと方法論の完全なセットを開発した。これらの技術は高速回路設計解析のすべての局面をカバーする。信号完全性解析、EMCデザイン、地面バウンス解析、パワー解析と高速ルータがある。同時に、また、信号の整合性の検証と、設計空間検出、相互接続計画、電気規則で制約された相互接続合成だ。そして、システムのような技術的方法の提案も、信号完全性問題を効率よく解決する可能性を提供する。ヒア、信号完全性問題とその制御における信号漏話解析法について議論する。


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1 .クロストーク信号発生機構

クロストークは、信号が送信チャネル上で送信されるとき、電磁結合に起因して隣接する伝送線路に望ましくない影響を与え、特定の結合電圧および結合電流が干渉信号に注入されることを意味する。過度のクロストークは、回路の誤ったトリガを引き起こす可能性があり、システムが適切に動作しない結果となる。図1に示す回路において、AB間のゲートは、侵略者ラインと呼ばれ、CD間のゲートは犠牲者ラインと呼ばれる。侵略者が状態を変えるとすぐに、我々は犠牲者の脈漏話を観察することができます。伝送チャネル上の信号伝送は、隣接する伝送ライン上の2つの異なるタイプのノイズ信号を生じる。容量結合は、干渉された物体(犠牲者)上の干渉源(侵略者)上の電圧(VS)の変化に起因する電磁干渉であり、誘導電流(I)は相互キャパシタンスCMを通過し、一方、誘導結合は干渉源に起因する。電流(IS)の変化によって発生した磁界は、相互インダクタンス(LM)を介して妨害物体の誘起電圧(V)に起因する電磁干渉を引き起こす。



2.クロストークに及ぼす電流の影響

クロストークは指向性であり、その波形は電流の方向の関数だ。ここでは2つの場合の信号シミュレーションを見た。第1の場合は、干渉源ワイヤメッシュと干渉物体ワイヤーメッシュの電流が同一方向だ。そして、第2のケースは、干渉源ワイヤ・メッシュおよび干渉されたオブジェクト・ワイヤ・メッシュの電流が反対方向にあるということだ。ABとCD線網は、20 MHzの信号で加えられる。シミュレーション結果から、電流フローが反対方向にあるときの遠端クロストーク(357.6 mm)のピーク値は、電流が同じ方向にあるときに遠端クロストーク(260.5 mm)のピーク値よりも大きいことがわかる。同時に、図4から、干渉器の現在の流れが変化するとき、妨害されたソースのクロストーク極性もまた変わることが分かる。これは、クロストークの大きさ及び極性が、対応する干渉源上の信号の電流フローに関連していることを示す。点Dにおける遠端クロストークは、一般的に近端点Cよりも大きい。したがって、クロストーク抑制において、点Dにおける遠端クロストークは、通常、ラインネットワークのピーククロストーク電圧を調べるときに考慮する主要な要因として使用される。


3.信号源周波数及びエッジフリップ率

干渉信号の周波数が高いほど、干渉物体上のクロストーク振幅が大きくなる。図1の干渉ネットワークAB上の信号周波数f 1がそれぞれ異なる周波数値をとると、干渉された物体上のクロストークをシミュレートした。信号周波数が異なるときのクロストーク波形は、「1」、「2」が付された矢印で示す波形周波数がそれぞれ「500 MHz」、「100 MHz」だ。シミュレーション結果から干渉物体のクロストーク電圧は干渉源信号の周波数に比例することが分かった。干渉源の周波数が100 mhzより大きい場合には、よりも大きいことは明らかだ。これは、容量結合が誘導結合を超え、主干渉因子となっていることを示す。この場合、遠端クロストークはうまく処理されなければならないが、しばしば見落とされる近端クロストークも慎重に扱わなければならない。さらに、信号のエッジ反転率であるクロストークに大きな影響を与える別の要因を解析してみましょう。エッジは、クロストークに大きな影響を与え、エッジが変化するほど、クロストークが大きくなる。大きなエッジ・フリップ・レートを有するデバイスは、現代の高速デジタル回路の設計においてますます広く使用されているので、そのような装置は、信号周波数が高くなくても、過剰なクロストークが発生するのを防止するために、慎重にルーティングされるべきだ。


4.クロストークの大きさに及ぼす線間隔Pと2線の平行長Lの影響

線と平行長の間の距離が不変であるという条件の下で、干渉するオブジェクトのクロストーク(「1」でマークされる)は、検出される第2の場合は、2つの線の平行長が変化しないという前提の下で、2つの線間の距離を10ミルに増やすことである。それから、妨害されたオブジェクトの漏話マーク「2」を検出する第3の場合は、2つのライン間の距離が変化していなくて、それから干渉されたオブジェクトのクロストークを検出する条件の下で、2インチの平行長を2.6インチのマーク「3」に増やすことだ。シミュレーション結果から,二つの線間の距離が増加すると(pは5ミルから10ミルに変化する)、クロストークは著しく減少し、2本の線の平行長が長くなると(lは1.3インチから2 . 6インチへ変化した)、漏話は著しく増加することが分かった。このことから、クロストーク電圧の大きさは、2つの線間の距離に反比例し、2本の線の平行長に比例することが分かるが、完全な多重関係ではない。配線空間が小さい場合や配線密度が大きい場合には、実際の高速回路の配線では、高周波信号線の隣接する信号線へのクロストークを防止するために、ゲートレベルの誤トリガを生じさせるために、配線リソースはある条件下で許容される。ライン間隔(差動線を除く)をできるだけ閉じて、2つ以上の信号線の平行長を小さくする必要がある。これは、緊張の配線リソースを保存するだけでなく、効果的にクロストークを抑制することができる。


5 .グラウンドプレーンがクロストークに及ぼす影響

多層PCBボードは、一般に、いくつかの信号層といくつかのパワー層を含み、複数の信号層およびパワー層が積層されて、標準マイクロストリップ伝送線路を形成し、伝送線路をストリップする。マイクロストリップ伝送線路及びストリップ伝送線路に隣接した電源プレーンが一般的にあり、対応する信号層及び電源層は誘電体で満たされている。この誘電体層の厚さは伝送線路の特性インピーダンスに影響する重要な因子だ。より厚くなると伝送線路の特性インピーダンスが大きくなり、薄型化すると伝送線路の特性インピーダンスが小さくなる。伝送線路と接地面との間の誘電体層の厚さは、クロストークに大きな影響を与える。同じ配線構造では、誘電体層の厚さを2倍にすると、クロストークが大きく増加する。同時に、同じ誘電体層の場合、ストリップ伝送線路のクロストークはマイクロストリップ伝送線路のクロストークよりも小さい。異なる構造の伝送線路に対するグランドプレーンの影響も異なっていることが分かる。したがって、高速PCBルーティングにおいて、ストリップ伝送線路を使用することにより、マイクロストリップ伝送を使用するよりも良好なクロストーク抑制を達成することができる。

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