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高速PCB基板設計におけるクロストーク問題について
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高速PCB基板設計におけるクロストーク問題について

高速PCB基板設計におけるクロストーク問題について

2022-07-22
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Author:ipcb

本文ではPCBボードの高速で信号漏話の原因を解析する。デザインだけでなく、メソッドを抑制し、改善する方法。今日の急速に発展する電子設計分野で、高速・小型化が必然的な設計の動向となっている。同時に、信号周波数の増加などの要因、回路基板の小型化、配線密度の増加、基板層の数の増加に起因する層間膜厚の減少は様々な信号完全性問題を引き起こす。したがって、高速ボードを設計する際の信号完全性問題を考慮する必要がある。信号完全性理論は高速の設計において重視しなければならない。すべての信号完全性問題の間で、クロストークは非常に一般的です。クロストークはチップ内部で起こる。回路基板だけでなく、コネクタ、チップパッケージ、ケーブル等も含まれる。


PCBボード


1. PCBボードクロストーク

クロストークは、信号が伝送チャネル上で送信されるときの電磁結合による隣接伝送線への影響を指す。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。変化する信号(例えばステップ信号)は伝送線路に沿ってAからBまで伝搬し、結合信号は送電線C〜Dに生じる。変化する信号が安定DCレベルに戻るとき、結合された信号もまた停止する。したがって、信号ホッピングの過程ではクロストークが発生し、信号が速くなるほどクロストークが発生する。クロストークは、容量結合クロストーク(干渉源の電圧変化に起因して、妨害される物体に誘導電流が誘起され、電磁干渉を生じる)および誘導結合クロストークに分割され得る(干渉源の電流変化により、誘起された電圧が妨害され、電磁干渉が生じる。その中で、結合コンデンサによって生成されたクロストーク信号は、犠牲者ネットワーク上の順方向クロストークおよび逆クロストークSCに分割され、これらの2つの信号は、同じ極性を有する結合インダクタによって生成されるクロストーク信号はまた、順方向クロストーク及び逆クロストークSCに分割され、2つの信号は逆極性を有する。相互キャパシタンスと相互インダクタンスはクロストークに関係しているが別々に考慮する必要がある。リターンパスが、回路基板上の大部分の結合された伝送線のように、広い均一な平面であるとき、容量性および誘導性結合電流の量はほぼ同じだ。このとき、両者間のクロストーク量を予測する必要がある。並列信号の媒体が固定されている場合、すなわち、ストリップラインの場合、結合インダクタンスおよびキャパシタンスに起因する順方向クロストークはほぼ等しく、互いに相殺するので、逆クロストークを考慮する必要があるだけだ。平行信号の媒体が固定されていない場合、すなわちマイクロストリップ線路の場合、結合インダクタンスによる順方向クロストークは、平行長の増加と共に結合容量による順方向クロストークより大きく、内部平行信号のクロストークは、表面層のクロストークよりも高い。並列信号のクロストークは小さい。


2.PCBクロストークの解析と抑制

高速PCBボード設計の全体のプロセスは、回路設計、チップ選択、回路設計、PCBボードレイアウト、配線などのステップを含む。設計時には,異なるステップでクロストークを求め、干渉抑制の目的を達成するための対策を講じる必要がある。


3.PCBクロストークの計算

クロストークの計算は非常に困難だ。クロストーク信号の振幅に影響する3つの主要な要因がある。トレース間の結合度、トレースの間隔、およびトレースの終了と関わります。前方および戻り経路上のマイクロストリップトレースに沿った電流分布は、図2に示されている。トレースと平面(またはトレースとトレースの間)の間の電流分布は、共インピーダンスであり、これは電流拡散による相互結合をもたらす。ピークの電流密度をトレースの中心の直下に、そして、痕跡から、地面の方へ急速に両側はほうかいします。トレースが平面から遠く離れているとき、前方および戻りパス間のループ領域が増加し、ループ領域に比例する回路インダクタンスを増加させる。次の式は、順方向および戻り電流経路によって形成されるループ全体を誘導する電流分布について説明する。それが記述する電流は、信号トレースの周りの磁場に蓄積された全エネルギーでもある。


4.PCBクロストークの解析

PCBボードのクロストークをシミュレートするためにedaツールを使用することにより、pcbボード実装におけるクロストーク問題を迅速に見つけ、解決できる。高速設計におけるシミュレーションはルーティング後の概略シミュレーションとルーティング後のpcbボードシミュレーションを含む。これは、実際のルーティング制約としてシミュレーションによって得られた制約を使用して、クロストークの問題を事前に予測し、除去することができ、それによって、レイアウトおよび変更を効果的に制約し、クロックレイアウト、クリティカル信号トポロジーおよび基板レイアウトの前に終了を最適化する。BoardSimはポストプレースメントとルーティングシミュレーションのためにある。PCBボードワイヤーの間の未知のカップリング効果を予測することができて、オシロスコープのシミュレーション結果を示して、すべての漏話波形の詳細な詳細を表示することができる。その目的は実際の完成品の漏話問題を予測し発見することで、それによって設計者の時間を節約し、原理原型の繰り返し設計と製造を避けることだ。前レイアウトシミュレーションのために、LineSimは最初に基本的な結合モデルを確立して、ワイヤー間隔、平行長、ドライバーICのスイッチング速度、中間の厚さ、スタック構造などを含む異なった回路環境のために異なる規制を設定する必要がある。配置とルーティングの前に起こるかもしれないクロストークを減らしてください。そして、配置とルーティングの次のステップのための制約として制約を見つけてください。ドライバチップ選択に関しては、一般にチップメーカが提供するibis(入出力バッファ情報仕様)モデルを導入できる。配線上のクロストーク解析を行うためにboardsimを用いる場合、対話型クロストークシミュレーション、高速バッチ処理、詳細バッチ処理の三つの方法がある。その中で、インタラクティブなクロストークシミュレーションはディジタルオシロスコープを介して干渉状況を視覚的に観測することができる。幾何学的しきい値と電気しきい値の概念を示した。幾何学的閾値は、特定の領域を定義し、この領域に入って、ある長さを持っているどんなネットワークも攻撃ネットワークであると考えられる。電気的な閾値は干渉量を定義するでしょう。そして、この量を越えてネットワークに干渉を引き起こすどんなネットワークも攻撃と考えられる。ネットワーク幾何学的閾値の使用は、デザイナーがクロストークのある種の理解を有することを必要として、どの距離およびどのレイヤーでどのくらいのクロストークが発生するかを知ることを必要とする。したがって、電気的閾値を使用することが推奨される。基本モデルは2つのネットワークを有している。ドライバA 0(駆動線はクロック信号線であり、動作周波数は5.12 mSPS)で、伝送線を介して1 mWの抵抗器C 0に接続されている受信モードのドライバA 1は、伝送線を介して720 kWの抵抗C 1に接続されている。各結合線路の特性インピーダンスは68.8 Wで、結合長は9 inだ。HyperlyNxラインあたりの遅延を計算する約1.581 nsだ。モデルは8層に分割され、2つの信号線は、内部層線(およびマイクロストリップライン)として設定され、同じ層上にある。PCBレイアウトとルーティング制約において、線幅は5 mil、線間隔は5 mil、相対誘電率は4.3に設定されている。オシロスコープは、波形を表示するために使用することができます。B 1の10 mWの抵抗もプローブを追加するために設定される。


5.クロストーク抑制

それは設計前のクロストーク計算、レイアウトとルーティングの前のシミュレーション、またはレイアウトとルーティング後のシミュレーションかどうか、PCBボードを迅速に干渉に到達できるようにすべてだ。したがって、現在の問題を解決するためには、設計プロセスにおいて以前の経験を用いる必要がある。レイアウトとルーティングにおけるクロストークを効果的に回避するための経験の概要を以下に示す。

1)容量結合と誘導結合により発生する漏話は干渉線の負荷インピーダンスの増加と共に増加するので、負荷を減らすことは結合干渉の影響を減少させることができる。

2)発生する容量結合ワイヤ間の距離を増加させようとし、ワイヤを接地線と分離するのにより効果的だ。

3)隣接する信号線間に接地線を挿入することにより、容量性クロストークも効果的に低減することができる。このグランド配線は1/4波長毎に接地層に接続する必要がある。

4)誘導結合を抑制することは困難だ。ループの数をできるだけ少なくし、ループ面積を小さくする必要があり、信号ループに同じ配線を共有させない。

5 )信号共有ループを避けてください。


高速の過程で PCBボード デザイン、理論的概念の詳細な理解だけではない。しかし、継続的な経験の蓄積と理論の継続的改善。同時に、関連する補助ソフトウェアの熟練した使用は、設計サイクルを短くすることもできる。これにより競争力が向上する。そして、デザインの成功に重要な役割を果たす。ハイスピード PCBボード-レベルとシステムレベルの設計は複雑なプロセスだ。そして、信号クロストークを含むシグナル完全性問題は無視できない。デザインが迅速かつ効率的に完了されることを保証するために、設計サイクルの様々な段階で異なる方法を使用する時間を節約し、重複を避ける。


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