PCBブログ - 高速PCBボード設計における信号完全性問題の原因と方法について

半導体技術の開発と深い圧力ミクロン技術, ICのスイッチング速度は数10 MHzから数百MHzまで増加した, またはいくつかのGHz. 高速の設計で PCBボード, 技術者はしばしば偽トリガのような信号完全性問題に遭遇する, 減衰振動, オーバーシュート, アンダーシュート, とクロストーク. この記事はなぜ彼らが形成されるのかを議論する, 計算方法, そして、これらの問題を解決する方法.

1. シグナル完全性の定義
シグナル完全性( SI )は、信号線の信号品質を参照します。貧弱なシグナル完全性は、一つの要因によって引き起こされません, しかし、ボードレベルのデザインの要因の組み合わせで. シグナル完全性への損害の原因は、反射を含みます, リンギング, グラウンドバウンス, クロストーク, その他. 信号動作周波数の連続的改善, 信号完全性の問題は高速の焦点になっている PCBボード エンジニア.

2. 反射
2.1 反射の形成と計算
伝送線路上のインピーダンス不連続は、信号反射を引き起こすことがある。そして、ソースおよび負荷インピーダンスが一致しない場合, 負荷は、電圧の一部をもとに戻す. 信号の差動伝送は多くの問題を解決する. 差動信号とは? 素人の言葉で, 駆動端は、等しい値および逆相の2つのシグナルを送り出す, そして、受信端は、2つの電圧の差を比較することによって、論理状態「0」または「1」を判定する. 差動信号を運ぶ一対のワイヤを差動線という. 差動線のインピーダンスを計算する方法? 様々な差動信号のインピーダンスは異なる, such as the D+ D- of USB, 差動線インピーダンスは, 1394の差動線は110オームである, 仕様または関連情報の最初の観察. インピーダンスを計算するためのツールは既にたくさんある, Solar 9000のような. 差動インピーダンスに影響する要因は線幅, 差動線間隔, 誘電率, そして、媒体の厚さ（差動ライン間の媒体の厚み）と 基準面）。 一般に, 差を調整する. 差動インピーダンスを制御するための線間隔と線幅. 板作り, また、インピーダンスを制御する必要があるメーカーに説明する必要がある. 差動信号は、2つの物理量間の差を表す数値である. 厳密に言えば, すべての電圧信号は差動である, つの電圧が別のものに匹敵することができるので. いくつかのシステムで, 電圧基準点として「接地」を使用する. 電圧測定基準として「グランド」を使用する場合, この信号方式はシングルエンドと呼ばれる. 信号が単一導体上の電圧によって表されるので、この用語を使用する.

差動シグナリングの1つの利点は、小さな基準信号が「参照」電圧を制御しているので容易に識別できることである. 地面を基準としたシステムで, シングルエンド信号方式, 測定された信号の値は、システム内の「グラウンド」の整合性に依存する. 信号源及び信号受信機はさらに遠い, より高い可能性は、それらのローカル接地電圧値の間に違いがあるということである. 差動信号から取り出された信号値は、「グランド」の値に大きく依存しない, しかし、ある範囲内で. 差動シグナリングの第2の利点は、それが外部電磁干渉（EMI）に非常に免疫があるということである。攻撃者は差動信号対の各端にほぼ等しく影響する. パッドのpadslogicな電圧の差がシグナル値を決定するので, つの導体に現れるどんな同一の妨害も無視されます. 干渉にあまり敏感でない, 差動信号はシングルエンド信号よりも少ないEMIを発生する. 差動信号の第3の利点はタイミングポジショニングである. 差動信号のスイッチング変化は2つの信号の交点にあるので, 判定のための高しきい値と低いしきい値電圧に依存する通常のシングルエンド信号とは異なり, 彼らは、プロセスと温度の影響を受けません. それはタイミングエラーを減らすことができて、より低い振幅信号. 現在普及しているLVDS（低電圧差動信号）は、この小振幅差動信号技術を指す。微分はクロストークを考慮できない, 彼らのクロストークの結果は、受信されたときにキャンセルされますので. 加えて, 差は均衡すべき, そして、平行はバランスの一部だけです. 私は、差動対の結合がまだ必要であると思います, シングルラインマッチング, 理論上非常に成熟しているが, しかし、実際のPCB回路はまだ約5 %の誤差を持っています。一方で, 差動ラインは、自己ループシステムとして見ることができます, または、その2つの信号線の信号は相関する. カップリングが緩いならば, 他の場所から異なる干渉を引き起こす可能性があります. いくつかのインターフェース回路, アレグロトレーニング差動対の等しい長さは、ライン遅延を制御する際の重要な要因である. So, 私は、差動線がきつく結合しなければならないと思います. 大部分の現在の高速のために PCBボードs, 良好な結合を維持することは有益である, しかし、私はあなたが誤って、結合が差動対のために必要条件であると誤って考えないことを望みます, 時々、デザインアイデアを制限する. 高速設計または分析を行うとき, 大部分の人々がそれをする方法, しかし、他の理由, そして、他の人の経験に基づいて, そして、常に彼らの創造的思考能力を行使する. マッチングが必要, しかし、マッチングの理由は反射ではない, しかし、交差巻線干渉度を減らすために. 縮小がマッチング方法に関連するならば, 直列抵抗が使われるならば, それは効果がない, しかし、接地または電源接続の終端整合方法が使用される場合, つのワイヤの線インピーダンスが減らされるので、交差巻き取りのため、減らされる...

PCBレイアウトエンジニア, 問題は、差動ルーティングのこれらの利点が実際のルーティングで完全に利用できることを保証する方法です. 多分、レイアウトと接触している誰でも、差動ルーティングの一般的な要求を理解するでしょう, and the PCBボード デザインは、等しい長さです, 等しい距離. 等しい長さは、2つの差動信号がいつでも逆極性を維持して、コモンモード構成要素を減らすことを確実とすることになっている等しい距離は、主に2つの差動インピーダンスが一貫していて、反射を減らすことを確実とすることです. 「可能な限り近い原則」というのは、時々、差動ルーティングの要件の一つである. 別の信号層において差動トレースを実行することもできる, しかし、この方法は, 異なる層によって生成されたインピーダンスとビアの違いは、差動モード伝送の効果を破壊し、コモンモードノイズを導入する. 加えて, つの隣接する層が緊密に結合されていない場合, それは、ノイズに抵抗するために微分トレースの能力を減らす, しかし、周囲のトレースから適切な間隔を維持することができます, クロストークは問題ではない. 一般的な周波数（GHz以下）で, EMIは深刻な問題ではない. 実験では、距離3 mの差跡から500マイルの距離における放射エネルギー減衰が60 dBに達していることを示した, FCCの電磁放射線規格を満たすのに十分である, したがって、設計者は、不十分な差動線結合に起因する電磁不等式についてあまり心配する必要はない. しかし、これらの規則のすべては修辞的なものではない, 多くのエンジニアは高速差動信号の性質を理解していないようだ. PCB差動信号設計におけるいくつかの共通の誤解を議論することに焦点を当てた. 微分痕跡は非常に近いに違いない. 微分トレースを閉じることは、それらの結合を強化するよりも何もない, ノイズに対する耐性を向上させることはできない, しかし、また、外部の世界への電磁干渉を相殺するために磁場の反対極性をフルに利用する. このアプローチはほとんどの場合非常に有益ですが, それは. 我々が彼らが完全に外部干渉から遮蔽されることを確実とすることができるならば, それから、我々は互いとの強いカップリングを通して反干渉と反干渉を成し遂げる必要はありません. EMI抑制の目的. どのように、我々は差動跡が良い分離と遮蔽を持つのを確実にすることができますか? 他の信号跡との間隔を増やすことは、基本的な方法の1つです. 電磁界のエネルギーは距離の2乗で減少する. 一般に, 線間隔は線幅の4倍を超える. , それらの間の干渉は非常に弱く、基本的に無視できます. 加えて, 接地面の分離も良好な遮蔽役割を果たすことができる. この構造は、高周波（10 G）のICパッケージPCBの設計でしばしば使用されるボード.CPW構造と呼ばれる, 厳密な差動インピーダンス制御（2 Z 0）を保証できる. 差動信号がリターンパスとしてグランドプレーンを必要としないと思う, または、異なる痕跡が互いのために帰り道を提供すると思う. この誤解は表面現象によって混乱することに起因する, または高速信号伝送のメカニズムの理解は十分ではない. 差動回路は、電源および接地面に存在することができる同様のバウンスおよび他のノイズ信号に対して鈍感である. グランドプレーンの部分的リターンキャンセルは、差動回路が信号戻り経路として参照面を使用しないことを意味しない. 事実上, 信号戻り解析, 差動ルーティングと通常のシングルエンドルーティングのメカニズムは同じです, それで, 高周波信号は常にインダクタのループに沿って戻る, 違いは地面とのカップリングに加えて, 差動線も相互結合を有する. どちらの結合も強い, それがメインリターンパスになります. で PCBボード回路設計, 差動トレース間の結合は一般に小さい, 多くの場合、結合度の10〜, そして、より多くは地面へのカップリングです, したがって、差動トレースの主リターンパスは、接地面内に存在する. 地面が不連続であるとき, 参照平面のない領域で, 差動トレース間の結合は、メインリターン経路を提供する, 参照面の不連続性は、微分トレースに影響を及ぼさない. 大変だ, しかし、それはまだ差動信号の質を減らして、EMIを増やします, 可能な限り避けるべき. また、差動トレースの下の基準面を除去して差動伝送におけるコモンモード信号の一部を抑圧することもできると考える, しかし、このアプローチは理論上望ましくない. インピーダンス制御法? 共通モード信号を提供しない. 接地インピーダンスループはEMI放射を引き起こす, どちらが良いより害. 等しい間隔を維持することは、線長. 実際には PCBボード レイアウト, 微分設計の要件は、しばしば同時に満たされない. ピン分布などの要因により, ヴィアス, とルーティング空間, 適切なルーティングによって、線長のマッチングの目的を達成しなければならない, しかし、結果は、差動対のいくつかの領域が並列であるはずがないということでなければなりません. PCBボード 差動ルーティングは、デザインの最も重要なルールは、線の長さに一致することです, そして、他の規則は、設計要件および実用的なアプリケーション.