Articles and Resources by Jason J. Ellison.

基板のDFMプロセスを切り抜ける 1 min Blog アルティウムのPCB設計ブログ読者の皆さまは、おそらく、これまでに基板の設計や製造の経験をお持ちでしょう。私もそうですが、デザインを製造にリリースするのは、うれしくも悲しくもあることです。丹精込めて設計したハードウェアがもうすぐ形になる一方で、製造現場からDFMのリクエストが並んだ一覧が送られてくるからです。これは、1つも楽しいことではありません。この記事では、実装すべき設計機能を紹介し、製造前にやっておくべき手順について説明します。それがあれば、 DFMの厄介事を避ける上で役に立つでしょう。また、シグナルインテグリティ回路で起こる一般的なDFMの問題についても、いくつか例をご覧いただきます。しっかりとした構成で始める積層板が特定の厚さでしか提供されていないことを忘れてしまい、積層板の物理的な特性のみを考慮して材料を選択する技術者が大勢います。スタックアップは、任意ではなく限定的な厚さの選択肢から選んで設計する必要があるのです。そうしないと、製造業者から製造可能なスタックアップを提案され、トレースの配置を大幅に変更する必要が出てくる恐れがあります。たとえば、GNDプレーンの任意の分離幅として8mil (4milの誘電体層が2つ) を使ってストリップライントレースをこちらは設計したのに、製造業者から材料が5mil単位でしか提供されていないと告げられた場合は、トレースの幅を大幅に広げるか狭めるかしてインピーダンスを維持する必要があります。これは、特に密度が制限に達しようとしている場合に、深刻な状況になります。この問題を回避するには、レイアウトを開始する前に製造業者に連絡し、基板に何をさせる必要があるのかを伝えます。少なくとも、基板で対応する必要のある周波数範囲、レイヤの数、目標としている全体的な厚さについて知らせておきましょう。インピーダンス制御のための目標DKやパネルのサイズ、意図される最終用途といった詳細は、製造業者が考えられる選択肢を絞り込む際に非常に有用です。現場で製造がスムーズに進むような材料を選択することも、最初から良い結果を出す上で役立ちます。 IPC-A-610に準拠する基板を問題なく製造する上で必要なことを理解するにあたっては、ICP-A-610が一番の味方になってくれるでしょう。この文書はそれほど高価ではないため、まだお持ちでない場合は入手することをおすすめします [1]。この規格では、基板が3つのクラスに分類されています。クラス1では、故障率がそれほど重要にならない使い捨ての品目が対象となります。クラス2では、製造プロセスを踏まえ、確実に機能して故障率を低く抑える必要のある電子機器が対象となります。クラス3では、たとえば、ペースメーカーなど、故障が許されない機器が対象となります。各クラスに要求される仕様は、基本的にはPCB関連の故障モードを相殺するために組み込まれた安全マージンのレベルと、特定の現場でPCB製造プロセスに課せられる物理的な制限に伴う関連設計基準です。大半の機器については、ドリルドローイングレイヤに「この基板はICP-A-610のクラス2に従って製造してください」という製造メモを残す必要があります。こうすることで、この規格を確実に守りながら基板を製造できるようになります。とはいえ、製造業者についてはちょっとした秘密があります。彼らはすべての設計でICPクラス2をチェックしているのです。これは単に、欠陥のために基板を戻されることを避けるためです。彼らがICPのクラス2の基準に照らして基板をチェックしているのであれば、こちらは設計が製造に渡される前に仕様を確実に満たしておく必要があります。単純に聞こえるかもしれませんが、これが技術者から最もよく耳にする問題なのです。たとえば、「トレースにはシルクスクリーンを配置しない」や「SMTパッドにはソルダーマスクを使用しない」など、いくらかの常識があれば大半のIPCに準拠することができます。ただし、見逃しやすい基準もいくつかあります。それは、設計者が製造可能性ではなく、シグナルインテグリティやパワーインテグリティといった設計の別の側面に目を向けているからです。アニュラリングのサイズ ICPの文書では、ドリルブレークアウトが定量化されています。ブレークアウトを防止するには、ビアの周囲のアニュラリングの直径を、大半の製造業者のドリルよりも12mil大きくする必要があります。この問題は、同軸コネクタや高速シリアルコネクタ向けの設計で発生する傾向にあります。シグナルインテグリティの場合、このパッドは邪魔にしかならないため、最小限に抑える必要があります。通常、技術者はこのサイズを8milにしようと試みます。達成不可能な数字ではありませんが、すべての製造業者が対応できるとは限りません。ドリルトレースからドリルまでの距離すべてのレイヤの銅箔からドリル穴のエッジまでの公称距離は、8mil以上にする必要があります。これは、ドリルがぶれて他のネットに接触しないようにするためです。8milでもかなり小さく、現在の最高水準では回路密度が上げられ、この制限にぶつかってしまうことが常となっています。ここで重要なのは、前もって計画して設計内で配線チャンネルを作成し、それに応じてトレースを設計することです。たとえば、10milのドリルで作成されたビアが2列あり、その列が40milの中心線上にあるとしましょう。配線チャンネルは、30milからDFMの両側で8milをマイナスした14milとなります。2つのトレースをここに収める必要がある場合、5milのトレースを使えば、4mil残すことができます。シグナルインテグリティの用途では、バックプレーンコネクタを使用する際に、かなりの頻度でこの方法が利用されています。たとえばAirMAXTMコネクタ [2]

干渉振幅歪み 1 min Blog 以前のブログでCOMとチャネル分析について話しましたが、さらに視覚的な補助といくつかの例示コードを用いて、読者が自身で分析を行えるように議論を続けたいと思います。まず、COMが何であるか、そしてCOMがどのように計算されるかの高レベルな概要を見てみましょう。COMは、ある時点での電圧の信号対雑音比です。その時点とはサンプリングポイントであり、利用可能な信号はサンプリングポイントでのパルス応答の電圧です。パルス応答とは、テスト中のチャネルを通過した後の電圧の形状であり、パルスは単に意図されたデータレートに対応する単位間隔を持つ矩形関数です。ノイズは統計分析によって見つかり、ISI、クロストーク、システムの3つの主要なカテゴリーに分けられます。 ISIノイズは、チャネル内の反射による統計的ノイズです。DFEタップの後のパルス応答におけるゼロ以外の値は、このノイズに加算されます。考慮される値は、互いにMポイント離れたものだけです。これは下の図で円として示されています。マゼンタの円はDFEによって処理されたノイズの寄与であり、黒い円はDFEが適用されていないノイズ値です。クロストークも全く同じ方法で行われますが、ノイズ値は非同期です。つまり、COMは利用可能な信号スライスに対応する値ではなく、ピーククロストーク値を取ります。システムノイズには、データ依存ジッター（DDJ）、ランダムジッター、およびICからのノイズのまとまった値が含まれます。DDJは反射に関連しているため、ISIノイズ値にトレンドがあります：ISIが多いほどDDJも多くなります。しかし、他のすべてのシステムノイズは、チャネルに関係なく一定です。パルス応答を作成するための計算を行うことは決して簡単ではありませんが、ほとんどのエンジニアや科学者は最終的にはそれを理解できます。しかし、問題のノイズ部分ははるかに難しいです。主な問題は、以下に示す方程式93A-39の実装です。世界のほとんどの人にとって、これはかなり難解な方程式です。各部分を説明し、その後で視覚的な補助を示します。左から右にかけて、pn(y)は、寄与するサンプルnからの位置yにおける電圧の確率です。言い換えれば、パルス応答の点の1つに対して、ノイズの量が発生する可能性がどの程度あるかということです。1/Lは変調を考慮に入れます。各レベルにはそれぞれの確率があり、y方向の総確率は1になる必要があります。したがって、確率は各レベルで均等に分割されます。この論文では、Non-Return Zero (NRZ)、Pulse Amplitude Modulation 4 (PAM4)、およびPAM6を分析します。NRZには2つのレベルがあり、PAM4には4つのレベルがあり、PAM6には6つのレベルがあります。実際には、IEEE COMコードは、標準が非対称レベルを考慮に入れていないため（しかし、入れることもできます😉）、1つのレベルに対する確率密度関数（PDF）のみを評価します。1つのレベルのみを考慮することは、標準の実行速度の向上にも寄与しており、これは熱い議論のトピックとなっています。デルタ関数を一旦置いておき、その引数について考えましょう。ここで重要なのは、yがと同じ時に引数がゼロになることです。最後にデルタ関数がありますが、その引数がゼロの時、デルタ関数は単純に1になります。 yをスイープすると、ノイズサンプルnがどれだけのPDFを生成するかがわかります。次のステップは、各サンプルnに対して方程式93A-40を使用し、時間領域ソースからのノイズのPDFを得ることです。この方程式を以下に示すサンプルに適用します。これは、再反射信号がチャネル上で0.000819779ボルトのノイズを生成している点です。 93A-39の内部引数をプロットすると、次のグラフが得られます。l = 0およびl

測定されたSパラメータの専門家による分析 1 min Blog Sパラメータ解析についての紹介を読む。この記事では、ポートマップの識別方法、挿入損失と反射損失の見た目、時間領域でのさまざまなSパラメータの見え方、およびSパラメータをデータマイニングする際に使用する追加の分析技術について説明します。

チャネル動作マージンはそんなに悪くない 1 min Blog COMとは何か？ Channel Operating Margin（チャネル動作マージン）またはCOMは、よく理解されていない概念です。理解されていないため、多くの人々はそれが本当に何かを意味するのか疑っています。結局のところ、チャネル品質がデシベルで表される単一の数字でどうやって表せるのでしょうか？実は、COMはアイパターンを使用したチャネル検証技術の長い進化の最新の段階なのです。このブログでは、COMの進化をその起源まで遡り、悪名高いCOMメトリックに意味を与えます。最初のチャネル動作マージン：アイパターンまずはアイパターンから始めましょう。アイパターンは、長いシリアルデータの流れを見る方法です。Keysight ADSやPyBERT [1] [2]が登場する前は、アイパターンはデジタルサンプリングオシロスコープやリアルタイムスコープで測定されていました。アイパターンウィンドウでは、y軸の単位は電圧で、x軸の単位は2つの単位間隔にわたる時間です。単位間隔、またはUIは、1ビットが通過するのに必要な時間です。したがって、2UIの時間内に、画面の中央に1ビットのデータを半ビットのマージンを両側に持たせて中央に配置できます。しかし、1ビットだけを見るのではなく、すべてのビットが一度に重なり合い、シリアルデータの全ストリームが画面上に表示されるまで重ねていきます。信号品質は、中央の穴の大きさで定量化されます。アイパターンがとても良好に見える場合、エンジニアが「そのアイを通してトラックを運転できる！」と言うことがあります。開口部を定量化する最も一般的な方法は、幅、高さ、または面積です。アイのDC点での交差はジッターであり、ジッターは通常、ヒストグラムを用いて統計的に測定されます。図1. シリアルビットストリームの例。早期のチャネル仕様、そして場合によっては受動部品の仕様では、合否判定基準としてアイマスクと呼ばれるものが使用されていました。アイマスクは通常、アイ幅とアイ高さによって定義されるダイヤモンド形の領域です。合格するアイは、アイマスク内に検出されたサンプルまたはヒットが限られた数しかありません。1と0のパターンは標準によって指定され、通常は疑似ランダムビットシーケンスまたはPRBSパターンです。基本的に、パターンを10Gb/s未満と10Gb/s以降の2つのカテゴリーに分けることができます。10Gb/s未満では、ほとんどのシステムで8b10bエンコーディングが使用され、PRBS 7が適切なパターンでした。IEEEが802.3baで10Gb/sを導入したとき、エンコーディングは64b66bスクランブラーに切り替わり、PRBS 31が主流になりました。今日でも112Gb/sで、PRBS 31、またはQPRBS 31が最も使用される標準パターンです。統計的に言えば測定されたアイパターンの後、StatEyeは受動チャネルを評価する次の方法であり、OIFによって広く使用されました。StatEyeの背後にある考え方はここで詳しく説明されています：[3] 簡単に言うと、StatEyeはシステムのパルス応答を使用してアイパターンを予測します。パルス応答とは、1-UIの正方形パルスで興奮させたシステムの時間領域応答であり、システムは等化を含む受動チャネルです。StatEyeで利用可能な等化技術には、FFE、CTLA、DFEがあります。システムの伝達関数はSパラメータから収集されます。チャネルSパラメータはシミュレートできるため、StatEyeは多くのチャネルと等化設定を試して、何が機能するかを見る効率的な方法です。その間、アイマスクは統計的に予測されたアイオープニングを使用しての合格/不合格基準です。 StatEyeとCOMの間のどこかで、ピーク歪み分析（PDA）がある程度一般的になりました。この方法は、HeckとHallによって「高速デジタル設計のための高度な信号完全性」[4]でよく文書化されています。要約すると、StatEyeと同じパルス応答を使用しますが、出力は単にいわゆる最悪のケースのアイ開口となります。PDAはデータをでっち上げないため、個人的に好きな理由です。自分で実装してみたところ、PDAは高い信頼性を持って最悪のケースのアイパターンを予測することがわかりました。しかし、PDAとStatEyeはチャネル内の送信機と受信機の影響を含まず、最適なイコライゼーション設定を手動で見つける必要があります。

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Jason J. Ellison

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