高速PCB設計 | Altiumリソース

Thought Leadership 回路設計における過渡信号解析のためのツール適切なシミュレータを使用すれば、これらの回路で過渡信号解析を行うことができます。私はまだ最初の微分方程式のクラスを覚えています。最初に議論されたトピックの一つが、多くの異なる物理システムで発生する減衰振動回路と過渡信号応答でした。PCB内のインターコネクトや電源レールでの過渡応答は、ビットエラー、タイミングジッター、および他の信号整合性の問題の原因となります。過渡信号解析を行うことで、完璧な回路を設計する道のりでどの設計ステップを踏むべきかを決定できます。単純な回路での過渡信号解析は、手作業で調べて処理することができ、時間の関数として過渡応答をプロットすることができます。より複雑な回路は、手作業で分析するのが難しい場合があります。代わりに、シミュレータを使用して回路設計中に時間領域の過渡信号解析を行うことができます。適切な設計ソフトウェアを使用すれば、コーディングスキルも必要ありません。回路設計における過渡現象の定義正式には、過渡現象は、一連の結合された一次線形または非線形微分方程式（自律的であるか非自律的であるかにかかわらず）として記述できる回路で発生する可能性があります。過渡応答はいくつかの方法で決定できます。私の意見では、ポアンカレ・ベンディクソンの定理を使用して、任意の結合方程式セットに対して手作業で簡単に処理できるため、過渡応答のタイプと存在を簡単に判断できます。このような操作が得意でない場合でも心配はいりません。SPICEベースの回路シミュレーターを使用して、時間領域で過渡挙動を調べることができます。フィードバックのない時間不変回路の過渡応答は、3つの領域のいずれかに分類されます：過減衰：振動のない遅い減衰応答臨界減衰：振動なしで可能な限り速い減衰応答減衰振動：減衰し、振動する応答これらの応答は、時間領域シミュレーションの出力で簡単に確認できます。SPICEシミュレーターを使用して、回路図から直接過渡信号分析を実行できます。時間領域での過渡信号分析のためのツール回路の挙動を調べ、過渡信号解析を探求する最も簡単な方法は、時間領域シミュレーションを使用することです。このタイプのシミュレーションは、ニュートン・ラフソン法または数値積分法を使用して、時間領域で回路のキルヒホッフの法則を解くことにより行われます。これは、シミュレートされる回路の形式に依存します。これらおよびその他の方法は、SPICEベースのシミュレータに統合されており、明示的に呼び出す必要はありません。過渡解析のもう一つの方法は、回路のラプラス変換を取り、回路の極と零点を特定することです。回路シミュレーションの観点からは、回路図から直接過渡信号解析シミュレーションを実行できます。これには、回路の挙動の2つの側面を考慮する必要があります：駆動信号。これは、過渡応答を引き起こす入力電圧/電流レベルの変化を定義します。これには、2つの信号レベル間の変化（例えば、スイッチングデジタル信号）、電流入力信号レベルのドロップまたはスパイク、または駆動信号の任意の変化が含まれる場合があります。正弦波信号や任意の周期波形で駆動することも考慮できます。また、信号が2つのレベル間で切り替わる際の有限立ち上がり時間も考慮できます。初期条件。これは、駆動信号が変動する瞬間または駆動波形がオンになった瞬間の回路の状態を定義します。これは、時刻 t = 0 で、回路が初めて定常状態（つまり、回路内に以前の過渡応答がなかった）にあったと仮定します。初期条件が指定されていない場合、t

高速PCB設計：一体どれほど速いのか？以前のブログで何度か指摘されているように、現在、「高速PCB」は私たちの業界でほぼ至る所に存在しています。そして、引用されているように、エンド製品や実装に関係なく、IC技術が組み込まれているという事実により、すべてのPCBは高速であると常に言われています。数年前、重要なのはコンポーネントのエッジレート、より具体的には、コンポーネントのエッジとボード間の相互接続であると言い始めました。実際、それが私たちのビジネス名であるSpeeding Edgeに至った経緯です。これは、「bleeding edge」と「高速エッジレート」という用語の混成語であり、PCB上のコンポーネント相互接続によって示されます。「高速」という用語の進化とそれが年々どのように変化してきたかを再考する価値があります。この記事では、高速PCBの歴史、PCBデバイスを高速と言うときに何を本当に意味するのか、そして高速PCB設計プロセスに不適切に適用されるいくつかの経験則について議論します。高速設計原則に関する情報の貴重なリソースも議論されます。高速PCBの誕生と進化高速PCBは実はかなり昔から存在しており、IBMやCrayといった企業が設計・製造したメインフレームコンピュータに遡ります。しかし、それはPCB業界の他の部分と比べるとかなり孤立したニッチでした。世界の残りの部分にとって、高速が問題となったのは80年代初頭にTTLが十分に速くなり、パスが長くなった時です。そして、それが信号整合性に関して高速を定義する方法です。信号パスが立ち上がり時間に対して相対的に長い場合、PCBは高速であるとされ、信号が開放端で反射して問題を引き起こす可能性がある場合、パスは長くなります。正確な数学の観点から言えば、立ち上がり時間がナノ秒である場合、3インチ（約7.5 cm）以上のすべてのパスが反射のために失敗する可能性があります。注：3インチ=7.5 cm、6インチ=15 cmです。立ち上がり時間を長さに変換するには、パスの速度を見つけ出します。PCBでは、これは大体ナノ秒あたり6インチに相当します。これが出発点です。そして、それがどれだけ頻繁に発生するか、またはクロックレートが何であるかは、判断に影響しません。スピーディングエッジの社長兼創設者であるリー・リッチーは、「電源を入れたときにリセットラインで設計が失敗することを見たことがあります。これは電源を入れたときに起こります。人々はそれが頻繁に起こらなかったので、これを非重要と判断するかもしれません。世界はクロック周波数に基づいて速く判断する習慣があり、そこで問題にぶつかります。」例として、数年前に失敗したパルスオキシメーターのトラブルシューティングを行いました。その製品を設計した会社は、1MHzのクロックを持っていたため製品が「遅い」と判断しました。しかし、設計のメモリ部分が350ピコ秒の立ち上がり時間を持っていたため、動作しませんでした。では、現在はどうでしょうか？最後に見たMicron Technologyのメモリコンポーネントのデータによると、遅いエッジは100ピコ秒、標準エッジは50ピコ秒でした。速いエッジは指定されていませんでした。ナノ秒から始めると、遅いエッジはそれの1/10であり、これは遅いエッジの場合、3/10インチの長さのパスが反射による失敗を示すことができることを意味します。このシナリオでは、クロック周波数に関係なく、速くない製品はありません。製品設計者は今日でも、最終製品の実装が「高速」ではないからといって、デフォルトで製品が高速でないと仮定すると問題に直面します。そして、人々が間違いを犯しがちな5つの領域があります。これらには次のようなものが含まれます：信号整合性のルールに従わない。これには、インピーダンスを制御しない、適切な終端を使用しない、アプリケーションノートを設計ガイドとして利用することが含まれます。設計が失敗した言い訳の多くは、「アプリケーションノートに従ったが、製品が動作しない」と始まります。（多くのアプリケーションノートには有効な信号整合性のアドバイスが含まれていません。）技術的なルールを理解していない人々から来る多くの技術製品のアイデア。過去30年間で、信号整合性の訓練を受けていないコンピュータサイエンスのエンジニアから始まる多くの製品アイデアがありました。経験則を一握り掴んで、物事の実際の動作を理解せずに設計プロセスに適用する。そして、以前のいくつかの記事で指摘されたように、高速設計において、今日最大かつ最も重要な課題は、適切に機能するPDSを設計することです。悪いルール

パワープレイ - 電力供給システムの成功設計業界全体を通じて、最も問題を引き起こし続ける設計要素は電力供給システム（PDS）です。そして、コンサルティング会社として、過去数年間にわたり私たちが解決に呼び出された問題の大半は、常にPDSの問題に集中していました。以前のブログで述べたガードトレースとその非効率性についての話と同様に、EMIの問題を解決するために呼び出されるたびに、私たちは常にPDSの修正に取り組んできました。この記事では、PDS設計の課題がどのようにして生じ、それらを軽減するために使用された方法について議論します。この記事の第2部では、超低電力実装のためのPDS設計について取り上げます。少しの歴史と多くの問題まず、基本から：すべてのPDSには、電力が流れる場所と直列にインダクタンス（Lpとして表される）と抵抗（Rpとして表される）があります。低電流では、抵抗は問題になりません。低周波数では、インダクタンスも問題になりません。周波数を上げ始めると、インダクタンスは劣化の主要な原因となります。では、インダクタンスや抵抗が問題となり始めた時期を少し振り返ってみましょう。最も重要なのは、PDS設計の「ブラックマジック」がいつ登場したかを見ることです。両面ボードの使用を開始したとき、その上の信号の立ち上がり時間は時に数十ナノ秒にも及びました。周波数成分は非常に低く、結果としてボード上のトレースは問題を引き起こしませんでした。全ての電力はトレースではなく平面で配線されていました。各ICのルートパスに、+5とグラウンドの間にキャパシタを配置するだけで十分でした。その後、ECL（エミッタ結合ロジック）が登場しました。 ECL技術は、ボード上に平面がなければ決して機能しませんでした。なぜなら、立ち上がり時間がナノ秒未満だったからです。これが、電力分配にトレースを使用することが許容されなくなった時期です。立ち上がり時間が速いため、トレースで電力を接続することはできませんでした。インダクタンスが大きすぎました。そのため、ECL技術の最初から常に電力平面ペアが存在しました。ECL技術を設計に使用するエンジニアはこれを理解し、電力平面を使用しました。さて、TTL（トランジスタ・トランジスタ・ロジック）に移りましょう。基本的なTTLでは、トレースで電力を配線できました。その後、ASTTL（Advanced Schottky TTL）の時代が到来しました。これはECLと同じ速さでしたが、それを使用して製品を設計していたエンジニアは、遅いTTLを使用していたときと同じ方法を試み、回路が安定しませんでした。その結果、恐ろしいEMI（電磁干渉）が発生しました。人々は.1および.01マイクロファラドのキャパシタを使用してみましたが、うまくいきませんでした。そして、それがすべての「ブラックマジック」ルールが登場し始めたときです。公共の領域にEMIエンジニアはほとんどおらず、TTLを使用していたエンジニアが伝送線、電力供給、高速信号の配線などを理解していなかったため、本当に困難な状況に陥りました。製品がEMIテストレンジで失敗すると、設計エンジニアはテストを行っている人に何をすべきか尋ね、テストエンジニア（PDS設計を理解していない）は、問題を改善するために他の誰かが行ったことを引用し、それがリストに記載されて回されました。これらのリストが「ブラックマジック」ルールの起源でした。 PDS設計およびそれ以降におけるキャパシタの役割「ブラックマジック」のルールの結果の一つは、PDSを設計する際に、人々がPDSの問題を修正しようとして基板に多くのキャパシタを配置する傾向があったことですが、それらのキャパシタがどのように機能するか、または機能しないかを本当に理解していませんでした。ここからデカップリングキャパシタの概念が生まれました。実際には、これらのキャパシタは何もデカップリングしません。代わりに、スイッチングイベントをサポートするための局所的な電荷源を提供します。「クーロンバケット」として言及される方が適切です。なぜなら、スイッチングイベントをサポートするために使用されるクーロンの電荷を蓄えるからです。（クーロンは、国際単位系の電荷の単位です。1アンペアの一定の電流が1秒間に運ぶ電荷です）。使用されるキャパシタが適切なサイズでない場合や、関与する周波数で機能しない場合、結果としてVddにリップルが発生します。（Vddは、MOSまたはCMOSトランジスタまたはICのドレイン端に接続される電源の端子で、通常は電源の最も正のレールです）。このトピックに関する徹底的な取り扱いは、Lee RitcheyのAltium Resourceの記事「Win at Power Delivery System

Whitepapers 細心の配慮が必要な基板の領域はじめに現在、FPGAやマイクロプロセッサーなどの高度で多岐にわたるさまざまな半導体デバイスの格納には、一般的にボールグリッドアレイ(BGA)のデバイスパッケージが利用されています。チップ製造の技術的な進歩に足並みを揃えるため、埋め込み型設計向けのBGAパッケージはこの何年かで大きく進展しました。このパッケージは、標準的なBGAとマイクロBGAに分類できます。現在の技術では出口配線が原因となり、複数のI/O可用性に対する要求によって、経験の豊富なPCB設計者にさえ多くの課題がもたらされています。そのなかでも、製造の失敗といった問題を引き起こすことのない適切な出口配線を確保しなければなりません。パッドやビアのサイズ、I/Oピンの数、BGAのファンアウトに必要なレイヤーの数、トレース幅のスペースなど、適切なファンアウト配線を行うには、いくつかの応用が必要になります。また、基板のレイヤー数をいくつにするかという問題もありますが、これは簡単に決められるものではありません。レイヤーの数が増えると、製品の全体的なコストも上がります。一方で、発生したノイズを抑制するために、レイヤーを追加しなければならないこともあります。作業領域設計のトレースとスペース幅、ビアのサイズ、1つのチャンネルのトレース量が確定しないと、必要なレイヤー数は決定できません。I/Oピンを最小限にするための最良の方法は、レイヤーの数を減らすことです。一般的には、デバイスの最初の2つの外層にはビアが必要ないものの、内層の下にはビアを配線しなければなりません。多くの設計者は、これを「ドッグボーン」と呼びます。これは、ビアが反対側の端にある場合のBGAパッドからの短いトレースを指します。ドッグボーンがファンアウトすると、デバイスが4つのセクションに分離されます。これはデバイスの縁をオーバーするエスケープ配線となり、その他の内層のパッドに別のレイヤーからアクセスできるようになります。このプロセスは、パッドが完全にファンアウトするまで続行されます。スナップグリッドの場合、配線は必ずしも一貫しません。そのよい例は、トレース幅を縮小するネックダウンが必要なときです。この場合、適切なスナップグリッドを確保するために、変更や設定を何度も繰り返さなければならない面倒な事態になることがあります。ただし、グリッド内にグリッドを挿入し、スナップグリッドの感度をより適切な設定に自動的に変更できれば、単調なプロセスを繰り返す負担を軽減できます。もうひとつの例は、円形コンポーネントの配置です。高度なスナップ管理システムではPolarグリッドが役立ちます。これは特にコンポーネントの配置で円形基板を設計する際に極めて有用です。 (※続きはPDFをダウンロードしてください) 今すぐ Altium Designerの無償評価版をリクエストして、世界最高のPCB設計ソリューションをお試しください！