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高速PCB設計

高速PCB設計では、高速エッジの信号が使用されます。この信号では、デバイスの状態が非常に速く切り替わり、信号がコンポーネント間を移動し終わる前に移行が完了します。高速PCB設計における相互接続には、正確なインピーダンス整合が必要であり、相互接続に伴って起こりうる損失、歪み、EMI、クロストークを考慮した配線が必要です。伝送線路の設計、レイアウト、ルーティングを適切に行うことで、これらの問題を最小限に抑えることができます。プリント基板における高速基板レイアウトや伝送線路設計を成功させるためのリソースを、ライブラリでご覧ください。

高速PCB設計 Altium Designerを使用したPCBレイアウトと高速設計 高速設計とは何か Solve High-Speed Signal Constraints Automatically
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高速PCB設計においては、グラウンドプレーンのギャップを横切ってはいけません 高速PCB設計においては、グラウンドプレーンのギャップを横切ってはいけません 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 電子機器やPCBのフォーラムをよく閲覧していますが、同じ質問が何度も何度もされています。なぜグラウンドプレーンの割れ目を越えてトレースを引いてはいけないのか？この質問は、ハイスピードPCB設計にちょうど足を踏み入れたばかりのプロのデザイナーからメーカーまで、誰もが尋ねます。プロの信号完全性エンジニアにとって、答えは明らかでしょう。 長年のPCBレイアウトエンジニアであろうと、たまにデザインする人であろうと、この質問への答えを理解することは役立ちます。答えは常に絶対的な表現で枠付けられます。PCB設計の質問に絶対的な用語で答えることはあまり好きではありませんが、この場合は答えが明確です：グラウンドプレーンの隙間を越えて信号をルーティングしてはいけません。さらに詳しく掘り下げて、なぜグラウンドプレーンの隙間を越えてトレースを引いてはいけないのか理解しましょう。 グラウンドプレーンの隙間：低速および高速設計 この質問に答えるには、DC、低速、高速での信号の振る舞いを考慮する必要があります。これは、各タイプの信号がこの基準面で異なるリターンパスを誘導するためです。信号がたどるリターンパスは、基板内で生成されるEMIに及ぼす重要な影響、および特定の回路がEMIに対してどれほど感受性を持つかについて、いくつか重要な影響を及ぼします。PCB内でリターンパスがどのように形成されるかをよりよく理解するために、 この記事と、Francesco Podericoからの 役立つガイドをご覧ください。 PCB内でリターン電流がどのように形成されるかを理解すれば、それがEMIと信号の整合性にどのように影響するかを見るのは簡単です。ここで重要な理由です—そしてそれはグラウンドプレーンのギャップを越えるルーティングに関連しています。ボード内のリターン電流によって形成されるループは、2つの重要な振る舞いを決定します： EMIの感受性。回路内の供給電流とリターン電流によって作られるループは、ボードのEMIに対する感受性を決定します。大きな電流ループを持つ回路は、より大きな寄生インダクタンスを持ち、放射されるEMIに対してより感受性が高くなります。 スイッチング信号におけるリンギング。回路内の寄生インダクタンスは、信号がレベル間で切り替わる際の 過渡応答の減衰レベルを決定します。回路内の寄生キャパシタンスと併せて考えると、これら二つの量は過渡応答の自然周波数と減衰振動周波数を決定します。 DC、低速、高速信号を詳しく見てみましょう： DC電圧/電流 基板がDC電源で動作する場合、リターン電流は信号トレースの直下ではなく、供給リターンポイントに直線的に戻るため、リターンパスを実質的に制御することはできません。これは、大きな寄生インダクタンスのために基板がEMIに弱くなることを意味します。電源が切り替わらないため、過渡振動がないと思われがちですが、マイクロストリップトレースがグラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングされている場合でも、EMIの感受性の問題は依然として存在します。DCループのインダクタンスをできるだけ低く保つべきであり、ループインダクタンスを減らすためには、グラウンドプレーンのギャップを越えるルーティングを避けるのが最善です。 低速信号 DC信号と同様に、リターンパスは回路のループインダクタンスを決定し、これが EMI感受性および過渡応答の減衰を決定します。ループインダクタンスが大きい場合、減衰率は低くなり、DC信号の場合と同様に、グラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングするとループインダクタンスが増加し、信号の整合性、電力の整合性、およびEMIに影響を与えます。 残念ながら、低速信号はある種の遺物であり、TTL以上の速度のロジックを使用するすべてのボードは高速回路として振る舞います。低速信号（一般に数十nsの立ち上がり時間とそれより遅い）では、特定の回路のリンギング振幅は通常、低く抑えられていたため、気づかれないことが多かったです。したがって、信号がグラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングされない限り、ループインダクタンスは通常、激しいリンギング、EMI感受性、および関連する電力整合性の問題を防ぐのに十分に低かったです（下記参照）。 高速信号 低速で動作するように設計された基板に高速信号を流すと、与えられた回路ループのインダクタンスに対して、リンギングの振幅が大きくなります。これは、基板内のループインダクタンスをできるだけ小さく保つ必要性を再び示しています。目標は、与えられた相互接続においてリンギングの振幅を減少させるために、できるだけ多くの減衰を提供することです。再び、グラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングすることで、ループインダクタンスの増加を避けることができます。さらに、高速回路を運ぶ信号層の下にグラウンドプレーンを配置することで、相互接続全体を通じてループインダクタンスができるだけ低くなるようにする必要があります。 記事を読む
回路設計における過渡信号解析のためのツール 回路設計における過渡信号解析のためのツール 1 min Thought Leadership 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 記事を読む
ダンピングと反射伝達における直列終端抵抗 ダンピングと反射の転送における直列終端抵抗 1 min Blog 伝送線路を含む基板では、トレース、ソース、および負荷インピーダンスのマッチングが重要です。これらの条件を達成するために、単終端伝送線路に直列終端抵抗を使用する設計がいくつか見られるかもしれません。これを行う理由は、信号を遅らせるため、またはドライバーの出力インピーダンスを設定するためであり、誰に尋ねるかによって異なります。 驚くかもしれませんが、終端用の直列抵抗の配置は時々誤解されます。生じる疑問のいくつかは： 直列抵抗を手動で配置する必要があるのはいつですか？ 目標インピーダンスに伝送線路を設計するだけでよい場合はいつですか？ 短い伝送線路と長い伝送線路では何をすべきですか？ 直列抵抗を使用した場合の信号整合性において、負荷容量とグラウンドバウンスはどのような役割を果たしますか？ 単終端線路と差動線路の間に違いはありますか？ シグナリング標準にインピーダンス要件がない場合（例：SPIやI2C）にはどうすればよいでしょうか この記事では、高速GPIOやシリアルバスの観点から、上記のいくつかの質問を見ていきます。私たちはしばしば SPIのような標準を見て、インピーダンス要件が指定されておらず、バスが遅く動作するため、終端が不要であると簡単に仮定します。しかし、これはすべての場合に当てはまるわけではなく、任意の終端抵抗の配置は、注入される信号の立ち上がり時間、トレースの入力インピーダンス、およびライン上のオーバーシュートの減少に影響を与えます。 単端線上のシリーズ終端抵抗の2つの機能 シリーズ終端を使用する典型的な理由は以下の通りです： バスにはインピーダンス仕様がありません 出力インピーダンスと信号レベルは、特殊ロジックの目標値に調整されています プッシュプルドライバーは非常に迅速に切り替わります（数ns以下であることもあります） 受信機で見られる信号の立ち上がり時間は、負荷容量に依存します ドライバーからの出力インピーダンスは通常低いです ライン上にリンギングがあります 最後の点は、長い伝送線上の反射、または短い線上での過渡応答の励起の2つの要因によって引き起こされる可能性があります。前者はインピーダンスの不一致に関連していますが、後者は代わりにグラウンドバウンスの原因となる同じ要因に関連しています。 長い線上の反射：ドライバーの出力インピーダンスは常に伝送線の単終端インピーダンスよりも小さいため、ソースでの直列終端が時々使用されます。理想的な場合、出力インピーダンスは0オームですが、一般的には小さな非ゼロ値になります。終端抵抗の値をサイズする最も簡単な方法は、伝送線インピーダンスから出力インピーダンスを引くことです： 記事を読む
PCB設計におけるシリコンフォトニクス統合の課題 PCB設計におけるシリコンフォトニクス統合の課題 1 min Blog シリコンフォトニクスは、シリコンICで使用されている製造プロセスをそのまま使用します 最近のIEEEカンファレンスでリチャード・ソレフと会い、電子・フォトニック統合回路（EPICs）の現状について話し合う機会を得ました。彼はしばしば「シリコンフォトニクスの父」と呼ばれており、その理由は明らかです。彼に優しく頼めば、シリコン上に直接フォトニック回路としての基本的な論理ゲートをどのように構築するかを教えてくれるでしょう。 今はシリコンフォトニクスにとって画期的な時期です。この技術は数十年前から存在していますが、現在、大量商業化の寸前にあり、大衆に提供されようとしています。標準的な電子部品で動作するシステムにシリコンフォトニクスを統合する前に、克服すべきいくつかのエンジニアリングの課題がまだあります。 ICおよびPCB設計における100 Gbps+の課題 ここまで読んでまだ混乱している人のために、いくつかの背景を説明します：フォトニック回路とは、光のみを使用して動作する回路要素です。これらの回路は、光学および電子工学のコミュニティで主要な話題です。12年前、設計者は銅を介して100 Gbpsでデータを転送できる単一リンクの作成について話していました。 銅は短距離で100 Gbpsのデータ転送を可能にすることがわかり、一方で光ファイバーは長距離で最適に機能します。遅い機器でも並列化を使用して、データレートを100 Gbpsや400 Gbpsに増加させることができます。100 Gbpsネットワークで動作するために必要な光学機器は、非常に特定の設計要件を持ち、すべての電子部品と普遍的に互換性があるわけではありません。 データレートが増加するにつれて、PCBやIC内の電気信号の整合性の問題がより顕著かつ目立つようになり、その結果、信号の立ち上がり時間が短くなります。ICレベルでは、データレートの増加に伴い、相互接続遅延時間、伝播遅延時間、およびクロストークの強度がすべて増加します。PCBレベルでは、クロストーク、 放射されたおよび伝導されたEMI、および熱管理が、高速設計の重要な考慮事項となります。光学部品は、電子部品で見られる同じ信号整合性の問題に悩まされない、より高帯域幅の解決策を提供します。電子IC設計におけるより大きな並列性は、光学部品によって提供されるより高帯域幅の解決策を必要とします。 フォトニック集積回路（PIC）と電子・フォトニック集積回路（EPIC）に注目してください。前者の回路は、多数のフォトニック要素を単一のパッケージに統合して、完全に光で動作するように設計されています。後者の回路は、光を使用して動作するように設計されていますが、これらの回路には電子要素が現れることがあります。したがって、これらの回路は、電子部品の帯域幅に応じて、標準的な電子部品ともインターフェースできます。 なぜフォトニクスで、なぜシリコン上なのか疑問に思うかもしれません。シリコン製造所とチップ製造能力の成熟度は、これらの伝統的な製造プロセスをフォトニック回路に即座に適応させることができることを意味します。もし私たちが近いうちにPICやEPICを見ることになるなら、それらは最も確実にシリコンフォトニクス技術に基づいて構築されるでしょう。 将来的には、これらのICをPICやEPICとインターフェースすることになるでしょう PCBでのシリコンフォトニクスの使用における課題 シリコンの素晴らしい点は、1550 nmの波長で透明であるため、1550 記事を読む
高速PCB設計：どれほど速いのか？ 高速PCB設計：一体どれほど速いのか？ 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 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 記事を読む
Customer Success Stories BAE Systems Discover how BAE Systems improved project time frames while ensuring that designs perform as expected early in the development cycle using Altium Designer.
高速PCB設計 PCBシグナル：高速PCB設計の重要要素 2 min Blog 課題の理解 どれくらいが長すぎるのか？ インピーダンスのマッチング リターンエネルギーはどこで流れるのか？ 差動ペア ビアについては？ クロストーク 時間に合わせて踊る 基板 材料 レイヤー 可能なレイヤースタックアップ 課題の理解 この記事の目的は、高速設計の主要な要素を紹介し、それぞれの要素がAltium Designerでどのように取り組まれているかを議論することです。この記事は高速設計の完全な議論を提供しようとするものではありません。そのため、高度に経験豊富で学識深い設計者やエンジニアが、この主題に関して優れた参考文献や書籍を多数執筆しています。この記事の研究中に使用された著者や論文へのリンクについては、 参考文献 セクションを参照してください。 PCB設計が高速設計であるとは具体적にはどういうことでしょうか？確かにそれは物事が迅速に行われることに関係していますが、ボード上で使用されるクロックレートだけの話ではありません。デバイスが高速でエッジを切り替えるとき、つまり、信号がルートを伝わってターゲットピンに到達する前に遷移が完了するほど迅速に状態が切り替わるデバイスが含まれている場合、その設計は高速設計とされます。この状況では、信号がソースピンに反射され、元の信号データが劣化または破壊される可能性があります。高速エッジを持つ信号は、ルートから放射して隣接するルートにカップリングすることも、さらに放射して電磁干渉（EMI）となり、製品が強制的な放射基準を満たさなくなることもあります。 信号に高速のエッジがある場合、エネルギーがルーティングを通じて移動する方法が変わります。エッジレートがゆっくりと変化する回路では、エネルギーがパイプを通って水が流れるように、ルーティングを通じてエネルギーが流れると考えることができます。はい、水がパイプを押し通される際に摩擦によっていくらかのエネルギーが失われますが、基本的にはそのほとんどが他端に到達します。DCまたは低切替え周波数の回路では、ルートの抵抗を計算し、途中で失われるエネルギーの量が回路の性能に影響を与えないようにすることができます。 高速設計ではそれほど単純ではありません。なぜなら、配線された銅を通じて電子として流れるエネルギーだけでなく、高速で切り替わる信号では、そのエネルギーの一部が配線された銅の周りを電磁エネルギーとして移動するからです。これで、あなたはもはや電子のための銅の経路を設計しているのではなく、プリント基板に埋め込まれた一連の伝送路を設計しているのです。 記事を読む