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高速PCB設計解析: シミュレーションとシグナルインテグリティ解析

高速PCB設計解析: シミュレーションとシグナルインテグリティ解析夏の終わりが近づくと、私は家族を集め、魔法をかけられたようなワクワク感を求めてステートフェアに向かいます。フェアが開催される場所は、普段は人けがなく、荒れ果てた風景の中、小さなほこりのかたまりが風に吹き飛ばされていきます。ところがフェアが始まると、そこは活気に満ちあふれます。ゾウの耳がついたブース、動物や実演を見せる建物、大声で叫ぶ子供たちを乗せた娯楽用の乗り物などが並びます。それは、全ての部分が動く、ジャグリングのような曲芸的状況です。高速信号に対応したPCBの組み立てには、設計、コンポーネント、高速信号を扱うジャグリングのような部分があります。これらの高速信号には、不要な伝送線路が回路基板に大混乱を引き起こす可能性があります。混乱の多くはPCBレイアウト自体で発生します。レイアウトのどの部分がこのような混乱をもたらすかを把握しておくと、基板をレイアウトしながら問題を解決できます。適用したレイアウト手法がシグナルインテグリティにとって最適かどうかは、膨大な量の計算が必要な手間のかかる解析を行うか、シグナルインテグリティシミュレーションツールを使用することで明らかにできます。この記事をお読みいただいた後、ご自分の基板にとってどちらがより効果的かを判断してください。不十分なシグナルインテグリティシミュレーションツールシグナルインテグリティシミュレーションツールが不十分だと、魔法はカオスと化します。インピーダンス計算機能は誤った計算結果を返します。計算は、レイヤのスタックアップやPCBデザインルールで定義された材料の誘電率と矛盾します。シミュレータはモデリングのリターンパスを前提とするので、GNDプレーンに不連続な部分があると、計算から除外されます。3Dフィールドソルバーは、完全に誤った差動ペアのインピーダンスを算出して返します。ツールは単純で、デザインルールを考慮したPCBレイアウトのお決まりのオプションに対応していません。このツールには、リジッドフレキシブルのルールとシミュレーションが含まれています。そのシミュレーション環境では、波形が生成されますが、わかりにくいものになっています。さらに詳しく調べるには、複雑なコマンドを手動で実行して、普通の状態の値を求める必要があります。これは、3Dフィールドソルバーでも同様です。電気的に長いトレースの解析で一般的な選択項目がユーザーインターフェースに含まれていないので、自信を持って高速シグナルインテグリティの回路基板をレイアウトすることができません。インテリジェントなEDAツールによる知力の上手な活用結果を解釈する時間の浪費明らかなエラーを解析するためにシミュレーションツールの結果を調べると、何時間もかかります。メニューを使った移動は、慎重な操作が必要です。インピーダンス計算機能をあれこれ操作して、トレースのインピーダンスの計算に誤ったパラメーターが使用されたことを明らかにしようとして、無駄な時間がかかります。シミュレーションに使用されたパラメータが、PCBレイアウトのルールセットと一致しないことを発見しようとして、時間を取られます。誰がそんなことを予想したでしょうか? 面状材料の固有の電気容量と誘電率の正しいパラメータがないと、算出されたインピーダンスが高速信号の反射やリンギングを本当に抑えるかどうかを確信できません。シミュレーションは、ドリルファイルの不足など、周囲のちょっとした異常により失敗します。シミュレーションのセットアップにさまざまなPCBエディタと設定が必要であることを考えると、ドリルファイルの不足によって生じる失敗は、セットアッププロセスに混乱をもたらします。エディタおよび設定メニューに与えられる、選択したパラメータを何度も尋ねることになります。シグナルインテグリティの高速信号をシミュレーションするツールを分析していると、ヘルプページやアプリケーションノートの検索でより多くの時間を無駄に使います。最終的に、シミュレーションの結果を示す波形ができあがっても、不要なデータが表示されることが多々あります。手元に強力なツールがあっても、自分の回路基板について適切にガイドしてくれる使いやすいユーザインターフェースがなければイライラが募ります。最終的に整合性がどうなるかはわかりません。整合性の問題を特定して解消する優れたツール PCBデザインルールで設定されている材料パラメータを、ツールのインピーダンス計算機能で使用できたら、すばらしいと思いませんか? インピーダンスを計算するため、デザインルール全体にツールポート情報が格納されていれば、回路設計に基づいて正しいコンポーネントとレイアウトが実装されたプリント回路基板が、製造業者から戻ってくることを確信できます。シミュレーションに PCBのデザインルールのパラメータを使用すると、信頼できる結果になります。波形を表示して、回路設計とPCBレイアウトの両方のシミュレーション結果を示すことで、技術者とレイアウト設計者がシグナルインテグリティの問題と解決に対応しながら設計を作り込んでいくことができます。これにより、解析を実行し、手作業で得たベストプラクティスを適用し、PCBの製造を待ってシグナルインテグリティを検証するという推測に基づく作業がなくなります。 Altium

伝搬遅延を減らす：ロジックゲートと回路基板をタイムリーに保つ

Thought Leadership ロジックゲートの伝搬遅延を最小限に抑える：パルス列を同期させるアナログ時計を使用している場合、夏時間は個人的な生活や職業生活に大きな混乱をもたらすことがあります。起きたときにスケジュールが1時間狂っていることに気づかないこともあります。誰もが夏時間の犠牲になったことを認めたくないものですが、これが起こると、スケジュールを再同期させなければなりません。時計と電子部品を同期させることは、高速PCB設計において重要です。バストレースルーティング、高性能DDRメモリ、一般的な高速回路などのアプリケーションでは、信号とクロックパルスの正確なタイミングが必要です。xorゲートやNANDゲートなどのロジックゲートの伝搬遅延は、データを破損させ、重要なコンポーネントをシステムクロックと同期させることができなくなります。さらに、セットアップ時間とホールド時間は、クロックと信号のトレースを正確にルーティングすることを要求します。ゲート遅延などで供給電圧が停止すると、任意の集積回路が問題を経験する可能性があります。しかし、デジタル電子機器における伝搬遅延とは何でしょうか？セットアップ時間とホールド時間ロジックゲートにおける伝搬遅延は、通常、ロジックゲートの立ち上がり時間または立ち下がり時間を指します。これは、入力状態の変化に基づいてロジックゲートが出力状態を変更するまでの時間です。これは、ロジックゲートに固有のキャパシタンスによって発生します。過去には、クロックやデータ伝送速度が遅かったため、伝搬遅延はデジタル回路において主要な問題を引き起こすことは通常ありませんでした。なぜなら、立ち上がり時間や立ち下がり時間が比較的速かったからです。しかし、現在の状況はそれほど便利ではありません。高速回路では、クロック周波数がデジタル電子機器の伝搬遅延と同等になることがあります。その結果、システム内を移動するデータがクロックと同期していない可能性があります。例えば、ロジックゲートの伝搬遅延によって、デバイスに深刻な影響を及ぼすことがあります。この不一致のために、コンポーネントが設計通りに動作しないことがあります。ロジックゲートの伝搬遅延、または回路内の他の任意のタイプの伝搬遅延は、データ集約型アプリケーションでデータ破損を引き起こすこともあります。例として、次のクロックパルスでトグルするように設定された立ち上がりエッジフリップフロップを考えてみましょう。クロックパルスの立ち上がりエッジが到着すると、出力状態はトグルし始めます。しかし、出力状態は即座に切り替わりません。代わりに、出力状態が0から1へ、またはその逆へ上昇するのには時間がかかります。これは、フリップフロップの下流にある出力パルスとクロックパルスが同期していない可能性があることを意味します。伝搬遅延はオシロスコープで測定できます伝搬遅延の補償明らかに、デジタルシステムでクロック信号を速めることはできませんし、PCBの異なる部分でクロックパルスを選択的に速めることもできません。しかし、トレースの長さを調整することで、デバイス内の異なる信号の到着を遅らせることができます。小さな延長を加えることで、パルスをわずかに遅らせ、信号を再び同期させることができます。クロックトレースをわずかに遅らせることで、ICが適切な状態に落ち着く時間を与え、それでも同期を保つことができます。適切な補償には、PCB内の異なるコンポーネント間のクロックスキューを計算することも必要です。ほとんどの場合、PCBはグローバルクロックによって動作し、それが直接異なるコンポーネントに供給されます。トレースが異なるコンポーネントに分岐する方法によって、クロックスキューが蓄積され、クロックと信号パルスを同期させるためにより大きなセットアップ時間とホールド時間が必要になることがあります。信号が次のクロックパルス前に完全レベルに達するのに十分な時間を与える方法の一つは、PCBの特定のポイントでクロックトレースを迂回させることです。蛇行迂回はクロックパルスにちょうど良い遅延を与えることができます。差動トレースは一緒に迂回させ、密接な結合を維持する必要があります。デバイスに必要なトレースを提供するでは、どのトレースを迂回させるべきか、どうやって選ぶのでしょうか？補償は各ネットのトレースに適用されるべきです。まず、ネット内で最も長い信号トレースの長さを探し、残りのトレースがすべてのトレースを通じて信号が同期されるように迂回させます。最後に、このネットのコンポーネントに接続するクロックトレースの長さを調整します。ICが完全電圧に達するのに十分な時間だけクロックパルスを遅延させます。ライン遅延と立ち上がり/立ち下がり時間デジタル電子回路において、線路遅延と伝搬遅延は時々、同じ意味で使われることがあります。線路遅延は伝搬遅延と重要な関係があり、特定の条件下では信号伝送の問題を引き起こすことがあります。具体的には、出力信号の立ち上がり時間または立ち下がり時間を出力トレース上の線路遅延と比較する必要があります。トレースの長さが長い場合、出力信号は移動するパルスとして動き、インピーダンスの不一致で反射されることがあります。特定の条件下では、信号トレースを伝送線として扱う必要があります。業界の経験則の一つに、PCBトレースの片道線路遅延が信号の立ち上がり/立ち下がり時間（どちらのエッジが速いか）の半分以上に等しいかそれ以上の場合、ロジックICからの出力信号トレースを終端することがあります。これは、回路の信号トレースが十分に短い限り、インピーダンスの不一致があっても問題ないことを意味します。トレースが短い場合、信号はその完全な電圧レベルまで上昇し、出力電圧はトレース全体に適用されます。移動するパルスではなく、信号は二点間の一時的な定電圧として存在し、信号の反射はありません。優れたPCBレイアウトソフトウェアである

高速設計技術：ルーティング長さのマッチングのためのトレースチューニング

Thought Leadership 高速設計技術：ルーティング長さのマッチングのためのトレースチューニング初めて誰かが「チューニング」という言葉を使って高速設計技術について話しているのを聞いた時、中学時代のバンドの記憶が蘇りました。当時の「チューニング」とは、経験が乏しく、古くて疲れた楽器を使う子供たちを何とかまとまりのあるものにしようとすることでした。予想通り、最初のチューニングの試みはあまり成功しませんでした。しかし、信号の整合性、グラウンドプレーン、高周波について学ぶことで、私たちは一緒に調和を保つことができるようになり、本物のバンドのように聞こえ始めました。バンドがチューニングするのは、各楽器がバンド内の他の楽器と同期するためです。全員がコンサートBフラットを演奏するとき、それはすべて同じ音に聞こえるべきです。一方、バンドがチューニングを外すと、異なる楽器が互いに対立する音を聞くのは実際に耳が痛いことがあります。バンドのように、高速回路基板も「チューニング」が必要です。意図した機能を果たすために、特定の長さに「チューニング」された高速ネットが必要です。PCB上でのトレースチューニングが何であるか、そしてそれを最適に実行するためのいくつかのアイデアについて見ていきましょう。トレースチューニングとは何ですか？ PCBブレッドボードのトレースチューニングとは、特定の全体のトレース長を達成するために、下の写真に示されているような蛇行トレースルーティングマップパターンを作成することです。このトレース長は、信号が同時に目的地に到着するように、他のトレースの長さと一致させる必要があります。トレース長の一致は、信号を同期させるために、データおよびクロックルーティングで重要です。トレースの長さを一致させるためにチューニングを始めた当初、それは何よりも推測ゲームでした。私たちは一致させる必要がある一般的な長さしか持っておらず、画面上のトレースを視覚的に比較して近いかどうかを確認することさえありました。現在では、トレース長レポートジェネレーターやルーティング中にリアルタイムでトレース長を報告する機能を使用して、正確なトレース長を見つけることができます。また、トレース長のルール制約や自動チューニング機能を使用して支援することもできます。 PCB設計におけるトレース長一致のためのトレースチューニングの異なるタイプ上の写真では、セルペンタイン・トレース・チューニングの例を見ることができます。このチューニングは、アコーディオンパターンでタイトに、またはトロンボーンパターンで長く伸ばして行うことができます。高速PCBレイアウトの専門家は、大きなトロンボーンパターンでエリアを埋め尽くし、後でチューニングするためのスペースを残すようにルーティングすることを推奨しています。準備ができたら、トロンボーンルーティングをよりタイトなアコーディオンパターンで微調整し、必要な正確なトレース長を得ます。また、アコーディオンパターンの波に45度の角を使用し、波をトレース幅の最小3倍の距離で配置するべきです。個々のネットを他のネットにチューニングするのと同じように、差動ペアの2つのネットの長さも合わせるべきです。ペアをできるだけ一緒にルーティングし、長さが合わない端にトレース長の波を入れます。インピーダンスの長さをマッチングする際には、ビアや穴などの障害物の周りで2つのトレースを一緒にルーティングすることが重要です。これらの障害物の周りをルーティングする際にペアを分割しないでください。差動ペアは、他の差動ペアとも長さを合わせる必要があります。トレースチューニング機能はあなたを助けますプリント基板設計ツールには、ルーティングやトレースチューニングに役立つ多くの機能があります。まず、高速ルーティング制約でトレース長のルールを設定できます。これらのルールにより、ルーティングが正しい長さで作成され、他のネットと適切にマッチすることが保証されます。また、手動で波を作成する必要がないように、正しい長さにチューニングパターンを自動的にルーティングするプロセスも使用できます。これらのユーティリティは、トレース幅やアコーディオン波形パターンの高さと間隔を制御するために必要なコントロールを提供します。最後に、差動ペアルーターを使用して、ペア内の2つのトレースの長さを合わせることもできます。 PCB設計ソフトウェア、例えば Altium Designer^®には、ルーティングとトレースチューニングのための高速設計機能が組み込まれています。これにより、プリント基板の高速トレースを実際の長さを推測することなく正しい長さにルーティングすることができます。このようなサポートがあれば、より少ない時間とより大きな信頼を持って、高速対応の設計を作成できます。 Altium Designerがあなたのハイスピード設計のニーズにどのように役立つか、もっと知りたいですか？

最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは

Thought Leadership 最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは家の購入を決意する前には、おそらくたくさんの質問をするかと思います。自分にとって大事な施設やサービスが近所にありますか? 近隣の環境に問題がなく、安全ですか? 家の間取りが自分のニーズに合っていますか? これらはいずれも、そこに住むと決める前に解決する必要がある重要な質問です。同様に、PCB設計ソフトウェアの購入も同じレベルの詳細な検討が必要です。そのソフトウェアが自分に必要な処理を行ってくれるかどうか、どのようなサポートが受けられるかなどを確認する必要があります。また、会社の将来や、それらのツールが設計ニーズの変化にともなって設計者とともに成長できるかどうかなども考慮する必要があります。新しい家の購入と全く同じように、新しいソフトウェアへの移行は大変な作業になる可能性があります。設計者を手助けするため、Altiumは、PCB設計ソフトウェアについて質問する時に設計者がガイドとして使用できるトピックリストをまとめました。 PCB設計ソフトウェアが必要な処理を行ってくれるか最初に確認すべきことは、検討しているPCB設計ソフトウェアが、自分に必要な処理を行ってくれるかどうかです。この質問に答えるためには、どのような設計技術のためにそのソフトウェアを使用するかを明らかにする必要があります。設計するのは片面、両面、または多層基板ですか? それらの設計の用途は、電源、アナログ、デジアナ混在信号、高速、あるいは RF

Square Kilometer Array（SKA） Africaに勤務するOmer Mahgoub氏と天文学分野のPCB設計

OnTrack Newsletters Square Kilometer Array（SKA） Africaに勤務するOmer Mahgoub氏と天文学分野のPCB設計 Omer Mahgoub氏、SKA Africa Judy Warner: Omerさん、SKAとは何か、またかかわっている国やその目的について教えていください。 Omer Mahgoub: SKA（Square Kilometre Array）は、世界最大の電波望遠鏡を建設する国際的な取り組みです。1平方キロメートルの集光面積を持ち、2つの大陸（アフリカおよびオーストラリア）に設置されます。 10か国からなる組織がSKAのメンバーです。オーストラリア、カナダ、中国、インド、イタリア、ニュージーランド、南アフリカ、スウェーデン、オランダ、そしてイギリスが参加しています。南アフリカのカルー地域 SKAを使うと、これまでにないほど詳しく宇宙を観測することができ、星や銀河がどのようにして今の形になったのか、それらが長い時間を経てどのように進化したのか、あるいはそれ以外のダークエネルギーやダークマターに関する天文学上の未解決の疑問を理解する助けとなるでしょう。 Warner: とてつもない事業ですね! 勤務先の会社名と、SKAを実現するための会社のおおよその役割を教えてください。 Mahgoub: 私は、南アフリカのSKA建設に直接責任があるSKA Africaで働いています。

高速PCB設計における考慮事項：バイパスコンデンサの配置と配線のヒント

Thought Leadership 高速PCB設計における考慮事項：バイパスコンデンサの配置と配線のヒント数年前、私が関わっていた基板設計の大半はシンプルなデジタル設計でした。そのような設計では、バイパスコンデンサの配置と配線は非常に簡単で、回路が十分に遅かったため、セラミックコンデンサを必要としないことが多かったです。ほとんどの場合、バイパスコンデンサの配置と配線を主要な設計考慮事項としてではなく、後から考えるべきこととして扱っていました。いくつか使うべきか、どこに配置すべきか、どのように接続すべきかについては、あまり気にされないようで、エンジニアの中には、まるでケーキの上の飾りのように、「ここかしこにバイパスコンデンサを撒いて」と指示する人もいました。後になって、設計の複雑さと速度が増すにつれて、より洗練された電力分配ネットワーク(PDN)の設計の必要性も高まりました。今では、高速設計の信号整合性要件を満たすために、正確に設計されたPDNが基板の最高の性能を発揮するために不可欠となっています。高速PCB設計のヒントと、高速設計の文脈でのバイパスコンデンサの配置要件、およびそのグラウンドプレーンで最適に支援する配置と配線戦略について見てみましょう。このコンデンサは何をしているのか？バイパスコンデンサは何をしているのか？高速PCB上のプロセッサやその他のICは、電源が供給できない急激な電流のスパイクを要求します。電源は、短いバーストではなく、PCBレイアウト全体にわたって一定量の電力を供給するように設計されています。この問題を解決するために、ICの近くにバイパスコンデンサを配置して、これらの急激なスパイクに必要な電流を供給することができます。バイパスコンデンサは、電力を蓄えてから、ICが余分な電流を必要とするときにそれを放電することによってこれを実現します。これにより、電源が反応する時間を確保します。スパイクの後、バイパスコンデンサは再充電され、次のサイクルの準備が整います。バイパスコンデンサは、高速で切り替えるデジタルデバイスから生じるグラウンドバウンスを減少させるためにも重要です。バイパスコンデンサは、電源によって引き起こされる低周波ノイズをフィルタリングするためにも使用され、信号の整合性やEMIの問題にも役立ちます。バイパスコンデンサはいくつ使用すべきですか？バイパスコンデンサが設計に必要な量は、それらが割り当てられているデバイスと、使用されているデバイスの数に依存します。一般的に、回路基板上の各電圧降下に対して、10uF範囲のバルクコンデンサが使用されます。これらは電圧が発生する場所や回路基板に入る場所に配置するべきです。一部のデバイスでは、高速バイパスコンデンサと共に使用されます。一般的に、各ICには少なくとも0.1uF範囲の高速バイパスコンデンサを1つ配置するべきです。これらは、直ちに電流を供給できるように、対応するICに可能な限り近くに配置するべきです。複数の電源ピンを持つデバイスには、電源ピンごとに少なくとも1つのバイパスコンデンサを持つことをお勧めします。これにより回路基板のスペースをより多く使用しますが、グラウンドバウンスを大幅に減少させるのに役立ちます。 PCB上でのコンデンサとその他の作業バイパスコンデンサの配置とルーティングのベストプラクティス先に述べたように、バイパスコンデンサはそれが割り当てられているデバイスに可能な限り近くに配置するべきです。これは、PCBレイアウトの反対側にあるデバイスの下側、またはバイパスコンデンサが接続されているピンのすぐそば、同じ側の基板上に配置することができます。特定のデバイスの電源ピンの近くに複数のバイパスコンデンサを配置する必要がある回路では、コンデンサはそのピンの隣に値の昇順で配置する必要があります。例えば、特定のデバイスに.01uFと10uFのコンデンサが指定されている場合、.01uFをデバイスに最も近くに配置し、その外側に10uFを配置します。この方法により、大きなバルクコンデンサがデバイスピンに最も近い高周波コンデンサを再充電します。バイパスコンデンサを配線する場合

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