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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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PCBのグランドバウンスとシグナルインテグリティーのグランドバウンス シグナルインテグリティーの問題を最小限に抑えるグランドバウンス低減方法 1 min Blog 電気技術者 電気技術者 電気技術者 学生時代にバスケットボールチームで活躍した父とは異なり、私は入団テスト中、ボールをほとんどバウンドできませんでした。言うまでもなく、私はスポーツを始める前にやめてしまいました。NBAプロになるという夢は打ち砕かれましたが、その後、格闘技への情熱を見出しました。私はバスケットボールをうまく扱うことはできませんでしたが、少なくとも格闘技では足の甲で相手を跳ね返して（バウンスして）対抗することができました。 バスケットボールをバウンドできなくても大きな問題にはなりませんが、電子機器のグランドバウンスを理解していないと、回路にとって大きな問題になりかねません。信頼できるPCBレイアウトエンジニアとして優れた能力を発揮するには、回路およびシグナルインテグリティーへのグランドバウンスの影響に関する知識が必要です。グランドバウンス低減技術を考慮すれば、設計全体でPCBのシグナルインテグリティーのグランドバウンスを最小限に抑えることができます。 グランドバウンスとは グランドバウンスを理解するには、集積回路（IC）の中核を形成するスリープトランジスタとGNDピンの基本を詳しく理解する必要があります。下図は、マイクロコントローラーやランダムアクセスメモリ（RAM）などのICの典型的なI/Oを形成するCMOSバッファ回路を示しています。 PCB内のグランドバウンスノイズは測定が難しい問題であり、これがパワーゲーティングとシグナルインテグリティーに与える影響は、PCBのトレースインピーダンスとPDNインピーダンスに関連しています。ほとんどの高速設計では、ドライバー回路の出力ピンは通常、ある程度の入力容量を持つ負荷に接続されます。出力ピンが論理回路「1」にアサートされると、負荷の寄生容量はVCCまで完全に充電されます。出力バッファ回路がオフになって論理「0」になると、容量性負荷が放電して、ドライバーに突入電流が戻ります。この急速な電流はドライバーのグランドピンを流れます。 理想的な状況では、ICパッケージと基板の接地は同じ電圧に保たれます。ただし、現実の設計では、ボンドワイヤ、リードフレーム、PDNの寄生インダクタンスにより、ダイグランドと基板グランドの間にある程度の寄生インダクタンスが存在します。これらの素子からのパッケージの総インダクタンスは、上記の回路図に示すように、一連の直列コイルとしてモデル化できます。 電流がボンドワイヤ/リードフレーム/PDN上の インダクタンスを駆け抜けると、ダイグランドと基板グランドの間に逆起電力が蓄積します。これにより、ダイグランドと基板グランドの電圧レベルが瞬間的に異なる現象が生じ、グランドバウンスノイズが発生します。この蓄積は、これらの要素のDC抵抗とICパッケージ/ダイの寄生によって減衰されます。寄生とトレースのこの配置が、定義されたインピーダンスと共振周波数を持つ等価RLC回路を形成しているということを理解すると、これが信号の動作にどのように影響するかを正確に理解できます。 PCBのグランドバウンスが回路と信号に与える影響 PCB内のグランドバウンスが最小限であれば、ダイグランドや信号の動作に混乱を引き起こすことはありません。グランドバウンスは引き続き発生しますが、気付かれないほど小さいかもしれません。ただし、グランドバウンスによって生成される逆起電力が大きい場合、特に複数の出力が同時に切り替えられる場合、デバイスのグランドレベルは、ICの他のピングループに影響しうるレベルにまで上昇します。 駆動コンポーネントを容量性負荷に接続するトレースを見ると、トレースのインダクタンスと静電容量も、グランドバウンスによる信号への影響に影響を与えます。すべてのトレースには、寄生容量とインダクタンスにより、ある程度のインピーダンスがあることに留意してください。実際のトレースにはこれらの寄生があるため、トレース、ドライバーのGNDピンのインダクタンス、および負荷容量によって形成される集中RLCネットワークにこれらを含める必要があります。 ダイ上のレベルシフト たとえば、グランドバウンスが発生するマイクロコントローラーでは、パワーレールと接地間で測定された電圧が、グランドバウンスがない場合よりも1.5V高くなるようにグランド電位がシフトする場合があります。つまり、パワーレールとダイグランドの電位差は、パワーレールと基板グランド間で測定された電位よりも1.5V高くなります。別の言い方をすれば、ダイグランドとPCBのGNDプレーンの間には瞬間的な1.5Vの電位があります（つまり、ドライバーのGNDピンの両端で測定）。 この例では、マイクロコントローラーに接続された3.3Vで動作する論理ICは、デバイスの接地の電位レベルがシフトしたために1.5Vの論理「低」信号を受信しているため、論理「0」信号を「1」と解釈する場合があります。この例を続けて説明すると、入力電圧レベルはダイグランドを基準にして見られるため、グランドバウンスが発生しているデバイスは他のコンポーネントからの入力を誤って読み取る可能性もあります。たとえば、論理「高」 信号が「低」と誤って解釈されるのは、ダイグランドの上昇により、入力ピンの電圧が3.3Vではなく1.8Vになるためです。これは、最小論理高電圧の2.31Vを下回ります。 グランドバウンスの影響は、すべての出力が同時に低になると最悪になります（上の画像を参照）。このとき、ダイグランドの電圧差が大幅に増加します。さらに、このレベルシフトはRLCネットワークで急な立ち上がり信号のように機能し、特定の条件下では減衰不足の過渡発振を示す可能性があります。 レベルシフト時の発振 ダイグランドのレベルシフトは永久に持続するわけではなく、ダイグランドとPCBグランドの電位差は最終的にゼロに戻ります。トレースと負荷から寄生容量が生じるため、このレベルシフトは、RLC回路で見られるのと同じように減衰発振を示す可能性があります。これらの発振は、電流ループ内の総抵抗に応じてさまざまなレベルの減衰を示すことがあります。ダイグランドに発振があると、この発振が出力信号に重畳され、過渡リンギング現象が発生します。下の画像は、グランドバウンスによるこのような減衰不足の過渡発振を示しています。 不完全な状況では、ドライバーの出力インピーダンスはゼロで、負荷入力インピーダンスは無限大で、トレースに発生する過渡現象の減衰はゼロになります。実際の状況では、ドライバーを通る直流伝導と、LOW状態とHIGH状態でのインピーダンスにより、減衰はゼロ以外になります。減衰（ R/2 記事を読む
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 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 1 min Thought Leadership 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？ 記事を読む
高速PCB設計入門: クロストークの除去方法 高速PCB設計入門: クロストークの除去方法 1 min Blog 最近、結婚披露宴で、同じテーブルに座っている男性と話をしようとしました。残念なことに、私たちの間に座っていた女性が、私の反対側に座っている人と会話を続けていました。披露宴の騒音を背景に会話することは、何より難しいことでした。私たちの間でもう1つ話し合いが行われていたために、会話が成り立ちませんでした。私たちは、クロストークしていたのです！ 会話中のクロストークはとても迷惑なものですが、PCBレイアウト上のクロストークは、悲惨な結果を招く可能性があります。クロストークが修正されない場合、完成した回路基板が まったく動作しないか、あるいは断続的な問題に悩まされる可能性があります。クロストークとは何か、また、それを防ぐためにできることは何かを見てみましょう。 高速PCB設計におけるクロストークとは? クロストークは、 PCB上にあるトレース間の意図しない電磁結合 です。この結合によって、物理的に互いに接触していない場合でも、一方のトレースの信号パルスがもう一方のトレースの信号を圧倒してしまう可能性があります。これは、並列トレース間の間隔が狭い場合に、発生する可能性があります。トレースが製造目的での最小間隔を維持していたとしても、電磁目的では十分ではない場合があるのです。 互いに並行に走っている2つのトレースを考えてみてください。一方のトレースの信号の振幅がもう一方のトレースよりも大きい場合、片方のトレースに積極的に影響を与えてしまう可能性があります。そして「被害者」トレースの信号は、それ自体の信号を伝導する代わりに、攻撃者トレースの特徴を模倣し始めます。これにより、クロストークが発生します。 クロストークは通常、同じ層の上で隣り合って走る2つの並列トレース間で発生すると考えられています。しかし、隣接する層の上で隣り合って走る2つの並行トレース間でクロストークが発生する可能性は、さらに大きくなります。これは、 ブロードサイド結合と呼ばれ、2つの隣接する信号層が非常に薄いコア厚で分離されているために、発生する可能性が高くなります。この厚さは4ミル（0.1ミリメートル）になることもあり、同じ層の上にある2つのトレース間の間隔よりも小さい場合があります。 クロストークを除去するためのトレース間隔は一般的に通常のトレース間隔の必要条件よりも大きい 設計からクロストークの可能性を除去 幸運なことに皆さんは、クロストークのなすがままではありません。クロストークの可能性を最小限に抑えるように基板を設計すれば、これらの問題を回避できるのです。基板上のクロストークの可能性をなくすために役立つ設計テクニックを、いくつかご紹介します。 差動ペアと他の信号配線の間の距離を、できるだけ大きく保ちます。 経験則 は、ギャップ = トレース幅の3倍です。 クロック配線と他の信号配線との差を、できるだけ大きく保ちます。ここでも、同じギャップ = 記事を読む
最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 最良のPCB設計ソフトウェアの考慮すべき機能とは 1 min Thought Leadership 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 記事を読む
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 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 1 min Thought Leadership 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 記事を読む
Customer Success Stories Luxonis With engineers spread across three continents, Altium 365 has been crucial in helping Luxonis reduce version control errors while speeding up time to market.
高速PCBレイアウトガイドライン 高速PCBレイアウトのガイドライン：配置のヒントと戦略 1 min Guide Books 不動産業界では、「立地、立地、立地」という言葉がよく使われます。興味深いことに、高速PCBレイアウトにおいても同じことが言えます。 高速PCB設計プロセスのすべての側面が重要ですが、特に部品の配置は、簡単な配線、EMIの最小化、そして追加のレイヤーが不要になる可能性を高めるために特に重要です。標準的なPCB設計で問題なく機能する配置方法でも、高速設計の厳しい信号フロー要件を満たさない場合があります。設計が機能するためには、本当に「立地、立地、立地」がすべてです。 高速PCBレイアウトを作成する際に考慮すべきいくつかのヒントと戦略をここで紹介します。まず、高速設計における基本的な部品配置の考慮事項を見ていきます。次に、ボード上に部品を配置する前にフロアプランを作成する利点について説明します。最後に、そして決して重要性が劣るわけではありませんが、終端抵抗の配置について議論します。 高速PCBレイアウトにおける部品配置 PCBレイアウトは、多くの競合する目標を持つ難しいパズルのようなものです。しばしば、あるフォームファクターの制約や層数の目標を満たす必要があり、これらの制約やその他多くの要件を満たすように部品を配置する必要があります。 高速PCBレイアウトでは、部品は一般的に以下の方法で配置されるべきです： 回路ブロックごとにグループ化する：まず、システム内で特定のタスクを実行するコンポーネントをまとめます。例えば、電力調整に関わるすべてのコンポーネントを一緒にグループ化するべきです。 大きなプロセッサの周りにグループ化する：これらのコンポーネントは高いI/O数を持ち、グループ化された回路ブロックと直接インターフェースします。中央のプロセッサの周りに第一レベルの回路ブロックを配置し、その周りに下流のブロックを配置しようと試みてください。 ルーティングチャネルへのアクセスによってグループ化する：別のコンポーネント上の共通インターフェースにアクセスする必要がある一連のコンポーネントがある場合、これらのコンポーネントのピンが互いに向き合うように配置しようとしてください。これが常に可能というわけではありませんが、成功すれば内部層を通過したり、他のコンポーネントの周りを長いパスでルーティングする必要はありません。 下の画像では、レイアウトの最も右側に大きなMCUがあり、その周りにはピンがMCUを向いて配置された他のコンポーネントがグループ化されているのがわかります。左側にさらに進むと、コネクタ、LED、およびいくつかの受動部品などの二次コンポーネントが見えます。これらは大まかにMCUの一方の側面を向くように並べられています。これにより、MCUから左側のボード領域へ直接ルーティングすることが可能になります。 高速PCBレイアウトの例 回路の機能ブロックの配置を計画する際には、電源とグラウンドプレーンのニーズも考慮してください。通常、連続した電源プレーンの使用が好まれますが、設計のニーズにより複数の電圧用に分割された電源プレーンが必要な場合は、分割された部分をまたいで接続されたコンポーネントを配置する際に注意してください。高速伝送線は電源プレーンの分割を横切るべきではありません。それによって、これらの信号の リターンパスが途切れてしまいます。また、その回路の一部ではない他のコンポーネントを、その回路のコンポーネント間に配置することも避けてください。これもその回路のリターンパスに影響します。 部品配置における異なるコンポーネントブロック、コネクタ、その他の回路についてもう少し詳しく見てみましょう。 レイアウトのフロアプランニングによる配置準備 配置のためのフロアプランを作成することは、高速PCBレイアウトを準備する効果的な方法です。事前に計画することで、上述したようなコンポーネントのグループを考慮に入れることができ、設計の最後の段階で配置される際に驚くことがありません。 機能ブロック 電源、RF、デジタル、アナログなどの回路の機能ブロックは、信号の交差を最小限に抑えるために、グループとして整理して配置するべきです。事前配置フロアプランにより、機能ブロック間の信号フローがどのようなものか、そしてそれに最適な計画方法を把握できます。例えば、可能な限り低周波数のアナログを一緒にグループ化することで、高周波数または高速信号がアナログ回路の敏感な領域を横切る必要がなくなります。 EMIとコネクタ 高速動作するデバイスを基板の端に近づけて配置するのは避けるべきです。これは、基板の端が開いた空洞のように機能し、電磁放射が基板の端から漏れ出る可能性があるためで、これにより他のコンポーネントに影響を与える電磁干渉（EMI）が増加する可能性があります。 記事を読む