高速PCBにおけるスキュー源の対処

スキューについて話すとき、私たちはしばしば十分に具体的ではありません。スキューとジッターに関するほとんどの議論は、ルーティング中に発生するスキューのタイプ、具体的には差動ペアの長さの不一致やファイバーウィーブによるスキューに焦点を当てています。実際には、インターコネクト上の全体のジッターに寄与するさまざまなスキュー源があり、正確なタイミング制御を必要とするシリアルバスやパラレルバスではこれらを定量化することが重要です。

スキュー源のリストを作成すると、ファイバーウィーブによるスキューはスキュー源の長いリストの中の1つに過ぎないことがわかります。以下では、可能なスキュー源のリストを見て、それらがPCBの動作にどのように影響するかを見ていきます。下記のリストから、スキューの問題のいくつかは、PCB基板のファイバーウィーブ構造に注意を払うだけでは簡単に解決されないことがわかります。

ジッター = 全体のスキュー

ここで最初に注意すべき点は、ジッターとスキューの違い、およびランダムと決定論的なジッター/スキューの違いです。スキューの最も良い定義は、Steve Corriganによって書かれた古いTexas Instrumentsのアプリケーションノートから来ています。このアプリケーションノートで、Steveはジッターを「すべてのスキューの合計」と説明しています。これは、なぜ一部の著者が時々「ジッター」と「スキュー」を交換して使用するかを示しています（私自身もこれを誤って行ったことがあります）。JEDECは、ジッターとスキューに対して独自の定義を持っています。

ランダムまたは決定論的？

どちらの用語を使用しても、「ジッター」という言葉にはランダムなスキューとの関連があり、一方「スキュー」という言葉は擬似ランダムまたは決定論的なスキューを指すために使用されることがあります。実際には、ランダムなスキューの唯一の源は熱ノイズです。全ての物質を構成する原子や分子のランダムな動きは電子回路のノイズに寄与しますが、これが重要になるのは非常に精密な低レベル測定でのみです。ほとんどのアプリケーションでは、心配する必要があるスキュー源は決定論的であり、根本原因に遡ることができます。

スキューの源

以下の表は、PCBで発生する可能性のあるスキュー源のリストと、それぞれが発生する簡単な説明を示しています。

繊維織りによるスキュー	PCB基板材料の構造が周期的に不均一で異方性を持つために発生します。機械的に広げられたガラス織物が好まれ、これを減少させます。
周期的スキュー	システム内の他の源から誘発される周期的ノイズによって引き起こされます。例えば、高速I/Oの切り替えによって誘発される電源レールノイズなどです。
有界非相関スキュー	クロストークによって引き起こされるこのスキューは、被害を受ける相互接続上の活動とは無関係であるため、ランダムに現れます。
デューティサイクルの歪み	これは別のノイズ源の副作用である場合があります。スイッチング閾値または論理閾値が理想的な値から逸脱し、パルス列の立ち上がりエッジが移動するケースを指します。
反射	受信機での反射は、アイダイアグラムで見られるように、インターシンボル干渉に寄与します。この場合、反射されたシンボルが、後続のすべてのシンボルに早いまたは遅い立ち上がりエッジを作り出す可能性があります。
データ依存のパルス幅変調	これは、高速チャネル（例えば、損失や終端の分散、寄生容量）における帯域幅制限特性の副作用です。

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この表には多くのことが記載されており、スキューの複数の発生源があり、それらはファイバーウィーブ効果とはほとんど関係がなく、長さのマッチングを適用しても完全に解決されるわけではありません！しかし、最初の行の下を見ると、これらのスキューの発生源のほとんどが、システム内の異なる機能ブロック間、またはチップとボード間の相互作用によってシステムレベルで現れることがわかります。

すべてのスキューを排除できますか？

残念ながら答えは「いいえ」で、スキューを完全に排除することはできません。上記の決定論的なスキューの発生源をすべて抑制したとしても、熱ノイズによるランダムなスキューがいくらか残るでしょう。スキューを完全に排除することはできませんが、いくつかの基本的なレイアウトガイドラインに従うことで、最小限に抑えることはできます。

• ガラスウィーブ：より密なウィーブ材料、例えばスプレッドガラスを使用することで、ファイバーウィーブによるスキューに直接対処します。
• クロストークと寄生成分：2つの相互接続間で寄生結合が発生する原因を学び、この結合を減らすためのレイアウトを計画します。寄生結合に対処する最も簡単な方法は、適切なグラウンド配置を可能にする適切なスタックアップ設計です。
• 終端：チャネルが必要な帯域幅制限まで平坦な目標インピーダンスで終端されていることを確認します。言い換えると、チャネルは少なくともチャネルのナイキスト周波数まで終端されていることを確認します。
• 電力整合性：高速信号やエッジレートの精密なタイミングが必要なコンポーネントが安定した電力を受け取っていることを確認します。

これらの問題に対処した後、標準的な差動または並列バス遅延調整構造を適用して、PCB内の残りのスキューを補償し、任意の長さの不一致に対処できます。この時点で、相互接続にいくらかの残留スキューがあったとしても、大部分のスキューは対処され、信号は受信I/Oで依然として整列しているでしょう。

Altium Designer^®のルーティング機能を使用すると、正確なインピーダンス計算結果を設計ルールとして適用したり、高速PCBのレイヤースタックを設計して、上記にリストされたスキュー源に寄与するノイズカップリングを最小限に抑えることができます。設計を共同作業者や製造業者と共有する準備ができたら、Altium 365^™プラットフォームを通じて完成した設計を共有できます。高度な電子機器を設計および製造するために必要なものは、すべて1つのソフトウェアパッケージに含まれています。

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