高速設計プロセスにおけるシグナルインテグリティの採用

TTLや新しいロジックファミリーのスイッチング速度がMbpsやGbpsのデータレートでデータを処理できるほど速くなった今、高速設計技術はほぼすべてのPCB設計者にとって不可欠です。デジタル信号の立ち上がり時間が速くなるにつれて、設計者はインターコネクトを短くするか、信号完全性の問題を防ぐための重要な設計戦略を考案するかのどちらかをしなければなりません。今日のエンジニアは、高速PCB設計プロセスでの信号完全性シミュレーションと分析のための完全なツールセットが必要です。今、高速回路基板のための強力なルーティングとレイアウトツールと一緒に、最も強力な信号完全性機能にアクセスできます。高速PCB設計に最適なPCB設計アプリケーション、Altium Designerをお試しください。

ALTIUM DESIGNER

信号完全性ツールと高度な高速PCB設計機能を統合した統一されたPCB設計パッケージ。

高速PCB設計には、電気エンジニアが取り組むことができる最も難しいタスクのいくつかが含まれます。一般的な誤解は、高速PCB設計はシステムクロック周波数の機能であるというものです。むしろ、高速は信号の立ち上がり時間によって決まります。長さと立ち上がり時間の関係が、PCBスタックアップ設計でのインピーダンス制御が必要かどうか、およびトレース幅を指定する必要があるかどうかを決定します。

さらに、信号間のタイミングは、ボード全体でデータが同期されることを保証するために重要です。過去には、エンジニアはスプレッドシートで全てを追跡することによって、タイミングと長さの調整に対処しなければなりませんでした。これにより、ネットごとに各個別の長さセグメント、ビアの深さ、抵抗の長さ、ピンの長さを追跡することができました。それぞれのネットについてすべてを合計し、必要に応じて信号長を追加した後、グループ内のすべてのネットの長さを均等にすることができました。これは、長さのマッチングと高速設計全般において、煩雑で時間がかかる古い方法です。

Altium Designerは、高速PCB設計専用に構築されており、高度な製品をフルスケールの製造に導くお手伝いをします。複雑な高速システムは、複数の設計ルールに準拠する必要があり、Altium Designerは成功裏に設計ルールを作成し、準拠を保証するために必要なツールを提供します。ここでは、Altium Designerが高速PCB設計を容易にする方法と、高速回路基板で注意すべき点について説明します。

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ソースと2つの受信機の間の長いネット上の高速信号。

高速PCB設計における一般的な信号整合性の問題

設計者は、高速PCB設計において多くの信号整合性の問題に直面しています。高速PCB設計で最も一般的な信号整合性の問題は次のとおりです：

• クロストーク
• 反射とインピーダンス制御
• 平行ネット間のスキュー
• ピンパッケージ遅延

これらの問題は、方程式や公式で予測するのが難しい場合がありますが、強力な信号整合性シミュレーターで分析することができます。適切なレイアウトツールを使用することで、高速信号パスが重要な設計制約を侵害しないようにすることができます。最後に、統合フィールドソルバーを備えた設計ソフトウェアは、高速信号の歪みを防ぐためにトレースが一貫したインピーダンスを持つことを保証します。

高速PCB信号整合性は、PCBスタックアップから始まります

レイヤースタックの設計には、回路基板内の電源、グラウンド、信号レイヤーの適切な配置を選択することが必要です。スタックアップは、信号レイヤー内のトレースの有効誘電率を決定し、これがプリント回路内のトレースのインピーダンスを決定します。有効誘電率は、相互接続に沿ったソースと負荷間の伝播遅延に影響を与え、特定のトレースが伝送線のように振る舞うかどうかを決定します。

高速PCB設計

高速設計の課題に対処するための簡単なソリューション

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多層基板におけるグラウンドプレーンの慎重な配置は、多くの利点を提供することができます：

1. 信号層に隣接するグラウンドプレーンは、低ループインダクタンスを持つため、それらのトレースのクロストークと電磁干渉（EMI）への感受性を抑制するのに役立ちます。
2. 電源プレーンとグラウンドプレーンを近づけて配置することで、大きなデカップリング容量を提供することにより、PDNリップルを抑制します。これは、低レベルの高速PCBにおいて非常に重要です。

低レベルのデジタルまたはアナログ信号も、電磁干渉に対するより大きなシールドを提供するために、2つのプレーンの間に配置することができます。あなたのルーティングの課題は、グラウンドプレーン内の電流に大きなループインダクタンスを作り出さないように、高速PCB信号のリターンパスを計画することです。

• 回路基板内の信号リターンパスは、高速設計におけるクロストークとEMIへの感受性に影響を与えます。

  高速PCB設計におけるリターンパスの計画についてもっと学びましょう。

• レイヤースタックもクロストークとEMIへの免疫に影響を与えます。成功した高速PCB設計は、新しいボードに適したPCBスタックアップを作成することに依存しています。

  インピーダンス制御設計のためのレイヤースタックの構築についてもっと学びましょう。

• 高速PCB設計に取り組むには、回路基板内の歪み源を理解することが必要です。

  高速PCB設計における信号の歪みについてもっと学びましょう。

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高速PCB設計では、インピーダンス制御のための正しいスタックアップを設計しない限り、信号の整合性を維持することはできません。

高速PCB設計におけるルーティングと信号整合性

PCBスタックアップが設計されたら、プリント基板をルーティングする際にトレースのインピーダンスと伝搬遅延を考慮する必要があります。これらの量は、実際のプリント基板内のトレースや他の導電要素の寄生容量とインダクタンスによって決定されます。

高速PCB設計とレイアウトをルーティングする際、信号標準がボード全体でインピーダンス制御を維持することを要求する場合があります。スタックアップを正しく設計し、トレースのサイズを適切に設定すれば、PCBレイアウト全体で回路基板のトレースのインピーダンスを一貫して保つことができます。最高の設計ソフトウェアは、統合されたフィールドソルバーを使用して、高速PCBでリアルタイムのインピーダンス計算を適用し、ルーティング標準に準拠していることを確認します。しかし、インピーダンスだけが全てではなく、インピーダンス計算機は信号の伝搬遅延を計算して、スキューを防ぐ必要があります。

Altium Designerにおけるインピーダンス制御ルーティング

ピンパッケージ遅延の考慮

500 MHzを超えるすべての高速設計では、集積回路ダイへのボンドワイヤーがある程度のインダクタンスを生じさせ、信号に遅延をもたらします。このデバイス内遅延はピンパッケージ遅延と呼ばれます。ピンパッケージの長さは、回路図のコンポーネントピン属性として定義することができます。これにより、信号が経験する追加の遅延が発生し、回路基板のルーティング時に考慮する必要があります。

通常、シミュレーションを実行するためにはシミュレーションモデルが必要です。信号整合性シミュレーションの場合、シミュレートしたい信号に接続されているすべてのICに対してIBISモデルが必要です。

• ピンパッケージ遅延は高速PCBに望ましくないインダクタンスを導入しますが、信号整合性シミュレーションに結果として生じる遅延を含めることで、正確なルーティングが可能です。

  集積回路とPCBにおけるピンパッケージ遅延についてもっと学びましょう。

• 複雑な基板には複雑な寄生があり、インピーダンスと伝搬遅延が正確であることを保証するためには電磁界ソルバーが必要です。

  統合されたフィールドソルバーが正確な伝搬遅延とインピーダンス計算を提供する方法を見てみましょう。

• インピーダンス制御設計は終端ネットワークへの依存を減らすのに役立ち、基板上のトレースや他のコンポーネントのための基板スペースを解放します。

  インピーダンス制御設計とルーティングについてもっと学びましょう。

インピーダンスマッチングのための直列抵抗器を用いたパラメトリックシミュレーション結果

Altium Designerにおける完全なハイスピード設計ツールセット

Altium DesignerのPCBレイアウト機能とルーティングユーティリティは、強力なシミュレーションパッケージと統合されており、ルーティングを終える前後においても、高速基板の複雑さを成功裏にナビゲートする能力を提供します。Altium Designer内の統合フィールドソルバーは、高速信号が過剰なスキューなしに目的地に到達し、インピーダンス制御を維持することを保証します。これらの機能とさらに多くの機能を単一のプログラムで統合するのはAltium Designerだけです。

Altium Designerにおけるルール駆動型ハイスピードPCB設計

Altium Designerは、シグナルインテグリティ分析とパワーインテグリティ分析ツールを単一のプログラムに含み、これらのツールは標準のCADおよびレイアウト機能と直接統合されます。これらのツールはすべて同じデータ形式を使用し、回路基板のレイアウトデータと並んでアクセス可能です。Altium Designerの設計および分析機能はすべて、同じルール駆動型設計エンジンに基づいて構築されており、プリント回路基板を作成する際に標準および特定の設計ルールに対して設計をチェックすることができます。

• Altium Designerの統合設計環境は、単一のルール駆動型設計エンジンの上に重要な設計機能を統一します。インピーダンス許容誤差を定義し、クロストークや過渡現象を分析し、さらに多くのことを単一のプログラムで行うことができます。

  Altium Designerの統合設計環境についてもっと学ぶ。

• Altium Designerには、高速PCB設計に最適な機能が含まれており、シミュレーションツールと設計ルールの検証ツールを単一の設計プログラムで提供します。

  Altium Designerにおける高速設計についてもっと学ぶ。

• Altium Designerのインタラクティブルーティング機能により、信号タイミングとルーティングパスを制御できます。基板内のインピーダンス制御用のツールを持ち、トレース長マッチングツールで信号を同期させることができます。

  Altium Designerのインタラクティブルーティングツールについてもっと学ぶ。

高速設計や信号整合性ツールの使用に慣れていない場合でも、AltiumはPCB設計業界のリーダーになるために必要なリソースへのアクセスを提供します。AltiumLiveフォーラム、広範な知識ベース、業界の専門家によるポッドキャストやウェビナー、詳細な機能チュートリアルへのアクセスが可能です。他のPCB設計ソフトウェア会社がこれほど多くの成功のためのリソースを提供することはありません。

Altium Designerは、高速PCB設計のための信号整合性分析ツールを超えた多くの機能を含んでいます。レイアウトツールは、信号整合性機能と同じルール駆動型設計エンジンおよびデータモデルに基づいて構築されており、これらのツールを設計制約内で動作させることができます。また、基板を製造のために準備し、組み立てのための材料表やその他の納品物を生成し、コンポーネントソースを管理することもできます。これらのツールはすべて単一のプログラムに存在し、次のアイデアを概念から完成品まで持っていくことができます。

Altium 365上のAltium Designerは、これまでソフトウェア開発の世界に限定されていた電子業界に前例のない統合を提供し、デザイナーが自宅で作業し、前例のない効率レベルに達することを可能にします。

私たちは、Altium 365上でAltium Designerを使って可能なことの表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。