PCBにおけるシグナルインテグリティー解析の基本

Zachariah Peterson
|  投稿日 九月 21, 2020  |  更新日 八月 28, 2022
PCBにおけるシグナルインテグリティー解析の基本

PCBにおけるシグナルインテグリティー解析の基本は、実に複雑となりえます。シグナルインテグリティー・シミュレーションツールは、回路図やレイアウト設計中にさまざまなネット内の信号の動作を計算するのに最適ですが、結果を解釈するにはいくつかの手順を実行する必要があります。一部のシグナルインテグリティーおよびEMシミュレーションツールは高度な機能を備えている場合がありますが、測定から収集できる情報と比較することはできません。PCBにおける信号整合性を検査するためにどの方法を使用する場合でも(両方行うことをお勧めします)、信号の動作を解析してPCBの問題を特定するために実行できる重要な手順がいくつかあります。

シグナルインテグリティー解析を始める

シグナルインテグリティー解析は、レイアウト前の段階でのシミュレーションから始まります。レイアウトを構築したら、いくつかの重要なレイアウト後のシミュレーションを使用して、PCB内のジオメトリに依存するシグナルインテグリティーを解析できます。ある時点で、シグナルインテグリティーのシミュレーション結果を実際の測定結果と比較する必要があるため、結果を比較できるように保管しておいてください。

レイアウト前の解析

ここで重要なのは、回路設計、コンポーネントの選択、および2つのコンポーネントのI/O間での信号の伝達方法を調べることです。PCBの動作について多くの情報を与えてくれる重要な解析が3つあります。

シグナルインテグリティー解析におけるSパラメータと伝達関数
2ポートネットワークのSパラメータと伝達関数の関係。

より複雑なチャンネルでは、上記の一連のレイアウト前の解析が、トランジションにより計画されたものなどを評価するのに役立ちます。

設計前に、これらの各要素の構造を知っていれば、次のことができます。

レイアウト後の解析

ここで重要なのは、PCB内の寄生成分が信号の完全性にどのような影響を与えるかを調べることです。寄生的なシグナルインテグリティー効果はPCBのジオメトリの関数であるため、ジオメトリに依存する次のシグナルインテグリティーの問題を調べる必要があります。

シグナルインテグリティー解析ツール

上記の点は、これらのシグナルインテグリティー解析ツールを構築して実行するのに複雑なシミュレータープログラムが必要であるかのように思われるかもしれません。必要となるツールは、何をシミュレートして評価したいかによって異なります。EDAツール内では、これらのシミュレーションの一部はIBISなどを使用して単純に実行されますが、複数のネットを使用したより複雑なシミュレーションには 3Dフィールドソルバーまたは同等の2D ソルバーツールが必要になる場合があります。

インピーダンス仕様のないシングルエンドバス

終端のない低速のシングルエンドバスでは、インターコネクトの構造(キャパシタンスとインダクタンス)に起因することもある過渡挙動(リンギング)を確認できる場合があります。これは、トレースが短絡した場合にSPIで確認されるかもしれません。これらのバスでは、回路図に伝送線路モデルを適用し、ピンの仕様(SPICEサブサーキットまたはIBISモデル)を定義していれば、レイアウト前のリンギングが確認される場合があります。

無損失伝送線路回路図
回路図内の無損失伝送線路モデルの例

シングルエンドバスが実際に配線されると、EDAツールのシグナルインテグリティー・アナライザーを使用してレイアウト後のシミュレーションを実行できます。こうしたアナライザーは、論理回路ファミリーの割り当てまたは関連するピン/ネットのIBISモデルを使用して、以下をシミュレートできます。

  • クロストーク波形、および強い結合領域を特定するため
  • 反射波形
  • その他の信号挙動指標(上昇/下降時間、オーバーシュート/アンダーシュートなど)
  • トラックの長さに沿った平均インピーダンスを計算する

インピーダンス仕様のないシングルエンドバスでは、バスが長くなるとドライバー側での反射や、バス上のキャパシタンスとインダクタンスによるリンギングが確認される可能性があります。リンギングによって過剰なオーバーシュートが発生する場合、リンギングの振幅を低減するには、トレースのインダクタンスを減らすこととダンピングを追加することが最も一般的な2つ方法です。または、直列抵抗を追加してダンピングを高めることもできます。これは、低インピーダンスのバッファ出力をより長い不整合伝送線路に接続する場合に行います。

インピーダンス制御バス

シングルエンドおよび差動インピーダンス制御バスでは、終端インピーダンスがオンダイになる可能性があるため、ポストレイアウトでの論理回路ファミリーベースのシミュレーションでは、バスのインピーダンスが正しく記述されないため効果的ではありません。2つの相互接続間の結合を立ち上がり時間の関数としてのみ見ているため、クロストークをシミュレートでき、論理回路ファミリーのみを割り当てた場合でも、クロストークの大きさは立ち上がり時間に応じて逆比例します。

反射やインピーダンス違反に対するレイアウト後のシミュレーションの場合、論理回路ファミリーの記述に依存するのではなく、少なくとも IBISモデルを使用してバッファの動作を定義する必要があります。バッファの記述が既知で利用可能である限り、PCBエディターでコンポーネントの動作をモデル化するために適用できます。クロストークと反射波形のためのPCBエディターの標準的なシグナルインテグリティーツールは、より高度な解析ツールに移行する前に、多くの信号動作(立ち上がり/立ち下がり時間、オーバーシュート、クロストーク、一貫したインピーダンス、およびリンギング)の事前適格性チェックに役立ちます。

シグナルインテグリティー・シミュレーションのリンギング
配線済みネット内の反射およびクロストークデータの例。最上位の結果(反射)は論理回路ファミリーにより異なり、検証済みのIBISモデルを適用しない限り、常に正確であるとは限りません。最下位の結果(被害者ネット上のクロストーク)は電圧変化率に依存し、論理回路ファミリーとは無関係です。

アイダイアグラム、マルチネットクロストーク、ネットの長さに沿ったインピーダンス偏差などをシミュレートするために使用できる外部ツールがあります。フィールドソルバーはそうしたオプションの1つで、さまざまな専門レベルで使用できるこれらのツールが多数あります。全波フィールドソルバーなどは、放射エミッションをシミュレートしたり、SI/PI を使用してさらに深いものをシミュレートしたり、シミュレートされたネットでSパラメータを抽出したりする場合を除き、必ずしも必要というわけではありません。

Altium Designer®の優れたPCB設計・解析ツールは、レイアウト前後のシグナルインテグリティー・シミュレーションツールとして使えるため、シグナルインテグリティー解析を始める方に最適です。これらの正確な計算により、測定値を比較するためのベースラインが得られます。また、単一のプラットフォームから充実した製造計画機能や文書化機能にアクセスできます。

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筆者について

筆者について

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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