直列終端抵抗の計算

伝送線路に関しては、簡単に思えることがあまりありません。終端技術の決定や終端ネットワーク内のコンポーネントの値を決めることは難しい作業であるべきではありません。ほとんどのPCB設計プログラムでは、計算機をオンラインで探すか、手計算をしなければなりません。代わりに、設計ソフトウェアは終端ネットワーク内のコンポーネント値の範囲を簡単にテストできるようにするべきです。

一部のコンポーネント、トレース、差動ペア、およびビアを介してルーティングされる相互接続は、高速または高周波回路で伝送線路効果が生じるのを防ぐためにインピーダンスマッチングされるべきです。小さなインピーダンスの不一致は許容できるかもしれませんが、いくつかの信号ドライバーは、信号トレースで一般的に使用される標準の50オーム値と一致しないインピーダンスを持つことがあります。ルーティングおよびコンピュータアーキテクチャの標準（例えば、PCIe Gen 2およびGen 3）も差動ペアインピーダンスに異なる値を使用していることに注意すべきです。

トレースが伝送線路効果を示し始めると判断した場合、この記事では、Altium Designer^®の信号整合性ツールを使用してシリーズ抵抗の正しい値を決定する方法を示します。

どの終端ネットワークを使用すべきか？

この質問にはいくつかの答えがあります。なぜなら、いくつかの可能なネットワークや終端装置が存在するからです。デジタル信号については、抵抗器が広帯域コンポーネントであるため、抵抗終端を好みます。ICのドライバーピンに直接配置された場合、非常に高い帯域幅までのドライバーを終端するために使用できます。対照的に、RF出力やアンテナは、抵抗性の電力損失を避けたいため、LCネットワークを好むでしょう。そして、インダクタとキャパシタ（直列またはシャント要素として）の正確な配置は、インピーダンスをシフトして共振周波数に合わせる必要がある方法に依存します。

抵抗終端に関しては、一般的に使用される2つの方法があります。シリーズ終端（ドライバーピンに配置）と並列終端（受信機からGNDに配置）。

ドライバーに直列終端抵抗を使用する理由には以下のようなものがあります：

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1. 終端されていない負荷からの反射が予想されるほど線が長い場合、終端されていないドライバーとトレースの間には必要です。そして、信号ドライバーのインピーダンスがトレースのインピーダンスよりも小さい場合
2. 出力で見られる減衰を増やして、グラウンドバウンスを抑制するのに役立ちます。次に、SSN、または非常に短い線上の振動
3. ドライバーによって生成される信号を遅らせる必要がある場合、これは高速インターフェースで使用される可能性がありますFPGAにインスタンス化されている場合または、生成される信号が連続したデータストリームを供給しない制御信号である場合

ポイント＃1では、ドライバーの出力に直列抵抗を配置できますが、これは非常に長い距離を経由してルーティングされ、立ち上がり時間が短い標準の単一エンドデジタルバス（例えばSPI）の場合を除き、非常に珍しいです。ポイント＃1は、特殊なRFコンポーネントが使用され、これらのコンポーネントにオンダイ終端がない場合にも使用されるかもしれません。ポイント＃2は、特に信号がMCU、FPGA、MPUなどの現代のプロセッサーによって供給される場合により一般的です。

シリーズ終端が必要であると判断した場合、たとえば重要な長さの計算に基づいている場合、抵抗器パッケージはボードに組み立てる予定の最小のパッケージであるべきであり、ドライバー出力ピンの正確な位置に配置するのが最も簡単です。シリーズ抵抗を決定するには、ソースインピーダンスを既に知っている必要があるか、またはドライバーの出力バッファのシミュレーションモデル（IBISなど）を持っている必要があります。ソース出力インピーダンスを知っている場合、シリーズ終端インピーダンス要件は次のとおりです：

ロジックファミリーを知っている場合やドライバー出力ピンのIBISモデルを持っている場合のシミュレーションでの方法はこちらです。

シリーズ終端抵抗の決定

シミュレーションからシリーズ終端抵抗を決定する一般的な方法は、一連のシリーズ抵抗値を反復して通過させることです。シミュレーターを実行すると、ネットワーク内の各コンポーネント値が信号にどのように影響するかを示すグラフが表示されます。これにより、終端ネットワークで使用する最適なコンポーネント値を視覚的に決定できます。

• シリーズ終端が電圧レベルにどのように影響するかについてもっと学ぶ

以下のプロセスは、標準化されたインターフェースの一部ではない差動信号と単端信号の両方に適用されます。差動信号は、定義された奇モードインピーダンスを持つ2つの別々の単端信号として扱うことができるので、以下に示すシリーズ終端方法は、奇モードと単端インピーダンスのわずかな偏差を考慮する限り、差動ペアのトレースにも適用されます。

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信号整合ツールのセットアップ

回路図をキャプチャしてボードをレイアウトしたら、トレースに適切な終端抵抗を決定する準備が整います。ボードの準備ができたら、Altium Designerのツール -> 信号整合… メニューから信号整合ツールにアクセスできます。

Altium Designerで信号整合ツールにアクセスする

信号整合ツールは、ドライバーとレシーバーのピンのロジックファミリーを選択するか、またはコンポーネントにIBISモデルを追加することによってセットアップする必要があります。信号整合ダイアログで使用される信号刺激も変更できます。

シグナルインテグリティツールを開いたら、下の画像に示されているようなシグナルインテグリティダイアログが表示されるはずです。ここで、調査したい信号ネットを選択する必要があります。調査したい信号ネットをダブルクリックすると、これらがダイアログの右側のテーブルに追加されます。

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信号インテグリティシミュレーションのためのネットと終端ネットワークの選択

終端ネットワークのリストも表示されます。以下の例では、2つの単線トレース（NC1およびNC2）を調査します。終端ネットワークのパラメータやスイープの数を変更することができることに注意してください。同じ手順を使用して、差動ペア（例えば、NC3_PおよびNC3_N）のいずれかを調査することもできます。

単線結果

シリーズ終端ネットワークと「並列抵抗 & キャップ to GND」終端ネットワークを見ていきます。スイープの最大値と最小値、およびVCC電圧を選択できることに注意してください。

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ここでは、マッチングネットワーク内の終端抵抗の値を変更できます

シミュレーションの設定が完了したら、「反射波形...」ボタンをクリックしてシミュレーションを開始します。Altium Designerは、さまざまな抵抗値を反復処理し、一連のグラフを生成します。NC1およびNC2のネットの結果は、以下の図に示されています。

さまざまなマッチングネットワークの信号反射結果

上記の結果から、シリーズマッチング抵抗（上の2つのグラフ）とVCCおよびグラウンドへの抵抗の組み合わせは、実際にはこのボードにとって最適な選択ではないことがわかります。どちらの結果もリンギングを多少減少させるのに役立ちますが、遅い立ち上がり時間を補償する必要もあります。したがって、異なるネットワークを試し、プロセスを繰り返すべきです。

ここで、「Parallel Res & Cap to GND」ネットワークに戻って選択し、このネットワークがNC1およびNC2のネット内の信号にどのように影響するかを確認できます。このネットワークの結果は以下に示されています。ネットワーク内の各コンポーネントの値を見るには、グラフの右側にある凡例のラベルのいずれかをクリックします。このボードでは、最適なトレースネットワークは56.67オームの抵抗器と83.33 pFのキャパシタを使用していることがわかります（下のグラフの赤い信号）。

抵抗器/キャパシタネットワークの信号反射結果

差動ペアのプロセス

差動ペアを調べるには、Signal Integrityダイアログに戻って差動ペアの各トレースを調べることができます。上に示された直列終端式を考慮すると、差動インピーダンスはその奇数モードインピーダンスの観点から定義されることを覚えておく必要があります。これは、直列抵抗終端に使用される値です。差動ペアのトレースの特性インピーダンスは常に奇数モードインピーダンスよりも大きいため、次の関係を記述できます：

この偏差に基づき、差動ペアのトレースに必要な直列抵抗値は、信号整合性ツールによって決定された直列抵抗値よりもわずかに低くなります。

インピーダンス制御ルーティングをさらに進める

疑いなく、インピーダンス制御ルーティングを使用することが最良の選択です。これにより、ボード全体でトレースのインピーダンス値が一貫していることを保証できます。理想的には、これによりボード内の各トレースに終端ネットワークを適用する必要性を避け、大幅な設計時間を節約できます。

PCBで使用する適切な終端ネットワークを決定することは、電源設計およびシミュレーションツールを含むPCB設計パッケージを使用する場合、はるかに簡単です。Altium Designerを使用すると、レイヤー配置と設計を完全に制御でき、シミュレーションツールはレイアウトから直接データを取得します。これらのツールは、リジッドフレックスおよびマルチボードシステムに直接適応可能です。

無料トライアルのAltium Designerをダウンロードして、強力な信号整合性ツールがどのように役立つかを確認してください。業界が要求する最高の設計機能に、単一のプログラムでアクセスできます。今日、Altiumの専門家に相談して、詳細を学びましょう。