PCB設計におけるガードトレースとは何か、そしてそれは機能するのか？

PCBレイアウトにおけるガードトレースは、依然として多くの矛盾する情報が存在するトピックの一つです。その使用に関してさまざまな参照を見つけることができます。どのタイプの設計—アナログ回路、ミックスドシグナル、またはデジタル—がガードトレースの使用から最も恩恵を受けるのか、ガードトレースが電磁場をどのように遮断するのか、トレースの端が浮いていること、一方の端が接地されていること、または両端が接地されていることの重要性、そしてガードトレースの使用から最も恩恵を受けるトレースのタイプ—マイクロストリップまたはストリップライン—について混乱があります。この記事では、これらのトピックすべてに対処し、ガードトレースがその実装に関係なく実際には価値を提供しない理由、およびトレースの平面上の高さとトレースの分離がクロストークを制御する最良の方法である理由を文書化した実際のハードウェアからのデータを提示します。

ガードトレースの起源

ガードトレースは、特に非常に高いインピーダンス、低ノイズのアナログPCB設計、そして非常に低い電源を持つ製品の実装において、確かにいくつかの価値を持っています。例えば、高インピーダンスと低周波数を持つEKGマシンでは、外部からトレースへの静電容量結合が発生するリスクがあります。信号が非常に低いため、外部から少しの干渉でもそれを乱すことがあります。この場合、信号トレースの周りにガードトレースを配置することで、静電容量結合を抑制することができます。では、アナログとデジタルの設計についてはどうでしょうか？製品がアナログデバイスかデジタルデバイスかに基づいて、ガードトレースの有無の価値を分析することは難しいです。アナログという用語に基づいて状況を定義することは、あまりにも一般的すぎます。例えば、高出力のオーディオアンプもアナログです。

混合信号設計においても、ガードトレースの良い「対象」として分類できるかどうかについて同じことが言えます。混合信号製品の実装は、アナログ信号から始まり、ある時点でデジタル信号に変換されます。これはAからDへのコンバータによって達成され、これが混合信号製品の通常の定義です。今日の製品実装では、すべての無線は内部でデジタル化されており、RF部分でさえもです。RFデジタル回路はもはやL（インダクティブ）およびC（キャパシティブ）ネットワークから作られていません。例えば、携帯電話では、LやCはどこにも見つかりません。アンテナは直接チップに入り、その信号をアナログからデジタルに変換します、それも非常に高いRF周波数でさえ。ガードトレースの使用に関する現在流通している様々な情報源では、近端および遠端のクロストークが注記されていることも指摘されるべきです。デジタル世界では、懸念されるクロストークは後方クロストークです。これは図1に示されています。

図1. 前方および後方クロストーク対長さ

ガードトレースとは何か？

ガードトレースの背後にある全体的な考え方は、2つの伝送線の間にガードトレースを配置すると、2つの間のEM（電磁）場を遮断し、それらの間で発生する望ましくないクロストークを抑制するというものです。実際には、2つの伝送線の間にガードトレースを挿入すると、それらの間の空間が増加し、クロストークが減少するのはその空間の増加によるものであり、ガードトレース自体によるものではありません。もしワイヤーがEM場を止めることができたら、変圧器は機能しません。期待されるのは、エネルギーがそのワイヤーを過ぎるとき、その途中でいくらかが拾われることです。変圧器を作るために、私たちはそれに依存しています。ワイヤーは磁場を止めません。

トレースは分散LCネットワークであり、ある周波数で共振します。その幾何学が適切であれば、設計上の関心のある周波数で共振し、クロストークを減少させるのではなく増加させるバンドパスフィルターを作り出すことができます。図2はそのような設計を示しています。これは1980年代後半に製造された失敗したスーパーコンピュータのバックプレーンのアートワークです。プロジェクトのエンジニアは、バックプレーンの伝送線のインピーダンスがドライバーを過負荷にすることを懸念していました。これを防ぐために、バックプレーンのインピーダンスは70オームに設定されました。バックプレーンの設計者は、望ましくないクロストークを制御するためにガードトレースを挿入しました。ガードトレースの長さは、コンピュータのクロック周波数で共振するようなものでした。その結果、バックプレーンを横切って伝播する信号間で望ましくない結合が発生し、コンピュータが不安定になりました。修正策は、設計を廃棄して最初からやり直すことでした。重要な市場の機会を逃さずに、全体の製品開発コストを抑えようとしているときに、これは決して良いアイデアではありません。

また、今日のインターネット製品では、PCBが回路と信号トレースで非常に混雑しているため、ガードトレースのためのスペースがありません。それらは物理的に不可能です。

図2. 「ガード」トレースを持つバックプレーンバス

ガードトレースがクロストークを制御する目的は何か？

ガードトレースの終端方法に関する情報が豊富にあり、それによってクロストーク制御の効果が高まることが示されています。選択肢には、フローティングガードトレース、一方の端で終端されたガードトレース、両端で終端されたガードトレースがあります。実際には、ガードトレースの終端方法に関わらず、それらはすべて共振LCネットワークであり、バンドパスフィルターを作り出すことができますが、主張されているような効果はありません。

さらに、トレースの両端をグラウンドプレーンに接続したからといって、そのトレースが「グラウンド」に追加されたわけではなく、EMフィールドを遮断する能力もありません。どのように端が接続されているかに関わらず、あらゆる種類のワイヤーはEMフィールドを遮断しません。トレース間の隔たりが、クロストークがどのように制御されるかを決定します。図3は、2本の線間の間隔を広げることが、それらの線間のクロストークを制御する方法であることを示しています。

図3. 後方クロストーク対エッジ間隔と最も近いプレーン上の高さ

また、ストリップライン構成においてガードトレースが効果的であるためには、ガードトレースが結合長と完全に同じ長さでなければならないとされています。しかし、ガードトレースの幾何学的特性は、クロストークを制御する能力に影響を与えません。なぜなら、トレース間の空間がどれだけうまく結合を軽減するかを決定するからです。

PCBガードトレース：マイクロストリップ対ストリップライン

いくつかの情報源によると、ガードトレースの効果はマイクロストリップとストリップラインのトポロジーで異なり、その結果、ガードトレースはマイクロストリップトポロジーには効果がないが、ストリップラインの場合はガードトレースの両端がグラウンドにショートされている限り効果があるとされています。したがって、ガードトレースの終端の有無は関係なく、どちらの構成においてもその効果は無関係です。

ガードトレースは機能するのか？

クロストークを制御する方法を理解するには、物理学の基本的なルールと電磁場がどのように機能するかを理解することに戻ります。

従来のルーティングでは、常に5ミルの線幅と5ミルの間隔が基本でした。この間隔に加えて、平面上から5ミルの高さを持たせることができます。これは、PCのマザーボードなどの4層PCBで持つべき構成です。これにより、クロストークは8％になります。これを望まない場合、ガードトレースを挿入すると、伝送線のエッジ同士を15ミル離す必要があります。これによりクロストークは0.8％に削減されます。これはクロストークの10分の1の削減であり、ガードトレースによるものと想定されています。実際には、クロストークを減少させたのはガードトレースではなく、トレース間の空間です。一度、分離の物理が理解されれば、クロストークが設計プロセスの一部として本質的に制御されるような方法でPCBを設計することは容易です。

クロストークを制御するためのPCBを設計する際には、伝送線が固体の平面上を移動し、DCが地面と名付けられる必要がないことを確認したいです。Vdd平面であっても構いません。この方法では、エネルギーはトレースと平面の間にあります。平面が伝送線に近いほど、エネルギーがトレースと平面の間に行き、隣接するトレースに行かないようにすることがより確実になります。理想的には、PCBスタックアッププロセスを、トレースをできるだけ平面に近づけることから始めます。その後、製造可能な数値を選びます。ほとんどの場合、4ミルより近づけることは不可能です。したがって、4ミルから始めて、クロストークの目標とインピーダンスの目標のためのトレース幅の分離を設定します。

そこにあるすべてのガードトレースデータをどのように評価しますか？

ガードトレースの有効性に関連して行われた結論をすべてサポートするとされる業界のデータがたくさんあります。しかし、提供されているシミュレーションと方程式は理論に基づいており、実際のハードウェアの結果ではないことを覚えておくことが重要です。シミュレーションは価値がありますが、実際の物理的な回路基板の証明が伴って初めて、正しいとみなすことができます。

結局のところ、ガードトレースはクロストークを制御するのか？

PCB上のガードトレースは、その実装や終端に関わらず、クロストークを制御しません。実際、ガードトレースはバンドパスフィルターを作り出すことができるため、クロストークを減少させるどころか、実際には増加させる可能性があります。物理学の基礎と電磁場の動作についての良い理解が、クロストークを減少させるための最良の武器です。

さらに質問がありますか？Altiumの専門家に電話するか、Altium Designer^®でクロストークを避ける方法について読んでください。

参考文献：

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., 「Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volume 1.」