PCBデザイナーのための究極の高速信号整合性入門

シグナルインテグリティの基礎

シグナルインテグリティとは、PCB（プリント回路基板）を通過する電気信号の品質と信頼性を指します。高速PCB設計において、シグナルインテグリティを維持することは重要であり、わずかな信号の歪みでもデータの破損、通信エラー、全体的なシステムの故障につながる可能性があります。インピーダンスの不一致、クロストーク、信号の反射、電力の変動などの要因がシグナルインテグリティに大きな影響を与えるため、慎重な設計と分析が必要です。

PCBにおけるインピーダンスの理解

PCB設計の文脈において、インピーダンスとは、交流が回路を通過する際に遭遇する抵抗のことです。このインピーダンスは、トレースの幅や厚さ、これらのトレースの間に使用される誘電体材料の種類、PCBの層の全体的な構成など、さまざまな要因によって形成されます。高速PCBアプリケーションでは、信号の反射を避け、信頼性の高いデータ伝送を保証するために、一定のインピーダンスを維持することが重要です。

高速PCB設計におけるインピーダンスの一貫性を確保するために、いくつかの戦略的な技術が適用されます：

• 制御インピーダンストレース： エンジニアは、目標インピーダンス値を達成するために、トレースの幅や間隔といった幾何学的特性を設計します。高度なシミュレーションツールが使用され、これらのインピーダンスレベルを生産前にモデル化し検証します。例えば、特定の信号トレースに対して50オームのインピーダンスを確立することが設計要件となる場合があります。シミュレーションを通じて、トレースの寸法はこの仕様を一貫して満たすように微調整されます。

• 差動ペア： 高速信号伝送において、信号はしばしば差動ペアとして配線され、これは2つの補完的な信号が同時に送信されることを意味します。この構成はインピーダンスを安定させるだけでなく、ノイズの軽減にも役立ちます。USB 3.0技術において差動ペアが一般的に使用され、信号の整合性を向上させ、電磁干渉を減少させます。

• 材料選択： 基板材料の選択は、インピーダンス安定性に大きな影響を与えます。一貫した誘電特性を持つ材料を選択することで、PCB全体でインピーダンスが変動しないようにします。例えば、安定した誘電定数で知られる標準のFR4材料は、回路基板全体でインピーダンスの一貫性を維持するためによく選ばれます（トレースが長すぎない場合）。

Altium DesignerのPCBスタックアップエディターに統合された電磁場ソルバー

反射と信号終端

信号反射は、信号がその経路に沿ってインピーダンスの不一致に遭遇したときに発生し、信号の一部がソースに向かって反射することを引き起こします。この反射は信号を歪ませ、データエラーを引き起こし、全体的な信号の整合性を低下させる可能性があります。インピーダンスの不一致の一般的な原因には、トレース幅の急激な変化、ビア、コネクターが含まれます。

終端技術は、伝送線のインピーダンスを負荷と一致させ、反射を最小限に抑えるために使用されます：

• 直列終端： これは、信号源の近くに抵抗を直列に配置することを含みます。これは短いトレースに対して単純で効果的です。例えば、高速メモリインターフェースでは、トレースインピーダンスに一致させ、反射を防ぐために33オームの直列抵抗が使用されるかもしれません。

• 並列終端： トレースの終わりに抵抗を配置して、線のインピーダンスに一致させます。この方法は、長いトレースや差動ペアに一般的に使用されます。例えば、PCB内の長い伝送線では、50オームの並列抵抗がトレースを終端し、反射を排除するかもしれません。

• AC終端：この技術は、抵抗素子と容量素子を組み合わせて、さまざまな周波数でのインピーダンスを一致させます。例えば、AC終端は50オームの抵抗器とキャパシタを並列に使用して、高速クロック信号を終端し、広い周波数範囲のマッチングを提供します（カットオフ周波数(fc)は、終端ネットワークのインピーダンスが伝送線のインピーダンスと一致する周波数で、次の式で与えられます：fc=1/2πRC）

Altium Designerの信号整合性ツールは、設計者が適切なトレース終端を指定することを可能にします

高速設計のためのPCB材料選択

PCB材料の誘電率（Dk）と損失角（Df）は、信号整合性を維持する上で重要な要素です。Dkは信号の伝播速度に影響を与え、Dfは距離による信号損失に影響を与えます。高速設計では、信号の歪みと損失を最小限に抑えるために、低いDkと低いDfを持つ材料が好まれます。

信号整合性に影響を与える主な材料特性には、次のものがあります：

• 熱安定性：高い熱安定性を持つ材料は、温度変動のある環境でも一貫した性能を保証します。例えば、高速設計では、温度変動のある環境で安定した性能を確保するために、高Tg FR4材料がよく使用されます。

• 低湿気吸収：湿気を少なく吸収する材料は、高速信号にとって重要な一貫した誘電特性を維持します。例えば、Rogers 3003のように低湿気吸収を持つ材料は、湿度の高い環境でも信号の整合性が保たれるように、高速設計に使用されます。

• 機械的強度：頑丈な材料は、製造と運用中の機械的ストレスに耐え、信号経路を保護します。ポリイミドはその一例で、優れた機械的強度と安定性のため、しばしばフレキシブルPCBに選ばれます。

Altium Designerの高度なレイヤースタックマネージャーにおけるPCB材料選択

電力整合性とその信号整合性への影響

電力整合性とは、PCB上の全コンポーネントに安定した電力を供給することを指します。不十分な電力整合性は、電圧の変動を引き起こし、それがジッター、ノイズ、タイミングエラーなどの信号整合性の問題を引き起こす可能性があります。高速設計において全体的な信号整合性を保証するためには、強固な電力整合性を維持することが重要です。

電力整合性を確保するための技術：

• デカップリング・コンデンサ：これらのコンデンサは、ICの電源ピンの近くに配置され、ノイズを除去し、安定した電源を提供します。例えば、高速FPGAの電源ピンの近くに配置された0.1 µFのデカップリング・コンデンサは、高周波ノイズを除去し、安定した電圧供給を保証することができます。

• 電源プレーン：専用の電源プレーンはインピーダンスを低減し、高速信号に対して安定した電圧基準を提供します。例えば、多層PCBには、インピーダンスを低減し、高速コンポーネントへの一貫した電力供給を保証するために、別々の電源プレーンとグラウンドプレーンが含まれているかもしれません。

• 適切なグラウンディング：リターン電流の低インピーダンスパスを確保することで、ノイズが減少し、信号の整合性が向上します。信号層の下に連続したグラウンドプレーンを提供することで、低インピーダンスのリターンパスを提供し、ノイズを減少させ、信号の整合性を向上させることができます。

Altium DesignerにおけるKeysightのパワーアナライザ

結論

PCB設計における高速信号の整合性を維持するには、インピーダンス制御、信号反射、材料選択、および電力整合性をマスターすることが関わっています。これらの技術により、エンジニアは正確なデータ伝送と堅牢なシステム性能を保証する信頼性の高い高速PCBを作成することができます。慎重な計画、シミュレーション、および製造業者との協力により、設計者は高速PCBの課題に効果的に対処することができます。

Altium Designerの今後のKeysightからのシグナルアナライザー拡張機能は、信号整合性の問題を解決するのに役立つ高度な分析ツールを提供し、高速PCBを自信と精度を持って設計するための貴重な洞察を提供します。この機能についてもっと知りたい場合は、こちらの紹介ビデオをチェックしてください。