同時スイッチングノイズですか、それともクロストークですか？

実際のPCBで発生する可能性のある多くの信号完全性問題がある中で、洞察力のある設計者はそれらをすべてどのように区別することができるのでしょうか？問題の中には、特定の信号完全性測定が特定の信号動作の側面をテストおよび測定するために開発されているものもあり、より明確なものもあります。

一つの疑問は、I/Oのバンクの出力電圧に変動が現れる現象、つまり同時スイッチングノイズ、または一般にグラウンドバウンスとして知られている現象に関するものです。複数の出力が同時に切り替わるときに誘導される電圧を調べると、このタイプの電位変動は誘導性の後方（すなわち、近端）クロストークに非常に似ています。実際には、単一の相互接続上に複数の信号完全性問題が同時に存在する可能性があります。では、どのようにして両者を適切に区別し、レイアウトを変更する必要があるかどうかを判断することができるのでしょうか？二つの効果を分解して、どちらが信号完全性により大きな影響を与えているかを判断しましょう。

同時スイッチングノイズとは何か？

IC設計者は通常、「同時スイッチングノイズ」を使用することが多いのに対し、PCB設計者は「グラウンドバウンス」という用語を同じ現象を説明するためによく使用します。同時スイッチングノイズは、スイッチングICの近くでグラウンドプレーンの電位が変化しているように見えることを指します。実際には、PCBのグラウンドプレーンの電位は変わっておらず、PCBのグラウンドプレーンとパッケージダイのグラウンドプレーンの間に電位が発生しています。

これは、ピンパッケージの寄生インダクタンスによって生じる寄生効果です。理想的なICでは、ボンドワイヤー、リードフレーム、およびPCBのグラウンドプレーンにグラウンドピンを接続する銅は完全な導体であり、インダクタンスはゼロですが、実際のPCBはこのように振る舞いません。ICがスイッチングするとき、これらの要素（すべてを直列に取ることができます）の寄生インダクタンスが、PCBのグラウンドプレーンと半導体上のI/Oバッファ回路の間の電流の急流に反対する電位を発生させます。

これらの寄生成分を理解するために使用される典型的な回路モデルは以下に示されています。

• この記事でグラウンドバウンスについてもっと学びましょう

出力ピンとダイにとって基準となるのはグラウンドプレーンであるため、ドライバーのダイグラウンドプレーンとPCBグラウンドプレーンの間には非ゼロの電圧が存在しなければなりません。一方、受信機はPCBグラウンドプレーンに基づいています。グラウンドバウンスに関する詳細は、この記事をご覧ください。

I/Oからの出力を追跡するオシロスコープのトレースを見ると、上記の経路に沿って電流が流れるためにリンギングが発生していることがわかります。複数のI/Oが同時に切り替わると、実質的には同じI/O電源から並列に電力を引き出していることになります。実際には、複数のI/Oから発生した逆起電力が、被害を受けたI/Oの近くで測定されたグラウンドポテンシャルの上昇により、被害を受けたI/Oに重畳されます。その結果、通常は減衰不足のリンギング波形が発生します。

このリンギングをどのように減少させることができるでしょうか？その理由は以下の通りです：

• I/O電源における不十分なデキャップおよび/またはバイパス容量
• I/Oバッファに沿った電流経路の不十分な減衰
• GNDトレースおよびGNDリターンパスに沿った過剰なインダクタンス
• バイパス容量経路に沿った過剰なインダクタンス

通常、GNDプレーンを使用してインダクタンスを減少させます（広がりインダクタンスを減少させる）し、任意のGND接続への直接トレースパスを提供します。その後、バイパスコンデンサへの接続も短くすることで、その経路に沿ってインダクタンスがないことを確認します。

高速チャネルでは、ダンピング用の直列抵抗器の使用は一般的ではありません。その理由は、エッジレートが遅くなりすぎ、エッジのクリティカルダンピングを目指す場合、抵抗器を介して多くの電力が失われるからです。これは、SPIのような、高速エッジレートを持つが、高速エッジレートを必要とせず、インピーダンス仕様を持たない遅いボーレートバスに使用できます。

後方クロストークとの比較

不十分にバイパスされたコンポーネントからの出力を測定すると、出力で見られる電圧変動は、誘導性NEXTによる電圧/電流スパイクのように見える信号に似ています。2つを区別する問題は、寄生成分に関連しています：

• 実際のグラウンドプレーンとICからのリターンパスには、寄生相互インダクタンスと抵抗があります。言い換えれば、信号トレースのペアのように、互いにクロストークを伝達することができます。
• ICがグラウンドプレーンからデカップリングされていない場合、NEXTとグラウンドバウンスによって生じる電圧は、寄生インダクタンスが大きさと極性で似ているため、似たようなものになることがあります。

私が言及した2番目のポイントは、高出力ピン数/高速立ち上がり時間/強い電流引きのICの近くにバイパスコンデンサを使用する理由です。PDN内のデカップリングコンデンサと同様に、この方法で使用されるバイパスコンデンサは、何かをデカップリングまたはバイパスするわけではありません。代わりに、グラウンドバウンスや出力とグラウンドの間で見られる他の電圧変動を補償するための電荷（および電圧）の貯蔵庫を提供するだけです。

ここでは、NEXTとFEXTで過減衰応答を示しましたが、寄生自己インダクタンスが高い場合、これらの信号はリンギングを示すことがあります。グラウンドバウンス波形は等価RL回路で発生しますが、CMOSコンポーネントでは、漂遊容量によってリンギングも発生することがあります。さらに、これらの信号が経験する減衰は、負荷インピーダンスに依存します。これらの信号はかなり劇的になることがあるため、ノイズマージンが薄い場合、受信機で意図しないスイッチングを引き起こす可能性があります。

同時スイッチングノイズとNEXTを区別する方法

これは特に、いくつかの信号問題を抱えるプロトタイプボードを扱う場合に難しい作業となることがあります。重要なのは、クロストークと同時スイッチングノイズの影響を分離しようとすることです。グラウンドバウンスを測定するための標準的な設定は、負荷部品から直接メーターに絶縁された導体（同軸ケーブルが理想的）を配線し、それをドライバーとレシーバーと同じグラウンドポテンシャルで保持することです。このピン上の駆動出力をLOWに保持し、ドライバー上の他のすべての出力を駆動します。これにより、グラウンドバウンスの直接測定が可能になりますが、この設定にはまだ問題があり、LOWトレースは依然としてクロストークの影響を受けやすいです。

幸いなことに、これを行うより良い方法があります。Howard Johnsonは、疑わしい被害トレースを切断し、ドライバーとレシーバーから直接、インピーダンスが一致した同軸ケーブルを配線して、同軸に入る信号を測定することを推奨しています。この同軸ケーブルはクロストークに対して遮蔽されているため、この導体内のグラウンドバウンスによる電圧変動のみを測定することができます。この測定された電圧は、他のすべてのスイッチング出力によって見られるものであり、クロストークからの任意の電圧変動はすべてのトレースにわたって異なるでしょう。この設定では、同軸に接続されたドライバー出力も、残りのI/Oが駆動されている間、LOWに保持されるべきであることに注意してください。

ICの出力から何らかの変動を測定し、グラウンドバウンスが過剰であると疑う場合、おそらく最も簡単なチェックは、バイパスコンデンサーをより大きなコンデンサーに交換することです。バイパスコンデンサーはクロストーク信号には影響しませんが、グラウンドバウンス信号には影響します。バイパス容量を増やしても電圧変動が大きく変わらない（または全く変わらない）場合、強いグラウンドバウンスが問題の原因ではないことがわかります。

Altium Designer®のポストレイアウトシミュレーションおよびクロストーク分析ツールを使用すると、レイアウト内のクロストークを簡単にシミュレートし、これをさらなる測定の参考として使用できます。これらの結果は、テストおよび測定結果の参考として使用でき、同時スイッチングノイズが基板内で大きな問題を引き起こしているかどうかを検証するのに役立ちます。また、回路シミュレーション、コンポーネントデータの管理、生産準備のための幅広いツールにもアクセスできます。

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