高速信号のための長さマッチング：トロンボーン、アコーディオン、およびノコギリ波チューニング
昔々、高速信号の長さ合わせガイドラインは、異なるトレース長調整スキームを手動で適用しながら生産的に作業できるほどのスキルを持った設計者を必要としていました。今日の最先端のインタラクティブルーティング機能を備えた現代のPCB設計ツールでは、設計者はもはやPCBレイアウトで長さ調整構造を手動で描き出す必要はありません。設計者が残された選択肢は、どの長さ合わせスキームを使用するかを決定することです：トロンボーン、アコーディオン、またはノコギリ波ルーティング。
では、これらの異なるオプションの中で、あなたの高速設計に最適なのはどれでしょうか？十分に幅の広いトレース（つまり、HDI領域ではない）とGHz近くの帯域制限された信号を使用する場合、mmWaveやサブmmWave領域でアナログ信号を扱う際に見られる複雑な共振問題について心配する必要はありません。しかし、高速PCB設計における長さ合わせを行う際には、伝送線と信号完全性の振る舞いに関していくつかの重要な点を考慮する必要があります。
高速信号のための長さ合わせオプション
パラレルバスで複数の信号間の長さ調整が必要である場合や、単に差動ペアの両端を長さ合わせする必要がある場合でも、何らかの方法で長さ調整を行う必要があります。低速では、これらの信号の立ち上がり時間が長いため、異なる長さマッチングスタイル間の違いは表面的です。これらの違いは、エッジレートが速くなるとより明確になり、長さ調整構造に入力するインピーダンスが目立ち始め、高周波でのさまざまな構造におけるモード変換の異なるレベルを生み出し始めます。
長さ調整オプションを選択する際には、2つの重要な点を考慮する必要があります：
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- バスは単端か、それとも並列か？
- バスのインピーダンスは制御されていますか？
- どれくらいの不一致が許容されますか？
長さ調整構造は常に3つの問題を引き起こします：入力奇モードインピーダンスの不一致、NEXT、および差動ペアのモード変換。以下に、高速PCBレイアウトで見られる3つの一般的な長さ調整オプションを紹介します。
ソートゥース調整
長さ調整の最も一般的な例は、ギザギザ調整とも呼ばれることがある鋸歯状調整です。ここに含まれるガイドラインは、この長さ調整構造の元々の意図を反映しており、それはモード変換を制限し、拡張セクション間のクロストークの出現を抑えることです。
下の鋸歯状調整の例では、トレースに沿って滑らかな曲がりがありません。トレースは、下に示されているように、正確に間隔を空けるべきです。まず、「S-2S」ルールが下で使用されています。これは元々、長さ調整されたトレースの長さに沿って45度の曲がりが使用されることを保証するために意図されていました。「3W」ルール（同名のクロストーク防止ルールと混同しないでください！）は実際には上限であり、鋸歯状の拡張部分の長さはWから3Wの範囲であることができますが、このルールに関してはガイドラインによって異なる場合があります。これらの寸法は、トレースの長さに沿った任意のインピーダンス不連続を最小限に抑えるために使用されます。
高速信号のための鋸歯状長さマッチング：「3W」ルール。
高速PCB設計
高速設計の課題に対処するための簡単なソリューション
アコーディオン調整
アコーディオンチューニングは、しばしば蛇行長チューニングとも呼ばれます。上で示された斜めの延長を使用するのではなく、直線トレースに沿って追加のチューニング長さをより小さな距離に収めるために直交延長が使用されます。
以下に示すレイアウトは、異なる距離の複数のトレース延長を使用しています。この方法は、多くの単一終端信号の並列バスを含むアプリケーションでよく見られます。典型的な例はDDRです。これらの信号は時間内での同期が必要ですが、これらのトレースは差動バスの一部ではないため、トレースのペア間で厳密な位相要件はありません。したがって、長さチューニングセクションをどこに配置しても、受信コンポーネントは差動モードノイズと共通モードノイズを区別しないため、問題ありません。これが、DDRインターフェースの典型的なルーティングが以下のようなルーティングになる理由です。
高速信号のためのアコーディオン長さマッチング。
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トロンボーンチューニング
低速または低周波数の信号を扱っている場合、最小限のNEXTで並列バスにトロンボーンチューニングを適用することが可能です。この技術は、差動ペアの長さ調整には使用すべきではありません。これは並列バスでよく見られる別のオプションですが、アコーディオンやノコギリ波の長さ調整よりもはるかに多くのNEXTを生じさせます。これは、このトレース構成における複数の90度および180度のターンに関係しています。
これが差動ペアで使用された場合、トロンボーン部分がペアの各側間で差動および共通モード結合を交互に行い、一方の端で信号がトロンボーンを通って前後に動くと明らかになるはずです。信号は伝播するにつれて共通モードと差動モードの駆動の間で基本的に切り替わります。これはモード変換の正確な定義です。他の2つの一般的な長さマッチング方法と同様に、トロンボーンチューニングを使用する必要がある場合は、不一致が生じる差動ペアの末端にのみ配置すべきです。
高速信号のためのトロンボーン長さマッチング。
差動ペア対シングルエンド
上記の3つの方法では、セルペンタイン長さマッチングセクションの各セクションを互いに近づけすぎないように注意する必要があります。ストレートトレースからの延長とセクション間の距離は、2つの可能な信号整合性効果を決定します：
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- パラレルバスと差動ペア： NEXT 構造の長さに沿って
- パラレルバスと差動ペア：長さ調整構造に入ってくる信号の反射
- 差動ペアの場合： モード変換（コモンモードと差動モードノイズの間の切り替え）
クロストーク効果（NEXT）と長さ調整セクションに入ってくる反射は、長さマッチングセクションに沿って移動する信号を歪ませます。モード変換効果は、長さ調整セクションの前に受信したコモンモードノイズが、受信機で差動モードノイズとして現れる原因となります。Howard Johnsonは、この記事でクロストーク効果について興味深い説明を提供しています。
下の表は、上記で議論された各長さ調整方法が最も適切に使用されるタイミングを概説しています。
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シミュレーションによる検証
ここで提示されているガイドラインは、あくまでガイドラインです。信号速度や長さ調整のスタイルに関わらず、差動ペアの各側をできるだけ対称的に配線することが一般的に推奨されていますが、広い並列バスについてはそれが単純ではないことは理解できます。差動ペアの配線方法をどのように選択するにせよ、シミュレーションツールを使用して各信号の挙動を常に検証し、最終的には測定を使用して確認するべきです。
長さ調整において、どのオプションが客観的に「最適」であるかを一般化することは難しいです。経験則が特定の状況で失敗するのを見たことがある人は、高速信号の長さの一致を含むレイアウトを常にチェックし、ポストレイアウトシミュレーションツールを使用するべきだと知っています。これにより、クロストーク、曲がり角での過度な信号反射、差動信号や正確な同期が必要な複数のトレース間のスキューなど、重要な信号整合性の問題を検討できます。
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