タイトとルーズの差動ペア間隔と結合を使用すべきか？

トレースインピーダンスについてや、特定のインピーダンスを達成するために必要なトレースサイズの計算方法に関して多くの質問を受けます。シングルエンドトレースの適切なトレース幅を決定することと同じくらい重要なのが、差動ペアの2つのトレース間の適切な間隔の決定です。そこでの問題は、差動ペアのトレースが互いにどれくらい近くにある必要があるか、そして「密接な結合」が本当に必要かどうかです。

この設計ガイドラインについて興味深いのは、おそらく最も不明確に定義されている唯一のPCB設計の経験則であることです。「緩い結合」や「密接な結合」が数値的には具体的に何を意味するのか？10人の異なる信号整合性の専門家に尋ねると、20種類の異なる回答を得るでしょう！

この記事では、差動ペアの間隔に関する密接な結合と緩い結合の現実的な説明に近づきたいと思います。また、差動ペアの間隔がインピーダンス、差動モードノイズ、共通モードノイズの受信、終端などにどのように影響するかについても考察します。見ていくと、密接な結合（それが何を意味するにせよ）に焦点を当てることにはその価値がありますが、しばしば間違った理由で必要とされがちです。

差動ペアの間隔が信号整合性に与える影響

上記で触れた各次元について見ていきましょう。差動ペアの間隔がどのような役割を果たし、適切な値をどのように設定するかを正確に理解します。

インピーダンス

間隔によって影響を受ける差動ペアの主要なパラメータはインピーダンスです。差動ペアのインピーダンスは、各トレースの自己容量と自己インダクタンス、および各トレース間の相互容量と相互インダクタンスに依存します。これは、異なるペアの典型的なインピーダンスの式を奇数インピーダンスと差動インピーダンスに分解する必要があることを意味します。これらは以下のように定義されます：

相互インダクタンスと容量は、2つのペアに等価の合計インダクタンスと容量を与えるために存在します。上記の方程式では、損失（伝送線インピーダンス方程式のRとG）を無視していますが、ここで重要なのは間隔に注意を払うことです。

• ペアを近づけるほど、L_MとC_Mが大きくなるため、差動インピーダンスは小さくなります。両方のL_MとC_Mは、間隔が無限大になるとゼロに収束します。

言い換えると、差動インピーダンス目標（標準で指定されているか、測定から決定されている）に到達するように設計している場合、二つのペアをあまりにも近づけてはいけません。そうすると、差動インピーダンスが小さすぎるため、インピーダンス目標を違反することになります。しかし、間隔を小さくすると、二つのトレース間の電場と磁場がルートの長さに沿って集中し、損失が増加します。

二つのトレース間の相互インダクタンスと相互容量を計算することは容易ではなく、使用できる単純な閉じた形式の公式はありません。いくつかの研究記事にはより長い公式がありますが、それらは非常に長くて扱いにくいものです。組み込み計算機付きのスタックアップエディターを使用する方が良い選択肢です。このタイプのユーティリティは通常、相互容量とインダクタンスを決定するのではなく、電磁場ソルバーを使用して差動ペアのインピーダンスを決定します。

共通モードノイズの抑制

差動ペアはクロストークに対して免疫があると時々説明されますが、それが単端信号からなのか差動信号からなのかは常に明言されていません。とにかく、真実は差動ペアも差動モードノイズ源または共通モードノイズ源からのクロストークに対して免疫があるわけではないということです。前者についてもっと学びたい場合は、この差動クロストークに関する記事を読むことができます。

共通モードノイズについて、クロストークとして発生する場合はどうでしょうか？単端の攻撃トレースが近くの差動モードペアに信号を誘導する場合を見ていると、差動ペアの2つのトレースをどれだけ密接にルーティングしても、完全な共通モードノイズ抑制を保証することは決してできません。しかし、より密接な結合は助けになります。

その理由を理解するには、単端の攻撃トレースからの場が空間内でどのように広がるかを見る必要があります。トレースからの距離によって場が減衰するため、差動ペアの近いトレースが遠いトレースよりも多くのノイズを受け取ります。

ここで、私は最適な解決策は、ペアをより密接に配置するのではなく、単端トレースを差動ペアから遠ざけることだと主張します。それが実行不可能な場合は、より小さい間隔でも同じ効果が得られますが、差動ペアに沿ってより高い損失が生じます。

差動モードEMI

差動ペアがEMI（電磁干渉）を発しないというもう一つの神話があります。これも真実ではありません。もし本当だとしたら、差動クロストークを測定することができないでしょう。しかし、差動ペアから放射されるEMIは差動モードにあるため、単線トレースやトレースのグループから放出されるノイズよりも強度が低いです。これが、極めて高速のシリアルデータを差動リンクを介して送信しても、常にEMCテストに失敗しない理由の一つです：単一のトレースを介してデータが送信された場合に見られるノイズよりも単純に少ないからです。

差動EMIが問題になるのは、長い差動ペアを介してシリアルデータをルーティングする場合のみなので、ノイズを相殺するためにペアを近づけたいと思うかもしれません。しかし、再度申し上げますが、この状況では損失（挿入損失）の方がはるかに重要です。差動ペアを使用する必要がある長いリンクでは、損失がチャネルの挙動を支配し、非常に狭い間隔を必要とすることはありません。特定の信号規格で使用するために差動ペアの設計を最終化する前に、チャネルの挙動をシミュレートして測定することを確認してください。できればテストボードを使用して。

長さ調整におけるモード変換と反射

レングスチューニング構造内の密接な結合によって生じる2つの関連する信号整合性の問題があります::

• レングスチューニング構造におけるモード変換
• レングスチューニング構造の入力での反射

これら2点はトレードオフを表しています：レングスチューニング構造は信号を位相合わせするために必要ですが、反射やモード変換を生じさせます。

差動信号がレングスチューニング構造を通過すると、ある程度のモード変換を経験します。つまり、共通モードノイズが差動モードノイズに変換される可能性があり、その逆もまた然りです。ペア間の間隔が狭い場合、長さが一致したトレースに沿って奇数モードインピーダンスの偏差が大きくなり、それに伴って各トレースの伝搬遅延の変化も大きくなります。

その結果、レングスチューニング構造によって一部の共通モードノイズが受信側で差動モードノイズとして現れ、それが受信側のノイズマージンを超える可能性があります。

• レングスチューニング構造におけるモード変換についてもっと学ぶ
• レングスチューニング構造のインピーダンスについてもっと学ぶ

なぜ間隔と長さの一致に焦点を当てるのか？

遠い過去、設計者が豊富なCADツールやプロフェッショナルな電子設計ソフトウェアにアクセスできなかった時代には、差動ペアに長さの一致と一貫した間隔を適用することは時間がかかるプロセスでした。今日では、PCB設計者は差動ペアに長さの一致セクションを非常に簡単に適用できるCADツールに恵まれています。ルーティングツールとインターフェースする設計ルールも、必要に応じて非常に狭い間隔を含む、差動ペアの各トレース間に一貫した間隔を非常に簡単に適用することを可能にします。

伝統的な終端方法や差動インピーダンスの目標内では必要ないかもしれませんが、小さい間隔を使用する理由がいくつかあります：

• 差動モードノイズ放射と差動クロストークの低減
• ノイズが真のコモンモードノイズとして受信される可能性が高くなる
• ペア間で放出される差動モードノイズが低下

しかし、一般的な誤解とは反対に、終端のために可能な限り小さい間隔を選択する必要はなく、それはペアの長さに沿って損失を増加させます。そして、密接に配置されたペアに沿って長さ調整を適用すると、長さ調整セクションが適用されたときに、より大きなモード変換とインピーダンスの偏差が見られます。終端については、いくつかのビデオや別の記事で紹介する長い議論です。この記事で概要を見ることができます、そして、主なポイントは、終端が差動ペアをいくつかの差動インピーダンスの観点ではなく、二つの単一終端信号として扱うことです。

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