高速・高周波PCBにおける終端方法
高速デジタルシステムを扱う際には、終端の話題が必ず出てきます。ほとんどのデジタルシステムには、少なくとも1つの標準化された高速インターフェースがあり、または高速なエッジレート信号を生成する高速GPIOが存在する可能性があります。高度なシステムには、通常、半導体ダイ上に適用される終端を持つ多くの標準化されたインターフェースがあります。実際に終端が必要かどうかを判断した場合、どの方法を使用すべきでしょうか？
実際には、多くのデジタルシステムではデジタル通信のための標準化されたバスを多くのコンポーネントが実装しているため、離散終端器の適用は非常に一般的ではありません。しかし、高速I/Oを持つ高度なコンポーネントを扱っている場合、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるかもしれません。このような状況が発生するもう一つの例は、特定のプロセッサーやFPGAで時々使用される特殊なロジックです。最後に、RF終端の問題がありますが、これはデジタルシステムの終端とは非常に異なります。
終端の適用時期と方法
上述のように、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるケースは限られています。
- あなたのインターフェースにはインピーダンス仕様がありません
- データシートには、手動での終端が必要であると記載されています
- インターフェース仕様では、特定の終端（例：DDR、イーサネットのボブ・スミス終端）が要求されます
RFとデジタルのインピーダンスマッチングはやや異なります。全体的な目標は同じです：伝送線に送信された信号は、伝播中に最小限の損失を経験し、受信コンポーネントによって正しい電圧/電力レベルで登録されるべきです。以下の表は、デジタルとRFで使用される終端方法を比較しています：
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デジタルチャネル |
RFチャネル |
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終端帯域幅 |
広帯域終端回路が必要 |
狭帯域終端回路が必要 |
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電力損失 |
特定の場合にはある程度の電力損失が許容される |
通過帯域での電力損失はないことが望ましい |
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適用範囲 |
回路設計は数GHzの帯域幅まで機能する |
回路設計は数GHzまで正確 |
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標準化 |
通常、標準化されたインターフェースでオンダイ |
高GHzコンポーネントは終端をオンダイに配置 |
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次に理解すべき点は、特定のシステムに適した終端方法の選択です。以下のセクションでは、シングルエンド、差動、RFインターコネクトで使用できるさまざまなタイプの終端について、簡単な概要とリソースへのリンクを提供します。
直列終端
この終端方法は、ドライバーの出力ピンに直列抵抗を配置することを含みます。技術的には、伝送線は線形システムであり、直列抵抗はインターコネクトのどこにでも配置できます。しかし、出力信号の最も正確なスケーリングと正しい反射の抑制を提供するために、ドライバー出力の直後に直列抵抗を配置することが望ましいです。
終端に必要な直列抵抗値を決定することは難しい場合があります。必要なデータがデータシートに常に存在するわけではないためです。代わりに、駆動ピンの既知の良好なIBISモデルから決定する必要があるか、測定を通じて決定する必要があります。したがって、並列終端を使用する方が望ましい場合があります。
並列終端
パラレル終端は、受信側の反射を抑制しつつ、負荷の入力ピンに全スケール電圧が受け取られるようにするために使用されます。そのため、負荷コンポーネントの入力ピンの直前に配置する必要があり、抵抗の値は伝送線のインピーダンスと等しく設定されます。
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特殊なケースでは、パラレル終端とシリーズ終端を同じ相互接続上で一緒に使用することがありますが、これは一般的ではありません。これは、出力信号レベルを意図的に低下させる必要がある特殊なロジックでよく見られますが、必ずしも完全に一致したシリーズ抵抗器ではありません。別の例は、デザイナーがダンピングのためにシリーズ抵抗器を配置してグラウンドバウンスを抑制しようとするが、負荷からの反射はパラレル終端で依然として抑制される場合です。
テブナン、プルアップ、およびAC終端
テブナン終端、プルアップ終端、およびAC終端は、受信コンポーネントの入力ピンで適用されるパラレル終端のすべてのタイプです。これらは基本的に、抵抗器を使用した単純なパラレル終端と同じ機能を果たしますが、いくつかの追加的な結果があります。
- テブナン - 代替電源電圧から電圧レベルを調整し、電力を引き出します
- プルアップ - ある終端電圧レベルの周りで信号を切り替えることを強制します。論理反転に使用できます
- AC終端 - チャネル帯域幅を低周波数に制限し、フィルタリング機能を提供します
これら3種類の終端のうち、テブナンとプルアップがより頻繁に使用されます。これらは半導体ダイ上で実装されることがより一般的であり、ディスクリートで使用される場合は、特殊なロジックケースである可能性が高いです。すべての終端は、分割終端の一部として差動インターフェースで見られます
RF終端
RF終端の使用は、基本的にドライバーの出力または受信機/負荷の入力にフィルターを配置し、ソースからの出力インピーダンスが目標インピーダンスに達するようにすることを含みます。RFインピーダンスマッチング回路は理想的にはゼロ抵抗を持つべきであり、反応性コンポーネントのみを使用すべきです。その理由は、信号がインピーダンスマッチングネットワークと相互作用する際に、電力を失いたくないからです
抵抗器は広帯域の終端コンポーネントであるため、デジタル信号のような広帯域信号で使用したいと考えています。反応性インピーダンスマッチングネットワークは、特定の帯域幅内でのみインピーダンスマッチングを生成します：
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
- リアクティブコンポーネント終端回路は、高Qまたは低Qの通過帯域を作り出します
- 複数のリアクティブコンポーネントを段階的に組み合わせることで、より高次のフィルターを製造することができます
- 一部の回路では、終端ネットワークのトポロジーに依存する通過帯域内のリップルが発生します
ディスクリートを使用しない別の方法として、伝送線路セクションの使用があります。これらのセクションは、非常に高Qの帯域幅でのみインピーダンスマッチングを適用し、調波信号との使用に最適です。これらのポイントが重要である理由を知るには、以下のリンクを読んでください。
数GHzを超えると、ディスクリートコンポーネントによる終端は寄生成分の存在のために設計通りに機能しません。これが、多くのGHzで動作するコンポーネントが、出力ピンが直接50オームにマッチするように半導体ダイ上に直接インピーダンスマッチング要素を配置する傾向がある理由です。数GHzまでは、ディスクリートコンポーネントの配置と値はシミュレーションおよび測定が必要です。
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