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制御が必要なルーティングインピーダンス 制御が必要なルーティングインピーダンス 1 min Blog 制御インピーダンスルーティングの設計アプローチは、高速PCB設計の重要な要素であり、PCBの意図した高速性能を確保するためには、効果的な方法とツールを採用する必要があります。したがって、PCB内のルートを慎重に設計しない限り、インピーダンスは制御されず、トレース全体を通じて点から点へとその値が変動します。そして、PCBのトレースが高周波数で単純な接続のように振る舞わないため、インピーダンスを制御することで、信号の完全性を保持し、電磁放射の可能性も減少させます。 制御インピーダンスを決定するものは何か？ PCBのインピーダンスは、その抵抗、導電率、誘導性および容量性リアクタンスによって決定されます。しかし、これらの要因は、基板構造、導電性および誘電体材料の特性、導体の構造および寸法、および信号リターンプレーンからの分離、ならびに信号特性の機能です。 基本的なレベルでは、トレースインピーダンス値はPCB構造から決定され、これらの要因によって生成されます： 誘電体材料（コア/プレプレグ）の厚さ 材料（コア/プレプレグ、はんだマスクまたは空気）の誘電率 トレース幅と銅の重さ 高周波を見ると、インピーダンスは銅の粗さ（ スキン効果の増加を決定する）や損失正接（誘電体の損失）によっても決まります。設計で最も滑らかな銅を使用しても、銅張り積層板やプリプレグに粗い表面を確保するために、PCB製造では粗面化処理が使用されます。どんな場合でも、銅の粗さは常に存在します！ 典型的な構成 まず、典型的な構成を見てみましょう。トレース構成にはいくつかの広いクラスがあります： シングルエンド：デジタル信号やRF信号を単独で運ぶ孤立したトレース 差動トレース：等しく反対の極性で一緒に駆動される2つのトレース 非共面：トレースが配線されている同じ層に追加の銅がないトレース構成 共面：トレースと同じ層に接地された銅プールが含まれるトレース構成 多層PCBを検討する際、設計者はトレースの制御インピーダンスが平面（リファレンス）によって遮蔽されているため、トレースの両側の平面間の誘電体の厚さのみを考慮すべきであることを覚えておく必要があります。ここに最も一般的な構成の例をいくつか示します： Er = 材料の誘電率 H 記事を読む
プロのPCB設計サービスプロバイダー活用のメリット プロのPCB設計サービスプロバイダー活用のメリット 1 min OnTrack 企業や設計チームは、さまざまな理由から自社の製品開発をサポートするため、専門的なPCB設計サービスプロバイダーを探し求めています。この記事では、設計サービスプロバイダーと契約を行うとき、どのような変動、利点、懸念の可能性が存在するかについて、Freedom CADのCEOであるScott Miller氏に話をうかがいました。 Judy Warner: Scottさん、Freedom CADについて簡単にご説明ください。また、御社が提供するサービスやサポートしているアプリケーションの種類についても教えてください。 Scott Miller: Freedom CAD Servicesは、15年以上もの間、納期と予算を守りながら、お客様に最高のサービスと最高の品質を届けることを使命としてきました。私たちの提供するサービスには、PCB設計、電気的、機械的なエンジニアリングやシグナルインテグリティのエンジニアリング、PCBレイアウト、納期の短いプロトタイプのハードウェアプログラム管理などがあります。 ISO 9001:2015認証とITAR登録に支えられ、私たちのチームは、実質的にあらゆる用途において顧客の特定業界にサービスを提供する態勢が整っています。 Warner: 設計者や設計チームは、通常どのような問題により、設計サービスプロバイダーのサポートを探し求めることになりますか? Miller: お客様は通常、次の3つの理由のいずれかにより、サポートを求めます。 1) 自社内に設計能力がなく、外注して変動型のコストモデルを維持している場合。需要にかかわらず人材やハードウェアおよびソフトウェアの固定間接費がかかる自社設計に対し、外注はサポートが必要な場合のみ費用が発生します。 記事を読む
電源供給システムの設計 電源供給システムの設計 2 min Blog 集積回路テクノロジーが、単体ICへの数十億のトランジスタの搭載を可能にした結果、1つのチップに非常にパワフルなシステムを構築できるようになりました。それにより、テレビゲームや携帯電話、その他の多くの製品に、かつてはコンピュータールーム全体を占めたスーパーコンピューターに匹敵する機能を組み込めるようになりました。このICテクノロジーは、かつでは非常に高価なマイクロ波回路でのみ可能だったマルチギガヘルツの範囲の出力信号の発生を可能にしました。 この特性の多くのメリットと同じように、対処が必要な副作用があります。これらの大規模CIは多くの場合、複数の異なる動作電圧が必要です。大部分は、最大100アンペア程度の電流の流れる1ボルト電圧を大幅に上回る必要はありません。これに加え、後に説明しますが、PCBのパワーレールから要求される周波数はギガヘルツにまで拡張できます。これら全ての要件を満たすことは、手間のかかる作業です。設計者は、従来のレベルのテクノロジーで必要とされるより多くの工学的スキルを使用しなければなりません。残念ながら、現在のアプリケーションの注意書きに記載の手法の多くは、必要なアドバイスが含まれていません。本章は、技術者が電源供給システム（PDS）を滞りなく設計する方法について、これらの新しい技術の必要性に対応できるよう、これらの新たな課題を明らかにし、助言を提供することを目的としています。 理想の電源 図5.1には理想的な電源が描かれています。理想の電源は、よく「電圧ソース」と呼ばれます。電源ソースの出力インピーダンスがゼロです。これは、電源供給負荷（電流）がどれほど多く必要でも出力電圧を一定にするためです。さらに、交流電流の周波数の値にかかわらず出力電圧を一定にするためです。残念ながら、実際の電源はこのようにはなりません。実際の電源は全て、DCでも、論理回路が必要とする周波数でも、出力インピーダンスはゼロではありません。 図5.1 理想的な電源 実際の電源 図5.2には実際の電源が描かれています。ご覧のとおり、電源ソースと直列に出力インピーダンスが接続されています。この図は、電源供給システムの設計に関する問題を示しています。 この出力インピーダンスは周波数によって異なります。ある周波数では高インピーダンス、また別の周波数では低インピーダンスになります。出力インピーダンスが大きい場合、必要な電流量の変動は出力電圧の変動につながります。これがリップルという現象です。設計者の目標は、リップルを最小化するために、負荷が電流を必要とする状況で、全ての周波数で低出力インピーダンスとなるPDSを設計することです。 図5.2 理想的な電源 リップルとは リップルは、電源のVddレール上の電圧変動です。リップルは、電源の出力インピーダンス全体での電圧降下を生み、負荷で検知される供給電圧の減少を引き起こす負荷電流の変動の結果、発生します。過剰なリップルは、電源回路の正常動作には低すぎる電源のVdd電圧を発生させ、システムの故障の原因となる可能性があります。過剰なリップルは、ほとんどのシステムでEMIの主要ソースとして表示されてきました。この主要ソースは、あるPCB内のVddプレーンに経路のある信号線に直接接続されています（このことが、「重要な」信号線はGNDプレーンにのみ配線されなければならないという経験則の1つを生み出しました）。過剰なリップルは、しばしば高速リンク内のSERDES（シリアライザ/デシリアライザ）に電力を供給するためリニア電源のみを使用することの理由になっています。 リップルの原因については混乱が多々あります。リップルは、バイパスまたはデカップリングされるべき未確認のソースから生じるある種の「ノイズ」ではありません。電圧レール上にリップルが生じれば、リップルに含まれる周波数におけるPDSのインピーダンスが高すぎるという赤信号です。修正方法は、PDSを再設計して該当周波数でのインピーダンスを削減することです。PDSのインピーダンスを削減する通常の方法は、「デカップリング」コンデンサーを追加することです。注意すべき点は、このコンデンサーが何も切り離さないということです。このコンデンサーは、スイッチングイベントをサポートするため、電荷のローカルソースを提供します。スイッチングイベントをサポートするために使用する電荷を蓄積しているので、「クーロンバケット」という呼び方のほうが適切でしょう。このことが理解できれば、PDSのためにどれだけのクーロン量がどの周波数で必要かを見極めることはエンジニアリングの仕事になります。 Vddのリップル コンデンサーまたはクローンバケット 全ての設計者は、論理コンポーネントおよびアナログコンポーネントの周辺にコンデンサーを配置することを要求されてきました。多くの場合、配置するべき数と位置に関する指示は、アプリケーションの「使用上の注意」に記載されてきました。仮に注意書きがあったとしても、適切な種類および数のコンデンサーの使用や位置の適切な定義が確保できていることは、ほとんどありませんでした。 コンデンサーが、基板上のスイッチングイベントへの電荷の供給能力を限定するための2つの寄生を保持していることを認識することは重要です。図 5.3は理想的なコンデンサー、実際のコンデンサー、実際のコンデンサーのインピーダンス対周波数を示す図です。実際のコンデンサーは、それと直列にインダクタンス（Lp）と抵抗（RP）を保持することに注意してください。これらは、コンデンサーのサイズがどれほど小さくなっても避けられない不要の寄生の一部です。 図 記事を読む
差動信号が重要である理由 差動信号が重要である理由 2 min Podcasts はじめに 差動信号は、ロジック部品および製品を接続するための主要な手段となり、PCIなどの並列バスアーキテクチャーの多くを置き換えました。差動信号がデジタル世界を支配している主な理由として、並列シングルエンド信号プロトコルよりはるかに高いデータ帯域幅を1対の配線で実現できることが挙げられます。ご存知の通り、インターネットは差動信号なくして成立しません。 差動信号の例を以下に示します。 • USB • PCI Express • HDMI • Infiniband • SATA • 有線イーサネット • Hypertransport® • LVDS 記事を読む
インピーダンス計算とPCBスタックアップ設計 インピーダンス計算とPCBスタックアップ設計 2 min Blog スタックアップ設計には、制御されたインピーダンス、クロストークコントロール、プレーン間キャパシタンスの必要性の3つが求められます。製造者によってはスタックアップで正しいインピーダンスを得ることができるかもしれませんが、残りの2つを解決するのは到底無理です。この責務は、何が必要で、どうやって必要とされるコントロールを実行に移すのかということを唯一知っている設計エンジニアに委ねられています。 この情報は、PCBスタックアップを設計するためのプロセスに関するガイダンスを提供することを目的としています。PCBスタックアップに対する要求がどのように変化していったかを理解するには、時間の経過に伴う技術の進化に注目することが役立ちます。 プリント基板の製造が始まって間もない頃は論理回路が非常に遅かったため、論理回路またはディスクリート部品の間をどのように接続し、どのようにDC電源のパスを各部品に供給するかだけが唯一の関心事でした。設計者に要求されていたのは、全てのワイヤに十分な信号層を供給し、電源パスに十分な銅を用い、サグやドループを最低限に抑えてDC電源を届けることだけでした。積層板でどのガラスクロスが使われていようと、プリプレグが何であろうと、どんな樹脂系だろうと、また各積層板がどの厚さであろうと、問題ではありませんでした。はんだ付けプロセスに耐えられる最低価格の基板が、目標だったのです。 やがてICは高速になり、反射やクロストークなどが問題になりました。ここで使用された論理ファミリーが、エミッタ結合論理（ECL）です。その当時、ECLの主なユーザーはIBMやCray Researchのような大規模なコンピューター企業でした。これらの企業では、スタックアップの設計に必要となるインピーダンスを計算する技術者がスタッフとして勤務していました。このような企業は社内にPCB設備を備えていましたが、一般市場の製造者には、製造条件を満たすために必要とされるコントロール能力が備わっていませんでした。 1980年代半ば、その当時使用されていた論理回路タイプの中で最も一般的だったTTLが十分な速度になったため、反射が問題となり、基板には制御されたインピーダンスが必要となりました。TTLやCMOSを使用して設計する技術者がいたとしても、ほとんどの技術者は制御されたインピーダンス基板の実現方法を知らなかったため、製造者に既知のインピーダンス（通常は50オーム）の基板を供給するよう求めました。製造者はめっき、エッチング、積層、穴あけなどを含むスキルセットのような能力を持ち合わせていませんでした。それでも技術者は、インピーダンスを計算するように製造者に求めました。当時、本稿著者は、製造者がインピーダンスを計算できるようにしようと多くの時間を費やして手助けしました。このタスクに対する製造者のスキルは、良い結果を生むときもあればそうでないときもありましたが、多くの場合、この状況は今日も変わっていません。 1990年代の半ばまでにスピードは急増し、100Mhzを超えた状態でキャパシタンスが存在する必要性が生じたため、ほとんどの製品がEMIの影響を受けました。実装インダクタンスが原因となり、パワーレール上に配置されたディスクリートコンデンサのどれもこの問題を解決することができませんでした。ここで生じた問題が、よく知られているプレーン間キャパシタンスや埋め込みキャパシタンスです。プレーン間キャパシタンスは、電源プレーンとGNDプレーンを互いにとても近く（通常3mil以下）に設置することで現れます。 そのため、スタックアップ設計には、制御されたインピーダンス、クロストークコントロール、プレーン間キャパシタンスの必要性の3つが求められます。製造者によってはスタックアップで正しいインピーダンスを得ることができるかもしれませんが、残りの2つを解決するのは到底無理です。この責務は、何が必要でどうやって必要なコントロールを実行に移すのかを唯一知っている設計技術者に委ねられています。 2000年代半ばまでに多くの差動ペアのスピードが高速化したため、積層板で使用するガラス繊維やプリプレグによって、信号を劣化させるスキューと呼ばれる現象が誘発される可能性がありました。スキューとは、差動ペア信号が受信側に到達する際に起こる両側の差動ペアのずれです。さらに、積層板の伝送損失が高速信号に影響し始めたことにより、損失に対する目標や前述した要求全てを満たすために、エンジニアリングチームは低損失積層板の模索を余儀なくさせられました。 これまでに説明した全ての理由により、設計技術者は設計において責任を負う必要があります。この役割を果たすためには、製造プロセスや材料についての十分な理解力が必要不可欠です。ここでは、4つの制約を満たすPCBスタックアップの設計に関連した全てのトピックを取り上げます。4つの制約とは、制御されたインピーダンス、クロストークの管理、適切なプレーン間キャパシタンスの生成、スキューを管理するための正しい織り（weave）の特定です。 プリント基板の製造 PCBスタックアップを設計する際に最善の決断をするためには、多層基板をどのように製造するのかを理解することが役に立ちます。数多くの方法が多層基板の製造に使われます。最も一般的で経済的な方法は、 フォイルラミネーションと呼ばれるものです。図3.1が、典型的な6層基板の図です。スタックアップに3つの基本コンポーネントがあることが分かります。これらは、スタックアップの上部と底部が銅箔シート、プリプレグシート、積層シートです。 外層は常に 銅箔のソリッドシートで、スタックアップの積層とドリルが終わるまで使用されます。ドリル穴に銅をめっきするために使用されるめっき電流用パスとして用いられるためです。ドリル穴は、ビアやコンポーネントリードに使われます。 プリプレグまたはBステージとして知られている材料はガラスクロスで、特定の設計に応じて選択した樹脂系でコーティングされています。この樹脂は部分的に硬化されており、スタックアップが積層工程を経る際に「接着剤」の役割を果たします。コンポーネント 積層板は、プリプレグのガラス／樹脂材料と同じです。樹脂を硬化するためのプレス内には、ガラス／樹脂に接合した各側に銅層があるため、積層板と呼ばれる硬質材料になります。内面信号層とプレーン層は、この積層板上で2枚一度にエッチングされます。 図3.1 フォイルラミネーション使用の6 層PCB 記事を読む
クロストークと結合 クロストークと結合 1 min Blog クロストークや結合という言葉は、ある伝送線路から近くの伝送線路への電磁エネルギーの注入を表すために使用されます。基板でのクロストークは通常、同じレイヤー上に並んだ2つのトレース間、または隣接するレイヤーで重なり合った2つのトレース間で発生します。この結合エネルギーが被誘導トレースのノイズとなり、振幅が大きすぎると誤動作につながるおそれがあります。このノイズがどのようにトレース間を伝わるのか、またこれを防止する方法について説明します。 これらの概念のより応用されたアプリケーションについては、以下リンクのビデオを見て、AltiumDesigner®で単一および差動伝送線路のインピーダンスを計算する方法を学んでください。 クロストークと結合 クロストークや結合という言葉は、ある伝送線路から近くの伝送線路への電磁エネルギーの注入を表すために使用されます。基板でのクロストークは通常、同じレイヤー上に並んだ2つのトレース間、または隣接するレイヤーで重なり合った2つのトレース間で発生します。この結合エネルギーが被誘導トレースのノイズとなり、振幅が大きすぎると誤動作につながるおそれがあります。ここでは、このノイズがどのようにトレース間を伝わるのか、またこれを防止する方法について説明します。 図1は、並走する2つの伝送線路を示しています。上の伝送線路は切り替えを示しており、下の伝送線路は非アクティブです。被誘導線路に沿って2つの波形が表示されています。1つは誘導線路にドライバーがある方の端にあり、もう1つは反対側の端（遠端）にあります。2つの波形の形状が異なる点に注意してください。被誘導線路のドライバー側の波形は通常、「逆方向クロストーク」または「近端クロストーク」（NEXT）と呼ばれ、被誘導線路の遠端側の波形は「順方向クロストーク」または「縁端クロストーク」（FEXT）と呼ばれます。 2つの波形の正確な形状は、伝送線路の4つの端に何があるかによって異なります。考えられるのは、短絡、終端、開回路などです。この記事の末尾に示す参考文献1では、これらの終端が非誘導線路上の信号に与える影響について詳しく説明されています。この文献によると、両線路の縁端が開回路で、被誘導線路の近端が短絡である場合に最も悪影響が大きい「ワーストケース」になります。これはほとんどのCMOS回路の動作と同じです。このような条件から、被誘導線路上に見られる波形は図1に示すものに非常に近くなると考えられます。 ここでは、この「ワーストケース」条件を使用して分析を行っていきます。 図1 並んだ2 つの伝送線路による相互作用 図2から、クロストーク（順方向と逆方向）の2つの形状が、2本の伝送線路の並走距離の長さに応じて変わることがわかります。結合が長くなるにつれ、順方向クロストークは逆方向クロストークよりも緩やかに増加します。また、逆方向クロストークはあるポイントに達すると、それ以降は結合が長くなっても増加しません。このポイントは「臨界長」と呼ばれ、逆方向クロストークがそれ以上増加しなくなるか、飽和する長さです。 順方向クロストークは逆方向クロストークより大幅に緩やかに増加し、プリント回路では並走距離が短すぎるので重大な影響を及ぼす要因にはなりません。しかし、電話線は何メートルにも及んでいたので、このクロストーク形状は電話会社にとって大きな問題でした。ここからは、逆方向クロストークの抑制方法に焦点を合わせて説明します。 図2. 順方向および逆方向クロストークと結合の長さとの関係 並走する配線での逆方向クロストークの抑制方法 伝送線路が並走している場合に結合メカニズムを決定付けるのは電磁界の磁気コンポーネントです。線路が上下に重なり合っている場合は電界によって決まります。 逆方向クロストークの抑制方法として、これまでにいくつもの方法が提唱されていますが、ここでは以下を取り上げます。 伝送線路が並走する距離の制限 2本の伝送線路間への「ガードトレース」の注入 影響を受けやすい信号の両側に対する「GND」ビア列の挿入 記事を読む
高速設計での伝送線路と終端 高速設計での伝送線路と終端 2 min Blog 伝送線路は、電磁界の形でエネルギーを供給するために使う1対の導線です。大抵の人は、照明と電化製品を作動させるのに必要な電力を供給するために家庭に引かれている電線にはなじみがあります。プリント基板設計の文脈では、伝送線路とは、1つのプレーンの上または2つのプレーンの間にある1つの信号層の信号を意味します。 伝送線路と終端 このセクションの目的は、伝送線路とは何かを説明することです。それには、伝送線路上を何が移動しているのか、伝送線路上にスイッチング信号が送られた場合の伝送線路の挙動、最良の信号品質を得るために終端を付けてこれらのスイッチング信号を制御する方法が含まれます。このセクションの最後に、参考文献として読者に役立つと思われる資料の一覧を示します。 このセクションの主要部分とそれに続く部分には、有効な設計ルールとその妥当性の証拠を記載しています。筆者の考えでは、全ての設計ルールは、その限界値が何であるかはもちろんその証拠も伴っている必要があります。 伝送線路とは 突き詰めると、伝送線路は、電磁界の形でエネルギーを供給するために使う1対の導線です。大抵の人は、照明と電化製品を作動させるのに必要な電力を供給するために家庭に引かれている電線にはなじみがあります。プリント基板設計の文脈では、伝送線路とは、1つのプレーンの上または2つのプレーンの間にある1つの信号層の信号を意味します。図1に、通常の基板で使う伝送線路の4つのタイプを示します。図に示すように、2つの主な種類があります。ストリップラインとマイクロストリップラインです。前者は2つのプレーンの間に伝送線路があり、後者は1つのプレーンの上に伝送線路があります。プレーンを表すのにGNDという語が使われていないことに注意することが重要です。電磁界を議論する場合、プレーンのDC名は重要ではありません。 図1. PCB 伝送線路の種類 これらの4つの伝送線路構成のさまざまな組み合わせを使ってPCBスタックアップを作成します。信号が1つの層で並んで走る際、または隣接する信号層の信号の上に信号が走る際のクロストークの制御については、次のブロックで説明します。インピーダンスの計算についても、以下のブロックで説明します。 さまざまな実装の至る所で伝送線路を扱うことは負担かもしれません。しかし、適切なPCB設計ソフトウェアがあれば、PCBレイヤースタックアップを簡単かつ優雅に管理すると同時に、スマートなデザインルールチェック機能を使ってインピーダンスとクロストークを制御できるでしょう。Altium Designerでは、その使いやすい設計環境を設計する際に、これらを念頭に置きました。 Altium Designer の統合設計環境 伝送線路を何が移動しているのか? 伝送線路を適切に管理するため、伝送線路上で移動しているものを知ることは重要です。電子工学の初歩では、電圧と電流、信号として特定される電流の流れについて教わります。残念ながら、これは、信号がどのように発生するかという観点からはあまりにも単純すぎる見方です。電流の流れのみに注目した場合、信号の品質は損なわれる可能性があります。 多くの人は、電気信号が光速（真空中で秒速186,000マイル（300,000キロメートル））またはそれに近い速度で移動することを知っています。電流の流れ（銅の導線中の電子の移動に対応します）は毎時約 1375マイル（2200キロ）の速度で移動します。ですから、信号は電流の流れではあり得ません。信号は電磁界です。図2に、ストリップライン伝送線路の周囲の電磁界の様子を示します。線路は、ページから出てくるように2つのプレーンの間を通っています（断面図を示しています）。 図2 記事を読む