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高速信号のための遅延調整：知っておくべきこと

Thought Leadership 高速信号のための遅延調整：知っておくべきこと PCBにおける長さが一致したラインオシロスコープで2つの信号の読み取りを見ると、信号トレース間の長さ/タイミングの不一致が下流のゲートを不適切にトリガーすることがどのようにして起こるかがわかります。マスタークロック信号の伝達時間と、異なるコンピュータインターフェースで送受信されるデータの往復時間を見ると、状況はさらに悪化します。SDRAMは、スレーブデバイスにクロックを配置し、取得したデータと一緒にクロック信号を送信することで、この問題をうまく解決しています。一方、他のインターフェース（USB 3.0、SATAなど）は、データから直接クロック信号を抽出します。私たちの残りの部分にとって、複数の並列インターコネクト、差動ペア内のトレース、そしてクロック信号の間での遅延調整は、データが正しい場所に正しいタイミングで到着することを保証します。長さ調整スキームを適用するには、単なる長さではなく、異なる信号/インターフェース標準での信号遅延時間を扱う必要があります。遅延調整の設計と信号を同期させるために知っておくべきことはこちらです。遅延調整対長さ調整長さ調整と遅延調整は基本的に同じ考え方を指します。目標は、一致したネット群内の信号トレースの長さを同じ値に設定することです。この考え方の目的は、すべての信号がある制約されたタイミングの不一致内で到着するようにすることです。一致したグループ内で二つの信号トレースが不一致の場合、通常の方法は、より短い信号トレースにいくつかの迂回を追加することによって遅延を追加し、信号を同期させることです。トロンボーン、ノコギリ波、アコーディオンの迂回は、トレースに遅延を追加する典型的な方法です。クロック信号と複数の信号線の間、差動ペア内、またはクロック線がない複数の差動ペア間で遅延調整を適用する場合でも、信号の特定のタイミング許容範囲を知る必要があります。SerDesチャネルの差動ペア受信機とコンポーネントでは、各信号間で許容される長さの不一致を決定する制限要因は、信号の立ち上がり時間とインターコネクト内の伝播遅延です。異なるデータレートで動作し、異なる信号規格を使用するインターフェースは、異なる許容される長さまたはタイミングの不一致を指定します。これらの不一致値は通常、FR4上で作業していると仮定していますが、異なる誘電率定数を持つ基板上でのより専門的な設計は、異なる長さマッチングの制約を伴います。ボードのI/Oチャネルを計画する際には、ボードの許容される長さの不一致値を調べ、この許容される不一致をタイミングの不一致に変換する必要があります（下記の方程式を参照）。タイミングの不一致を扱うタイミングの不一致を長さの不一致の代わりに扱うことは、遅延調整の中心的な考え方です。長さの不一致のみを考慮するPCB設計ソフトウェアを使用している場合は、特定の基板に対して正しい長さの不一致を計算する必要があります。長さの不一致は、特定の基板での信号速度（単位：in./ps）にタイミングの不一致を乗じたものに等しいです：信号速度の方程式（単位：in./ps）一般に、誘電率が大きい基板は信号速度が低下し、これにより2つの信号間の許容される長さの不一致が増加します。同様に、標準コンポーネントを過剰に駆動している場合、立ち上がり時間が短くなり（スルーレートが高くなり）、タイミングに対する制約も厳しくなります。一次近似として、信号の立ち上がり時間を半分にすると、許容されるタイミング制約も半分に切り下げるべきです。許容される不一致は、通常、立ち上がり時間ではなく、クロック周期の許容誤差の観点で定義されます。与えられたクロック周期において、許容される長さの不一致は信号速度に反比例します。誘電率（例えば、FR4）を仮定して引用される長さの不一致がある場合、特定の基板材料の信号速度を使用して長さの不一致を変換する必要があります。差動ペアにおける位相の不一致「位相ミスマッチ」という用語は、長さ調整や遅延調整と同じ文脈で使われることがありますが、差動ペアを扱う際に重要な影響を及ぼします。差動ペアのルーティングでは、異なるペアが変則的に配置されたビアを通過する必要がある場合など、ペアの各端が非結合状態になる短い領域が生じることがあります。これは、ペア全体の長さが不一致であることに加えて、一致させる必要がある複数のペアがある場合もあります。

EMIを防ぐために、マルチレイヤーグラウンドリターンパスをたどりましょう

Thought Leadership EMIを防ぐために、マルチレイヤーグラウンドリターンパスをたどりましょう複雑な多層PCBでは、グラウンドへの戻り経路をたどることがすぐに複雑になります。PCBが少ない層数を持つ場合（例えば、2つのプレーン層を持つ4層ボード）、戻り経路を特定し、EMIを防ぐために意図的に設計することは比較的簡単です。しかし、層数が多い場合には状況がより複雑になります。複数のプレーン層と導体がグラウンド戻り経路を形成することがあり、その導体がグラウンドに接続されていない場合でもです。ここで、グラウンドプレーンと参照プレーンを区別することが役立ちます。なぜなら、両方ともPCB内の戻り経路の一部を形成することができるからです。グラウンド戻り経路対参照プレーン参照プレーンは、信号伝送経路の固有の部分です。それらがボード内に意図的に配置されているか（例えば、信号トレースのためのグラウンドプレーン）、または信号トレースに近接している意図しない参照プレーンであるかは、ボード全体の信号トレースの位置を慎重に追跡しない限り、判断が難しいかもしれません。信号のグラウンド戻り経路は、実際にはグラウンドを通過しないかもしれません。それはシャーシ、電源プレーン、または他の接地された導体を通過する可能性があります。リターンパスが基板内のどこを通っても、常に基板上の低電位点、つまり電源に戻るグラウンドリターンポイントに戻ろうとします。リターン信号がシャーシ、電力平面、または他の導体に誘導された場合でも、グラウンド導体とより高い電位を持つ導体との間の電位差により、グラウンドに引き戻されます。信号が伝播する際のリンギングの特性であるだけでなく、信号のリターンパスは以下の振る舞いを決定します： EMIの感受性。リターンパスによって作られるループのインダクタンスは、回路の EMIへの感受性を決定します。大きな電流ループを持つ回路は、より大きな寄生インダクタンスを持ち、放射されたEMIに対してより感受性が高くなります。ループがタイトな場合、ループのインダクタンスは低くなります。これは、高速信号トレースを隣接層の基準平面に近づけて配線する理由の一つです。混合信号基板における干渉。信号を運ぶ導体と最も近い基準導体との間の寄生容量、および回路によって作られるループは、スイッチング信号によって見られるリアクタンスを決定します。リアクタンスは信号の周波数成分の関数であるため、信号の戻り経路は中程度の周波数で予測しにくくなります。このガイドを読んで、単一の平面層に対する混合信号の戻り経路を設計する方法についてもっと学びましょう。コモンモードノイズ経路。一度特定のトレースに誘導されたコモンモードノイズは、信号がグラウンドに戻るのと同じ経路をたどろうとします。コモンモードノイズによってたどられる正確なグラウンド戻り経路は、信号によって見られるリアクタンスを決定するその周波数成分に依存します。複数の平面層を持つ多層スタックアップで配線している場合、状況はさらに複雑になります。信号経路に沿って基準導体が変わる可能性があります。初期の基準平面を決定する主要な量は、信号トレースと近くの導体との間の寄生容量と回路のインダクタンスです。寄生インピーダンスは、インダクタンスのおかげで隣接する導体に局所化されていないことに注意してください。これは、多層基板において複雑なグラウンド戻り経路を作り出す可能性があります。これらのトレースのグラウンドリターンパスを追跡できますか？確かなグラウンドリターンパスへの回帰上記の内容を読んでまだ、複雑なPCBでのリターン電流がどうなるのか疑問に思っているなら、電流がグラウンドプレーンや他の接地された導体に結合されるのはなぜか、そしてそもそもそれが起こる理由は何か、と自問自答しているかもしれません。これらはどちらも妥当な質問です。隣接する導体間の寄生まず二番目の質問に答えることで、最初の質問への答えを説明するのに役立ちます。リターンパスが導入される場所は、信号トレースと隣接する導体間の容量と、信号トレースと該当する導体によって形成される回路の自己インダクタンスに依存します。これらの量が合わさって、信号によって見られるインピーダンスを決定します。

高速PCB設計においては、グラウンドプレーンのギャップを横切ってはいけません

高速PCB設計においては、グラウンドプレーンのギャップを横切ってはいけません電子機器やPCBのフォーラムをよく閲覧していますが、同じ質問が何度も何度もされています。なぜグラウンドプレーンの割れ目を越えてトレースを引いてはいけないのか？この質問は、ハイスピードPCB設計にちょうど足を踏み入れたばかりのプロのデザイナーからメーカーまで、誰もが尋ねます。プロの信号完全性エンジニアにとって、答えは明らかでしょう。長年のPCBレイアウトエンジニアであろうと、たまにデザインする人であろうと、この質問への答えを理解することは役立ちます。答えは常に絶対的な表現で枠付けられます。PCB設計の質問に絶対的な用語で答えることはあまり好きではありませんが、この場合は答えが明確です：グラウンドプレーンの隙間を越えて信号をルーティングしてはいけません。さらに詳しく掘り下げて、なぜグラウンドプレーンの隙間を越えてトレースを引いてはいけないのか理解しましょう。グラウンドプレーンの隙間：低速および高速設計この質問に答えるには、DC、低速、高速での信号の振る舞いを考慮する必要があります。これは、各タイプの信号がこの基準面で異なるリターンパスを誘導するためです。信号がたどるリターンパスは、基板内で生成されるEMIに及ぼす重要な影響、および特定の回路がEMIに対してどれほど感受性を持つかについて、いくつか重要な影響を及ぼします。PCB内でリターンパスがどのように形成されるかをよりよく理解するために、この記事と、Francesco Podericoからの役立つガイドをご覧ください。 PCB内でリターン電流がどのように形成されるかを理解すれば、それがEMIと信号の整合性にどのように影響するかを見るのは簡単です。ここで重要な理由です—そしてそれはグラウンドプレーンのギャップを越えるルーティングに関連しています。ボード内のリターン電流によって形成されるループは、2つの重要な振る舞いを決定します： EMIの感受性。回路内の供給電流とリターン電流によって作られるループは、ボードのEMIに対する感受性を決定します。大きな電流ループを持つ回路は、より大きな寄生インダクタンスを持ち、放射されるEMIに対してより感受性が高くなります。スイッチング信号におけるリンギング。回路内の寄生インダクタンスは、信号がレベル間で切り替わる際の過渡応答の減衰レベルを決定します。回路内の寄生キャパシタンスと併せて考えると、これら二つの量は過渡応答の自然周波数と減衰振動周波数を決定します。 DC、低速、高速信号を詳しく見てみましょう： DC電圧/電流基板がDC電源で動作する場合、リターン電流は信号トレースの直下ではなく、供給リターンポイントに直線的に戻るため、リターンパスを実質的に制御することはできません。これは、大きな寄生インダクタンスのために基板がEMIに弱くなることを意味します。電源が切り替わらないため、過渡振動がないと思われがちですが、マイクロストリップトレースがグラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングされている場合でも、EMIの感受性の問題は依然として存在します。DCループのインダクタンスをできるだけ低く保つべきであり、ループインダクタンスを減らすためには、グラウンドプレーンのギャップを越えるルーティングを避けるのが最善です。低速信号 DC信号と同様に、リターンパスは回路のループインダクタンスを決定し、これが EMI感受性および過渡応答の減衰を決定します。ループインダクタンスが大きい場合、減衰率は低くなり、DC信号の場合と同様に、グラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングするとループインダクタンスが増加し、信号の整合性、電力の整合性、およびEMIに影響を与えます。残念ながら、低速信号はある種の遺物であり、TTL以上の速度のロジックを使用するすべてのボードは高速回路として振る舞います。低速信号（一般に数十nsの立ち上がり時間とそれより遅い）では、特定の回路のリンギング振幅は通常、低く抑えられていたため、気づかれないことが多かったです。したがって、信号がグラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングされない限り、ループインダクタンスは通常、激しいリンギング、EMI感受性、および関連する電力整合性の問題を防ぐのに十分に低かったです（下記参照）。高速信号低速で動作するように設計された基板に高速信号を流すと、与えられた回路ループのインダクタンスに対して、リンギングの振幅が大きくなります。これは、基板内のループインダクタンスをできるだけ小さく保つ必要性を再び示しています。目標は、与えられた相互接続においてリンギングの振幅を減少させるために、できるだけ多くの減衰を提供することです。再び、グラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングすることで、ループインダクタンスの増加を避けることができます。さらに、高速回路を運ぶ信号層の下にグラウンドプレーンを配置することで、相互接続全体を通じてループインダクタンスができるだけ低くなるようにする必要があります。

対称ストリップラインインピーダンス計算機と公式

対称ストリップラインのインダクタンスまたはインピーダンス計算機と公式以前の記事では、表面および埋め込みマイクロストリップトレースのインピーダンスを計算する際に、異なる計算機を使用すると生じる不整合について見てきました。前の記事で述べた多くの問題は、ストリップラインインピーダンス計算機にも当てはまります。対称ストリップラインは、非対称ストリップラインよりも、数値的にも解析的にも対処しやすいです。ここでは、対称ストリップラインのさまざまなインピーダンス公式と計算機の短い比較を行います。 IPC公式とワデルの方法マイクロストリップインピーダンス計算機の場合と同様に、ストリップラインインピーダンス計算機は、IPC-2141公式またはワデルの方程式に依存する傾向があります。計算機がこれらの方程式を適切な近似の下で実装しているかどうかは常に慎重に確認するべきです。始めるために、この記事の方程式で使用される記号は、以下に示される幾何学に対応しています：対称ストリップラインの幾何学多くの計算機は、上記の図の幾何学的パラメータに対するさまざまな限界について、方程式を一連の近似に分割します。これらの方程式は、ワデルの方法を使用して見つけることができます。特定の（相互に排他的ではない）近似の下で、以下の方程式はストリップラインのインピーダンスを定義します：狭いストリップのためのストリップラインインピーダンス方程式広いストリップラインの場合、上記の方程式はフリンジ容量係数の観点から次の方程式に簡略化されます：広いストリップのストリップラインインピーダンス方程式上記の解は、IPC-2141規格で明確に定義されています。一般に、これらの方程式は実験結果と比較して約1%の誤差を生じますが、これはマイクロストリップ伝送線のIPC標準方程式よりもはるかに高い精度です。IPC-2141標準が正しい定義を使用している一例です。良い計算機は、関連する限界を自動的に区別し、ユーザーの入力に基づいて正しい方程式を適用します。他の計算機は、ユーザーが狭いストリップラインまたは広いストリップラインを指していると仮定しますが、計算機の適用可能性を明示的には述べません。ストリップラインのインピーダンスを計算する際に、計算機が上記の二つの限界のいずれかを定義しているかどうかを必ず確認してください。一部の計算機は直接互いを模倣しているため、同じタイプの誤りを含むことがあります。特定の近似の下でのみ有効なストリップラインインピーダンス計算機のために定義された他の方程式もあり、それらは実際には上記の方程式の簡略化です。著者の意見としては、これらの他の方程式は避けるべきだと考えられます。限界 T = 0 での代替解は、第一種楕円積分の形で書くことができます。自分のストリップライン計算機を作成することに興味がある開発者は、この積分を評価するための標準的な数値アルゴリズムを簡単に実装できます。興味のある読者は、この方程式についてのコーンのオリジナル論文を参照してください。伝送線との関係

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