伝送線路

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直列終端伝送線路の電圧と電流の波形

直列終端伝送線路上の電圧と電流の波形 1 min Blog 私たちの本、 Right the First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design、第1巻および第2巻、また、私たちの現地および公開コースでは、直列終端伝送線の価値について語っています。このタイプの伝送線では、線が充電されている場合を除き、電力は使用されません。これにより、最小限の電力で多くの計算を行うことができます。しかし、このタイプの線の動作を明確に理解することは混乱を招くことがあり、少し難しいです。特に、この操作がどのように機能するかを視覚化することは難しいです。この記事の目的は、この伝送線の動作を明確にし、それを示すグラフィックを提供することです。基本直列終端伝送線は、不一致の出力インピーダンスを持つ CMOSデバイスを接続するための主要な方法です。以下の議論では、参照されるすべてのデバイスはCMOSデバイスです。CMOSデバイスは、ECL技術の終焉をもたらしました。なぜなら、ECLでは何をしても、線は常に電力を引き出し、大型機械での重大な冷却問題を引き起こしたからです。図1は、50オームの伝送線が接続された典型的な5V CMOSドライバーと受動的なCMOSレシーバーです。

なぜPCBの電源レールは低インピーダンスである必要があるのか

PCBパワーレールが低インピーダンスである必要がある理由 1 min Blog 電源レールが何であるか、それがどのように機能するか、そして恐怖が悪い設計決定を下す原動力となる方法について学びましょう。

ISU Petasys、多層基板製造会社の役割と成功したPCB実装の実現

ISU Petasys、多層基板製造会社の役割と成功したPCB実装の実現 1 min Blog ISU Petasys（「イースー」と発音）のセールスシニアバイスプレジデントであるジョン・スティーブンスは、1974年に初めての回路基板を製作しました。彼のように、業界の多くの人々が、宇宙航空産業で働くことによって、PCB設計、製造、組立てについての実地教育を受けました。彼は説明します。「私は宇宙航空業界でリットン・ガイダンス・アンド・コントロール・システムズにてキャリアをスタートし、そこでは新技術やプロトタイプを開発するプロトタイピングショップであるプロセス開発ラボで働いていました。開発したプロセスを供給業者に教え、新しいプロセスであれば、私たちが基板を製造していました。宇宙航空業界は多くを教えてくれました。ラボは素晴らしく、私たちは小さなチームであり、複数のプロセスと職務機能をこなしていました。」「当時、複雑な基板を製造している人はいないと人々は言いますが、1976年にはF-16に搭載される16層の基板を製造しました。ジョンは40年にわたるキャリアの中で、PCB製造プロセスに深く関わってきました。彼は次のように述べています。「研究室から、私は材料計画に移り、スケジューリングや多くの発注を行いました。その後、製造業者と私たちのエンジニアとの間のインターフェースを担当しました。当時はGerberデータを扱っていなくて、製造業者にはフィルムを渡していましたが、それには多くの問題がありました。設計エラーがあると、フィルムは修正されましたが、ファイルは修正されませんでした。」「最終的に、私たちはサプライヤーに電子データを使用したいと伝えました。私たちは以前、12インチ四方のパネルで基板を製造していましたが、18x24のパネルに4つを配置してコストを削減できることを管理部門に示しました。」今日に至るまで、業界全体での標準パネルサイズは18x24です。ジョンは品質および信頼性グループに移り、最終的には基板とコンポーネントを含む全サプライヤー品質エンジニアリンググループを管理しました。「リットンを離れた後、私はアンビテックに移り、最初は品質管理部門のディレクターとして、その後技術マーケティングおよびビジネス開発のディレクターとして勤務しました。そこからメリックスに移り、そして現在はISUの北米セールスのシニアVPとしての職に就いています。私のポジションは実際には北米を超えています。なぜなら、今や誰もがとてもグローバルになっているからです。私たちのフィールドアプリケーションエンジニアは私に報告し、私たちは会社のR&Dおよび技術スタッフに対して意見を提供します。そして、私たちのFAE全員が、製造または電気に関する実地経験を持っています。私がこれまでに行ってきたことはすべて、今私がしていることにつながっています。私が担当した各ポジションで、私は新しいことを学びました。私はただ、自分の経験と専門知識を積み重ねてきただけです。 ISU Petasys ISU Petasysは1972年に設立され、韓国大邱の達城郡に本社を置いています。ジョンは説明します。「1987年から1997年にかけて、韓国の工場の規模を倍増させました。最初の工場を複製して第2の工場を建設したのです。ビジネス継続計画の観点から、2つの建物は互いに鏡像のような関係にあり、もし一方の建物が何らかの形で損傷した場合でも、もう一方で業務を継続できます。2000年にはカリフォルニアに工場を開設し、2013年には中国長沙に拠点を置く湖南（MFSテクノロジー）を買収しました。湖南は主流の技術を扱っていますが、韓国やカリフォルニアで行っているような複雑さのレベルではありません。2015年には、第1工場や第2工場に物理的なスペースがなかったため、最先端のめっき設備を収容するための第3の建物を韓国に建設しました。他の記事で指摘されているように、PCB製造会社は、私たちが非常に依存するようになった消費者向けデバイスを製造する、数十万人の従業員を持つ巨大企業であることがあります。ジョンは言います。「私たちは約5億ドルの収益を上げており、業界で30位程度に位置しています。自動車製品、パッケージ基板、携帯電話技術、ハンドセット技術など、大量生産製品を製造する巨大企業があります。」「私たちが製造するものは、今日世界で製造されている最も複雑な多層PCBを代表しています。これらは、テレコム、サービスプロバイダー、そしてクラウドタイタンのデータセンターの中核インフラで使用される製品です。私たちの核となる強みは、高性能なスイッチングおよびルーティング領域です。図1は、私たちのルータースイッチボードの一つの写真です。今日において、私たちは3大テレコルーティングハードウェア会社すべてに製品を提供している唯一のサプライヤーであると信じています。私たちは、世界で最も大きな高性能多層製造業者の一つです。プリズマーク（ニューヨーク州コールドスプリングハーバーに拠点を置く電子業界のコンサルティング会社、Prismark Partners LLC）が数年前に行った研究では、当時私たちは超高性能PCB収益で第2位にランクされていたと信じています。その研究の目的で、高性能は20層以上のものとして分類されました。図2は、私たちの36層高性能コンピューティングボードの一つの写真です。

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銅箔の粗さが信号とインピーダンスに与える影響

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銅箔の粗さが信号とインピーダンスに与える影響 1 min Blog 工学、特に電気工学と機械工学の歴史は、途中で役立たずになった近似値で溢れています。これらの近似値は一時期はうまく機能し、数十年にわたって技術を大きく前進させました。しかし、どんなモデルにも適用可能な限界があり、典型的なRLCG伝送線モデルや周波数非依存のインピーダンス方程式も例外ではありません。では、これらの方程式の問題は何でしょうか？上級のPCBエンジニアや製造業者はこれらを頻繁に引用し、それらを福音のように見せかけますが、多くの複雑な技術概念と同様に、これらのモデルや方程式はしばしば十分な文脈なしで伝えられます。ここで物理学が醜い顔を出し、モデルが引き続き適用可能であるためには変更が必要だと告げます。銅箔の粗さモデリングや関連する伝送線インピーダンスシミュレーションは、標準モデルが信号の振る舞いを正しく扱えない多くの領域のうちの一つです。銅箔の粗さがインピーダンスと損失にどのように影響するか伝送線インピーダンスのRLGCモデルを見ると、インピーダンスに寄与する4つのパラメータがあります（すべて標準単位/単位長さで表されます）： R：伝送線の直流抵抗で、線の導電率に依存します。 L：伝送線のループインダクタンスで、純粋に線の幾何学的形状の関数として取られます。 C：線の全容量で、これも線の幾何学的形状の関数として取られます。 G：基板の導電率で、特定の周波数での損失角と任意の寄生直流導電率をモデル化することを意味します。業界の多くの人があなたに教えてくれないことがあります：これらのパラメーターはすべて周波数依存であり、抵抗項を含みます！「ちょっと待って、EE101のクラスでみんなが抵抗は周波数に依存しないと言っていたけど、どういうこと？」と思っているかもしれません。 2014年にさかのぼると思いますが、 IEEE P802.3bj タスクフォースが初めて100 Gb/s Ethernet PHYインターコネクトの因果モデルを受け入れる提案を提示されました。このモデルでは、上記のインダクタンス、容量、抵抗の項が周波数依存性を含むように修正されました。基板の分散を考慮することで容量項は容易に修正されました。では、抵抗とインダクタンスはどうでしょうか？高周波での導体内のスキン効果により、周波数による抵抗の依存性が生じます。スキン効果は、電流が高周波で振動するときに、導体の表面近くに電流が集中する現象を指します。完全に滑らかな導体では、スキン効果はGHz周波数に達するまでごくわずかです。しかし、銅の粗さが存在する場合、特定の周波数範囲内で損失がかなり大きくなることがあります。スキン効果は線路のインダクタンスも増加させます。全体的な効果は、標準のRLGCモデルで予測される値から線路インピーダンスの変更です。基板の分散を考慮しない場合でも、等価回路項の分散は常に理想的なインピーダンスからの逸脱を引き起こします。マイクロ波やミリ波領域に深く入ると、インターコネクトを設計する際に銅の粗さを考慮する必要があります。

xSignalによる高速伝送路のサポート

xSignalによる高速伝送路のサポート 1 min Blog 高速伝送路では、反射による信号の劣化を避ける為にさまざまな配慮が必要です。まず、伝送路の特性インピーダンスを整合させる事が必要です。配線パターンのフィジカル（トラックの幅と間隔・プレーンとの間隔）に一貫性を持たせ、ビアなどのスタブ要素を最小限に留めます。そして、電流ループ内のインピーダンスを全て整合させるため、必要に応じてダンピング抵抗（送端終端抵抗）や終端抵抗（遠端終端抵抗）を入れます。そして、最適な配線トポロジーを選ぶことも重要です。高速回路では一筆書きが基本とされていた時期もありましたが、近年では配線の分岐が避けられないケースが増え、Ｔ分岐型のトポロジーがよく用いられるようになってきています。このＴ分岐型のトポロジーでは、複数の終端に対して対称に配線を行う事が求められます。デザインルールによる高速伝送路のサポート Altium Designerは、このような高速伝送路の配線をサポートする機能を数多く備えています。例えば、等長配線や差動ペア配線ツールを備えており、さらに配線品質を検証するためのSIツール（伝送線路シミュレータ）も用意されています。そして、これらの配線・検証機能はハイスピードルールと呼ばれる、高速伝送路に特化したデザインルールによって精密に管理されています。このハイスピードルールには、Parallel Segment（並行線長の制限）Length（配線長の制限）Matched Length（配線長の統一）を始め8種類の項目が用意されています。また、デザインルールチェック機能の一部としてSIツールが組み込まれています。このSIツールの制約条件もデザインルールチェックの設定画面で規定する事ができます。 xSignalによる高速伝送路のサポ－ト Altium Designerは、xSignal と名付けられた独自の機能で高速伝送路の配線をサポートしています。この機能により、ネットを複数のパス（経路）に分解して、より詳細にデザインルールの適応範囲を指定できます。例えば、xSignalを利用しない場合には、ルールスコープの最小単位はネットになります。しかし、ネットには複数の受信端（信号を受け取る側のノード）が含まれている場合があります。このような場合、高速伝送路では、複数の受信端への配線を（同電位であったとしても）それぞれ別の配線パスと見なさなくてはなりません。例えば、CPUに対して４個のメモリが接続されている場合には、１つのネットではなく４つの配線パスとして各メモリに到達する信号を管理しなくてはなりません。 xSignalはこれを可能にします。また、ダンピング抵抗を挿入する場合があります。この場合には、伝送路が２つのネットに分割されてしまいますが、xSignalによってひとつの配線として管理する事ができます。 [xSignal ウィザード]でxSignalを自動作成した後、PCBパネルにリストされた４つのxSignalを選択してDRAM_A0ネット全体をハイライトさせた状態。この基板では、CPUに4個のDRAMが接続されているので、DRAM_A0ネットには4つの配線パスが存在します。よって、DRAM_A0ネットからはDRAM_A0_PP1、DRAM_A0_PP2、DRAM_A0_PP3、DRAM_A0_PP4の4つのxSignalが生成されます。この4つのxSignalを全て選択する事によりDRAM_A0ネット全体がハイライトされます。一見すると、T分岐は一ヶ所に見えますが、DRAMが基板の両面に実装されており、一度T分岐した後、再度、上下のDRAMに向けてT分岐しています。生成されたxSignal、又はxSignal Class をルールスコープとして利用する事により、ハイスピードルールを緻密に規定する事ができます。

インピーダンスに影響を与える伝送線路の特性 - 隠された特徴

インピーダンスに影響を与える伝送線路の特性 - 隠された特徴 1 min Blog こちらと他のいくつかの記事では、 Altiumリソースセクションで、伝送線路インピーダンスについて様々な観点から取り上げています。私は以前、シミュレーション技術とインピーダンスの進化という記事で伝送線路インピーダンスについて取り上げましたが、インピーダンスに関して提供できる情報は尽きたかのように思われるかもしれません。しかし、実際には、いくつかの特徴は触れられただけでした。この記事では、それらの特徴とその効果、および伝送線路インピーダンスを制御するために使用される基本方程式について詳しく説明します。インピーダンスまたは不一致の原因以前の記事で議論されたように、表面層上の伝送線路のインピーダンスを決定する4つの主要な変数には以下が含まれます：それが通過する平面上のトレースの高さ。トレースの幅。トレースの厚さ。トレースを支えるために使用される絶縁材料。上記の4つの変数が分かれば、PCB内のどの特徴がインピーダンスに関連する影響を持つかを判断することができます。これらの特徴には以下が含まれます：同一層内でのトレース幅の変化。これは一般にトレースネッキングと呼ばれます。トレースネッキングは、トレースがSMD（表面実装デバイス）やトレースの幅よりも小さい直径のスルーホールなど、狭いパッドに近づくとトレース幅が減少することを指します。トレース厚さの変化。平面上の高さの変化。伝送線路に沿ったスタブ。伝送線路に沿った負荷。コネクタの遷移。不適切な終端。終端のない状態。大きな電力平面の不連続。

Altium Designerで作成されたボードのインピーダンス制御ルーティング

Altium Designerで作成されたボードのインピーダンス制御ルーティング 1 min Blog PCB設計者

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PCB設計者 Altium Designerの3Dフィールドソルバーは、インピーダンス制御ルーティングを簡単に行えるようにし、システムのための設計ルールを作成することができます。