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The Complete Guide to PCB Power Integrity Power Analyzer by Keysight PDN Analyzer PDN Analyzer for DC Power Integrity PDN Design for the PCB Designer

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PDNインピーダンス解析、およびモデリング：回路図からレイアウトまでシグナルインテグリティーはよく話題になりますが、シグナルインテグリティーはパワーインテグリティーと密接に関連しています。これは、電源/電圧レギュレーターからのスイッチングノイズまたはリップルを減らすだけではありません。PCB内のPDNのインピーダンスにより、基板のコンポーネントが電源の問題が原因で設計どおりに機能しなくなる設計上の問題が明らかになります。ここでは、PDNインピーダンス解析の基本モデルについて理解していきます。PDNインピーダンスのある程度、正確なモデルを構築できれば、コンポーネントに適したデカップリングネットワークを設計し、PDNのインピーダンスを許容範囲内に保持できます。 PDNインピーダンス解析を行う理由この記事をご覧の高速、および高周波設計者の方は、この質問に対する答えを既にご存じだと思います。しかし、技術的な需要の高まりに合わせ、全ての設計者が予想より早く高速および高周波設計者になることが考えられるため、PDNインピーダンスがPCBの信号の動作に与える影響を理解しておくことが重要です。残念なことに、この情報は必ずしも1つの場所に適切にまとめているわけではないため、ここで詳しく説明したいと思います。簡単にまとめると、PDNインピーダンスは回路の次の側面に影響します。電源バスノイズ。PCBの過渡電流が原因で生じる電圧リップル。PDNインピーダンスは周波数の関数であるため、スイッチングによって生じる電圧リップルも周波数の関数になることに注意してください。これらの過渡電流は、電圧レギュレーターからの出力のノイズレベルに関係なく発生する可能性があります。電源バスノイズの減衰。場合によっては、電源バス上のリップルがリンギング（減衰不足過渡振動）として示されることがあります。これは、デカップリングコンデンサーのサイズが適切でない場合、またはデカップリングネットワークでデカップリングコンデンサーの自己共振周波数が考慮されていない場合に発生する可能性がある1つの問題です。必要なレベルのデカップリング。従来、コンデンサーは自己共振周波数が相対的に低い（100MHz以下）ために、TTLと高速のロジックファミリーを使用するPCBでデカップリングを確保するには不十分でした。そのため、設計者はデカップリングを確保するのに十分な静電容量を提供するために、プレーン間静電容量を使用していました。自己共振周波数がGHzの新しいコンデンサーを利用すれば、高速/高周波PCBでデカップリングを十分提供することができます。電流リターンパス。リターン電流は最小抵抗（DC電流の場合）または最小リアクタンス（AC電流の場合）の経路をたどります。グラウンドネットワークのインピーダンスはスペースによって異なり、信号トレースとPDN間の寄生結合に一部、依存します。 IRドロップ。電源およびリターン電流のDC部分では、PDNを構成する導体の固有抵抗により一定の損失が生じます。以下の画像はPDN解析結果の例で、特定の信号トレースの下を通るリターン電流と、同じGNDプレーンのDC電流を示しています。タイミングジッター。信号の伝播時間は有限であるため、デカップリングコンデンサー、およびレギュレーターから引き出される電流がスイッチングコンポーネントに到達するまで時間がかかります。これらの信号がコンポーネントに到達すると、出力信号に干渉し、信号の立ち上がり時間にジッターを発生させる可能性があります。一般的に、パワーレールのノイズによるタイミングジッターは、ノイズの強度、およびレギュレーターとコンポーネント間の長さに応じて増加します。長いパワーレールでは、タイミングジッターが数ナノ秒で数百に達して、データの同期がとれなくなり、ビットエラー率が増加する可能性があります。このPDNアナライザー出力の信号トレースに注目 PDNインピーダンス解析の簡略モデル

PCBのグランドバウンスとシグナルインテグリティーのグランドバウンス

シグナルインテグリティーの問題を最小限に抑えるグランドバウンス低減方法学生時代にバスケットボールチームで活躍した父とは異なり、私は入団テスト中、ボールをほとんどバウンドできませんでした。言うまでもなく、私はスポーツを始める前にやめてしまいました。NBAプロになるという夢は打ち砕かれましたが、その後、格闘技への情熱を見出しました。私はバスケットボールをうまく扱うことはできませんでしたが、少なくとも格闘技では足の甲で相手を跳ね返して（バウンスして）対抗することができました。バスケットボールをバウンドできなくても大きな問題にはなりませんが、電子機器のグランドバウンスを理解していないと、回路にとって大きな問題になりかねません。信頼できるPCBレイアウトエンジニアとして優れた能力を発揮するには、回路およびシグナルインテグリティーへのグランドバウンスの影響に関する知識が必要です。グランドバウンス低減技術を考慮すれば、設計全体でPCBのシグナルインテグリティーのグランドバウンスを最小限に抑えることができます。グランドバウンスとはグランドバウンスを理解するには、集積回路（IC）の中核を形成するスリープトランジスタとGNDピンの基本を詳しく理解する必要があります。下図は、マイクロコントローラーやランダムアクセスメモリ（RAM）などのICの典型的なI/Oを形成するCMOSバッファ回路を示しています。 PCB内のグランドバウンスノイズは測定が難しい問題であり、これがパワーゲーティングとシグナルインテグリティーに与える影響は、PCBのトレースインピーダンスとPDNインピーダンスに関連しています。ほとんどの高速設計では、ドライバー回路の出力ピンは通常、ある程度の入力容量を持つ負荷に接続されます。出力ピンが論理回路「1」にアサートされると、負荷の寄生容量はVCCまで完全に充電されます。出力バッファ回路がオフになって論理「0」になると、容量性負荷が放電して、ドライバーに突入電流が戻ります。この急速な電流はドライバーのグランドピンを流れます。理想的な状況では、ICパッケージと基板の接地は同じ電圧に保たれます。ただし、現実の設計では、ボンドワイヤ、リードフレーム、PDNの寄生インダクタンスにより、ダイグランドと基板グランドの間にある程度の寄生インダクタンスが存在します。これらの素子からのパッケージの総インダクタンスは、上記の回路図に示すように、一連の直列コイルとしてモデル化できます。電流がボンドワイヤ/リードフレーム/PDN上のインダクタンスを駆け抜けると、ダイグランドと基板グランドの間に逆起電力が蓄積します。これにより、ダイグランドと基板グランドの電圧レベルが瞬間的に異なる現象が生じ、グランドバウンスノイズが発生します。この蓄積は、これらの要素のDC抵抗とICパッケージ/ダイの寄生によって減衰されます。寄生とトレースのこの配置が、定義されたインピーダンスと共振周波数を持つ等価RLC回路を形成しているということを理解すると、これが信号の動作にどのように影響するかを正確に理解できます。 PCBのグランドバウンスが回路と信号に与える影響 PCB内のグランドバウンスが最小限であれば、ダイグランドや信号の動作に混乱を引き起こすことはありません。グランドバウンスは引き続き発生しますが、気付かれないほど小さいかもしれません。ただし、グランドバウンスによって生成される逆起電力が大きい場合、特に複数の出力が同時に切り替えられる場合、デバイスのグランドレベルは、ICの他のピングループに影響しうるレベルにまで上昇します。駆動コンポーネントを容量性負荷に接続するトレースを見ると、トレースのインダクタンスと静電容量も、グランドバウンスによる信号への影響に影響を与えます。すべてのトレースには、寄生容量とインダクタンスにより、ある程度のインピーダンスがあることに留意してください。実際のトレースにはこれらの寄生があるため、トレース、ドライバーのGNDピンのインダクタンス、および負荷容量によって形成される集中RLCネットワークにこれらを含める必要があります。ダイ上のレベルシフトたとえば、グランドバウンスが発生するマイクロコントローラーでは、パワーレールと接地間で測定された電圧が、グランドバウンスがない場合よりも1.5V高くなるようにグランド電位がシフトする場合があります。つまり、パワーレールとダイグランドの電位差は、パワーレールと基板グランド間で測定された電位よりも1.5V高くなります。別の言い方をすれば、ダイグランドとPCBのGNDプレーンの間には瞬間的な1.5Vの電位があります（つまり、ドライバーのGNDピンの両端で測定）。この例では、マイクロコントローラーに接続された3.3Vで動作する論理ICは、デバイスの接地の電位レベルがシフトしたために1.5Vの論理「低」信号を受信しているため、論理「0」信号を「1」と解釈する場合があります。この例を続けて説明すると、入力電圧レベルはダイグランドを基準にして見られるため、グランドバウンスが発生しているデバイスは他のコンポーネントからの入力を誤って読み取る可能性もあります。たとえば、論理「高」信号が「低」と誤って解釈されるのは、ダイグランドの上昇により、入力ピンの電圧が3.3Vではなく1.8Vになるためです。これは、最小論理高電圧の2.31Vを下回ります。グランドバウンスの影響は、すべての出力が同時に低になると最悪になります（上の画像を参照）。このとき、ダイグランドの電圧差が大幅に増加します。さらに、このレベルシフトはRLCネットワークで急な立ち上がり信号のように機能し、特定の条件下では減衰不足の過渡発振を示す可能性があります。レベルシフト時の発振ダイグランドのレベルシフトは永久に持続するわけではなく、ダイグランドとPCBグランドの電位差は最終的にゼロに戻ります。トレースと負荷から寄生容量が生じるため、このレベルシフトは、RLC回路で見られるのと同じように減衰発振を示す可能性があります。これらの発振は、電流ループ内の総抵抗に応じてさまざまなレベルの減衰を示すことがあります。ダイグランドに発振があると、この発振が出力信号に重畳され、過渡リンギング現象が発生します。下の画像は、グランドバウンスによるこのような減衰不足の過渡発振を示しています。不完全な状況では、ドライバーの出力インピーダンスはゼロで、負荷入力インピーダンスは無限大で、トレースに発生する過渡現象の減衰はゼロになります。実際の状況では、ドライバーを通る直流伝導と、LOW状態とHIGH状態でのインピーダンスにより、減衰はゼロ以外になります。減衰（ R/2