シグナルインテグリティ

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What is Signal Integrity? PCB Design Fundamentals xSignals in Altium Signal Integrity Stimulus Design Rules Basics of Signal Integrity Analysis

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マルチボードPCBのシグナルインテグリティ

マルチボードPCBシグナルインテグリティ：完全ガイド 1 min Guide Books PCB設計者

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システムエンジニア/アーキテクトマルチボードPCBアセンブリは、信号整合性のルールを守り、低EMIを確保しなければなりません。これら二つの側面は密接に関連しており、この包括的なガイドで説明されています。

DDR5 PCB設計と信号整合性：設計者が知っておくべきこと

DDR5 PCBレイアウト、ルーティング、およびシグナルインテグリティガイドライン 1 min Guide Books PCB設計者

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電気技術者 DDR5規格のリリースが2020年7月に発表されました。これは、提案された規格に従う最初のRAMモジュールの開発が発表されてから約18ヶ月後のことです。この規格では、ピーク速度が5200 MT/秒/ピンを超えることが可能であり（DDR4の3200 MT/秒/ピンと比較して）、JEDECで評価された速度は最大6400 MT/秒/ピン、チャネル帯域幅は最大300 GB/秒まで増加します。この新世代のメモリは、8GB、16GB、32GBの容量で、技術がより商業化されるにつれて、以前の世代よりも需要が上回ると予想されます。より高速な速度、より低い供給電圧、そしてより高いチャネル損失は、DDR5のPCBレイアウトと設計において厳格なマージンと許容誤差を生み出しますが、DDR5チャネルの信号整合性は一般的な信号整合性メトリクスを用いて評価することができます。この分野には取り上げるべきことがたくさんありますが、この記事では、DDR5における信号整合性を確保するための重要なDDR5 PCBレイアウトおよびルーティングガイドライン、およびDDR5チャネルにおける重要な信号整合性メトリクスに焦点を当てます。 DDR5アイダイアグラムとインパルス応答 DDR5チャネルの信号整合性を調べるために使用される重要なシミュレーションには、アイダイアグラムとインパルス応答の2つがあります。アイダイアグラムは、シミュレートすることも、測定することもできますし、終端されたチャネルでのインパルス応答も同様です。どちらもチャネルが単一ビットおよびビットストリームを伝送する能力を測定し、チャネルの解析モデルが因果関係の観点から評価されることを可能にします。以下の表は、これらの測定/シミュレーションから得られる重要な情報をまとめたものです。インパルス応答アイダイアグラム測定内容単一ビット応答ビットストリームへの応答測定から判断できること - チャネル損失 (S21) -

PCB設計におけるEMI/EMC基準の達成

PCB EMI/EMC ガイドライン：あなたの設計でEMI/EMC基準を満たす 1 min Guide Books もし、携帯電話を2台並べたら、突然どちらも正常に動かなくなったらどうでしょう？幸いにも、このようなことは起こりません。なぜなら、設計者や製造業者が、これらのデバイスが導電性および放射性の電磁干渉（EMI）に関するEMC基準に準拠するように、真剣な努力をしているからです。どのデバイスも、市場に出る前にEMC基準を満たしている必要があります。これは複雑に聞こえるかもしれませんが、次のデバイスがEMCテストに合格するのを助けるための、いくつかのシンプルな設計戦略があります。さまざまなEMC基準団体とその仕様を知ることから始めるのが良いでしょう。 PCB設計のためのEMC/EMI基準 EMC基準は、規制基準と業界基準の2つの広いカテゴリーに分かれます。あなたの設計のための規制基準は、製品を市場に出して販売したい場所（必ずしもそれが設計されたり製造されたりする場所ではない）に依存します。最初のEMC基準のいくつかは、1979年にアメリカ合衆国連邦通信委員会によって確立されました。その後、ヨーロッパ共同体が独自のEMC基準を定義し、これが将来の欧州連合基準の基礎となり、現在はEMC指令として知られています - 正式には欧州議会の電磁両立性（EMC）指令2014/30/EUと命名されています（こちらからヨーロッパの基準を見ることができます）。業界標準への適合は、法的な問題だけでなく、特定の環境やアプリケーション領域で展開される電子機器の一貫性と相互運用性を保証するための業界固有の問題でもあります。効果的に、業界のEMC標準は、製造、組立、性能などの他の業界標準と同じ役割を果たします。EMC要件を定義する主要な業界標準機関および規制機関には、米国連邦通信委員会（FCC）米国連邦航空局（FAA）アンダーライター・ラボラトリーズ（UL）アメリカ無線技術委員会（RTCA）国際電気標準会議（IEC）、通じて国際特別無線障害委員会（CISPR）国際標準化機構（ISO）自動車技術者協会（SAE）電気電子技術者協会（IEEE）米国軍を通じてのMIL-STD標準セット IECおよびCISPRの標準はヨーロッパでより人気がありますが、IEEEの標準は米国でより人気があります。特に、IEEEの標準はアンテナ校正試験の基礎を形成します。MIL-STDのEMC要件は、世界で最も厳格な標準の中の一つであり、電子機器の商業セクターに適応される最初の標準のいくつかでした。 EMC標準に準拠するための広範な要件企業が非準拠のデバイスや製品をリリースした場合、警告を受けるか、

制御インピーダンスルーティングのためのPCB設計ガイドライン

PCBルーティング中の制御インピーダンスに関するPCB設計ガイド 1 min Thought Leadership 1831年6月、サー・ジェームズ・クラーク・ロスはカナダ北部のブーシア半島で北磁極を発見しました。しかし、「発見」という言葉が示すように、北磁極が静止しているかのように思われがちですが、実際には北磁極と南磁極は絶えず移動しています。地球の磁場は時間とともに変化し、その変化が起こると、極の位置も移動します。年間55kmの移動速度を考えると、「極急行」という新たな意味が出てくるかもしれません。しかし、PCB内での信号の伝達を考える際には、一方の極から他方の極への移動にかかる時間、費用、エネルギーを心配する余裕はないかもしれません。トレースのルーティングやトレース幅は重要ですが、回路基板のグラウンドプレーン上のトレースは、差動インピーダンスの追跡を難しくすることがあります。トレースや制御インピーダンスのルーティングにおいて、PCB設計ソフトウェアを最大限に活用する方法を学ぶことが役立ちます。複雑なインピーダンスの探求インピーダンスに関して、「極性」という概念は異なるタイプの探求を意味します。複素インピーダンスは、多成分AC回路を扱う上で重要なツールです。これらの回路における電圧や電流を正弦と余弦で表す代わりに、インピーダンスを複素指数またはとして表現できます。インピーダンスは、特定の周波数での単一の複素指数に対する電圧/電流比として機能します。そこから、個々の回路要素のインピーダンスを純粋または実数の虚数として表現できます。これにより、理想的なインダクタの純粋に虚数のリアクティブインピーダンスは次のようになります：一方、理想的なキャパシタの純粋に虚数のリアクティブインピーダンスは次のように現れます：純粋または虚数への移行には、実軸に沿った抵抗を持つ複素平面の使用が必要です。ここで、キャパシタとインダクタのリアクタンス値は虚数となります。虚数のインピーダンスはインピーダンスのリアクティブ成分を提供し、リアクタンスによって発生する位相の変化を評価することを可能にします。 RLおよびRC成分の直列組み合わせでは、ベクトルの成分として成分値を加算できます。複素数として、これらの値は抵抗と同じ単位を持ちます。複素インピーダンスの極形式 RL回路とRC回路の複素表現の極形式は、電圧と電流の振幅と位相の関係を示す二次元座標系として現れます。平面上の各点は、基準点からの特定の距離と基準方向からの特定の角度にあります。基準点は極として機能し、基準方向における極からの光線は極軸を指します。極からの距離は半径または極座標であり、角度は極角を表します。極形式では、複素インピーダンスの大きさは電圧振幅と電流振幅の比と等しくなります。複素インピーダンスの位相は、電圧よりも電流の位相シフトと等しくなります。方程式の形では、インピーダンスは次のように現れます：大きさは電圧差振幅と電流振幅の比を表し、引数Ɵは電圧と電流の位相差を与えます。一方、は虚数単位を表します。複素インピーダンスの極形式を使用すると、インピーダンス量の乗除が簡単になります。制御インピーダンスPCBルーティングのためのトレースを計画できることが必要です PCBインピーダンスコントロール複素インピーダンスとその極形式に関する非常に簡潔な議論は、インピーダンスの計算に伴う数学的な複雑さと、PCB設計におけるインピーダンス制御に遭遇する困難な問題の両方を強調しています。多層の高周波回路は、伝送線として機能する多数のビアと分岐を含んでおり、ソースと負荷の間でエネルギーの反射が発生する可能性があるため、問題はさらに困難になります。回路のタイプや複雑さに関わらず、信号経路に沿った全てのインピーダンスが一致する場合にのみ、最大の信号伝送が発生します。回路基板の設計に最良の実践を用いることで、トレースが適切に配線され、インピーダンスが適切に一致するようにすることができます。ソースの出力インピーダンス、トレースのインピーダンス、および負荷の入力インピーダンスを一致させるには：コンポーネントのインピーダンスを一致させるトレースの特性（長さ、幅、厚さなど）を測定する所望のインピーダンスを達成するためにマイクロストリップを使用する

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Technical Documentation シグナルインテグリティ解析結果の活用設定して実行したシグナルインテグリティ解析で生成されるSDFドキュメントには、解析対象として選択したネットに対応する1つ以上のタブが含まれます。各タブにはチャートがあり、複数の波形プロットを含めることができます。波形プロットには複数の波形を含めることができ、波形はシミュレーションデータを表します。シグナルインテグリティ解析結果へのアクセス。下部のタブをクリックして、各解析タイプの結果にアクセスします。 SimDataエディタは、MixedSim解析の実行で生成されたシミュレーションデータを扱う際にも使用します。SDFドキュメント内でのチャート、プロット、波形の扱いについては、Working with Simulation Results – Charts, Plots and Waveforms ページを参照してください。シグナルインテグリティ解析を実行する際…

Technical Documentation シグナルインテグリティ分析の設定と実行信号整合性分析の準備が必要な場合、このページに記載されているように、分析自体を設定して実行します。 SI設定オプションの設定 Tools » Signal Integrityを選択し、すべてのコンポーネントにモデルが割り当てられている場合、プロジェクトを開いてこのコマンドを初めて実行すると、SI Setup Optionsダイアログが表示されます。 SI Setup Optionsダイアログトラックのインピーダンスと平均トラック長を必要に応じて設定してください。これらのルーティング特性は、PCBにまだ転送されていないネットやPCB内の未ルーティングネットがある場合にのみ必要です。注意：Supply NetsとStimulusタブは、回路図のみモードでのみ表示されます。 Analyze Designクリックして、初期のデフォルトスクリーニング分析を実行し、Signal…

Technical Documentation シグナルインテグリティ分析のための設計の準備設計の信号整合性分析を成功させ、正確な結果を得るためには、分析を実行する前に以下の作業を行う必要があります。各ネットはネットとインピーダンスデータを提供するためにスクリーニングできますが、すべてのネットが信号完全性特性（電圧とタイミング）について分析されるわけではありません。すべての特性に成功裏にスクリーニングするためには、ネットには少なくとも1つの出力ピンを持つICが含まれている必要があり、他のコンポーネントは含まれていません。例えば、抵抗器、コンデンサ、インダクタは、駆動源を提供する出力ピンがないため、自身ではシミュレーション結果を提供しません。双方向ネットがスクリーニングされる場合、両方向がシミュレートされ、最悪の結果が表示されることに注意してください。各コンポーネントに関連付けられた信号完全性モデルタイプは正確でなければなりません。これは、Signal Integrity…

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ブロードバンドインピーダンス制御と信号整合性を確保する

高速信号の周波数範囲と帯域幅とは何か？ 1 min Blog 電気技術者

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電気技術者高速信号の周波数範囲と帯域幅は、信号の整合性に影響を与えます。PCB内で広帯域信号を収容できる最高の設計ツールを使用してください。

高速データ処理におけるキャリー伝搬遅延

高速データ処理におけるキャリー伝搬遅延とは何か？ 1 min Thought Leadership 友達とのテキストメッセージのやり取りが完全に混乱することがあります。一つのテキストで5つの質問を行き来するのは簡単すぎて、すべてに返答しようとすると、私たちのメッセージの流れが完全にズレてしまいます。友達が尋ねたことすべてに実際に返答するのは、3つのテキストメッセージが経った後で、その時にはすでにまったく新しい話題に移っています。 PCBやIC内の論理回路間の信号遅延は、高速システムを扱うまで通常考える必要のないことです。PCBのデータレートと容量が増加し続けるにつれて、遅延を考慮に入れることは、デジタルデータがシステム全体で同期を保つために重要です。伝播遅延のレビュー PCB内の伝播遅延（より適切には伝送遅延と呼ばれます）に慣れていない場合、ここで説明します。デジタル信号がPCB内の2点間を移動するには、一定の時間が必要です。ネット内やシステム全体の複数の信号を同期させようとしている場合、信号がボード上のさまざまな点に同時に到着するようにする必要があります。この文脈での伝搬遅延は、PCB上の二点間を移動する信号の伝送遅延を指します。これはデジタル電子工学の教科書に記載されている伝搬遅延の定義と混同してはいけません。信号が同期していない場合、システムのビットエラー率が増加する可能性があります。デジタルデータを並列に処理する場合、ネット内の信号は同期されている必要があります。そのため、ネット内の全てのトレースの長さを最長のトレースの長さに合わせるべきです。差動ペアルーティングにおいては、スキューの補償も重要です。蛇行は、インピーダンスを維持しながら信号線にわずかな遅延を適用する最良の方法です。異なるトレースのジオメトリでは、わずかに異なる伝搬遅延が発生します。インピーダンス制御されたボードを扱っている場合、伝搬遅延の式は比較的単純で、ボード基板の相対誘電率に依存します。~100 Mbps以上のシステムを扱う場合は、ボード全体にわたって伝搬遅延を考慮する必要があり、インピーダンス制御設計を使用することが良いアイデアです。 PCB設計ソフトウェアに必要な分析ツールがあることを確認してください並列データ処理における伝搬遅延とスキューデータを並列処理する際、ビット間の伝搬遅延が適切に補償されない場合、追加のデータエラーが蓄積する可能性があります。ネット内の特定の並列は、より重要でないビットからの出力がより重要なビットへ適用される処理手順を決定する場合、より大きな遅延を必要とする場合があります。この一般的な考慮事項は奇妙に聞こえるかもしれませんが、次の例を考えてみてください。PCBやICで使用するためのリップルキャリー加算器を設計しているとします。このデバイスは基本的に、入力ビットを並列に処理する1ビット加算器のシリーズです。加算されるべき2つのデジタル数を構成するビットは、各加算器に並列に入力されなければならず、各加算器はキャリービットを生成することがあります。 LSBの加算器は、次に大きなビットにキャリービットを出力し、MSBまでこのように続きます。LSBから次に高いビットへの出力は、ある程度の伝搬遅延を経験します。また、各加算器の論理ゲートの立ち上がり時間による全体のスキューも考慮する必要があります。各加算器のキャリービットと入力ビットは同期を保つ必要があり、キャリービットの伝搬遅延と蓄積されたスキューは、より高い桁の入力ビットをわずかに遅延させる必要があります。各桁間の合計遅延は、加算器間で信号が移動する伝搬遅延と、加算器内の全論理回路の立ち上がり時間の2倍の合計に等しいです（両方の加算器が同じ論理ファミリーからのものであると仮定）。少数のビットを低速で扱っている場合、これはビット間の信号を非同期にすることはありません。しかし、例えば、32ビット数を1Gbps以上で扱う場合、MSBに到達するキャリービットの遅延は、隣接する加算器間のキャリー伝搬遅延の32倍になります。これは加算器全体でデータを非同期にすることができる非常に大きな遅延です。高い桁の加算器へのデータ入力の遅延を補うために、実際には各加算器に到達する入力ビットにいくらかの遅延を加える必要があります。次第に高いビットはより多くの遅延を必要とします。これを行う最も簡単な方法は、高位の加算器に入るトレースを迂回させることです。これにより、キャリービットの伝搬遅延と蓄積されたスキューを補正できます。高位の数字はより大きな遅延を必要としますが、加算器に入力されるビットのペアは同期されている必要があります。この遅延を適用する最も簡単な方法は、各加算器に入るトレースのペアを迂回させることです。迂回を適用する際には、各加算器のトレースのペア間に少し余分なスペースを確保してください。シミュレーション結果を信頼できることを確認してください

SRAMユーザーのためのPCB設計のヒント：データ損失を防ぐ方法

SRAMとは何か？PCB設計のヒントとデータ損失の防止方法 1 min Thought Leadership SRAMは電源が切れるとデータを失います。編集ソフトウェアの最高の発明の一つは、最悪のタイミングでマーフィーの法則が発動するのを防ぐオートセーブ機能です。数十年前、オートセーブ機能が存在しないことが、「保存」ボタンを押すことを渋っていた私にとって悪化し、重要な大学の課題の数ページが文字通り消去されたとき、私はほとんど泣きました。電子機器では、SRAMを設計する際の課題を認識していないと、静的ランダムアクセスメモリ（SRAM）に格納されているデータ全体を失うリスクがあります。これは、SRAMが重要な変数を格納している場合、特にハードウェアの予測不可能な動作を引き起こす可能性があります。 SRAMとは何か、そしてどのように機能するのか？ SRAMは、組み込みシステム設計で一般的に使用される不揮発性メモリです。ロジカルビットで情報を格納し、動作電圧が供給されている限りその値を保持します。電源が切断されると、SRAM全体がデフォルト値、通常はロジック1に相当する値にリセットされます。 SRAMの内部は、複数のセルによって構成されています。これらのセルには、いくつかのトランジスタによって制御されるバイステーブルフリップフロップが含まれています。特定のアドレスに情報が格納されると、いくつかのフリップフロップがデータのデジタル値を表すように適切にラッチされます。 SRAMは電源が切れると情報を保持できないにもかかわらず、追加の作業用メモリが必要な設計で定期的に使用されます。FlashやEEPROMなどの他の揮発性メモリコンポーネントと比較して、SRAMは無視できる読み取りアクセス時間を持ち、データはランダムなメモリアドレスに書き込むことができます。他の電子部品と同様に、SRAMは年々改良されてきました。SRAMが40ピン以上の大型コンポーネントであり、並列アドレスバスがまだ一般的なインターフェースだった時代は過ぎ去りました。今日のメモリメーカーは、 SPIやI2Cのようなシリアルインターフェースを備えたSRAMを生産し、フォームファクターを8ピンまで大幅に削減しています。 SRAMを設計する際の主要な考慮事項 SRAMの設計にさらなる考慮を払うことで、大きな違いが生まれるかもしれません。 SRAMを使った設計は簡単な作業のように思えるかもしれません。結局のところ、ピン数が少ないメモリチップを使った設計が何が難しいのでしょうか？しかし、経験上、実際には多くの問題が発生する可能性があることを学びました。部品選択から製造後の問題に至るまで、多くの問題に遭遇する可能性があります。ここでは、初心者レベルのPCB設計者に役立ついくつかのヒントを紹介します：メモリ容量最大容量のSRAMを選ぶべきでしょうか？それともプロジェクトの要件に合ったものを選ぶべきでしょうか？これは、ファームウェア開発者を悩ませる質問であり、ハードウェア設計者にとってはそうではありません。メモリメーカーは通常、同じ物理パッケージで異なる容量のSRAMを導入します。これは、メモリ容量の選択が変わっても設計を変更する必要がないことを意味します。インターフェースタイプ SRAMでよく使用されるインターフェースにはSPIとI2Cがあります。SPIはデータの書き込みと読み出しに4つの物理ピンを必要としますが、I2Cは2つの物理データ接続のみを必要とします。一般に、SPIはより高速なアクセスを提供しますが、SPIバス上の各ICに個別の制御信号が必要です。I2Cは、複数のメモリチップがマイクロコントローラに接続されている場合に理想的で、データ信号とクロック信号のみが必要です。デカップリングコンデンサ革新的な不揮発性メモリー、フラッシュや FRAMのようなものが登場している今、バッテリーバックアップSRAMを設計することはほとんどないでしょう。これにより確かにSRAMの設計は容易になりますが、安定した電源供給の重要性を見落としてはいけません。SRAMのVccピンにできるだけ近い場所にデカップリングキャパシタを配置することを常に確認してください。電源の不安定さによるデータの破損は、絶対に避けたい最後の事態です。デカップリングキャパシタは、グラウンドバウンスの問題を防ぐのにも役立ちます。

高性能マルチボードPCB設計におけるクロスボード信号インテグリティの問題を回避する方法

高性能マルチボードPCB設計におけるクロスボード信号整合性の問題を回避する方法 1 min Blog システムエンジニア/アーキテクト

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電気技術者マルチボードPCB設計におけるクロスボード信号インテグリティ不良を回避しましょう。コネクタの立ち上がり部、スキュー、境界がどのようにマージンを消費するのかを学べます。