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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PCB 設計における伝送線路計算機です

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PCB設計における伝送線路遅延計算器 1 min Thought Leadership 伝送線路は、現代生活を可能にする、見かけによらず複雑なものの一つです。単なる金属ケーブルのように見えるものが、実際には精密に設計されたシステムです。PCB上のトレースも同様で、電子デバイスに電力を供給する血管のようなものです。では、伝送線路とは何でしょうか？この用語は、PCB上のトレースと民間の電力線との類似を示すために最初に採用されました。しかし、「伝送線路」という言葉は、あまり文脈を伴わずに使われがちです。PCB上の全てのトレースが伝送線路というわけではなく、伝送線路の設計ルールは場合によって重要になります。私のトレースは伝送線路ですか？「伝送線路」という用語は、PCB上のトレースの構造ではなく、振る舞いに関するものです。特定の条件下ではトレースが伝送線路として振る舞い、他の条件では単なる導体として振る舞うことがあります。トレースが伝送線路のように振る舞うかどうかは、信号がトレースを伝わるのにかかる時間によって決まります。この時間は、伝搬遅延、または伝送遅延と呼ばれ、これらの用語は互換性を持って使用されます。トレース内の遅延が、トレース上を移動するデジタル信号の立ち上がり時間よりもはるかに長い場合、そのトレースは伝送線として機能します。アナログ信号の場合、立ち上がり時間は信号の振動周期の4分の1とされます。どちらの場合も、トレースと両端のコンポーネントは、さまざまな信号整合性の問題を防ぐためにインピーダンスが一致している必要があります。電気伝送線オンライン伝送線計算機特定のインピーダンス値を持つようにトレースを設計する簡単で手っ取り早い方法が必要な場合、オンライン伝送線計算機を使用できます。このツールは、ユニット長さなど、マイクロストリップ、埋め込みマイクロストリップ、ストリップライントレースなど、異なる配置のトレースを説明するいくつかの重要なパラメータを計算できます。気づくことの一つは、ほとんどのオンライン伝送線計算機が、伝送線インピーダンスの周波数依存性を完全に無視していることです。実際には、周波数による効果があり、その効果はシステム内の抵抗、容量、インダクタンス、導電性によってより顕著になります。低周波数信号によって遭遇されるインピーダンスは、高周波数でのインピーダンスよりも周波数変化に対して敏感である傾向があります。オンラインの伝送線計算機は常に低周波数でのインピーダンスを探ることを許可しているわけではなく、一般的に高周波数で作業していると仮定します。非常に高い周波数、RFアプリケーションで使用されるような周波数では、この周波数依存性は一定値に飽和します。そのため、ほとんどのオンライン計算機は、この依存性を無視できるほど十分に高い周波数で作業していると仮定します。伝送線計算機からの重要な出力は、有効誘電率定数です。このパラメーターは、トレースの寸法と導体と基板の誘電率定数の対比に依存します。このパラメーターは、光ファイバー光学における有効屈折率と同じ役割を果たし、信号が伝送線をどれだけ速く伝播するかを決定します。ここでオンライン伝送線計算機も役立ちます。有効誘電率定数を得たら、それを使用してトレースのライン遅延を計算できます。ライン遅延を計算し、それを信号の立ち上がり時間と比較した後、トレースが実際に伝送線として振る舞っているかどうかの答えが得られます。計算機を使った電子設計 SPICEシミュレーションと伝送線 SPICEシミュレータは、特に高速、高周波、 HDI、低電流アプリケーションにおいて、PCBの信号整合性の問題を調査するのに役立ちます。すべてのSPICEシミュレーションが直接に伝送線のインピーダンス値を返すわけではありませんが、トレースとコンポーネント間のインピーダンスの不一致から生じる信号整合性の問題を診断することを可能にします。オンラインおよびデスクトップの設計ソフトウェアパッケージは、SPICEシミュレーションへのアクセスを提供します。すべてのPCBは、基板の誘電体によって金属要素が分離されるため、ある程度の寄生容量と寄生インダクタンスを持っています。SPICEシミュレーションを使用する際には、寄生インピーダンスの影響をモデル化するために、等価回路モデルに直列および並列の位置にキャパシタとインダクタを追加する必要があります。

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

医療IoTアプリケーションの設計：課題と考慮事項

IoT医療製品およびアプリケーション設計：課題と考慮事項 1 min Thought Leadership 理想的には、あらゆる技術は人々に大きな影響を与え、人々が必要とするあらゆるタスクを達成する能力に影響を与えます。しかし、新しい技術が医療分野に導入されるとき、常にリスクは少し高くなります。どんな欠陥、エラー、または機能不全も直ちに誰かの健康に影響を与える可能性があることを認識する必要があります。確かに、すべての医療機器が生死に関わるわけではありませんが、それでも慎重に考慮されるべきです。 IoTの設計は常に挑戦ですが、医療IoTアプリケーションは追加の複雑さのレベルを持ち、追加の注意が必要です。コンポーネント選択プロセスをより厳格にするだけでなく、デザインはデバイスが重い摩耗やさまざまな環境条件にさらされることを考慮する必要があります。さらに、安全性と信頼性を最優先事項としなければなりません。どこから始めればよいでしょうか？デバイスとウェアラブルの種類一般的に、医療IoTデバイスは、エンジニアリングの観点から、または医療の観点からの2つの視点で考えることができます。エンジニアリングの観点から見ると、医療IoTデバイスは大きく2つのカテゴリーに分かれます：埋め込み型センサーとモニター、またはウェアラブルです。植込み型センサーとモニター：これらのデバイスは、エンジニアリングの観点から、材料、コンポーネント、および身体の動きによって影響を受ける信号の相互作用に特に注意を払って製造する必要があります。さらに、植込み型センサーやモニターを設計する場合、電源に関して計画を立てることが重要です。おそらく、バッテリーが切れた場合、デバイスに電力を供給するために何らかの侵襲的な処置が必要になるでしょう。ウェアラブル：これらのデバイスは植込み型センサーやモニターと性質が似ていますが、植込み型デバイスよりも環境要求が異なります - 湿気への抵抗性とより大きな柔軟性が必要です。そして、一貫した電力供給が常に望ましいですが、ウェアラブルは植込み型デバイスよりも電力需要に適応しやすくなります。医療の観点からこれらのデバイスは、その影響に基づいてより多く分類されます：生命管理に不可欠なデバイス、健康追跡と生命管理のための非重要デバイス、および健康またはフィットネストラッカー。バイタルトラッキングとライフマネジメント：これらの電子機器は、ペースメーカーや人工呼吸器などの追跡に使用されます。これらは、生命に不可欠な臓器やシステムに関する収集されたデータを送信する責任があります。これらのデバイスに対する注意は、重要な身体機能での役割に警戒すべきです。非バイタルライフマネジメント：非バイタルライフマネジメントの分類は、これらのタイプのデバイスがそれほど重要ではないと指示する意図ではありませんが、本質的に、これらのデバイスが故障した場合に必要な対応の時間枠が著しく長くなることを診断します。これらのタイプのデバイスには、血圧計やグルコースモニターなどがあります。健康またはフィットネストラッカー：その名の通り、健康またはフィットネストラッカーは、個人のフィットネスと健康を維持するために、歩数、食事、カロリー消費などのデータを追跡します。デバイスの分類方法に関わらず、医療IoT電子機器は、患者と個人ケアのためのデータ管理の関係を大幅に変えることができます。レイアウトとシステム要件メディカルIoTには、患者が機器を通して経験する厳しいさまざまな環境に耐えることができる非常に頑丈なハードウェアが必要です。それはシャワー、スポーツイベント、または単に日常の座りがちな状態かもしれません。頑丈である一方で、ハードウェアは高品質の信号を収集し、環境ノイズを除去することによって信頼性の高いデータを提供するのに十分な感度も必要です。さらに、収集された信号は信号処理も必要であり、これにはマイクロプロセッサが信頼性の高いパフォーマンスに必要なデータ処理を管理できる十分な速度と能力を持っていることが求められます。それはアナログ入力の解釈だけでなく、入力からの動作アーティファクトの除去など、より複雑なことを含むかもしれません。その後、そのプロセッサはウェアラブルアプリケーションに適したバッテリーで機能するために十分に低い電力要件を持っている必要があります。フォームファクター

PCB設計におけるGPSアンテナ：もう迷わない

PCB設計におけるGPSアンテナ：もう迷うことはありません 1 min Thought Leadership 子供の頃、祖父と一緒に狩猟旅行に行くとき、私たちは森の中で迷わないようにかなり大きなGPSナビゲーターを持って行きました。それは上部に巨大なアンテナが突き出ており、そのバッテリーは数時間以上持つことはありませんでした。20年を経て、PCB設計にGPS機能を含めることがこれまで以上に簡単になりました。多くの新しい消費者向けデバイスには、GPS PCBアンテナモジュールが設計に含まれています。GPSやRF設計の経験がない場合でも、製品にGPS機能を成功裏に統合するためのいくつかの設計ルールがあります。プロセスの最初のステップはGPSモジュールを選択することですが、モジュールを選択して設計フェーズを開始する前に考慮すべきいくつかの要因があります。GPSパッチアンテナがあなたに適していますか？GNSSアンテナやセラミックパッチアンテナはどうでしょうか？アクティブ対パッシブGPSアンテナ GPS PCBアンテナには、アクティブとパッシブの2種類があります。アクティブアンテナには、モジュールに低ノイズアンプ（LNA）が組み込まれていますが、パッシブアンテナにはアンプが含まれていません。アクティブアンテナは独自のボードに乗り、同軸ケーブルでプリント基板に接続します。一部の受信機には、どちらかのタイプのアンテナがあらかじめ同梱されています。また、出力を50オームのインピーダンス放射パターンに合わせる受動マッチングネットワークを含むこともあります。アクティブアンテナは、LNAが出力信号のノイズレベルを維持することで、より高い感度を実現するというパフォーマンスの利点があります。統合GPS受信機 PCB上の受動アンテナもLNAを使用すべきですが、受信機からLNAへの信号が移動する際に劣化することがあります。LNAは出力信号のノイズを減らすように設計されていますが、追加のノイズは全体の感度を低下させます。外部LNAが必要な受信機を使用する場合、LNAへの信号トレースは、可能な限り外部EMIやクロストークから遮蔽または隔離されるべきです。 PCB設計におけるGPSアンテナ PCBにGPSアンテナを使用すると、混合信号の領域に入ります。EMIやクロストークによってアンテナ入力で導入されたノイズは、信号品質を劣化させ、アンテナ信号を完全にブロックする可能性さえあります。アンテナ信号は、他のコンポーネントから適切に隔離されていない場合、グラウンドプレーンノイズの影響も受けやすいです。他のコンポーネントが適切に隔離またはシールドされていない場合、GPSアンテナとレシーバーはこれら他のコンポーネントの信号を劣化させる可能性があります。場合によっては、最悪のノイズの原因はレシーバー自体、特にレシーバーが内蔵アンテナを持っている場合です。レシーバーと他のコンポーネント間のクロストークは、適切なシールドを含める必要性を強調します。 LNAからGPS信号を抽出するためにはフィルタリングが必要です。これは現在、LNAとレシーバー入力の間に表面弾性波（SAW）フィルターを配置することによって行われています。SAWフィルターは、GPSアプリケーションで見られるような1GHz以上の高周波数をフィルタリングすることを可能にします。SAWフィルターを使用せずに、他のノイズからGPS周波数を抽出することは不可能です。シールド、グラウンディング、およびルーティング GPSアンテナ/レシーバーから出力される信号は、既にノイズフロアよりも最大20dB低くなっています。他のアプリケーションでは許容されるかもしれない微細なノイズ信号が、あなたのGPSレシーバーからの信号を簡単にブロックする可能性があり、あなたのGPS対応デバイスが適切に機能するためには、適切なルーティング、シールド、およびグラウンディングが必要です。通常、メインのPCBを機能ブロックに分割する場合、各ブロックに独自のグラウンドプレーンを設けるべきです。それから、グラウンドループを防ぐために、グラウンドプレーンをスタートポロジーでメインのグラウンドリードに戻すようにルーティングします。GPSレシーバーを囲むグラウンドプレーンの大きなサイズ要件は、特にモバイルデバイス上でこれを難しくすることがあります。

PCBレイアウトにおけるクリスタル発振器は周波数を安定させます

PCBレイアウトにおけるクリスタル発振器は周波数を安定させます 1 min Thought Leadership 人類の歴史の大部分において、私たちは生活を計画するために天文学的な時間計測に頼ってきました。現在では、日常生活を管理するのに役立つ洗練された時計を持っています。現代の生活がますます慌ただしくなるにつれて、私たちは秒の一部を追跡する必要があります。電子pcbレイアウト用のクリスタル発振器ガイドラインは、これを可能にする秘密の要素です。シュミットトリガ発振器や555タイマーからの出力クロック信号は、RCタイムコンスタントを使用して制御されます。これらの回路を使用する際の問題点は、抵抗器とデカップリングキャパシタの値が時間とともに一定ではないことです。抵抗と容量は、回路基板の温度によって変化することがあります。コンポーネントは経年劣化もします。これらの要因により、時計の周波数は時間とともにドリフトします。周波数の安定性と精度が重要な場合、クリスタル発振器がより良い選択です。特定の形状に切断された石英クリスタルは、特定の共振周波数で振動することができ、この周波数は温度変化に対して非常に安定しています。クリスタル発振器は、適切に配置して接続されている場合、kHzからMHzまでの安定した周波数を出力することができます。デジタルシステムがクロックを使用する場合、設計上の課題が生じます。これは、寄生容量や信号反射のような問題が信号の整合性を低下させる可能性があるPCBでは特に真実です。これらの設計上の問題は、高周波数でより顕著になります。幸いなことに、設計における信号の整合性を維持するためのいくつかの設計戦略があります。伝播遅延とクロックスキューの最小化特にTTLやCMOSロジックデバイスのようなロジック回路の切り替えは、クロック出力から下流に伝播遅延が蓄積される原因となります。これはナノ秒のオーダーであることが多いですが、高周波回路ではクロックパルスの幅と比較して顕著になります。クロックスキューは使用されるクロックに関係なく発生する可能性があります。トレースの長さの変動が原因で、さまざまな電気部品にクロック信号がルーティングされる際に時間遅延が蓄積します。クロックスキューが伝播遅延と組み合わさると、並列トレース内のクロックパルス間の不一致が顕著になることがあります。クロックスキューと伝播遅延は、信号トレースの長さを調整することで補償できます。連続するコンポーネント間の差動トレースの長さは、クロックスキューを最小限に抑えるために等しくするべきです。特定の並列トレースには異なる数のコンポーネントが含まれている場合があり、各コンポーネントの伝播遅延は、プリント回路基板上にトレースを配置する際に考慮されるべきです。クロックスキューを避けるために並列トレースを一致させるグラウンドプレーンの配置一部のPCB設計者は、電源と信号トレースをグラウンドプレーンの直上に走らせがちです。これは推奨されません。グラウンドプレーンの配置が不適切な場合、クロック回路がアンテナとして機能する原因となります。回路は外部EMIに対して脆弱になるだけでなく、他の近くの回路にEMIを引き起こす可能性があるRF放射を生成します。特定のクロック周波数において、グラウンドプレーンの厚さは波長の半分に過ぎません。クリスタル発振器は本質的に広帯域の電流源であるため、クロック信号とそのリターン電流は、高周波成分の帯域を含んでいます。これらの電流をグラウンドプレーン上で流すことを許すと、中央給電パッチアンテナを作成したことになります。クロック信号帯域がグラウンドプレーンの共振周波数のいずれかと重なる場合、グラウンドプレーン内で強い電流が生成される可能性があります。しかし、電源とグラウンドプレーンを分離すると、高周波電流ループによる放射が減少します。これにより、外部EMIへの感受性も低減されます。 EMIを減らすためにグラウンドプレーンと電源プレーンを分離する適切なキャパシタを使用するクリスタルオシレータからの信号整合性は、2つのキャパシタを使用することで維持できます。1つは高電圧ピンとグラウンドプレーンの間に、もう1つはグラウンドピンとグラウンドプレーンの間に接続する必要があります。選択した特定のクリスタルに合わせてキャパシタを選択する必要があります。必要な容量は、同じメーカー内でも異なるオシレータモデルによって異なります。クリスタルオシレータには負荷容量仕様（通常は20から50 pF）が含まれており、これを使用してクリスタルに使用するキャパシタを決定できます。各キャパシタは、負荷容量値の2倍から、任意の漂遊容量を引いた値である必要があります。漂遊容量値は数pFになることが多いです。

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 1 min Blog 電気技術者

電気技術者

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電気技術者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

高速PCB設計入門: クロストークの除去方法

高速PCB設計入門: クロストークの除去方法 1 min Blog 最近、結婚披露宴で、同じテーブルに座っている男性と話をしようとしました。残念なことに、私たちの間に座っていた女性が、私の反対側に座っている人と会話を続けていました。披露宴の騒音を背景に会話することは、何より難しいことでした。私たちの間でもう1つ話し合いが行われていたために、会話が成り立ちませんでした。私たちは、クロストークしていたのです！会話中のクロストークはとても迷惑なものですが、PCBレイアウト上のクロストークは、悲惨な結果を招く可能性があります。クロストークが修正されない場合、完成した回路基板がまったく動作しないか、あるいは断続的な問題に悩まされる可能性があります。クロストークとは何か、また、それを防ぐためにできることは何かを見てみましょう。高速PCB設計におけるクロストークとは? クロストークは、 PCB上にあるトレース間の意図しない電磁結合です。この結合によって、物理的に互いに接触していない場合でも、一方のトレースの信号パルスがもう一方のトレースの信号を圧倒してしまう可能性があります。これは、並列トレース間の間隔が狭い場合に、発生する可能性があります。トレースが製造目的での最小間隔を維持していたとしても、電磁目的では十分ではない場合があるのです。互いに並行に走っている2つのトレースを考えてみてください。一方のトレースの信号の振幅がもう一方のトレースよりも大きい場合、片方のトレースに積極的に影響を与えてしまう可能性があります。そして「被害者」トレースの信号は、それ自体の信号を伝導する代わりに、攻撃者トレースの特徴を模倣し始めます。これにより、クロストークが発生します。クロストークは通常、同じ層の上で隣り合って走る2つの並列トレース間で発生すると考えられています。しかし、隣接する層の上で隣り合って走る2つの並行トレース間でクロストークが発生する可能性は、さらに大きくなります。これは、ブロードサイド結合と呼ばれ、2つの隣接する信号層が非常に薄いコア厚で分離されているために、発生する可能性が高くなります。この厚さは4ミル（0.1ミリメートル）になることもあり、同じ層の上にある2つのトレース間の間隔よりも小さい場合があります。クロストークを除去するためのトレース間隔は一般的に通常のトレース間隔の必要条件よりも大きい設計からクロストークの可能性を除去幸運なことに皆さんは、クロストークのなすがままではありません。クロストークの可能性を最小限に抑えるように基板を設計すれば、これらの問題を回避できるのです。基板上のクロストークの可能性をなくすために役立つ設計テクニックを、いくつかご紹介します。差動ペアと他の信号配線の間の距離を、できるだけ大きく保ちます。経験則は、ギャップ = トレース幅の3倍です。クロック配線と他の信号配線との差を、できるだけ大きく保ちます。ここでも、同じギャップ =