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夏の終わりが近づくと、私は家族を集め、魔法をかけられたようなワクワク感を求めてステートフェアに向かいます。フェアが開催される場所は、普段は人けがなく、荒れ果てた風景の中、小さなほこりのかたまりが風に吹き飛ばされていきます。ところがフェアが始まると、そこは活気に満ちあふれます。ゾウの耳がついたブース、動物や実演を見せる建物、大声で叫ぶ子供たちを乗せた娯楽用の乗り物などが並びます。それは、全ての部分が動く、ジャグリングのような曲芸的状況です。 高速信号に対応したPCBの組み立てには、設計、コンポーネント、高速信号を扱うジャグリングのような部分があります。これらの高速信号には、不要な伝送線路が回路基板に大混乱を引き起こす可能性があります。混乱の多くはPCBレイアウト自体で発生します。 レイアウトのどの部分がこのような混乱をもたらすかを把握しておくと、基板をレイアウトしながら問題を解決できます。適用したレイアウト手法がシグナルインテグリティにとって最適かどうかは、膨大な量の計算が必要な手間のかかる解析を行うか、シグナルインテグリティシミュレーションツールを使用することで明らかにできます。この記事をお読みいただいた後、ご自分の基板にとってどちらがより効果的かを判断してください。 不十分なシグナルインテグリティシミュレーションツール シグナルインテグリティシミュレーションツールが不十分だと、魔法はカオスと化します。インピーダンス計算機能は誤った計算結果を返します。計算は、レイヤのスタックアップやPCBデザインルールで定義された材料の誘電率と矛盾します。シミュレータはモデリングのリターンパスを前提とするので、GNDプレーンに不連続な部分があると、計算から除外されます。3Dフィールドソルバーは、完全に誤った差動ペアのインピーダンスを算出して返します。 ツールは単純で、デザインルールを考慮したPCBレイアウトのお決まりのオプションに対応していません。このツールには、リジッドフレキシブルのルールとシミュレーションが含まれています。そのシミュレーション環境では、波形が生成されますが、わかりにくいものになっています。さらに詳しく調べるには、複雑なコマンドを手動で実行して、普通の状態の値を求める必要があります。これは、3Dフィールドソルバーでも同様です。電気的に長いトレースの解析で一般的な選択項目がユーザーインターフェースに含まれていないので、自信を持って 高速シグナルインテグリティの回路基板をレイアウトすることができません。 インテリジェントなEDAツールによる知力の上手な活用 結果を解釈する時間の浪費 明らかなエラーを解析するためにシミュレーションツールの結果を調べると、何時間もかかります。メニューを使った移動は、慎重な操作が必要です。インピーダンス計算機能をあれこれ操作して、トレースのインピーダンスの計算に誤ったパラメーターが使用されたことを明らかにしようとして、無駄な時間がかかります。シミュレーションに使用されたパラメータが、PCBレイアウトのルールセットと一致しないことを発見しようとして、時間を取られます。誰がそんなことを予想したでしょうか? 面状材料の固有の電気容量と誘電率の正しいパラメータがないと、算出されたインピーダンスが高速信号の反射や リンギングを本当に抑えるかどうかを確信できません。 シミュレーションは、ドリルファイルの不足など、周囲のちょっとした異常により失敗します。シミュレーションのセットアップにさまざまなPCBエディタと設定が必要であることを考えると、ドリルファイルの不足によって生じる失敗は、セットアッププロセスに混乱をもたらします。エディタおよび設定メニューに与えられる、選択したパラメータを何度も尋ねることになります。 シグナルインテグリティの高速信号をシミュレーションするツールを分析していると、ヘルプページやアプリケーションノートの検索でより多くの時間を無駄に使います。最終的に、シミュレーションの結果を示す波形ができあがっても、不要なデータが表示されることが多々あります。手元に強力なツールがあっても、自分の回路基板について適切にガイドしてくれる使いやすいユーザインターフェースがなければイライラが募ります。最終的に整合性がどうなるかはわかりません。 整合性の問題を特定して解消する優れたツール PCBデザインルールで設定されている材料パラメータを、ツールのインピーダンス計算機能で使用できたら、すばらしいと思いませんか? インピーダンスを計算するため、デザインルール全体にツールポート情報が格納されていれば、回路設計に基づいて正しいコンポーネントとレイアウトが実装されたプリント回路基板が、製造業者から戻ってくることを確信できます。 シミュレーションに PCBのデザインルールのパラメータを使用すると、信頼できる結果になります。波形を表示して、回路設計とPCBレイアウトの両方のシミュレーション結果を示すことで、技術者とレイアウト設計者がシグナルインテグリティの問題と解決に対応しながら設計を作り込んでいくことができます。これにより、解析を実行し、手作業で得たベストプラクティスを適用し、PCBの製造を待ってシグナルインテグリティを検証するという推測に基づく作業がなくなります。 Altium
高周波PCBスタックアップに適した銅箔の選び方を学びましょう。これらの考え方は、高速PCBの銅の選択にも適用されます。
ビアインピーダンス計算機は、インピーダンス制御が通常必要とされない低周波数範囲でのみ有用です。
スタブは、高速PCB設計において重要な話題であり、高速デジタル相互接続の全てのビアからスタブを常に取り除くべきだという長年のガイドラインがあります。スタブは高速ラインにとって悪いものですが、必ずしも取り除く必要はありません。より重要なのは、損失プロファイルと周波数を予測し、そのような損失を防ぐために適切にフロアプランを立てることです。 この記事では、Altium Designerに同梱されているMiniPCの例題プロジェクトを使用して、高速PCB上でのPCIeルーティングに関するいくつかのシミュレーション結果を見ていきます。問題となるシミュレーションでは、コネクタから出るPCIeレーンのSパラメータを計算します。これらのシミュレーション結果を見ることで、スタブがビアやコネクタの遷移においてシグナルインテグリティにどのように影響を与えるかを、シミュレーションの観点から理解するのに慣れていない設計者が、適切なコンポーネント選択、配置、およびルーティングの選択を行うのに役立ちます。 スタブとPCIeルーティングにおける潜在的な問題 PCIeルーティングでは、レーンはAC結合キャパシタを備えた差動ペアとしてルーティングされます。これらの差動ペアをコネクタを通して周辺機器、例えば拡張カードに接続することが一般的です。これらの拡張スロットコネクタを通してルーティングする過程で、最大帯域幅を制限する可能性のあるライン上に残余スタブが存在する場合があります。これはシミュレーションで非常に正確な結果を得ることができ、PCIeチャネルの正確な帯域幅を特定することができます。 高速伝送線上のスタブは、PCIeレーン上で高周波インピーダンストランスフォーマーのように振る舞うことができるため、損失や反射を引き起こす可能性があります。 この記事でスタブ分析についてさらに読む。 PCIeレーン上のスタブを制限することが推奨されていますが、アドインカードやモジュールにルーティングするために使用されるコネクタ上に存在する可能性があります。例として、垂直に取り付けられたPCIeアドインカード用のエッジコネクタはスルーホールコンポーネントであり、コネクタと同じ層上でルーティングする際に使用可能な信号帯域幅を制限する役割を果たす可能性があります。特にキャパシタの配置を考慮する場合、反対側の層でのルーティングが好ましいかもしれません。 PCIeレーンのコネクタスタブ損失の例 信号がビアスタブを通過する際に発生する干渉効果や、PCIeレーンに沿ってDCオフセットを除去するためのコンデンサが必要であるため、コネクタを介してルーティングする際にビアスタブが損失にどの程度影響を与えるかを研究する価値があります。 問題のMiniPCボードは、以下に示すように、PCIeインターフェースを備えたArria 10 FPGAを使用し、スロットコネクタにルーティングされています。 以下の分析に必要な他の重要な仕様は、ボードの厚さと 誘電率です： ボード厚さ = 2.028 mm 全層でDk
スイッチングレギュレータのPCBレイアウトにおいて、インダクタの下にグラウンドカットアウトを配置すべきかどうかは、EMI/EMCに関わる重要な問題です。この記事では、その点について調査します。
スキューについて話すとき、私たちはしばしば十分に具体的ではありません。スキューとジッターに関するほとんどの議論は、ルーティング中に発生するスキューのタイプ、具体的には差動ペアの長さの不一致やファイバーウィーブによるスキューに焦点を当てています。実際には、インターコネクト上の全体のジッターに寄与するさまざまなスキュー源があり、正確なタイミング制御を必要とするシリアルバスやパラレルバスではこれらを定量化することが重要です。 スキュー源のリストを作成すると、ファイバーウィーブによるスキューはスキュー源の長いリストの中の1つに過ぎないことがわかります。以下では、可能なスキュー源のリストを見て、それらがPCBの動作にどのように影響するかを見ていきます。下記のリストから、スキューの問題のいくつかは、PCB基板のファイバーウィーブ構造に注意を払うだけでは簡単に解決されないことがわかります。 ジッター = 全体のスキュー ここで最初に注意すべき点は、ジッターとスキューの違い、およびランダムと決定論的なジッター/スキューの違いです。スキューの最も良い定義は、Steve Corriganによって書かれた古いTexas Instrumentsのアプリケーションノートから来ています。 このアプリケーションノートで、Steveはジッターを「すべてのスキューの合計」と説明しています。これは、なぜ一部の著者が時々「ジッター」と「スキュー」を交換して使用するかを示しています（私自身もこれを誤って行ったことがあります）。JEDECは、ジッターとスキューに対して独自の定義を持っています。 ランダムまたは決定論的？ どちらの用語を使用しても、「ジッター」という言葉にはランダムなスキューとの関連があり、一方「スキュー」という言葉は擬似ランダムまたは決定論的なスキューを指すために使用されることがあります。実際には、ランダムなスキューの唯一の源は熱ノイズです。全ての物質を構成する原子や分子のランダムな動きは電子回路のノイズに寄与しますが、これが重要になるのは非常に精密な低レベル測定でのみです。ほとんどのアプリケーションでは、心配する必要があるスキュー源は決定論的であり、根本原因に遡ることができます。 スキューの源 以下の表は、PCBで発生する可能性のあるスキュー源のリストと、それぞれが発生する簡単な説明を示しています。 繊維織りによるスキュー PCB基板材料の構造が周期的に不均一で異方性を持つために発生します。機械的に広げられたガラス織物が好まれ、これを減少させます。 周期的スキュー システム内の他の源から誘発される周期的ノイズによって引き起こされます。例えば、高速I/Oの切り替えによって誘発される 電源レールノイズ などです。 有界非相関スキュー
銅の粗さについて話すとき、それを一様に悪いものとして扱うことがよくあります。しかし、実際には、銅が粗くても問題なく機能する回路は常に存在します。他のすべての領域で仕様に合わせて製造されている限り、動作周波数や帯域幅が十分に低ければ、トレースの粗さは問題にならないかもしれません。「十分に低い」とは具体的にどの程度であり、粗さの影響が無視できるほど小さい場合はいつか？ 最近の銅箔に関する記事では、銅箔の異なるタイプと、これらの箔から期待できる粗さの範囲についていくつかの背景を提供しました。高周波設計のための材料を探し始めるとき、粗さがインピーダンスと損失に過度に影響するかどうかを判断することが重要です。この記事では、設計で粗さを最小限に抑えるべきかどうかを判断するために使用できる3つの戦略を紹介します。これには、データを見るか、粗さを判断するためにいくつかの簡単な計算を行うことが含まれます。 銅箔の粗さを心配すべき時はいつですか？ これは重要な質問であり、少なくとも2つの観点からアプローチできます。設計者に「ねえ、インピーダンス計算に銅の粗さを含める必要がある」と言うと、彼らはおそらくインピーダンス計算機を投げ出して、正確なインピーダンス予測を諦めたくなるでしょう。 実際には、銅の粗さが目立つ効果を生じるのは特定の周波数以下ではありません。標準的な低速デジタルバス（ I2C、SPI、UART、またはGPIOを切り替えるだけ）を使用している場合、次の2つの理由から銅の粗さを心配する必要はありません： これらのバスにはインピーダンス仕様がなく、制御されたインピーダンスルーティングを必要としない これらの信号の 帯域幅のほとんどは、銅の粗さが設計に重要な要因となる周波数よりもはるかに下に制限されています。 しかし、最新の一般的なデジタルプロトコル、5 GHz WiFi、低SNRのRFプリント回路、レーダーシステム、または超高速デジタルプロトコル（56G+ SerDes）を設計している場合、銅の粗さは確実に重要になり、材料選択時に検討すべきです。 一般化しすぎないようにすると、設計において銅の粗さが重要になるかどうかを判断するためのアプローチは2つあります： 提案された相互接続のための粗いおよび滑らかなインピーダンススペクトルを計算し、比較してください 異なる銅の粗さ値に対する挿入損失測定値を見てください #1の結果を使用して伝搬定数を得て、粗さパラメータの関数としての損失を比較してください オプション#1は、相互接続のためのS11予測に到達するために最初に行うことです。オプション#2と#3は、考え方によっては基本的に同じです... S21の測定値と計算を比較しているだけです。ここでの考え方は、異なるタイプのPCB銅箔がほぼ完璧な銅と比較して過度の損失を生じる時点と、その損失量を見ることです。 オプション#1
