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電源プレーンリターンパス パワープレーンとグラウンドプレーン：PCBのパワープレーンをリターンパスとして使用すべきですか？ 1 min Thought Leadership 電源プレーン（電源層とも呼ばれる）とグラウンドプレーンは、電力供給の配布以上の重要性を持っています。インピーダンス制御ルーティングでの基準プレーンの定義や、リターンパスの管理においても、スタックアップはリターン電流がPCBの電源プレーンに入り、その後グラウンド層に再結合されるよう強制することがあります。インピーダンス制御トレース幅の基礎としてGND基準層を定義しても、設計内の電源層の長さに沿った明確なリターンパスを定義する必要があります。電源層をリターンパスとして使用するPCB内でのリターンパスを制御するための良い実践をいくつか見てみましょう。 PCBの電源プレーンをリターンパスとする場合の信号挙動 「リターンパス」と言うとき、設計内でリターン電流が自然に従うパスのことを指します。このパスにより、電流はPCBアセンブリの入力側の低電位端子に戻ることができます。伝送線上で移動する信号にとって、リターンパスは線とその基準プレーンの間の容量によって決まります。容量が大きい、周波数が高い、またはその両方である場合、リターン電流は変位電流として容易にグラウンド層に入ることができます。 これは、伝送線とその参照平面との距離が、その参照平面のタイプが何であれ、実際の設計においていくつかの重要な電気的振る舞いを決定することを意味します。そのような振る舞いには、 外部ソースからのEMI感受性があり、これは大きな電流ループを介して誘導的に、または電場を介して静電容量的に受信されることがあります 不一致のインピーダンスは、平面領域間、ギャップを越えて、またはインターコネクトに沿ってトレース幅が変化する場合に生じます 他のトレースからのクロストークは、設計が 伝播中の損失は、伝送線と近くの参照平面または他の導体の間の場の線の集中によって発生します 返り経路または信号参照を提供する隣接層としてパワープレーンまたはグラウンドプレーンのどちらを使用するか選択できる場合は、常にPCBグラウンドプレーンを選択するべきです。これには2つの理由があり、以下で詳しく説明します。 静電容量結合 電力プレーンがどのようにして（あるいはしないで）任意の種類のリターンパスとして機能するかを議論する前に、我々は次の質問をしなければなりません。伝送線から電力プレーンPCBへの電流はどのようにして入るのでしょうか。答えは、容量性結合です！上述のように、リターンパスは伝送線と近くの導体の間で誘導されることが記されています。近くのプレーン層については、線とプレーンの間に電気ポテンシャルが変化するたびにこれが発生します。したがって、プレーンの隣でトレースが配線され、デジタル信号がそのトレースを通過するとき、我々は今、プレーン層で変位電流が駆動されていることになります。 近くのプレーンが、電力入力時の低ポテンシャル点と同じポテンシャルのグラウンドプレーンであれば、全てがうまくいくでしょう。これの問題点は、電流が電力プレーンから近くのグラウンド層へと移動する必要があるとき、電流は別の誘電体層を通ってPCBグラウンドプレーンに到達する必要があるということです。 スタックアップの設計方法や信号が誘導される基板の領域によって、2つの層の間のキャパシタンスは、電源プレーンとグラウンドプレーンの間に非常に高いインピーダンスの経路を形成する可能性があります。スタックアップによっては、以下に示すような単純な4層スタックアップの場合、電源層とPCBグラウンドプレーン層の間のプレーンキャパシタンスは非常に小さく（平方ミリメートルあたりフェムトファラドのオーダー）、非常に高速なデジタル信号や非常に高周波のRF信号を除いて、極めて高いインピーダンスのリターンパスを作り出します。この電源プレーンとグラウンドプレーンの間の旅の中での唯一の他の選択肢は、以下に示すように、最も近いデカップリングキャパシタを通ることです。どちらの場合でも、基板のどこかでEMI問題が発生する可能性があります。 通常の低速シングルエンド信号（たとえば、立ち上がり時間が制限されたI2CやSPI信号など）の場合、このGNDへの結合から発生するEMIが最大の問題ではないかもしれません。これは、純粋なDCや低周波アナログデバイスではまったく発生しません。しかし、今日の標準CMOSコンポーネントでは、一般的なデジタルコンポーネントのシングルエンドバスでもこの問題が発生する可能性があります。では、解決策は何でしょうか？ 解決策は、PCBスタックアップの再設計にあります。最も簡単な方法は、グラウンドリターンを提供するレイヤーを追加することです。一般的に、すべてのGNDプレーンが適切に間隔を置いてステッチングビアで繋がれている限り、他の設計変更は必要ありません。設計の観点からより時間がかかるものとして、上記の4層スタックアップのように、PWRとシグナルを同じレイヤーに配置し、その上にPWRをプアとして同じレイヤーに追加することが挙げられます。 4層例 上記の例の4層ボードでは、連続したビットストリームを提供する必要があるバスとラインを、GNDの直上のトップレイヤーに配置するのが最適です。RCやシリーズ終端で遅延させることができる制御信号などの他の信号は、バックレイヤーに配置することができますし、その他のサポートコンポーネントも同様です。しかし、両方の表面レイヤーにデジタルバスを持つ4層PCBが必要な場合、最良の実践は代替スタックアップを使用することです。 このスタックアップは、ノイズを抑制し、どこでもクリアなリターンパスを提供する最良の代替手段と言えるでしょう。これはSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRスタックアップで、信号と電力は上層でルーティングされます。これにより、電力レールは隣接するGNDプレーンに近接して配置されるべきであるため、非常に強力なデカップリングが提供されます。 この代替4層スタックアップについてもっと学ぶ このボードには、複数の電力レールがある場合に生じる可能性のある難しさが一つあります。4層ボードが両層に高速信号を必要とし、複数の電力レールと強力な電力整合性が必要な場合、標準のSIG/GND/PWR/SIGスタックアップは機能しません。ここで、2層を追加して6層スタックアップを構築することが最良の選択です。 記事を読む
インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較 インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較 1 min Thought Leadership 適切な層の材料で、インピーダンスをコントロールした設計をしていますか ? PCB設計のより細かい点について最初に学び始めたとき、コアは特殊な材料であるという印象を受けました。これは必ずしも真実ではありません。設計者には、要求に最も適したコア/プリプレグの配置を選択する自由があります。インピーダンス配線の制御に関して言えば、特に高周波数では、分離絶縁体としてコア層とプリプレグ層のいずれを使用するかが重要な問題になります。 それでは、どちらの層がインピーダンス配線のコントロールに最適なのでしょうか? 基板のインピーダンスをより細かく制御するには、ガラス繊維の影響を考えるに先立ち、より高い、比誘電率の均一性が必要です。また、製造後の基板の比誘電率の一貫性と予測可能性も高い必要があります。ここでは、プリプレグ層とコア層の位置を決定する際に、レイヤー構成に適した材料をどこで慎重に購入する必要があるかを説明します。 プリプレグvsコアにおけるインピーダンス コントロール コアは、厚くて硬いガラス繊維の層で、通常は層数の少ない基板の中央に配置されます。私が見た限りでは、「コア」という語を使用すると、新人設計者は文字どおり、「あらゆる設計は、基板の中心にコアがあり、その周りに他の層が組み込まれているに違いない」と受け止めます。私は、特に層数が増加するにつれて、これは必要条件ではないことを後から学びました。実際には、コアとプリプレグの層が交互にあり、中央の層は必ずしもコア層ではありません。重要なのは、コア層が配置されている場所に関係なく、レイヤー構成は対称であるという点です。 プリプレグは、製造の時点では完全には硬化していない材料で、コア層間の接着剤を形成します。最近かかわった、 板厚が標準的な1.57mmの基板を扱ったプロジェクトでは、外層にRogersのコア、内層にFR4プリプレグ/コアを使用しましたが、このタイプのハイブリッド多層板 (FR4にPTFEを積層) はよく使用されます。材料によってコストが異なるので、コストは結果を左右する要因です。したがって、低損失の積層板は、一般に高速/高周波信号を伝送する層のために予約されています。 通常、比誘電率と厚さの両方に関して、コア層はプリプレグ層よりも高い再現性を持っています。これは、コア材料がすでに銅箔と結合されているからです。これに対し、プリプレグの製造業者は原材料の比誘電率の範囲しか指定できず、アセンブリ後の比誘電率を指定していません。そのような状況が、相互接続上の信号によって参照される実効比誘電率を決定します。特殊な低損失プリプレグ積層板の中には、比誘電率が非常に幅広いバリエーション (50%以上) を持つものがあります。 シングルPly CoreかダブルPly Coreか? ガラス繊維の織り方が異なるコア材料の中には、比誘電率が大きく異なるものがあります。これは、特定のコア材料がシングルplyかダブルplyかによっても異なります。106コアと106/1080コアが完璧な例です。これらの材料の比誘電率は約10%変動しますが、既存のデザインを使って、シングルply coreとダブルply 記事を読む
ファイバーウィーブ効果が高周波信号の整合性に与える影響 ファイバーウィーブ効果が高周波信号の整合性に与える影響 1 min Blog トレースの向きを決め、適切な織り方を選ぶことで、ファイバーウィーブ効果を補償することができます。高周波での共振に注意してください。この最新のPCB設計ブログでさらに詳しく学びましょう。 記事を読む
直交トレース配線PCB 多層PCBにおける直交トレース配線の長所と短所 1 min Blog 直交トレースルーティングの使用を制限する要因は何ですか？ほとんどの設計の質問と同様に、それは信号速度、スタックアップ、そしてPCBレイアウト内の配置に依存します。専門家であるZachariah Petersonによる最新のPCB設計ブログを読んで、さらに詳しく学びましょう。 記事を読む
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 Blog PCB設計者 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 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) - 記事を読む
テスト容易化設計 テスト容易化設計 1 min Whitepapers 概要 プリント基板が完成するまでにかかる全コストは、ブランクPCBの製造コスト、コンポーネントのコスト、実装コスト、テストのコストのように複数の基本カテゴリーに分類できます。最後に出てきた、完成した基板をテストするのにかかるコストは、製品の合計製造コストの25%から30%を占める場合があります。 収益性を求める設計は、2つの論理的側面から生まれます。1つはDFM（Design for Manufacturability）、つまり最小の欠陥率を維持しながら可能な限り最小の製造コストで製品を開発すること、もう1つはテスト容易化設計（DFT）です。テストカバレッジを最大化し、 製造エラーおよびコンポーネント障害に関する欠陥を迅速に分離できるよう製品を設計することによって、DFTは収益性のある設計として最高のものとなります。この記事では、DFTを詳細に検討し、特にインサーキットテスト（ICT）に焦点を当てます。 DFMおよびDFTガイドライン 委託製造業者（CM）を選択する際は、必ずDFMおよびDFTのガイドラインを提出してもらう必要があります。必ず、契約を検討しているCMごとにこれらのガイドラインを入手し、目を通すようにします。複数のCMから提出されたDFMとDFTのガイドラインをレビューすることで、それぞれCMの専門的な技術、知識、能力のレベルを把握することができます。したがって、これらのガイドラインは、自社 製品の生産に最適なCMを決定する際に役立ちます。 今後に向けた計画 設計を計画するときに聞く最初の質問は次のとおりです。 1. 誰が実装をテストしますか？ 2. 機能は何ですか？ 設計を計画するときに聞く最初の質問は次のとおりです。1）誰が実装をテストしますか？ 2）機能は何ですか？DFTガイドラインは最初のレイアウトの計画で役に立ちます。しかしながら、CMに直接連絡して、知識のあるテストエンジニアと特定のニーズについて議論するのはよい考えです。テストエンジニアは機能について議論することができ、提供できるものとは異なるテスト方法論があること を気づかせてくれます。バウンダリースキャン（JTAG）、自動ICTテスト、X線断層撮影（AXI）および目視検査（マニュアルおよびマシンビジョン）の組み合わせにより、最も包括的なテストカバレッジを実現します。また、これにより製造プロセスについて即時フィードバ ックが得やすくなり、ワークフローを必要に応じて迅速に修正し、欠陥コンポーネントを特定して取り除くことができます。 次に、完成品の品質を保証するためには、どのテストカバレッジが必要かを検討する必要があります。アプリケーションと実際のコストの制約から、利用可能なテスト機能の全てを使用することが必要な場合と、そうでない場合があります。例えば、地球の周りを公転する衛星を調査する場合、可能な限りのタイプのテストを実施して、修理できない環境でも、数年にわたって完成品が確実に機能するのを保障しようとするでしょう。しかし、ミュージカルの挨拶状を作成する場合は、シンプルな必要最低限の機能テストだけになるでしょう。(※続きはPDFをダウンロードしてください) 記事を読む
基板統合導波路ルーティング mmWave PCB用の基板統合導波路ルーティング 1 min Blog mmWave信号の応用はかつては防衛に限られていましたが、現在ではmmWaveシステムがより一般的になっています。自動車レーダー、UAVレーダー、5Gの今後の展開、そして6Gに関する現在の研究のおかげで、mmWave技術が主流になりつつあります。mmWave信号を使ったルーティングは、設計者にルーティングの慣行と相互接続設計を再考させることを強いています。これは、商業的に入手可能なPCB基板上で低損失ルーティングを提供する新しい相互接続構造を設計するために、多くの研究グループや革新的な企業を動機付けています。 接地共面導波路（およびその変種）は、マイクロ波周波数で作業するRFエンジニアの間でおそらく最もよく知られている相互接続構造です。基板統合導波路と呼ばれるルーティング構造は、相互接続に沿った電磁場を工学的に扱うのに理想的な代替手段を提供します。 John Coonrodのような人々のおかげで、この技術は他の相互接続設計よりもいくつかの利点を提供するため、RF PCB設計者の間でより人気になる可能性があります。このユニークな導波構造とmmWaveルーティングのためのその利点を見てみましょう。 基板統合導波路とは何か？ 想像してみてください。古いスタイルの金属製長方形の導波管があり、音響または電磁波を反射によって案内します。このシンプルな構造は、二つの平行な銅ストリップの間にPCB上で実装することができます。側壁の銅線は、 スルーホールメッキビアから形成され、誘電体で満たされた金属構造を作り出します。このタイプの構造は基板統合導波管と呼ばれます。 これらの導波管はPCB上で形成するのが非常に簡単です。以下に示すのは、例の導波管の図です。ここでは、相互接続は効果的に2層を占め、表面層のテーパーマイクロストリップカプラーを使用してこの構造に信号を注入することができます。 基板統合導波管構造 これらのシステムは、長方形導波管と同様の方法で機能します。それらは、その幾何学によって定義される一連のモードを持っています。数学的には、電磁場の空間分布を記述する固有関数のセットは、典型的な長方形導波管に使用されるものと同じです。各固有関数には特定の波数と波長があり、これらが組み合わされて導波管に沿った場の空間分布を形成し定義します。伝播モードのおおよその波数は（WとHはそれぞれ構造の幅と高さです）： 同等の誘電体導波路における伝播波数（近似） nおよびmの項が大きすぎる場合、信号が特定のモードを励起することができません。これは、信号の周波数と構造の形状が、どのモードが励起されるかを決定することを意味します。 一般に、所望の信号周波数に合わせて導波路のサイズを調整することで、TE10モードを簡単に励起することができます。他のすべての高次モードは減衰し、構造を通過することはありません。TE10モードの波数は次のとおりです： TE10モードのための伝播波数。設計者は、特定のモードを選択するために、オメガ、a、W、およびdを自由に選択できます。 ここで、導波路構造内での閉じ込めを提供する標準要件は、ビア間隔（s）がビア直径（d）の2倍未満であること、および aがビア直径の5倍以上であることです。所望の周波数で他のモードを励起するための同様の条件を導出することができます。これにより、アンテナ、カプラー、アンプ/共振器、または他の受動RFデバイスに必要な電界分布を設計することができます。 基板統合導波路の利点 基板統合導波管の主な利点は、マイクロストリップ、ストリップライン、接地共面導波管と比較して損失が少ないことです。Kaバンド以下で作業している場合、マイクロストリップとストリップラインは接地共面導波管と同様の損失を提供します。Kaバンドを超え、Vバンド深くまで行くと、接地共面導波管はより少ない損失を提供しますが、挿入損失は依然として-6 dBに達し、40 記事を読む