XNUMXつの特別なPCBルーティング技術を探る

レイアウトは、PCB設計エンジニアにとって最も基本的な仕事のスキルのXNUMXつです。配線の品質は、システム全体のパフォーマンスに直接影響します。ほとんどの高速設計理論は、最終的にレイアウトを通じて実装および検証する必要があります。配線が非常に重要であることがわかります 高速PCB 設計。以下では、実際の配線で発生する可能性のあるいくつかの状況の合理性を分析し、より最適化されたルーティング戦略を示します。

主に直角配線、差動配線、蛇行配線のXNUMXつの側面から説明されています。

1.直角ルーティング

直角配線は、PCB配線では一般的に可能な限り回避する必要のある状況であり、配線品質を測定するための基準のXNUMXつになりつつあります。では、直角配線は信号伝送にどの程度の影響を与えるのでしょうか。原則として、直角ルーティングは伝送ラインのライン幅を変更し、インピーダンスの不連続性を引き起こします。実際、直角ルーティングだけでなく、コーナーや鋭角ルーティングもインピーダンスの変化を引き起こす可能性があります。

信号に対する直角ルーティングの影響は、主に次のXNUMXつの側面に反映されます。

XNUMXつは、コーナーが送電線の容量性負荷と同等になる可能性があるため、立ち上がり時間が遅くなることです。 XNUMXつ目は、インピーダンスの不連続性が信号の反射を引き起こすことです。 XNUMXつ目は、直角の先端によって生成されるEMIです。

伝送線路の直角によって引き起こされる寄生容量は、次の実験式で計算できます。

C = 61W（Er）1/2 / Z0

上記の式で、Cはコーナーの等価静電容量（単位：pF）、Wはトレースの幅（単位：インチ）、εrは媒体の誘電率、Z0は特性インピーダンスです。伝送線路の。たとえば、4Milsの50オームの伝送ライン（εrは4.3）の場合、直角によってもたらされる静電容量は約0.0101pFであり、これによって引き起こされる立ち上がり時間の変化を見積もることができます。

T10-90%=2.2CZ0/2=2.20.010150/2=0.556ps

計算により、直角トレースによる静電容量の影響は非常に小さいことがわかります。

直角トレースの線幅が大きくなるとインピーダンスが低下するため、特定の信号反射現象が発生します。伝送線路の章に記載されているインピーダンス計算式に従って線幅が増加した後の等価インピーダンスを計算し、次に実験式に従って反射係数を計算することができます。

ρ=（Zs-Z0）/（Zs + Z0）

一般に、直角配線によるインピーダンス変化は7％〜20％であるため、最大反射係数は約0.1です。また、下図からわかるように、伝送線路のインピーダンスは、W / 2線路の長さの範囲内で最小に変化し、W / 2の時間後に通常のインピーダンスに戻ります。全体のインピーダンス変化時間は非常に短く、多くの場合10ps以内です。内部では、このような高速で小さな変化は、一般的な信号伝送ではほとんど無視できます。

多くの人がこの直角配線を理解しています。彼らは、先端が電磁波を送受信し、EMIを生成しやすいと考えています。これが、多くの人が直角配線を配線できないと考える理由のXNUMXつになっています。ただし、実際のテスト結果の多くは、直角のトレースでは直線よりも明らかなEMIが発生しないことを示しています。おそらく、現在の機器の性能とテストレベルがテストの精度を制限していますが、少なくともそれは問題を示しています。直角配線の放射は、機器自体の測定誤差よりもすでに小さくなっています。

一般に、直角ルーティングは想像したほどひどいものではありません。少なくともGHz未満のアプリケーションでは、静電容量、反射、EMIなどの影響はTDRテストにほとんど反映されません。高速PCB設計エンジニアは、レイアウト、電源/接地設計、および配線設計に引き続き焦点を当てる必要があります。ビアホールおよびその他の側面。もちろん、直角配線の影響はそれほど深刻ではありませんが、将来的にすべての人が直角配線を使用できるようになるわけではありません。細部へのこだわりは、すべての優れたエンジニアが持っていなければならない基本的な品質です。さらに、デジタル回路の急速な発展に伴い、PCBエンジニアが処理する信号の周波数は増加し続けます。 10GHzを超えるRF設計の分野では、これらの小さな直角が高速問題の焦点になる可能性があります。

2.差分ルーティング

差動信号（DifferentialSignal）は、高速回路設計でますます広く使用されています。回路内の最も重要な信号は、多くの場合、微分構造で設計されています。何がそんなに人気があるのですか？ PCB設計でその優れた性能を確保するにはどうすればよいですか？これらのXNUMXつの質問で、ディスカッションの次の部分に進みます。

差動信号とは何ですか？素人の言葉で言えば、駆動側は0つの等しく反転した信号を送信し、受信側は1つの電圧の差を比較することによって論理状態「XNUMX」または「XNUMX」を判断します。差動信号を伝送するトレースのペアは、差動トレースと呼ばれます。

通常のシングルエンド信号トレースと比較して、差動信号には、次のXNUMXつの側面で最も明らかな利点があります。

NS。 XNUMXつの差動トレース間の結合が非常に良好であるため、強力な干渉防止能力。外部からのノイズ干渉がある場合、それらはほぼ同時にXNUMXつのラインに結合され、受信側はXNUMXつの信号の違いのみを考慮します。したがって、外部コモンモードノイズを完全にキャンセルすることができます。 NS。 EMIを効果的に抑制できます。同じ理由で、XNUMXつの信号の極性が反対であるため、それらによって放射される電磁界は互いに打ち消し合う可能性があります。結合が緊密であるほど、外界に放出される電磁エネルギーは少なくなります。 NS。タイミングポジショニングは正確です。差動信号のスイッチ変更はXNUMXつの信号の交点にあるため、決定する高しきい値電圧と低しきい値電圧に依存する通常のシングルエンド信号とは異なり、プロセスと温度の影響を受けにくくなります。タイミングの誤差を減らします。、しかし、低振幅の信号回路にも適しています。現在人気のあるLVDS（低電圧差動信号）は、この小振幅差動信号技術を指します。

PCBエンジニアにとって最も懸念されるのは、差動配線のこれらの利点を実際の配線で十分に活用できるようにする方法です。おそらく、レイアウトに触れたことのある人なら誰でも、差動配線の一般的な要件、つまり「等しい長さと等しい距離」を理解するでしょう。等しい長さは、XNUMXつの差動信号が常に反対の極性を維持し、コモンモード成分を減らすことを保証するためのものです。等距離は、主にXNUMXつの差動インピーダンスが一定であることを保証し、反射を減らすためです。「できるだけ近くに」は、差動配線の要件のXNUMXつである場合があります。しかし、これらすべてのルールが機械的に適用されるわけではなく、多くのエンジニアはまだ高速差動信号伝送の本質を理解していないようです。

以下は、PCB差動信号設計におけるいくつかの一般的な誤解に焦点を当てています。

誤解1：差動信号は、リターンパスとしてグランドプレーンを必要としないか、差動トレースが相互にリターンパスを提供すると考えられています。この誤解の理由は、それらが表面的な現象によって混乱している、または高速信号伝送のメカニズムが十分に深くないためです。図1-8-15の受信端の構造から、トランジスタQ3とQ4のエミッタ電流は等しく反対であり、グランドでのそれらの電流は互いに正確に打ち消し合う（I1 = 0）ことがわかります。差動回路は同様のバウンスであり、電源プレーンとグランドプレーンに存在する可能性のある他のノイズ信号は影響を受けません。グランドプレーンの部分的なリターンキャンセルは、差動回路が信号リターンパスとして基準プレーンを使用しないことを意味するものではありません。実際、信号リターン解析では、差動配線と通常のシングルエンド配線のメカニズムは同じです。つまり、高周波信号は常に最小のインダクタンスを持つループに沿ってリフローします。最大の違いは、アースへの結合、差動ラインにも相互結合があります。どの種類の結合が強いか、どちらがメインのリターンパスになりますか。図1-8-16は、シングルエンド信号と差動信号の地磁気分布の概略図です。

PCB回路設計では、差動トレース間の結合は一般に小さく、結合度の10〜20％しか占めていないことが多く、それ以上がグランドへの結合であるため、差動トレースのメインリターンパスは依然としてグランド上に存在します。飛行機。グランドプレーンが不連続である場合、図1-8-17に示すように、差動トレース間の結合により、基準プレーンのない領域にメインリターンパスが提供されます。基準面の不連続性が差動トレースに与える影響は、通常のシングルエンドトレースほど深刻ではありませんが、それでも差動信号の品質が低下し、EMIが増加するため、可能な限り回避する必要があります。。一部の設計者は、差動トレースの下の基準面を削除して、差動伝送の一部のコモンモード信号を抑制することができると考えています。ただし、このアプローチは理論的には望ましくありません。インピーダンスを制御する方法は？コモンモード信号にグランドインピーダンスループを提供しないと、必然的にEMI放射が発生します。このアプローチは、良いことよりも害を及ぼします。

誤解2：線の長さを一致させるよりも、等間隔を保つことが重要であると考えられています。実際のPCBレイアウトでは、差動設計の要件を同時に満たすことができない場合がよくあります。ピン配置、ビア、配線スペースが存在するため、ライン長のマッチングの目的は適切な巻線によって達成する必要がありますが、その結果、差動ペアの一部の領域を並列にできない必要があります。このときどうすればいいですか？どちらを選択しますか？結論を出す前に、次のシミュレーション結果を見てみましょう。

上記のシミュレーション結果から、スキーム1とスキーム2の波形はほぼ一致している、つまり、不等間隔による影響は最小限であることがわかります。比較すると、線の長さの不一致がタイミングに与える影響ははるかに大きくなります。（スキーム3）。理論的分析から、不整合な間隔は差動インピーダンスを変化させますが、差動ペア自体の間の結合は重要ではないため、インピーダンス変化範囲も非常に小さく、通常は10％以内であり、これはXNUMXパスに相当します。。穴によって引き起こされる反射は、信号伝送に大きな影響を与えません。ライン長が一致しない場合、タイミングオフセットに加えて、コモンモードコンポーネントが差動信号に導入されます。これにより、信号の品質が低下し、EMIが増加します。

PCB差動トレースの設計で最も重要なルールはライン長のマッチングであり、他のルールは設計要件や実際のアプリケーションに応じて柔軟に処理できると言えます。

誤解3：差動配線は非常に接近している必要があると考えてください。差動トレースを近くに保つことは、それらの結合を強化することに他なりません。これは、ノイズに対する耐性を向上させるだけでなく、磁場の反対の極性を最大限に活用して、外界への電磁干渉を相殺します。このアプローチはほとんどの場合非常に有益ですが、絶対的なものではありません。それらが外部干渉から完全にシールドされていることを確認できれば、干渉防止を実現するために強力な結合を使用する必要はありません。そしてEMIを抑制する目的。差動トレースの良好な分離とシールドをどのように確保できますか？他の信号トレースとの間隔を広げることは、最も基本的な方法の4つです。電磁界エネルギーは距離の10乗で減少します。一般に、線間隔が線幅の2倍を超えると、それらの間の干渉は非常に弱くなります。無視できます。さらに、グランドプレーンによる絶縁も優れたシールドの役割を果たすことができます。この構造は、高周波（0G以上）のICパッケージPCB設計でよく使用されます。これはCPW構造と呼ばれ、厳密な差動インピーダンスを確保できます。図1-8-19に示すように、コントロール（XNUMXZXNUMX）。

差動トレースは異なる信号層で実行することもできますが、異なる層によって生成されるインピーダンスとビアの違いが差動モード伝送の効果を破壊し、コモンモードノイズを導入するため、この方法は一般に推奨されません。さらに、隣接する500つの層が緊密に結合されていない場合、差動トレースのノイズに対する耐性が低下しますが、周囲のトレースから適切な距離を維持できれば、クロストークは問題になりません。一般的な周波数（GHz未満）では、EMIは深刻な問題にはなりません。実験によると、差動トレースから60ミルの距離での放射エネルギーの減衰は、3メートルの距離でXNUMX dBに達しました。これは、FCC電磁放射基準を満たすのに十分であるため、設計者も心配する必要はありません。不十分な差動ライン結合によって引き起こされる電磁的非互換性についての多く。

3.曲がりくねった線

スネークラインは、レイアウトでよく使用されるルーティング方法の一種です。その主な目的は、システムのタイミング設計要件を満たすように遅延を調整することです。設計者は最初にこのことを理解する必要があります。曲がりくねった線は信号品質を破壊し、伝送遅延を変更し、配線時に使用しないようにします。ただし、実際の設計では、信号に十分な保持時間を確保するため、または同じグループの信号間の時間オフセットを減らすために、意図的にワイヤを巻く必要があることがよくあります。

では、蛇行線は信号伝送にどのような影響を及ぼしますか？配線するときは何に注意すればいいですか？図1-8-21に示すように、最も重要な3つのパラメータは、並列結合長（Lp）と結合距離（S）です。明らかに、信号が曲がりくねったトレースで送信されると、平行線分は差動モードで結合されます。 Sが小さくLpが大きいほど、結合度が高くなります。伝送遅延が減少し、クロストークにより信号品質が大幅に低下する場合があります。このメカニズムは、第XNUMX章のコモンモードとディファレンシャルモードのクロストークの分析を参照できます。

以下は、曲がりくねった線を扱うときのレイアウトエンジニアへのいくつかの提案です。

1.平行線分の距離（S）を少なくとも3Hより大きくしてみてください。Hは、信号トレースから基準面までの距離を指します。素人の言葉で言えば、それは大きな曲がり角を回ることです。 Sが十分に大きい限り、相互結合効果はほぼ完全に回避できます。 2.カップリングの長さLpを短くします。 3倍のLp遅延が信号の立ち上がり時間に近づくか超えると、生成されるクロストークは飽和に達します。 4.ストリップラインまたは埋め込みマイクロストリップの曲がりくねったラインによって引き起こされる信号伝送遅延は、マイクロストリップの遅延よりも小さくなります。理論的には、ストリップラインは差動モードのクロストークのために伝送速度に影響を与えません。 5.高速信号線やタイミング要件が厳しい信号線の場合、特に狭い領域では曲がりくねった線を使用しないようにしてください。 1.図8-20-6のC構造体のように、曲がりくねったトレースを任意の角度で使用できることがよくあります。これにより、相互結合を効果的に減らすことができます。 7.高速PCB設計では、曲がりくねったラインにはいわゆるフィルタリングまたは干渉防止機能がなく、信号品質を低下させるだけであるため、タイミングマッチングにのみ使用され、他の目的はありません。 XNUMX.巻線のスパイラルルーティングを検討できる場合があります。シミュレーションは、その効果が通常の曲がりくねったルーティングよりも優れていることを示しています。