レイアウトは、の最も基本的な作業スキルのXNUMXつです。 PCB設計 エンジニア。 配線の品質はシステム全体の性能に直接影響します。高速設計理論のほとんどは最終的にレイアウトによって実現および検証する必要があるため、高速PCB設計では配線が重要であることがわかります。 以下は、実際の配線がいくつかの状況に遭遇する可能性があること、その合理性の分析、およびいくつかのより最適化されたルーティング戦略を提供することを考慮したものです。 主に直角線、差線、蛇線などからXNUMXつの側面を詳しく説明します。

1. 長方形のゴーライン

直角配線は、PCB配線の状況を回避するために一般的に必要であり、配線の品質を測定するための標準のXNUMXつになりつつありますが、直角配線は信号伝送にどの程度の影響を与えますか？ 原則として、直角配線は伝送線路の線幅を変化させ、インピーダンスの不連続性をもたらします。 実際、直角線、トン角、鋭角線だけでなく、インピーダンスの変化を引き起こす可能性があります。

信号に対する直角アライメントの影響は、主にXNUMXつの側面に反映されます。XNUMXつは、コーナーが伝送ラインの容量性負荷と同等であり、立ち上がり時間が遅くなることです。 第二に、インピーダンスの不連続性は信号の反射を引き起こします。 第三に、EMIは直角の先端によって生成されます。

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はコーナーでの等価静電容量（pF）、Wは線の幅（インチ）、εRは媒体の誘電率、Z0は伝送の特性インピーダンスを表します。ライン。 たとえば、4Mils 50オーム伝送ライン（εr4.3）の場合、直角の静電容量は約0.0101pFであり、立ち上がり時間の変動を見積もることができます。

T10-90％= 2.2 * C * z0 / 2 = 2.2 * 0.0101 * 50/2 = 0.556ps

計算から、直角配線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。

直角線の線幅が大きくなると、この時点での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。 伝送線路のセクションで説明した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できます。 ρ=（Zs-Z0）/（Zs + Z0）、一般的な直角配線ではインピーダンスが7％〜20％変化するため、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線の長さの範囲内で最小に変化し、W / 2時間後に通常のインピーダンスに戻ります。 インピーダンス全体が変化する時間は非常に短く、通常は10ps以内です。 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。

多くの人が直角ルーティングをよく理解しており、先端が電磁波を発信または受信しやすく、EMIを発生しやすいと考えています。これが、多くの人が直角ルーティングが不可能であると考える理由のXNUMXつになっています。 ただし、多くの実際のテスト結果は、直角線は直線よりも多くのEMIを生成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るかもしれませんが、少なくともそれは直角線の放射が機器自体の測定誤差よりも小さいことを示しています。 一般に、直角の配置は見た目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の設計エンジニアは、レイアウト、電源/接地設計、配線設計、ミシン目などに焦点を当てる必要があります。 もちろん、長方形のゴーラインの影響はそれほど深刻ではありませんが、直角のラインを歩くことができるとは限りませんが、細部への注意はすべての優れたエンジニアにとって不可欠な品質であり、デジタル回路の急速な発展に伴い、信号周波数のPCBエンジニアの処理も、10 GHZRF設計分野以上に改善され続けます。 これらの小さな直角は、高速問題の焦点になる可能性があります。

2. の違い

DifferenTIal Signalは、高速回路設計で広く使用されています。 回路で最も重要な信号は、差動信号の設計です。 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つの質問を念頭に置いて、議論の次の部分に進みます。

差動信号とは何ですか？ 平易な英語では、ドライバーは0つの同等の反転信号を送信し、レシーバーは1つの電圧の差を比較して、論理状態が「XNUMX」か「XNUMX」かを判断します。 差動信号を伝送する一対のワイヤは、差動ワイヤと呼ばれます。

通常のシングルエンド信号ルーティングと比較して、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。

A.強力な干渉防止能力。XNUMXつの差動ライン間の結合が非常に優れているため、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、受信機はXNUMXつの信号の違いのみを考慮します。そのため、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。

B.EMIを効果的に抑制することができます。 同様に、XNUMXつの信号は反対の極性であるため、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。 結合が近いほど、外界に放出される電磁エネルギーは少なくなります。

C.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ング変化はXNUMXつの信号の交点にあるため、高しきい値電圧と低しきい値電圧で判断される一般的な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、タイミングエラーを減らすことができ、より適しています。低振幅信号の回路用。 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重要な懸念は、差動ルーティングのこれらの利点を実際のルーティングで十分に活用できるようにする方法です。 おそらく、レイアウトと接触している限り、人々は差動ルーティングの一般的な要件、つまり「等しい長さ、等しい距離」を理解するでしょう。 アイソメトリックは、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ことです。 アイソメトリックは、主に同じ差動インピーダンスを確保し、反射を減らすことです。 「可能な限り近い」ことは、差動ルーティングの要件のXNUMXつである場合があります。 しかし、これらの規則はいずれも機械的に適用されることを意図したものではなく、多くのエンジニアは高速差動信号の性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間違いに焦点を当てています。

誤解1：差動信号は、逆流経路としてグランドプレーンを必要としないか、差動ラインが相互に逆流経路を提供すると考えています。 この誤解の原因は表面現象と混同されているか、高速信号伝送のメカニズムが十分に深くありません。 図１の受信端の構造から分かるように、 1-8-15では、トランジスタQ3とQ4のエミッタ電流は同等で反対であり、接合部でのそれらの電流は互いに正確に打ち消し合っています（I1 = 0）。 したがって、差動回路は、電源およびグランドプレーンに存在する可能性のある同様のグランドプロジェクションおよびその他のノイズ信号の影響を受けません。 グランドプレーンの部分的な逆流キャンセルは、差動回路が信号リターンパスとして基準プレーンを採用しないことを意味するものではありません。 実際、信号逆流解析では、差動ルーティングのメカニズムは通常のシングルエンドルーティングのメカニズムと同じです。

周波数信号は常に、インダクタンスが最小の回路に沿って逆流します。 最大の違いは、差線が地面に結合しているだけでなく、相互に結合していることです。 強い結合が主な逆流経路になります。

PCB回路設計では、差動配線間の結合は一般に小さく、通常は結合度の10〜20％しか占めておらず、結合の大部分はグランドに接続されているため、差動配線の主な逆流経路は依然としてグランドに存在します。飛行機。 ローカル平面の不連続性の場合、差動ルート間の結合は、図１に示されるように、基準平面のない領域に主な逆流経路を提供する。 1-8-17。 基準面の不連続性が差動配線に与える影響は、通常のシングルエンド配線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、差動伝送ラインの基準面を削除して、差動伝送のコモンモード信号の一部を抑制することができると考えていますが、理論的にはこのアプローチ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、EMI放射が発生することになり、それは良いことよりも害を及ぼします。

神話2：線の長さを一致させるよりも、等間隔を維持することが重要です。 実際のPCB配線では、差動設計の要件を満たすことができないことがよくあります。 ピン、穴、配線スペースの分布などにより、適切な巻線で線長を一致させる必要がありますが、必然的に差ペアの一部を並列化することはできません。選択しますか？ 結論にジャンプする前に、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ことがわかります。つまり、不等間隔の影響は最小限であり、線長の不一致の影響はタイミングシーケンスに対してはるかに大きくなります（スキーム3）。 。 理論的分析の観点からは、不整合な間隔はインピーダンスの差の変化につながりますが、差のペア自体の間の結合は重要ではないため、インピーダンスの変化の範囲も非常に小さく、通常は10％以内であり、同等です。信号伝送に大きな影響を与えない穴によって引き起こされる反射に。 ライン長が不一致になると、時系列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、信号品質が低下し、EMIが増加します。

PCB差動配線設計の最も重要なルールはライン長を一致させることであり、他のルールは設計要件と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XNUMX：違いの線は非常に密接に依存しなければならないと思います。 差線を互いに近づけることのポイントは、ノイズに対する耐性を向上させ、磁場の反対の極性を利用して外界からの電磁干渉を打ち消すために、それらの結合を増やすことに他なりません。 このアプローチはほとんどの場合非常に有利ですが、絶対的なものではありません。 それらを外部干渉から完全に保護することができれば、相互の強力な結合によって干渉防止とEMI抑制の目的を達成する必要はありません。 差動ルーティングが良好な分離とシールドを備えていることを確認するにはどうすればよいですか？ 線と他の信号の間の距離を大きくすることは、最も基本的な方法の4つです。 電磁界のエネルギーは、距離の二乗関係とともに減少します。 一般に、線間の距離が線幅のXNUMX倍を超える場合、線間の干渉は非常に弱く、基本的に無視できます。 さらに、グランドプレーンを介した絶縁も優れたシールド効果を提供します。 この構造は、CPW構造として知られる高周波（10G以上）ICパッケージPCB設計でよく使用され、厳密な差動インピーダンス制御（2Z0）を保証します。 1-8-19。

差動ルーティングは異なる信号層で実行することもできますが、インピーダンスや異なる層の貫通穴などの違いが差動モードの伝送効果を破壊し、コモンモードノイズを導入する可能性があるため、これは一般的に推奨されません。 さらに、隣接するXNUMXつの層が緊密に結合されていない場合、ノイズに抵抗する差動ルーティングの機能は低下しますが、周囲のルーティングと適切な間隔が維持されていれば、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、500メートルを超えて3Milsの距離にある差動線の放射エネルギー減衰は60dBに達しました。これは、FCCの電磁放射基準を満たすのに十分です。 したがって、設計者は、差動ラインの不十分な結合によって引き起こされる電磁的非互換性についてあまり心配する必要はありません。

3. サーペンタイン

曲がりくねった線は、レイアウトでよく使用されます。 その主な目的は、時間遅延を調整し、システムタイミング設計の要件を満たすことです。 設計者は、曲がりくねったワイヤが信号品質を破壊し、伝送遅延を変更することを最初に理解する必要があり、配線するときは避ける必要があります。 ただし、実際の設計では、信号の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、巻線を慎重に実行する必要があります。

では、蛇紋岩は信号伝達に何をするのでしょうか？ 行列を歩くときは何に注意すればいいですか？ 図２に示すように、２つの最も重要なパラメータは、平行結合長（Ｌｐ）および結合距離（Ｓ）である。 1-8-21。 明らかに、信号が曲がりくねった線で送信される場合、差分モードの形で平行線分間に結合があります。 Sが小さいほど、Lpが大きくなり、結合度が大きくなります。 これにより、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について第3章で説明したように、クロストークによる伝送遅延が減少し、信号品質が大幅に低下する可能性があります。

蛇紋石を扱う際のレイアウトエンジニア向けのヒントを次に示します。

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、信号線から基準面までの距離を表します。 一般的に言って、それは大きなカーブを取ることです。 Sが十分に大きい限り、結合効果はほぼ完全に回避できます。

2. 結合長Lpが減少すると、Lpの遅延が信号の立ち上がり時間にXNUMX回近づくか超えると、生成されるクロストークは飽和に達します。

3. 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蛇のような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それよりも小さい。 理論的には、差動モードのクロストークのため、リボンラインは伝送速度に影響を与えません。

4. タイミングが厳しい高速信号線の場合、特に狭い場所では曲がりくねった線を歩かないようにしてください。

5. 多くの場合、任意の角度での曲がりくねったルーティングを採用できます。 図１のＣ構造は、 1-8-20は、相互の結合を効果的に減らすことができます。

6. 高速PCB設計では、蛇行にはいわゆるフィルタリングや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、他の目的には使用されません。

7. スパイラル巻きが考えられることもあります。 シミュレーションは、その効果が通常の曲がりくねった巻線よりも優れていることを示しています。