現在使用されている多数のプリント基板のレイアウトと配線のガイドラインは、速度信号やデバイスであっても信号の完全性を確保することを目的としています。 シグナルインテグリティの問題に遭遇したことがなく、プリント基板の設計に慣れていない人にとって、レイアウト内の信号品質を保証するという考えは抽象的に見えるかもしれません。 ただし、簡単なレイアウトの実践は、最新の PCB が遭遇する可能性のある多くの問題を解決または防止するのに役立ちます。 信号品質の実践の主な目的は、プリント基板設計の問題を検出して修正することです。 これにより、相互接続を介した伝送中にデジタル/アナログ信号が破損せず、受信側で劣化なく取得できることが保証されます。

このガイドは、プリント基板のレイアウトで発生する可能性のあるシグナル インテグリティの問題と、それらに対処するための根本的な解決策を要約することを目的としています。 設計の初期段階でこれらの基本的なテクニックを組み込むことにより、配線プロセス全体を通じて信号の整合性を維持することがより簡単になります。

シグナルインテグリティの基礎

プリント基板のレイアウトと配線にシグナル インテグリティを適用する目的の核心は、信号が発信元から宛先まで伝送される際に信号が損なわれないことを保証することです。 簡単に言えば、目的は、相互接続の終点で取得される信号が、最初に最初に送信された信号を正確に表現していることを保証することです。 信号に歪みが完全になくなることはありませんが、いくつかの基本的な実践に従うことで信号の歪みを最小限に抑え、受信コンポーネントが常に正確な信号を検出できるようにすることができます。

回路図のキャプチャとフィルム スタックの設計段階から始めて、特定の設計手法を実装することで、この結果を保証できます。 適切なスタックアップ設計とグランド、電源、配線の仕上げ割り当てにより、信号の完全性、電源の完全性、および EMI/EMC に関する数多くの問題を解決できます。 さらに簡単な方法としては、適切なコンデンサの選択、インピーダンスの計算、単導体配線と差動配線の制約の理解などが挙げられます.

シグナルインテグリティについていつ考えるべきでしょうか?

すべての設計にはシグナルインテグリティの問題がありますが、通常、高速デジタル信号/高周波設計を使用しない限り、製品の機能に影響を与えたり、過剰なノイズを生成したりすることはありません。 このようなタイプの設計を扱う場合、考慮すべき問題がいくつかあります。

信号の反射を回避するには、正確なインピーダンス計算が重要です。
信号の高速スイッチング中に損失と分散が長時間発生する可能性があり、クロストークが発生する可能性があります。
余分な放射線損失は、電磁両立性テストにおいて重大なノイズとして現れる可能性があります。
デジタル信号に関しては、過剰なインダクタンスによって、オーバーシュート、アンダーシュート、グランド バウンスなどの問題が発生する可能性があります。
寄生により、高周波信号が結合し、劣化する可能性があります。
繊維の織り目はスキューや共振周波数の損失を引き起こし、信号のタイミングや完全性に悪影響を与える可能性があります。
ジッターは、ランダムな変動または SI/PI/EMI の問題により、デジタル信号で発生する可能性があります。
相互接続の距離に沿った銅の表面テクスチャにより、追加の損失が発生する可能性があります。
信号の完全性は、高速デジタル ボードによく見られる高周波や高速スイッチング速度を扱う場合、取り組むのが難しい問題となる可能性があります。 それにもかかわらず、これらの問題を防ぎ、設計の失敗を防ぐために、特定の簡単な設計措置を実装する必要があります。

スタックアップでシグナル インテグリティを開始する

信号の整合性を確保するには、明確に定義されたグランドを確立し、配線プロセス中に重要なトレースの近くに置くことが重要です。 これは、綿密に計画されたスタックアップを実装し、グランド プレーンと電源プレーンを慎重に選択し、信号層を適切に割り当てることで実現できます。 これらの手順を実行することで、ほとんどの電磁干渉 (EMI) および信号品質の問題に効果的に対処できます。 さらに、適切に設計されたスタックアップは、電力品質にもプラスの影響を与える可能性があります。

以下の積層図は、信号、電源、グランドの層を交互に使用する一般的な構成を示しています。 この場合、設計ではアナログ層の近くにグランド層を組み込み、シールドを実現し、グランドプレーンを確立し、インピーダンスライン（ストリップライン/マイクロストリップなど）の定義を容易にします。 反射を防止し、電磁干渉の放射と受信を最小限に抑え、さまざまな層の信号をシールドするには、明確に定義された配線インピーダンスと信号の近くにグランドを備えた低インピーダンスのリターンパスを確立することが有益です。

ストライプライン、マイクロストリップ、およびコプレーナ配置を介して伝送されるデジタル/アナログ信号の損失に対する層の厚さの影響は、広く認識されている現象です。 損失を軽減する 1 つの方法は、高速信号または高周波信号を伝送する信号コーティングの誘電体の厚さを慎重に選択することです。 トレースに適切な材料とメッキを選択することにより、特に正確な信号の完全性が要求されるミリ波レイアウトにおいて、非常に高い周波数での損失の低減を達成することができます。 これらの対策をまとめて実装すると、相互接続を介して最終宛先に送信する際の信号損失を最小限に抑えることができます。

シグナルインテグリティにおけるインピーダンスとルーティングの重要性

スタックを完成させ、重要なコンポーネントを配置した後、レイアウト プロセスではルートのトレースが必要になります。 信号の品質を確保し、高速チャネルの複雑さを防ぐために、ユーザー インターフェイスと高周波信号で採用されている信号規格で指定されているインピーダンス要件に従う必要があります。 配線中は、プリント基板上のトラックの主要な幾何学的特性に特に注意を払う必要があります。

最適なインピーダンスを実現するには、シングルエンド信号と差動信号を考慮する必要があります。
差動ペアでは、適切なインピーダンスを確保するために、一貫した間隔と長さのマッチング許容差が必要です。
信号ルート全体でタイトなパスを維持することは非常に重要であり、これは均一なプレーンと接地されたビアを使用することで実現できます。
特に 10 GHz 以上の周波数では、遷移と過度の曲げによる低減が重要です。
ビア スタブは、最速かつ最高周波数の信号ルートから削除する必要があります。
最初の 2 つのポイントは、経路に沿った静電容量が、適用可能な信号プロトコルで概説されている規定の設計値に準拠していることを保証することを目的としています。 3 番目のポイントは、高速信号によって定式化される信号電流のインダクタンスが最小限になるようにすることで、EMI とノイズ干渉を最小限に抑えることに関するものです。 最後の 2 つのポイントは、経路に沿ったインピーダンス変動の任意の点での損失とエコーの排除に焦点を当てています。

ビアやコネクタなどのコンポーネントの入力容量は、目的の値から異なる場合があります。 設計ルールは、設計プロセス中にこれらの仕様が確実に満たされるように実装されます。

プリント基板設計ソフトウェアの配線ツールを使用すると、配線仕様をレイアウト ルールに変換して、数、間隔、リターン パスによるインピーダンスの目標を確実に満たすことができます。 バックドリリングには、信号の完全性に影響を与える価格のトレードオフが発生します。 したがって、バックドリルの要件を軽減するために利用できる他の配線オプションがない場合の最後の手段として、高速デジタル信号にのみ適用する必要があります。

これらの手順を組み合わせることで、アイ パターン内のシンボル間干渉や適切に整合していない伝送路上の定在波など、反射によって生じる可能性のある問題に効果的に対処できます。

シグナルインテグリティの問題の特定

シグナルインテグリティの問題を検出するには、シミュレーション/測定のいずれかが必要です。 プロトタイプを作成する前に、潜在的な信号整合性の問題を検出して対処するために、設計段階でシミュレーションを実行することが望ましいです。 効果的なアプローチは、レイアウト用のテスト回路基板を作成し、大量生産に移行する前に測定できるようにすることです。 選択したアプローチに関係なく、大量作成のためにレイアウトを拡張する前に、信号品質の問題の特定を完了する必要があります。

配線中のシミュレーション

レイアウト段階では、特定の ECAD パッケージは、簡単なシミュレーションを通じてシグナル インテグリティの問題を検出できます。 クロストーク波形の計算とリンギングは、同時に実行できる 2 つの一般的なエミュレーションです。 通常、情報はデータシートで指定できます。 これらのシミュレーションを実行することにより、配線の過渡応答に対する終端と配線間隔の影響を理解できます。

ルーティング中に次のような追加の点を確認する必要があります。

アンダーシュートとオーバーシュート
スイッチング時の立ち下がり時間または立ち上がり時間
差動ペアとパラレルバスの両方に存在するスキュー
地面の連続性
高度な ECAD ソフトウェア パッケージとオンライン シミュレーション ツールを使用すると、PCB 設計プロセス中にこれらの点を検証できます。 設計をルーティングした後、電子設計自動化 (EDA) ツールでこれらの点を評価できます。 これにより、すべての相互接続上の信号がサウンドマージン内に留まることが保証されます。 また、受容体コンポーネントで認識される必要な応答も示します。

レイアウト プロセスの初期段階でこれらの問題を検出すると、多くの信号品質の問題の解決に役立ち、複雑で時間のかかる再設計の必要性がなくなる可能性があります。

PCB製造におけるシグナルインテグリティ

信号の完全性は高周波伝送線路の配線と密接に関係しており、効果的な配線技術はコンポーネントを慎重に配置することから始まります。 最初に、ボードの機能領域を特定します。 高周波回路に最短かつ直接的な信号トラックを提供する方法でコンポーネントを配置できます。 ただし、コンポーネントの配置を開始する前に、レイアウトのインピーダンス トレースを最適化する基板スタックアップを作成することが不可欠です。