電子設計 - PCB設計の高速化

ディジタルシステムの急速な発展, 送電線損失, これは以前は意味がないと考えられていた, 今では主要な懸念になっている PCB設計. クロック周波数が1 GHzより高いとき, 周波数依存の伝送損失の影響が実際に発生した, 特に高速シリアルインターフェース, 信号は非常に速い立ち上がり時間を持っている, そして、デジタル信号は、それ自身の繰り返し周波数より高い周波数エネルギーを運ぶことができる. これらのより高い高周波エネルギー構成要素は、理想的な高速変換デジタル信号を構成するために使用される. 今日の高速シリアルバスは、しばしばクロックレートの第5高調波に大きなエネルギー濃度を有する.

多くの高速デジタルアプリケーションがあります, 10 Gbitの速度で/S以上. これらの応用は、5 GHzの基本周波数および15 GHzの高調波を使用する, 25 GHz, etc. この周波数範囲, most common PCB materials have very significant differences in dielectric loss (Df), 深刻な信号完全性の問題を引き起こす. これが理由の一つです 高速ディジタルPCB 高周波用途向けに設計された特殊板の使用. これらの材料の定式化は、低損失係数を有し、広い周波数範囲にわたって最小の変化を有する. これらのプレートは、過去に高周波RF用途で使用されることが多く、今でも77 GHzおよびそれ以上の用途で使用されている. 誘電損失因子の改善に加えて, これらのプレートはまた、厳密な厚さ制御とDKの制御が装備されて, 信号の整合性を確保するために優れている.

2019年の台北・コンピュータショーで、AMDは第3世代Ryzen Ryzenプロセッサーをリリースしました。AMD - To - Learzの7ナノメートルCPUの性能に加えて、インテルを抑制し始めました。サポートのX 570チップセットもPCIE 4.0のサポートを導入しました。pcie 4.0 nvme ssdsも市場に導入され始め，2年後にはpcie 5.0仕様が発売されると予想される。

PCIE 5.0のデータレートは恐ろしい32 GT / sに達します。そして、それは周波数関連の挿入損失を悪化させます。選択されたPCB材料は、各領域の挿入損失に大きな影響を与える。

PCBを設計するとき、高速信号にボードの影響が考慮されないならば、古いドライバーも車をひっくり返します！

PCBボードを選択する際には、PCBの設計要件、大量生産、コストのバランスをとる必要がある。簡単に言えば、設計要件は電気的および構造的信頼性を含む。通常、ボードの問題は、非常に高速PCBボード（GHzよりも大きい周波数）を設計する際に重要です。例えば、一般的に使用されるFR−4材料は、数GHzの周波数で大きな誘電損失DF（誘電体）を有しており、適用できない場合がある。

高速ディジタル回路の動作速度は，pcb選択において考慮される主要な要因である。回路速度が高いほど、選択されたPCBのDF値は小さくなる。媒体及び低損失の回路基板は10 Gb／sディジタル回路に適しているより低い損失のボードは、25 GB / sデジタル回路に適しています;超低損失のボードはより速い高速デジタル回路に適しています、そして、率は50 GB / s以上でありえます。

材料DFから:

10 Gb / sのデジタル回路の上限に適した0.01

dfは0.005個の1／2から0.003の間にあり、回路基板の適切な上限は25 Gb／sのデジタル回路である

dfが0.0015を超えない回路基板は50 gb／s以上の高速ディジタル回路に適している。

高速PCBのためには，材料の選択と設計が信号伝送損失を最小化する設計時に信号完全性要件を満たしているかどうかを考慮する必要がある。

pcb伝送損失は主に誘電損失，導体損失，放射損失からなる。

高周波信号がドライバから長い伝送線に沿ってPCB上のレシーバに送信されるとき、誘電体材料の損失係数は信号に大きな影響を及ぼす。大きな散逸因子は高い誘電吸収を意味する。損失係数が大きい材料は長い伝送線路上の高周波信号に影響する。誘電吸収は高周波減衰を増加させる。

PCB用の最も一般的に使用される誘電体材料は、様々なプロセス条件の要件を満たすことができるエポキシ樹脂ガラス積層体を使用するFR－4である。FR - 4のCount - Rは4.1から4.5の間です。Getekは高速回路基板用の別の材料である。getekは3 . 6〜4 . 0のエポキシ樹脂である。

導体損失

材料中の電荷の流れはエネルギー損失を引き起こす。外部マイクロストリップ線路と内側ストリップラインの導体損失は2つの部分に分けられる。ここで言う直流は1 MHz以下の回路である。DC損失は一般に高速回路設計には適していないが、抵抗の低下は、マルチポイントシステム（例えばSODIMM DDR 3／4アドレスおよびコマンド制御バス配線）の論理レベルおよびノイズ耐性に影響を及ぼす。しかし、オンボードメモリは通常3インチ未満の信号ケーブル長を有する。このため、この問題は強調されない。

典型的な5ミル幅、1.4ミル厚（1 oz銅）、1インチの長い回路の場合、信号経路の抵抗は通常、直流電力が印加されると0.1オーム／インチである。銅および他のほとんどの金属のバルク抵抗率は、周波数が100 GHzに近づくまで一定である。いずれにしても、導体の周波数依存性をトリガーするのは表皮効果である。

交流電流はその周波数依存性に起因して抵抗または誘導導体損失を有する. 低周波で, いくつか PCBデザイナー think that resistance and inductance are the same as direct current, しかし、周波数が増加するにつれて, 伝送線路及び基準面の断面電流分布は不均一となり、導体30の外側に移動する. 皮膚効果のため, 電流は、銅の外面に入ることを強いられる, 損失の大幅な増加. 電流の再分布は抵抗を増加させ、単位長さ当たりのコイルインダクタンスを減少させる. 周波数が1 GHz以上になるにつれて, 抵抗は増加し続けている, そしてコイルインダクタンスは限界値に達し、外部インダクタンスとなる. 周波数が高い, 導体の外側表面に電流が流れる傾向が大きい. AC抵抗は、周波数がある点まで上昇するまでDC抵抗にほぼ等しくなる, それで, 皮膚の深さが導体の厚さより小さいとき.