マイクロ波技術 - 高周波および高密度PCBレイアウト設計の考慮事項

現在のデバイスは高速、低消費電力、小型、高耐干渉の方向に発展している。PCB設計は電子製品設計の重要な段階である。電子部品間の接続と機能を実現することができ、電源回路設計の重要な構成部分でもある。高周波回路は集積度が高く、レイアウト密度が高いため、高速高密度マザーボードのレイアウトをより合理的かつ科学的にする方法は非常に重要です。

高速PCBレイアウト設計の考慮事項

電気回路図を設計する際には、構造要件と機能に基づいて複数の機能モジュールボードを分割して使用し、各機能ボードPCBの物理的なサイズと設置方法を決定しなければならない。デバッグとメンテナンスの利便性、シールド、放熱、EMI性能も考慮する必要があります。

レイアウトを計画する際には、重要な回路、信号線、配線方法の詳細、および従う配線の原則などのレイアウトスキームを決定する必要があります。PCB設計過程におけるいくつかのステップの検査、分析、修正を通じて。レイアウトプロセス全体が完了したら、さらに設計する前に統合規則をチェックするのは問題ありません。

多層PCBレイアウト設計について：

高周波回路は通常高度に集積され、高密度配線設計を有する。そのため、多層板を使用することは、主に干渉を低減するために必要であり、有効な手段である。PCB配置段階では、中間層を十分に利用して設計するために、回路基板のサイズと階数を合理的に計画する必要があり、これは接地処理を行うことができ、寄生インダクタンスを効果的に低減し、信号伝送長を短縮するだけでなく、信号などの要素を大幅に削減することができる。交差干渉などの利点があり、上述の方法は高周波回路の信頼性設計に有利である。同じシートを使用しても、4層板のノイズは2面板より20 dB低い。しかし、PCB層数が多いほど、製造プロセスが複雑になり、コストが高くなるという問題もある。このため、PCBレイアウトでは、適切なPCB層数を選択するほか、合理的な素子レイアウトを行う必要があります。適切なルーティング規則を計画し、使用して設計を完了します。

多層PCBレイアウトの設計をめぐって、以下の8点を述べる：

多層PCBレイアウト設計

1.高周波回路層間のピンの交差リードは少ない方がよい。

これは、接続に使用されるViaが少ないほど良いことを意味します。なぜなら、Viaは0.5 pFの分布容量をもたらし、Viaの数を減らすことで応答速度を高め、データエラーの可能性を下げることができるからだ。

2.高周波回路ピン間のリード線は短いほど良い。

信号の放射強度は信号線の配線長に比例する。高周波信号の配線が長いほど、装置に接続しやすくなります。そのため、信号クロック、水晶発振器、DDRデータ、LVDS、USB、HDMIなどの高周波信号線については、配線長が短いほど良く、空間があればパッケージが必要になる。

3.高周波電子機器において、ピン間の配線曲がりは小さいほど良い。

高周波リードは直線を使用することが望ましい。曲げが必要な場合は、45度配線または円弧配線を使用することができます。この要求は低周波回路における銅箔の結合強度を高めるためにのみ使用され、高周波回路においては、この要求を満たすことで高周波信号間の反射と結合干渉を低減することができる。

4.平行配線と近距離信号線に導入される「クロストーク」に注意する。

高周波回路配線については、近距離平行信号線が導入する「クロストーク」に注意しなければならない。クロストークとは、直接接続されていない信号線同士の結合現象を指す。高周波信号は電磁波の形で伝送路に沿って伝送されるため、信号線はアンテナとして機能し、電磁界のエネルギーは伝送路の周りで放出される。電磁場の結合により、信号間に不要なノイズ信号をクロストークと呼ぶ。PCB層のパラメータ、信号線のピッチ、送信及び受信端子の電気特性及び信号線の接続方式はクロストークに一定の影響を与える。そのため、

（1）2本の電線間に深刻なクロストークが存在する場合、配線空間が許可されている場合、2本の電線間に接地線または接地面を挿入することができ、これはクロストークを隔離し、低減する役割を果たすことができる。

（2）信号線の周囲の空間自体に可変電磁場がある場合、平行分布を避けることができなければ、平行信号線の反対側に大面積の「地線」を設置することができ、干渉を大幅に減らすことができる。

（3）配線空間が十分であることを前提として、隣接信号線間の空間を増やし、信号線の平行長を減らすことができる。クロック線は、キー信号線に垂直であり、平行ではありません。

（4）同一層中の平行線がほとんど避けられない場合、隣接層中で互いに垂直でなければならない。

（5）デジタル回路において、通常のクロック信号は高速なエッジ変化信号であり、外部クロストークは非常に大きい。そのため、設計において、クロック線を接地し、接地線のためにより多くの空間を残し、分布容量を減少させ、クロストークを減少させることを提案する。

（6）高周波信号クロックはできるだけ低圧差動クロック信号を使用し、穿孔の完全性に注意しなければならない。

（7）足を宙に浮かすのではなく、電源を接地したり接続したりします。なぜなら、宙に浮いた線は送信アンテナに相当する可能性があり、接地は送信などを抑制するからです。

5.高周波デジタル信号の地線とアナログ信号の地線は分離しなければならない。

アナログ接地線、デジタル接地線などを共通接地線に接続する場合は、高周波チョーク磁気ビーズを使用して接続するか、直接隔離し、適切な単一点接続を選択します。接地線の接地電位の高周波デジタル信号は一致せず、両者の間に直流電圧差が存在し、高周波デジタル信号接地線は多く含まれることが多い。デジタル信号に直接接続すると、高周波信号接地高調波成分信号とアナログ信号が接地される。高周波信号高調波は、接地を介してアナログ信号と干渉結合する。そのため、通常の場合、高周波デジタル信号の地線とアナログ信号の地線は分離され、デジタル地線とアナログ地線の間のクロストークを避けるべきである。

6.ICモジュール電源ピンの高周波デカップリング容量を増加させる。

各ICモジュールの電源ピン付近に高周波デカップリングコンデンサを追加する。ICモジュールの電源ピンの高周波デカップリング容量を増加させることで、高周波高調波による電源ピンへの干渉を効果的に抑制することができる。

7.配線時に回路を避ける。

配線時には、各種の高周波信号は回路を形成してはならない。避けられない場合は、回路面積はできるだけ小さくしてください。

8.重要な信号はインピーダンス整合要求を保証しなければならない。

伝送中、インピーダンスが一致しない場合、信号は伝送チャネルで反射され、合成信号がオーバーシュートし、信号が論理閾値付近で変動することになる。反射を除去するための基本的な方法は、送信信号のインピーダンスをうまくマッチングさせることです。負荷インピーダンスと伝送路の特性インピーダンスの差が大きく、反射も大きいため、信号伝送路の特性インピーダンスはできるだけ負荷とインピーダンスに等しくなければならない。同時に注意しなければならないのは、PCB上の伝送路が突然変化したり曲がったりすることはできず、伝送路の各点間のインピーダンスをできるだけ連続的に維持しなければ、伝送路の各段間に反射が生じることになる。高速PCB配線を行う場合は、次の配線規則に従う必要があります。

（1）LVDS配線規則。LVDS信号は差動経路を必要とし、線幅は7ミル、線間隔は6ミルである。

（2）USB配線規則。差分布線にはUSB信号が必要で、線幅は10 ml、線間隔は6 mil、地線と信号線間隔は4 milである。

（3）HDMI配線規則。HDMI信号差分布線が必要で、線幅は10 ml、線間隔は6 milで、2組のHDM 1差分信号の間の間隔は20 milを超えている。

（4）DDR配線規則。DDR配線にはできるだけ信号を穿孔しないことが必要です。信号線は同じ幅を持ち、線間隔は等しい。配線は信号間のクロストークを低減するために3 Wの原則に合致しなければならない。

信号間のクロストークを低減

上記の設計方法に加えて、高周波信号はルーティング時に大きな電磁放射を受けやすい。エンジニアはPCBを配線する際に、高速信号分岐や切り株配線をできるだけ避けなければならない。高周波信号線が電源と地上の間に接続されていると、電源と底層に吸収された電磁波による放射線が大幅に減少します。簡単に言えば、高周波回路は通常、高度な集積度と高配線密度を有する。多層板の使用は干渉を低減するために必要であり、有効な手段である。PCBレイアウト段階では、ある層のプリント基板のサイズを合理的に選択し、中間層を十分に利用してシールドを設置し、接地面に近いことをよりよく実現しなければならない。