PCBニュース - どのように我々は完璧なPCBボードを設計できますか？

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The 二つ メジャー 困難 イン the フィールド of マイクロエレクトロニクス エーre the 処理 of 高周波 シグナル エーnd 弱い シグナル. イン この 尊重する, the レベル of PCB 生産 is 特に 重要. The 同じ 原理 デザイン, the 同じ コンポーネント, エーnd PCBs 生産 そば 異なる 人々 有 異なる 結果., So ハウ 缶 我々 メイク エー グッド PCBボード? ベース on 我々 過去 経験, I would ライク to トーク アバウト マイ 見解 on the folロウインg アスペクト

明確な設計目標

受信 エー デザイン タスク, 我々 必須 ファースト 明確化 ITS デザイン ゴール, かどうか it is エーn 普通 <エー href="エー_href_0" tエーrget="_bl安k">PCBボード, エー 高周波PCBボード, a 小さい シグナル 処理 PCBボード or a PCBボード with 両方 高い 頻度 安d 小さい シグナル 処理. If it is an 普通 PCBボード, エーS ロング AS the レイアウト and 配線 are 妥当 and きちんとした, and the 機械 寸法 are 正確, if there are 中 負荷 ライン and ロング ライン, 確か 措置 必須 ビー 使用 to 減らす the 負荷, and the ロング ライン 必須 ビー 強化 to ドライブ, and the フォーカス is to 防止 ロング ライン 反射. 時 there are シグナル ライン 超える 40 MHz on the 板, スペシャル 考慮 should ビー メイド to これら シグナル ライン, such AS クロストーク の間 ライン. If the 頻度 is 高い, there is a 狭窄 限界 on the 長さ of the 配線. Accordインg to the ネットワーク 理論 of 分散 パラメータ, the インタラクション の間 the 高速 回路 and ITS 配線 is a 決定的 因子 and できない ビー 無視 イン システム デザイン. AS the ゲート 伝送 スピード 増加, the 反対 on the シグナル ライン 意志 増加 従って, and the クロストーク の間 隣接する シグナル ライン 意志 増加 比例的に. 一般に, the パワー 消費 and ヒート 放散 of 高速 回路 are also 非常に ラージ, so 高速 PCBs are 存在 メイド. 十分 注意 should ビー 有料.

ミリボルトまたはマイクロボルトレベルの弱い信号がボード上にあるとき、これらの信号線は特別な注意を必要とする。小さい信号は弱すぎて、他の強い信号からの干渉に非常に影響されやすい。遮蔽対策はしばしば必要である。さもなければ、それらは信号対雑音比を大いに減らす。その結果、有用な信号はノイズによって沈静化され、効果的に抽出することができない。

委員会のコミッショニングも設計段階で考慮すべきである。テストポイントの物理的位置、テストポイントの分離および他の要因は無視されることができない。なぜならば、若干の小さいシグナルおよび高周波シグナルは直接測定のためのプローブに添加されることができない。

イン 追加, その他 関連 因子 should ビー 考慮, such AS the 数 of レイヤー of the 板, the パッケージ 形状 of the コンポーネント 使用, and the 機械 強さ of the 板. 以前 メイキング a PCBボード, あなた 必須 有 a グッド 考え of the デザイン ゴール for the デザイン.

二つ。使用するコンポーネントの機能のレイアウトとルーティング要件を理解する

LOTIとAPHによって使用されるアナログ信号増幅器のようなレイアウトとルーティングに特別な要件がいくつかの特別なコンポーネントを持っていることを私たちは知っています。アナログ信号増幅器は、安定した電源および小さなリップルを必要とする。可能な限りパワーデバイスから遠く離れたアナログ小信号部分を保ってください。otiボードでは，小信号増幅部もまた，シールド電磁シールドをシールドするシールドカバーを備えている。ntoiボードに使用されているglinkチップは，ecl技術を使用しており，多くの電力を消費し発熱を生じる。レイアウトにおける放熱問題に特別な考慮が必要である。自然の放熱が使用されるならば、GLinkチップは比較的スムーズな空気循環で場所に置かれなければなりません。そして、放射される熱は、他のチップに大きな影響を与えません。ボードがスピーカーまたは他の高出力装置を備えているならば、それは電源に重大な汚染を引き起こすかもしれません。この点も十分注意しなければならない。

三つ。コンポーネントレイアウト問題

構成要素のレイアウトにおいて考慮されなければならない第1の要因は電気的性能である。いくつかの高速線のために、特に、電源信号と小さな信号装置をレイアウトするとき、できるだけ短くそれらを作る。分離する。回路の性能を満たす前提では、コンポーネントをきちんとして美しく、簡単にテストする必要があります。ボードの機械的サイズとソケットの位置も注意深く考慮する必要があります。

高速システムにおける配線の接地と伝送遅延時間は，システム設計において考慮すべき第一の要因でもある。信号線の伝送時間は、システム全体の速度、特に高速ECL回路に大きな影響を与える。集積回路ブロック自体が非常に高速であるが、それはバックプレーン上の通常の相互接続ラインの使用のためである。シフトレジスタおよび同期カウンタのような同期作動部品は、同じプラグインボード上で最もよく配置される。なぜなら、異なるプラグインボード上のクロックは信号伝送遅延時間が等しくないので、シフトレジスタが大きなエラーを発生させることがあるからである。それが1台のボードに置かれることができないならば、同期がキーであるところで、各々のプラグイン・ボードに共通の時計源からのクロック線の長さは等しくなければなりません。

第四に配線の考察

OTNIとスター光ファイバネットワークの設計が完了すると、将来的に設計される必要がある100 MHz以上の高速信号線を持つボードが多くなる。高速線の基本概念を紹介した。

伝送線路

プリント回路基板上の任意の「長い」信号経路は一種の伝送線路とみなすことができる。ラインの伝送遅延時間が信号立上り時間より非常に短い場合、信号立上り期間の間に生じる主反射は、沈没する。オーバーシュート、反跳とリンギングはもはや存在しません。現在のMOS回路の大部分については、立ち上がり時間とライン伝送遅延時間との比が非常に大きいため、トレースは信号歪みのないメータほど長くなる。より速い論理回路のために、特に超高速ECL。

集積回路の場合、エッジ速度の増加のため、他のいかなる処置もとられない場合、シグナルの完全性を維持するためにトレースの長さを大幅に短くしなければならない。

高速回路を重大な波形歪みなしで比較的長い線に作用させる2つの方法がある。TTLは高速立ち下がりのショットキーダイオードクランプ方式であり、オーバーシュートはグランド電位より低いダイオード電圧降下にクランプされる。これにより、バックラッシュの振幅が小さくなる。より低速の立ち上がりエッジはオーバーシュートを可能にするが、この回路の比較的高い出力インピーダンス（50 m×1×80°）によって減衰される。加えて、レベル「H」状態のより大きい免疫のために、キックバック問題は非常に顕著でない。HCTシリーズデバイスについては、ショットキーダイオードクランプおよび直列抵抗終端法が組み合わされた場合、効果がより明白になる。

信号線に沿ってファンアウトがある場合、上記のTTL成形方法は、より高いビットレートおよびより速いエッジレートでいくぶん不十分であるように見える。線に波が反射しているので、高いビットレートで合成される傾向があり、深刻な信号歪みと干渉防止能力を低下させる。このため、反射問題を解決するためには、通常、ECL方式のラインインピーダンス整合法が用いられる。このようにして、反射を制御することができ、信号の完全性を保証することができる。

厳密に言えば、従来のTTL及びCMOSデバイスは、エッジ速度が遅いので、伝送ラインは非常に必要とされない。エッジ速度が速い高速eclデバイスでは，伝送線路は必ずしも必要とされない。しかし，伝送線路を用いる場合，接続遅延を予測し，インピーダンス整合を介して反射と振動を制御する利点がある。1

伝送線路を使用するかどうかの5つの基本的な要因がある。システム信号のエッジ率、（2）接続距離（3）容量負荷（どれだけのファンアウト）、（4）抵抗負荷（回線終端方法）；（5）バックラッシュ及びオーバーシュートの割合（AC免疫の低下度）を許容する。

いくつかのタイプの伝送線

1）同軸ケーブルとツイストペア：システム間の接続でしばしば使用される。同軸ケーブルの特性インピーダンスは通常50〜75 & acd ; 75 & acd ;で、ツイストペアは通常110アンペアである。

プリント基板上のマイクロストリップライン

マイクロストリップラインはストリップ導体（信号線）である。誘電体は、それをグランドプレーンから分離するために用いる。ラインとグランドプレーンとの間の厚み、幅および距離が制御可能である場合、その特性インピーダンスも制御することができる。マイクロストリップ線路の特性インピーダンスZ 0は以下の通りである。

イン the フォーミュラ [Er is the 相対 誘電率 of the 印刷 板 誘電体 材料

図( 6 )は、誘電体層16の厚さである

w行の幅です

Tは線の厚さです

単位長さあたりのマイクロストリップ線路の伝送遅延時間は誘電率に依存し、線幅や間隔とは関係ない。

プリント板のストリップライン

ストリップラインは、2つの導電面間の誘電体の真ん中に置かれた銅ストリップラインである。ラインの厚さと幅、媒体の誘電率、および2つの導電面間の距離が制御可能である場合、ラインの特性インピーダンスも制御可能である。ストリップ線路の特性インピーダンスBは以下の通りである。

ここで b is the ディスタンス の間 二つ グラウンド 板

w行の幅です

Tは線の厚さです

同様に、単位長あたりのストリップラインの伝送遅延時間は、ラインの幅または間隔とは無関係であるそれは、使用される媒体の比誘電率に依存するだけである。

非終端伝送線路

線遅延時間が信号立上り時間よりもはるかに短い場合、伝送線路は直列終端または並列終端なしで使用することができる。非終端のワイヤが往復遅延（パルスが1度伝送線に1回移動するのにかかる時間）を有する場合、信号の立上り時間は短いので、非終了に起因するキックバックは論理的スイングの約15 %である。最大開口長は約：

Lmaxは、1 / 4 tr / 2 TPDを起こします

ここで、trは立ち上がり時間です

TPDは単位線長あたりの伝送遅延時間である

伝送線路を終了する

ラインの受信端において、ラインの特性インピーダンスに等しい抵抗は終了するために使用される。主に分散負荷の駆動を含む最良の電気性能を得るために使用される。

時々消費電力を節約するために、104キャパシタが終端抵抗器に直列に接続され、AC終端回路を形成し、これによりDC損失を効果的に低減することができる。

抵抗器は、ドライバおよび伝送線の間で直列に接続される。そして、ラインの端末はもはや終端抵抗器に接続していない。この終了方法をシリーズ終了と呼ぶ。長い線の上のオーバーシュートとリンギングは、直列減衰または直列終了技術によって制御されることができます。直列減衰は、駆動ゲートの出力と直列に接続された小さな抵抗（一般的に10〜75アンペア）を使用することによって達成される。このダンピング方法は、特性インピーダンスが制御されるライン（バックプレーン配線、グランドプレーンのない回路基板、及び最も多くの巻線等）と組み合わせて使用される。

直列終端では、直列抵抗の値と回路（駆動ゲート）の出力インピーダンスとの和は伝送線路の特性インピーダンスに等しい。直列接続端配線は、端子に集中負荷を用いることができ、伝送遅延時間が長いという欠点がある。しかし、これは冗長直列直列伝送線路を使用することによって克服することができる。

いくつかの終了方法の比較

並列接続と直列接続の両方の利点があります。どちらを使うか、両方がデザイナーの好みとシステム要件に依存します。並列接続の主な利点は、システムが高速であり、信号が歪みなしでライン上で送信されることです。長線上の負荷は、長線を駆動する駆動ゲートの信号遅延時間と信号エッジ速度に影響を与えず、長線に沿った信号の伝送遅延時間を増加させる。大規模ファンを運転するとき、負荷は、直列終端のようにライン上に負荷を集中させなければならない端子の代わりに、短い分岐線に沿って分配することができる。

直列終端法は、回路にいくつかの並列負荷ラインを駆動する能力を有する。直列端子配線の容量負荷による遅延時間の増加は、対応する並列端子配線の約2倍であり、容量性負荷による短絡である。速度が遅くなり、ドライブゲートの遅延時間が増加する。しかし、直列接続のクロストークは並列接続のクロストークよりも小さい。主な理由は、直列接続に沿って伝送される信号の振幅は、論理スイングの半分だけであるということである。スイッチング電流は並列終端のスイッチング電流の半分であり，信号エネルギーは小さく，クロストークは小さい。

PCB基板配線技術

PCBを作るとき、両面基板または多層基板を選択するかどうかは、最高動作周波数、回路システムの複雑さ、およびアセンブリ密度の要件に依存する。クロック周波数が200 MHzを超えると多層基板を選択するのがベストである。動作周波数が350 MHzを超えると、その高周波減衰が小さく、寄生容量が小さく、伝送速度が速くなるので、PTFEを用いたプリント配線板を選択するのがベストである。プリント基板の配線には以下の原理が必要である

（1）信号伝送線路を設計する場合、伝送線路の特性インピーダンスの急激な変化による反射を防止するために、急激なターンを避ける。あるサイズで均一なアークラインを設計してみてください。

（2）全ての並列信号線間にできるだけ多くのスペースを保ち、クロストークを低減する。近接している2本の信号線がある場合、シールドの役割を果たすことができる2本のワイヤの間に接地線を動かすのがベストである。

プリント配線の幅は、上述したマイクロストリップラインとストリップラインの特性インピーダンス計算式により算出することができる。プリント基板上のマイクロストリップ線路の特性インピーダンスは、通常50〜120アンペアである。大きな特性インピーダンスを得るためには、線幅は非常に狭いに違いない。しかし、非常に細い線は作るのが簡単でありません。種々の要因を考慮すると、68 mm×の特性インピーダンスが遅延時間と消費電力の間の最良のバランスを達成することができるので、一般に、約68アンペアのインピーダンス値を選択することが適切である。送電線が50キロメートルの送電線は、より多くの力を消費します;もちろん、より大きなインピーダンスは消費電力を減らすことができるが、それは伝送遅延時間を増加させる。負の線容量は伝送遅延時間を増加させ、特性インピーダンスを低下させる。しかし、非常に低い特性インピーダンスを有するライン・セグメントの単位長さ当りの固有容量は比較的大きいので、伝送遅延時間および特性インピーダンスは負荷静電容量の影響を受けない。適切に終端された伝送ラインの重要な特徴は、短いブランチラインがライン遅延時間に影響を及ぼさないべきであるということである。Z 0が50アンペアであるとき。分岐スタブの長さは2.5 CM以下にする必要がある。ためには大きな音を避けるために。

（4）ボード上に小さな信号増幅器があれば、増幅前の弱い信号線は強い信号線から遠く離れていなければならず、トレースはできるだけ短くなければならず、可能であれば、接地線を使用してシールドする。

（5）リレー、インジケータ、スピーカ等のプリント回路基板に高電流素子があれば、グランド配線を分離してグランド配線のノイズを低減する。これらの高電流デバイスの接地線は、プラグインボードおよびバックプレーン上の独立したグラウンドバスに接続しなければならない。そして、これらの独立した接地線はまた、システム全体の接地点に接続されるべきである。

（6）両面基板（6層板の4層）である。回路基板の両側のラインは相互誘導によって生じる漏話を防止するために互いに垂直でなければならない。