PCBブログ - どのように良いPCBボードですか

誰もが知っている PCBボード 設計された回路図を実際のプリント回路基板に変えること. このプロセスを過小評価してください. 工学では実現するのが難しいが、原理的に働くものが多い, または他の何を達成することができます, 他には, それで、Aを作るのは難しくありません PCBボード, しかし、Aの良い仕事をすることは、簡単なことでありません PCBボード. マイクロエレクトロニクスの分野における2つの大きな困難は高周波信号と弱信号の処理である. この点で, レベル PCBボード 生産は特に重要である. 同じ原理設計, 同じ構成要素, と PCBボード異なる人々によって生み出されるsは、異なる特徴を持ちます. では、どうすれば良いのですか PCBボード? 過去の経験に基づいて, I would like to talk about my views on the following aspects:

1. To clarify the design goals
When receiving a design task, まず第一に, 設計目標を明確にする必要がある, それが普通かどうか PCBボード, a 高周波PCBボード, 小信号処理 PCBボード, または PCBボード 高周波と小信号処理の両方で. 普通ならば PCBボード, レイアウトと配線が合理的で、きちんとしている限り, そして、機械の寸法は正確です, 中負荷ラインと長線があれば, 負荷を減らすために、ある方法を使用しなければならない. ボード上に40 MHz以上の信号線があるとき, これらの信号線に特別な配慮をすべきである, 線の間のクロストークのような. 頻度が高いならば, 配線の長さには厳しい制限がある. 分布定数のネットワーク理論による, 高速回路と配線の相互作用は決定的要因である, システム設計では無視できません. ゲート伝送速度の増加に伴い, したがって、信号線の反対は増加するでしょう, そして、隣接する信号線間のクロストークは、比例的に増加する. 通常, 高速回路の消費電力と放熱性も大きい. 高速PCBを作るときは、ボードに十分な注意を払うべきです. ボード上のミリボルトレベルまたはマイクロボルトレベルの弱い信号があるとき, これらの信号線には特別な注意が必要である. 小さい信号が弱すぎるので, 他の強い信号に干渉するのは非常に簡単です, シールド対策はしばしば必要です. 大幅に信号対雑音比を減らす. 結果的に, 有用信号は雑音に圧倒され効果的に抽出できない. 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な位置やテストポイントの分離などの要因は無視できません, いくつかの小さな信号と高周波信号が直接測定用プローブに追加できないので. 加えて, その他の関連要因を検討すべきである, 板の層の数のような, 使用するコンポーネントのパッケージ形状, 板の機械的強度. 作る前に PCBボード, デザインの設計目標を知る必要がある.

2. Understと function of the components used for the layout and wiring requirements
We know that some special components have special requirements for layout and wiring, LOTIとAPHで使用されるアナログ信号増幅器のような. 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. アナログ小信号部分は、できるだけ電力装置から遠ざかるべきである. Otiボード上で, 小信号増幅部はまた、特にシールド電磁シールドをシールドするために遮蔽カバーを備えている. NTOIボードに使用されるGLinkチップはECLプロセスを採用している, それは多くの力を消費し、熱を発生させる. レイアウト中の放熱問題に特別な考慮を与えなければならない. 自然の放熱が使われるならば, GLinkチップは、空気循環が比較的滑らかな場所に置かなければならない., そして、放熱されることは、他のチップに大きな影響を及ぼすことができません. 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, それは電源に深刻な汚染を引き起こす可能性があります, また、十分な注意を払う必要があります.

3. Consideration of component layout
One of the first factors to be considered in the layout of components is the electrical performance. 配線に密接に関連している部品は、できるだけ多く一緒に置くべきである. 特に高速線のために, レイアウトはできるだけ短いはずです. 電力信号と小さな信号装置が分離する. 回路性能を満足する前提について, また、部品はきちんと、美しく配置されることを考慮する必要がある, テストに便利. 板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る. 高速システムにおける相互接続の接地遅延伝搬時間はシステム設計における最初の考察である. 信号線の伝送時間はシステム全体の速度に大きな影響を及ぼす, 特に高速ECL回路. 集積回路ブロック自体の速度は非常に高いけれども, due to the use of ordinary interconnecting lines on the backplane (about 30 cm in length). 2ns delay) increases the delay time, システムの速度を大幅に減らすことができる. シフトレジスタや同期カウンタなどの同期動作コンポーネントは同一ボード上に配置される, 異なるボードに対するクロック信号が伝送遅延時間であるので、等しくない, シフトレジスタのマスターエラー. それが1枚の板に置かれることができないならば, 共通のクロック源から各プラグインボードへのクロックラインの長さは、同期が重要な場所で等しくなければならない.

4. The consideration of wiring
With the completion of the design of OTNI and star fiber network, 100 MHz以上の高速信号線を持つボードは今後も設計される. 高速線の基本概念を紹介する.
伝送ライン：プリント回路基板上の任意の「長い」信号経路は伝送線路とみなすことができる. 線の伝搬遅延時間が信号立上り時間よりずっと短いなら, 信号の上昇の間に発生した反射は. オーバーシュート, キックバックとリンギングはもう存在しない. 電流MOS回路の大部分は, 立ち上がり時間とライン伝送遅延時間との比は、より大きい, トレースは、信号歪みなしでメートルで測定することができます. 高速論理回路, 特に超高速. 集積回路, エッジ速度の増加のため, 他の処置がとられないならば, 信号の完全性を維持するためにトレースの長さを大幅に短縮しなければならない. 高速な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は高速落下エッジ用のSchottkyダイオードクランプを使用する, オーバーシュートが接地電位以下のダイオード降下にクランプされるようにする. これは、次のキックバックの大きさを減らします, 遅い立ち上がりエッジはオーバーシュートを可能にする, but it is attenuated by the relatively high output impedance (50-80Ω) of the circuit in the level "H" state . 加えて, レベル「H」状態の高い免疫のために, 反跳問題はあまり目立たない. HCTシリーズデバイス用, ショットキーダイオードクランプおよび直列抵抗終端方法が使用される場合, 改善は改善される. 効果は、より明白です. より高いビットレートとより速いエッジ率で, 信号線に沿ってファンアウトがあるとき、上で説明されるTTL成形方法はいくぶん不十分です. 線の反射波のせいで, 彼らは高いビットレートで結合する傾向がある, 厳しい信号歪みを引き起こし、干渉に対する免疫を減らす. したがって, 反射問題を解くために, 別の方法は、通常、ECLシステムで使用される. このように、反射は制御されることができて、シグナル完全性を保証できます. 厳密に言えば, 遅いエッジ速度を有する従来のTTLおよびCMOSデバイスについて, 伝送線路は必要ない. 高速エッジ速度を有する高速ECLデバイスについて, 伝送線路は必ずしも必要ではない. しかし、送電線を使うとき, ワイヤの遅延を予測し、インピーダンス整合を通して反射と振動を制御できる利点がある.

4.1 There are five basic factors for deciding whether to use a transmission line:
They are: (1) Edge rate of system signal, (2) Wiring distance (3) Capacitive load (how much fan-out), (4) Resistive load (line termination method); (5) Allowable Percent kickback and overshoot (reduction in AC immunity).

4.2. Several types of transmission lines
(1) Coaxial cable and twisted pair: They are often used in the connection between systems. 同軸ケーブルの特性インピーダンスは通常50, ツイストペアは通常110.
(2) Microstrip line on the printed circuit board: The microstrip line is a strip conductor (signal line) separated from the ground plane by a dielectric. 厚みならば, width, そして、ラインのグランドプレーンからの距離は、制御可能である, その特性インピーダンスも制御可能である.
(3) Stripline in the printed board: The stripline is a copper stripline placed in the middle of the dielectric between two layers of conductive planes. 線の太さと幅, 媒体の誘電率, そして、2つの伝導のプレーン間の距離は、制御可能である, 次に、ラインの特性インピーダンスも制御可能である.

4.3 Terminate the transmission line
When the receiving end of a line is terminated with a resistance equal to the characteristic impedance of the line, 伝送線路は並列終端線路と呼ばれる. 電気性能を得るために主に用いられる, 駆動分散負荷を含む. 電力消費を節約するために時々, 104のコンデンサは、終端抵抗器と直列に接続されてAC終端回路104を形成する, これは効果的にDC損失を減らすことができます. 抵抗器は、ドライバと伝送ラインの間に直列に接続される, そして、ラインの終わりは、終端抵抗器にもはや接続されません. この終了方法を直列終端と呼ぶ. オーバーシュートとロングラインのリンギングは、直列減衰または直列終端技術で制御することができる. Series damping is achieved using a small resistor (usually 10 to 75 Ω) in series with the output of the drive gate. This damping method is suitable for Used in conjunction with lines whose characteristic impedance is controlled (such as backplane wiring, 接地面のない回路基板, そして、ほとんどのワイヤーラップ, etc.). The value of the series resistance and the output impedance of the circuit (drive gate) when terminated in series is equal to the transmission line. 特性インピーダンス. 直列終端配線は、終端において集中負荷を使用し、長い伝搬遅延時間だけを使用するという欠点を有する. しかし, これは冗長直列終端伝送線路を使用して克服することができる.

4.4 Unterminated transmission line
Transmission lines can be used without series or parallel termination if the line delay time is much shorter than the signal rise time, if the round-trip delay (the time the signal takes to travel back and forth on the transmission line) for an unterminated line is longer than for a pulsed signal If the rise time is short, 非終了によるキックバックは、ロジックスイングの約15 %である.

4.5 Comparison of several termination methods
Both parallel terminal wiring and series terminal wiring have their own advantages. どちらを使うか, または, デザイナーの好みとシステム要件に依存します. 並列終端配線の主な利点は、システムの高速化と、ワイヤ上の信号の完全で歪みのない伝送である. 長いライン上の負荷は、長いラインを駆動するドライブゲートの信号遅延時間およびその信号エッジ速度に影響しない, しかし、長い線に沿った信号の伝搬遅延時間を増加させる. 大ファンを運転するとき, 負荷は、直列終端のように負荷を一緒に集中させなければならない端子の代わりに分岐スタブを通してラインに沿って分配することができる. 直列終端法は、回路がいくつかの並列負荷ラインを駆動することを可能にする. 直列終端ラインの容量性負荷に起因する遅延時間の増加は、対応する並列終端ラインの約2倍である, 短い線は容量負荷によるエッジを持つ. 速度が遅くなり、駆動ゲート遅延時間が増加する, しかし, 直列終端されたワイヤのクロストークは、平行終端ワイヤ1のクロストークよりも小さい, 主に、直列に終端されたワイヤに沿って伝送される信号の振幅は、ロジック・スウィングの, したがって、スイッチ電流も並列終端スイッチ電流の半分である, 信号エネルギーは小さく、クロストークは小さい. Aを作るとき、両面または多層ボードを選ぶかどうか PCBボード 動作周波数に依存する, 回路系の複雑さと組立密度の必要条件. クロック周波数が200 MHzを超えると多層基板を選択. 動作周波数が, 誘電体層としてPTFEを有するプリント回路基板が選択される, 高い周波数減衰が小さいので, 寄生容量は小さい, そして、伝送速度はより速いです. 消費電力を節約する, the following principles are required for the wiring of the printed circuit board:
(1) There should be as much space as possible between all parallel signal lines to reduce crosstalk. 互いに近接している2つの信号線があるならば, 両線の間に接地線を走らせる, 盾として働くことができる.
(2) When designing the signal transmission line, 送電線の特性インピーダンスの急激な変化に起因する反射を防止するために鋭いターンを避ける必要がある.
(3) The width of the printed line can be calculated according to the characteristic impedance calculation formula of the microstrip line and the strip line. プリント回路基板上のマイクロストリップラインの特性インピーダンスは、一般に、50～120アンペア. 大きな特性インピーダンスを得る, 線幅は非常に狭い. しかし、非常に細い線は作りにくい. 諸要因を考える, 一般的に、約68アンペアのインピーダンス値を選ぶことが適切である, 68アンペアの特性インピーダンスを選ぶことは、遅延時間と消費電力のバランスを達成することができるので. 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;より大きなインピーダンスは確かに電力消費を減らすことができる, しかし、それは伝送遅延時間. 負の線容量により伝搬遅延時間が増加し特性インピーダンスが低下する. しかし, 低特性インピーダンスを有する線分の単位長さ当たりの固有キャパシタンスは、比較的大きい, したがって、伝送遅延時間と特性インピーダンスは、負荷容量に影響されない. 適切に終端された伝送ラインの重要な特徴は、ブランチスタブがライン遅延時間. Z 0が50アンペアであるとき. 短い分岐線の長さは、2の範囲内に制限されなければならない.5 cm. 大きな鳴りを避ける.
(4) For double-sided boards (or four-layer lines in six-layer boards). 回路基板の両側のラインは相互誘導および漏話を防ぐために互いに垂直でなければならない.
(5) If there are high-current devices on the printed board, リレーなど, 指示灯, スピーカー, etc., 接地線のノイズを低減するために、それらの接地線を分離して別々に動かすべきである. これらの高電流デバイスの接地線は、プラグインボード及びバックプレーン上の別個のグラウンドバスに接続されるべきである, そして、これらの別々の接地線は、また、システム100の接地点に接続されなければならない.
(6) If there is a small signal amplifier on the board, 増幅前の弱い信号線は強い信号線から遠ざかるべきである, トレースはできるだけ短いはずです, and the PCBボード 可能ならば接地線でシールドされるべきです.