PCBブログ - 信号完全性のため、高速ディジタルPCBボードの設計法について

高速ディジタル信号PCBの設計法を紹介したいです。PCBボード信号完全性の計算機解析に基づいてこの設計方法では、まずPCBボードレベルはすべての高速デジタル信号のために確立されます。そして、デザイン解決スペースは信号完全性の計算と分析によって見つかります。そして、PCBボード解決空間に基づいて完成します。

集積回路の出力スイッチング速度の増加とpcb密度の増加に伴い、信号の完全性は高速ディジタルpcbボードの設計において重要な課題の一つとなっています。コンポーネントとPCBボードのパラメータ、PCBボード上のコンポーネントのレイアウト、および高速信号の配線などの要因は、信号の完全性の問題を引き起こす可能性があります。PCB設計プロセスにおけるシグナルインテグリティファクタを完全に考慮し、効果的な制御対策を講じる方法は、今日のpcb設計業界で話題となりました。信号完全性のコンピュータ解析に基づく高速ディジタルpcb設計法は、pcb設計の信号完全性を効果的に実現できます。

1. 信号完全性問題の概観

   
   

信号完全性（SI）は、回路の正しいタイミングと電圧に応答する信号の能力を指します。回路の信号が必要なタイミング、期間、および電圧振幅でICに到達することができれば、回路は良い信号完全性を有します。逆に、シグナル完全性問題は、シグナルが適切に応答しない場合に発生します。大まかに言えば、信号の整合性の問題は、主に5つの領域に現れます。遅延、反射、クロストーク、同時スイッチングノイズ（SSN）、および電磁両立性（EMI）です。遅延は、信号がPCBボードのワイヤ上の限られた速度で送信されることを意味します。信号は送信者から受信機に送られ、その間に伝送遅延があります。信号の遅延は、システムのタイミングに影響を与えます。高速ディジタルシステムでは、伝搬遅延はワイヤの長さと、配線の周囲の媒質の誘電率によって決まります。さらに、PCB上のワイヤの特性インピーダンス（高速デジタルシステムの伝送線と呼ばれる）が負荷インピーダンスに一致しない場合、信号が受信端に到達した後、エネルギーの一部が伝送線に沿って反射され、信号波形を歪め、信号オーバーシュート及びアンダーシュートを生じても現れます。信号が伝送線で前後に跳ね返るならば、それはリンギングとリンギングを引き起こすことがありえます。PCB上の任意の2つのデバイスまたは配線間に相互キャパシタンスおよび相互インダクタンスがあるので、1つのデバイスまたは1つのワイヤ上の信号が変化するとき、その変化は相互キャパシタンスおよび相互インダクタンスを介して他のデバイスまたは他のデバイスに影響を及ぼします。線は、クロストークです。クロストークの強度は、デバイス及びワイヤの幾何学的及び相互的距離に依存します。

PCB上の多くのデジタル信号が、同期線（例えば、CPUのデータバス、アドレスバス等）に切り替えられると、電源線および接地線のインピーダンスにより、同期スイッチングノイズが発生し、グランドプレーンが接地ライン上で跳ね上がります。SSN及びグランドバウンスの強度は、集積回路のIO特性、PCBの電源層及び接地面層のインピーダンス、及びPCB上の高速デバイスのレイアウト及び配線に依存します。さらに、他の電子デバイスと同様に、PCBボードはまた、PCBボードのレイアウト及び配線方法に主に関連する電磁両立性問題を有します。

2. 伝統的なPCBボード 設計方法

従来の設計プロセスでは、pcbボードの設計は回路設計、レイアウト設計、pcbボード生産、測定、デバッグなどのステップからなります。回路設計段階では、実際のPCBボード上の信号の伝送特性のための効果的な解析方法および手段の不足のため、回路設計は、一般に、コンポーネント製造者および提案および過去の設計経験に従って実施することができます。したがって，新しい設計プロジェクトに対しては，特定の状況に応じて信号トポロジーや部品パラメータなどの要因を正確に選択することは困難です。PCBレイアウト設計段階では、PCBのコンポーネントレイアウトと信号ルーティングによる信号性能の変化をリアルタイムで解析し評価することも困難なため、レイアウト設計の品質はデザイナーの経験により依存します。PCBボード製造段階では、各PCBボードおよび部品メーカーのプロセスが全く同じではないので、PCBボードおよび部品のパラメータは一般に大きな許容範囲を有し、PCBボードの性能をより制御することが困難になります。従来のPCBボード設計プロセスでは、PCBボードの性能は、製造終了後の計器測定によってのみ判断することができます。PCBボードデバッグ段階で見られる問題は、次のPCBボード設計で修正されなければなりません。しかし、より困難なことは、いくつかの問題が以前の回路設計およびレイアウト設計におけるパラメータに定量化することが困難であることが多いことです。したがって、より複雑なPCBボードのために、一般に設計要件を満たすために、上記のプロセスを何度も繰り返す必要があります。従来のpcbボード設計法では、製品開発サイクルは長く、研究開発費は対応しています。

3.信号完全性解析に基づくPCB基板設計法

従来のPCBボード設計法と比較して、信号完全性解析に基づく設計法は、PCBボード設計の前に、高速デジタル信号伝送の信号完全性モデルが最初に確立される以下の特性を有します。siモデルに従って，信号完全性問題に対して一連の事前解析を行い、回路設計の基礎として、シミュレーション計算の結果に応じて適切な構成要素、パラメータ、回路トポロジーを選択します。回路設計の過程において、信号整合性解析のためsiモデルに設計スキームを送り、コンポーネントのトレランス範囲とpcbボードパラメータ、pcbボードレイアウト設計におけるトポロジー構造とパラメータ変化の可能性および他の因子を統合して設計と解析を行います。回路設計が完了した後、各高速デジタル信号は、連続的かつ達成可能な解空間を有するべきです。すなわち、PCBボードおよびコンポーネントのパラメータがある範囲内で変化するとき、PCBボード上のコンポーネントのレイアウトおよびPCBボード上の信号線の配線方法は、ある特定の柔軟性を有し、信号の完全性を保証することができます。PCBボードのレイアウト設計を開始する前に、得られた各信号解空間の境界値をレイアウト設計の制約条件として用い、PCB基板のレイアウト・配線の設計基準としました。PCBレイアウト設計プロセスの間、部分的または完全に完成した設計は、実際のレイアウト設計が予想される信号完全性要件を満たすかどうかを確認するために、ポスト設計信号完全性解析のためにSiモデルに戻されます。シミュレーション結果が要求を満たすことができない場合、レイアウト設計または回路設計さえ修正されなければなりません。そして、それは不適当な設計のために製品故障の危険を減らすことができます。PCBボード設計が完了すると、PCBボードの生産を行うことができます。PCB製造パラメータの許容範囲は、信号完全性解析の解空間内でなければなりません。PCBボードを製造した後、装置を使用してSiモデルとSi分析の正しさを検証し、モデルを修正するための基礎としてこれを使用します。正しいsiモデルと解析方法に基づいて、pcbボードを設計と生産に数回繰り返し修正なしで、あるいは基板開発のサイクルを短縮し、開発コストを低減することができます。

信号完全性解析モデル

信号総合計算機解析に基づくpcbボード設計法では、pcbボードレベル信号完全性モデルの確立が重要です。siモデルの正当性は設計の正当性を決定し、siモデルのビルド可能性はこの設計法の実現可能性を決定します。

4. PCBボード設計

Siモデル

電子設計におけるPCBレベル信号の整合性解析に使用できる様々なモデルが既に存在します。それらの中には、3つの一般的な使用、すなわち、スパイス、アイビス、およびVerilog - Aがあります。

スパイスモデル

spiceは強力な汎用アナログ回路シミュレータです。現在スパイスモデルは電子設計に広く使われており、hspiceとpspice、hspiceは主に集積回路設計に用いられ、pspiceは主にpcbボードとシステムレベルの設計で使用されています。spiceモデルは2つの部分から成り立ちます。モデル方程式を与えたので、spiceモデルとシミュレータのアルゴリズムを密接にリンクでき、解析効率と解析結果を良好に得ることができます。SPICEモデルを使用してPCBボードレベルでSi分析を行う場合、集積回路設計者および製造業者は、集積回路I／Oユニットのサブ回路と半導体特性の製造パラメータを記述する詳細かつ正確なSPICEモデルを提供する必要があります。これらの材料は通常、設計者や製造業者の知的財産及び機密性に属するので、いくつかの半導体製造業者はチップ製品と共に対応するSPICEモデルを提供します。spiceモデルの解析精度は主にモデルのパラメータ（すなわち，データの性質）とモデル方程式の適用範囲に依存します。モデル方程式は様々なディジタルシミュレータと組み合わせると解析の精度に影響します。またpcbボードレベルでのspiceモデルシミュレーション計算は比較的大きく、解析は時間がかかります。

アイビスモデル

IBISモデルは、当初、インテルボードによってPCBボードレベルとシステムレベルでデジタル信号完全性解析のために開発されました。それは現在、IBISオープンフォーラムによって管理され、公式業界標準（EIA / ANSI 656 A）です。IBISモデルはデジタル集積回路I／Oセルとピンの特性を記述するためにI／VおよびV／Tテーブルの形式を使用します。IBISモデルはI／Oセルおよびトランジスタ製造パラメータの内部設計を記述する必要がないので、半導体製造業者によって歓迎され、支持されています。すべての主要なデジタル集積回路メーカーは現在、チップと一緒に対応するIBISモデルを提供することができます。ibisモデルの解析精度は主にi／v，v／tテーブルのデータ点数とデータ量に依存します。IBISモデルに基づくPCBボードレベルシミュレーションはルックアップテーブル計算を採用しているため、計算量は少なく、通常SPICEモデルの1／10〜1／100だけです。

C . Verilog‐AMSモデルとVHDL‐AMSモデル

Verilog AMSとVHDL - AMSは、4年未満の間、まわりにいて、新しい標準です。ハードウェア挙動レベルモデリング言語として、Verilog - AMSとVHDL - AMSはそれぞれVerilogとVHDLのスーパーセットであり、Verilog - AはVerilog - AMSのサブセットです。AMS言語では、SPICEとIBISモデルとは異なり、コンポーネントの動作を記述する式を記述するのはユーザー次第です。IBISモデルと同様に、AMSモデリング言語は、シミュレーションツールの多くの異なるタイプで使用できる独立したモデル形式です。AMS方程式は、多くの異なるレベルで記述することができます。例えば、トランジスタレベル、I / Oセルレベル、I / Oセルグループなど。Verilog AMSとVHDL - AMSは新しい標準です。しかし、pcbレベル信号完全性解析におけるamsモデルの実現可能性と計算精度はspiceとibisモデルのそれに劣りません。

5.モデル選択

すべてのpcbレベル信号完全性解析を完了するための統一モデルはないので，高速ディジタルpcbボードの設計では，これらのモデルを混合してキー信号とセンサ信号の伝送モデルを確立する必要があります。離散的な受動デバイスでは、製造者によって提供されるSPICEモデルを求めることができるか、簡略化されたSPICEモデルを確立し、実験的測定によって直接使用することができます。重要なデジタル集積回路のために、メーカーによって提供されるIBISモデルを求めなければなりません。現在、ほとんどのICデザイナーやメーカーは、Webサイトやその他の手段を介してチップと一緒に必要なIBISモデルを提供することができます。非臨界集積回路については、製造者のIBISモデルが得られない場合、チップピンの機能に応じて、同様の、または、デフォルトのIBISモデルを選択することもできます。もちろん、簡略化されたIBISモデルは、実験的測定によっても確立することができます。pcb基板上の伝送線路については，伝送線路の簡易spiceモデルを信号完全性と溶液空間解析の前解析で使用でき、配線後の解析では伝送線路の完全spiceモデルを実際のレイアウト設計に従って使用する必要があります。

6. 既存のEDAソフトウェアとの設計法の結合

現在、PCBには統合されたEDAソフトウェアがありません。ボード設計産業は、上記の設計方法を完成するため、一般的なソフトウェアツールの組み合わせで実現しなければなりません。一般的なSPICEソフトウェア（PSPICE、HSPICEなど）を使用して、PCB上のディスクリート、パッシブデバイスおよび伝送ラインのSPICEモデルを構築し、デバッグおよび確認します。SpeccTraquest、HyperlyNx、タウ、ISHANSアナライザーなどの一般的な信号完全性解析ソフトウェアに、各コンポーネントおよび伝送ラインの得られたSPICE / IBISモデルを追加し、PCB上の信号のSI解析モデルを確立するボード。そして、信号完全性解析解析計算を実行します。SI解析ソフトウェアのデータベース機能を使用するか、または他の一般的なデータベースソフトウェアを使用して、理想的なソリューションスペースを検索するために、シミュレーション操作の結果をさらに整理して解析します。PCB回路設計の基礎としての解決空間の境界値とレイアウト設計の制約を考慮して、一般的なPCB設計のためのEDAソフトウェア、ORCAD、Protel、パッド、PowerPCB、アレグロ、およびメンターは、PCB回路設計とレイアウト設計を完了するのに用いられます。PCBのレイアウト設計ボード 完了すると、実際の設計回路（トポロジ、長さ、間隔など）のパラメータは、上記のレイアウト設計ソフトウェアを通じて自動的にまたは手動で抽出され、配線のための前の信号完全性解析ソフトウェアに戻されます。実際の設計が解空間の要件を満たすことを検証するsi解析PCBの場合ボード製造された各モデルとシミュレーション計算の正確性は、実験装置の測定によっても検証することができます。

設計方法は高速ディジタルPCBの設計と開発に対して実用的に重要であるボードは、製品設計の性能を効果的に改善するだけでなく、製品開発サイクルを大幅に短縮し、開発コストを削減することができます。信号完全性解析モデルと計算解析アルゴリズムの連続改良と改善により、PCBボード 信号完全性コンピュータ解析に基づく設計法は、電子製品の設計にますます適用されます。

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