PCB技術 - 組込みシステムPCB基板の信号完全性を改善する方法

電子技術の継続的な発展, より多くのフィールドは、組み込みシステムに適用されます. これらの多くのアプリケーションの中で, 人々はもはや機能とパフォーマンスを考慮していない, 信頼性と互換性. そして,年代の信号完全性を改善する方法配線技術が重要な課題となっている.

我々がすべて知っているように、PCB（プリント基板）は電子製品の回路構成要素と装置の基本的な支持であり、その設計品質はしばしば埋め込まれたシステムの信頼性と互換性に直接影響する。従来、いくつかの低速回路基板では、一般にクロック周波数は約10 MHzであった。回路基板またはパッケージ設計の主な課題は、すべての信号線を二重層基板上に配線する方法と、アセンブリ中にパッケージを損傷しない方法である。

配線はシステム性能に影響を与えないので、配線の電気的特性は重要ではない。この意味で、信号低速回路基板の配線は滑らかで透明である。しかし、組み込みシステムの開発に伴い、基本的には高周波回路である。クロック周波数が増加すると、信号の立ち上がりエッジが短くなり、プリント回路によって生成される容量性リアクタンスおよびインダクタンスが、プリント回路の抵抗が、信号の完全性に深刻に影響するよりもはるかに大きくなる。組込みシステムでは、クロック周波数が100 MHzを超える場合、立ち上がりエッジが1 nsより小さい場合には信号の完全性が重要となる。

PCBでは、信号線は信号伝送の主なキャリアであり、信号線のルーティングは直接に埋め込まれたシステム全体の性能に直接影響する信号伝送の優位性を決定する。不合理な配線は、様々な信号完全性問題を引き起こし、原因となるタイミング、ノイズ、および電磁干渉（EMI）を回路にもたらし、これは埋め込みシステムの性能に深刻に影響する。この点に関して、本記事は、高速デジタル回路における信号線の実際の電気的特性から始まり、電気特性モデルを確立し、信号の完全性および問題に対する解決に影響を及ぼす主な理由を見出し、配線およびその方法および技術の問題に注意を払う。

シグナル完全性

信号完全性は、信号線上の信号の品質、すなわち、回路の正しいタイミング及び電圧レベルに応答する信号の能力を指す。良好な信号完全性を有する信号は、電圧レベルの値を必要とするときに何を達成しなければならないかを意味する。貧しい信号の整合性は、単一の要因によって引き起こされませんが、ボードレベルのデザインの複数の要因によって。信号完全性問題は、遅延、反射、クロストーク、オーバーシュート、発振、およびグランドバウンスを含む多くの局面に反映される。

遅延：遅延は、信号がPCBボードの伝送線上の限られた速度で送信されることを意味する。送信端から受信端に信号が送られ、送信遅延がある。信号遅延は埋込みタイミングに影響する伝送遅延は主にワイヤの長さと媒体の誘電率に依存する。高速ディジタル方式では、信号伝送路の長さは、クロックパルスの位相差に影響する最も直接的な要因である。クロックパルスの位相差は、同時に発生した2つのクロック信号が受信端に到達した時刻を同期しないことをいう。クロックパルス位相差は信号エッジ到着の予測可能性を減少させる。クロックパルス位相差が大きすぎると、受信端でエラー信号が発生する。

反射：反射は信号線上の信号の反響です。信号遅延時間が信号遷移時間よりも長い場合は、信号線を伝送線路としなければならない。伝送線路の特性インピーダンスが負荷インピーダンスと一致しないときには、信号電力（電圧または電流）の一部がラインに伝送され、負荷に達するが、その一部が反映される。負荷インピーダンスが本来のインピーダンスより小さい場合、反射は負であるさもなければ、反射は正である。配線形状の変化、不正確なワイヤ終端、コネクタを通る伝送、およびパワープレーンの不連続性は、このような反射をすべて引き起こすことができる。

クロストーク：クロストークは2.つの信号線の間の結合である, そして、信号線間の相互インダクタンスおよび相互キャパシタンスは、信号線14上のノイズを引き起こす.容量結合は結合電流を誘導する, 誘導結合は結合電圧を誘導する. クロストークノイズは信号線網間の電磁結合に起因する, 信号系統と配電系統間, バイア間. クロス巻線が偽クロックを引き起こす可能性があります, 間欠データエラー, などこれは隣接信号の伝送品質に影響する. 現実に, クロストーク 完全に解消することはできませんが、しかし、それはシステムが耐える範囲内で制御することができます. パラメータ プリント配線板層, 信号線間隔, 駆動端と受信端の電気的特性, そして、ベースライン終了メソッドは、漏話に対する確かな影響を持ちます.

オーバーシュートとアンダーシュート：オーバーシュートは、設定電圧を超える最初のピークまたは谷の値です。立ち上がりエッジの場合、それは最高電圧を意味する；立ち下がりエッジに関しては、それは最も低い電圧を意味する。アンダーシュートは、次の谷またはピーク値が設定電圧を超えることを意味する。過度のオーバーシュートは、保護ダイオードが動作し、その未熟な故障につながる可能性があります。過度のアンダーシュートは偽のクロックやデータエラーを引き起こす可能性があります。

発振とリング発振：発振現象はオーバーシュートとアンダーシュートを繰り返している。信号発振は、アンダーダンピング状態に属するライン遷移のインダクタンスおよびキャパシタンスに起因する発振であり、周囲振動は過減衰状態に属する。発振やサラウンド振動も反射のような多くの要因によって引き起こされる。発振は、適切な終了によって減少させることができるが、完全に除去することは不可能である。

接地バウンスノイズとリターンノイズ：回路に大きな電流サージがある場合、それはグランドバウンスノイズを引き起こす。例えば、多数のチップ出力を同時にオンにすると、チップと基板との間に大きな過渡電流が生じる。パワープレーンが流れると、チップパッケージおよびパワープレーンのインダクタンスおよび抵抗は電源ノイズを引き起こし、それは電圧変動を生じ、実際のグランドプレーン上で変化し、このノイズは他のコンポーネントの動作に影響を及ぼす。負荷容量の増加、負荷抵抗の減少、接地インダクタンスの増加、スイッチング素子数の増加により、グランドバウンスが増大する。

伝送路の電気特性解析

多層PCBでは、伝送線路のほとんどが単一のレベルに配置されるだけでなく、複数のレベルで千鳥化され、各レベルはビアを介して接続される。したがって、多層PCBでは、典型的な伝送路は、主に伝送線路、配線コーナー、およびビアの3つの部分を含む。低周波数の場合、プリントライン及びトレースビアは、異なるデバイスのピンを接続するための通常の電気的接続とみなされ、信号品質に大きな影響を与えない。しかし，高周波の場合，プリントライン，コーナ，ビアは接続性を考慮するだけでなく，高い周波数での電気特性と寄生パラメータの影響も考慮すべきである。

における伝送線路の電気特性の解析 高速PCB

高速pcb設計では，多数の信号接続線を使用することは避けられない。接続線を通過する信号の遅延時間は、信号自体の変化時間に比べて無視することができない。信号は電磁波の速度で接続線上にある。伝送のために、このときの接続線は、抵抗、容量、およびインダクタンスを有する複雑なネットワークであり、それは分布定数モデルモデル、すなわち伝送線路モデルによって記述される必要がある。

伝送線路は、一端から他方へ信号を伝送するために使用される。ある長さの2本の配線からなり、一方は信号経路と呼ばれ、他方は戻り経路と呼ばれる。低周波回路では、伝送線路の特性は純粋に抵抗性の電気的特性として現れる。Aにおいて、伝送信号の周波数が増加すると、ワイヤ間の容量インピーダンスが減少し、ワイヤ上の誘導インピーダンスが増加する。信号線はもはや純粋な抵抗であるだけではなく、すなわち、信号はワイヤ上で送信されるだけでなく、導体間の媒体にも伝播する。さらに、信号周波数をさらに増加させると、均一な配線に対しては、外部環境変化にかかわらず、伝送線路の抵抗R、寄生インダクタンスL、寄生容量Cが均一に分布する（IE 1＝L 2＝Ya＝＝Ln；C 1＝C 2＝Low−Cadi＝Cn＋1）。