PCB技術 - 高速PCB設計、信号完全性問題を研究する

集積回路の出力切り替え速度の向上とPCBボード密度の増加に伴い、信号完全性（英語：signal integrity、SI）は高速デジタルPCB設計において注目すべき問題の1つとなっている。コンポーネントとPCBボードのパラメータ、コンポーネントのPCBボード上のレイアウト、高速信号の配線などの要素はすべて信号完全性の問題を引き起こし、システムの運行が不安定で、まったく運行できないことを招く。

PCB信号完全性問題

良好な信号完全性は、信号が必要に応じて正しいタイミングと電圧レベルの値で応答できることを意味する。逆に、信号が正常に応答できない場合、信号完全性の問題が発生します。

信号整合性の問題は、信号歪み、タイミングエラー、不正なデータ、アドレス、制御線、システム障害、さらにはシステムクラッシュを引き起こすか、直接的に引き起こす可能性があります。

PCB信号完全性の問題は主に信号反射、クロストーク、信号遅延、タイミング誤差を含む。

1.反省

信号が伝送路を伝送する際、高速PCB伝送路の特性インピーダンスが信号のソースインピーダンスまたは負荷インピーダンスと一致しない場合、信号は反射され、信号波形のオーバーシュート、ダウンシュート、およびそれによるリンギング現象を引き起こす。

オーバーシュート（Overshot）とは、電力レベルより高いか基準地レベルより低い追加電圧の影響である信号遷移の最初のピーク（または谷）を意味する。

アンダーシュート（Undershoot）とは、信号変換の次の谷（またはピーク）を指す。過大なオーバーシュート電圧は通常、長い時間に影響を与え、それによってデバイスに損傷を与え、オーバーシュートはノイズマージンを低下させ、リンギングは信号の安定化に必要な時間を増加させ、それによってシステムのタイミングに影響を与える。

2.漫才

PCBにおいて、クロストークとは、信号が伝送路を伝播する際に、電磁エネルギーが相互容量と相互誘導結合を介して隣接伝送路にもたらす望ましくないノイズ干渉を指す。それは同じ領域内の異なる構造による電磁場によるものである。インタラクティブに生成されます。相互容量は結合電流を誘起し、容量クロストークと呼ばれる、相互誘導は結合電圧を誘起し、誘導クロストークと呼ばれる。PCBでは、クロストークはトレース長、信号線間隔、基準接地面の条件に関係している。

3.信号遅延とタイミングエラー

信号はPCBの導線上で有限の速度で伝送され、駆動端から受信端に信号が送信され、その間に伝送遅延が存在する。信号遅延や信号遅延の不整合が多すぎると、タイミングエラーや論理デバイス機能の混乱を招く可能性があります。

信号の完全性を確保するPCB設計方法

PCBの設計過程で、信号の完全性をよりよく保証したい場合は、以下のいくつかの点を考慮することができます。

（1）回路設計における注意事項。同期切替出力の数を制御し、最小かつ許容可能なエッジレートを得るために各ユニットの最大エッジレート（dI／dtおよびdV／dt）を制御すること、高出力機能ブロック（例えばクロックドライバ）の差動信号を選択する、伝送路では、受動素子（例えば、抵抗器、コンデンサなど）が上端に接続され、伝送路と負荷とのインピーダンス整合を実現する。

（2）平行配線のトレース長をできるだけ小さくする。

（3）コンポーネントはI／O相互接続インタフェースと他の干渉や結合を受けやすい領域から離れて配置し、コンポーネント間の間隔を最小にしなければならない。

（4）信号トレースと基準平面との距離を短縮する。

（5）トレースインピーダンスと信号駆動レベルを下げる。

（6）端末マッチング。端子整合回路や整合素子を追加することができます。

（7）配線が互いに平行であることを回避し、配線間に十分な配線間隔を提供し、誘導結合を低減する。

信号完全性はPCB設計において無視できない重要な概念である。PCBが良好な信号完全性を持つことを確保するために、エンジニアは各種の影響要素を総合して、合理的に配置して配線して、製品の性能を高める必要がある。