PCB技術 - 高速ディジタルPCBボード設計における信号

集積回路の出力スイッチング速度の増加と PCB密度, 信号の完全性は高速ディジタルPCBの設計において重要である問題の一つとなっている. コンポーネントとPCBのパラメータ, PCB上のコンポーネントのレイアウト, 高速信号線の配線, etc. 因子は信号完全性問題を引き起こす.

PCBレイアウトのために、信号完全性は信号タイミングまたは電圧に影響を及ぼさない回路基板レイアウトの提供を必要とする。

PCB上の高信号速度、終了コンポーネントの不適切なレイアウト、または高速信号の不正な配線は、システムの不適切なデータを出力する原因となる信号の整合性の問題を引き起こす可能性があります、回路は正常に動作しないか、まったく動作しません。PCB設計産業における信号整合性因子と有効な制御対策のPCB完全考慮の設計方法は、今日のPCB設計業界での熱い話題になっている

1 .信号完全性問題

良い信号完全性は、信号が必要なときに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します。逆に信号が正常に応答できない場合には、信号完全性問題が生じる。

信号完全性問題は、信号歪み、タイミングエラー、不正なデータ、アドレスと制御線、システムの誤動作、さらにはシステムクラッシュを引き起こすか、または直接導くことができます。信号の完全性の問題は、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です。要因の様々な原因。

ICスイッチング速度、終了コンポーネントの誤ったレイアウト、または高速信号の不正な配線は、すべて信号完全性問題を引き起こすことができます。主信号の完全性の問題は、遅延、反射、同期スイッチングノイズ、発振、グランドバウンス、クロストーク等である。

信号完全性の定義

信号完全性は、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意味する。信号が損傷しない状態であり、信号線上の信号の品質を表す。

2.1遅延

遅延は、信号がPCBの配線上の限られた速度で送信され、信号が送信端から受信端に送られ、その間に送信遅延があることを意味する。信号の遅延はシステムのタイミングに影響し、伝送遅延は主にワイヤの長さと、配線の周囲の媒体の誘電率に依存する。

高速ディジタルシステムでは、信号伝送路の長さが、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、同時に発生する2つのクロック信号を参照し、受信端に到達した時刻は同期しない。

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。図1に示すように、伝送線路遅延は、クロックパルスサイクルの重要な部分となっている。

2.2反射

反射は副伝送路上のエコーである。信号遅延時間（遅延）が信号遷移時間（遷移時間）よりも大きい場合は、信号線を伝送線路として使用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。

2.3同期スイッチング雑音( SSN )

PCB上の多くのデジタル信号が同期して（例えばCPU、アドレスバス等のデータバス）スイッチされると、電源線と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、グランドプレーンのバウンスノイズが接地線（グランドボム）に現れる。

SSNと地面バウンスの強さも、私に依存します/集積回路の特性, のインピーダンス PCBパワー レイヤープレーン, PCB上の高速デバイスのレイアウトと配線.

2.4クロストーク(クロストーク)

クロストークは、2つの信号線間の結合であり、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、ライン上のノイズを引き起こす。容量結合は結合電流を誘導し，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の間，信号システムと配電系統との間，およびバイア間の電磁結合から生じる。

クロス・巻線は、誤ったクロック、断続的なデータエラー等を引き起こす可能性があり、これは隣接する信号の伝送品質に影響を及ぼす可能性がある。実際には、システムが目標を達成するために耐える範囲内で制御される限り、クロストークを完全に排除する必要はありません。

PCB層のパラメータ、信号線間隔、駆動端および受信端の電気的特性、およびベースライン終端方法は、すべて、クロストークに一定の影響を有する。

2.5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、最初のピークまたは谷が設定電圧を超えるときです。立ち上がりエッジに関しては、それは最高電圧を意味し、立ち下がりエッジに関しては、それは最も低い電圧を指す。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。

2.6リンギングと丸め

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す。信号の発振は、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、周囲の発振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。

2.7地面バウンス雑音と復帰雑音

回路に大きな電流サージがあると、グランドプレーンのバウンスノイズが発生する。例えば、多数のチップ出力を同時にオンにすると、チップと基板のパワープレーンに大きな過渡電流が流れる。チップ・パッケージおよび電源は、プレーンのインダクタンスおよび抵抗によって、電源ノイズを引き起こす。そして、それは電圧変動および真のグランドプレーン（OV）上の変更を生じる。このノイズは他のコンポーネントの動作に影響します。

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，グラウンドバウンスが増加する。

グランドプレーン（電源およびグランドを含む）の分割のために、例えばグランドプレーンはデジタルグラウンド、アナロググラウンド、遮蔽グラウンド等に分割される。

同様に, パワープレーンも2に分けることができる.5 V, 3.3 V, 5 V, etc. したがって, マルチ電圧 PCB設計, 接地面のリバウンド騒音と戻り騒音に特に注意しなければならない.