PCB技術 - 経験概要：PCBルーティング技術

レイアウトのための最も基本的な仕事のスキルの一つです プリント配線板設計 エンジニア. 品質 配線 システム全体のパフォーマンスに直接影響するでしょう. 大部分の高速設計理論は最終的に実装されなければならない レイアウト. それは見ることができる 配線 にある高速プリント配線板設計. 以下は、実際に遭遇する可能性のある状況の合理性を分析する 配線, さらに最適化されたルーティング戦略を与える. 主に3.つの側面から説明される 配線, 微分 配線, 蛇行線.

直角ルート設定

直角 配線 一般的には、できるだけ避けるために必要な状況ですPCB基板配線,そして、それはほぼ1の品質を測定するための基準の1つになっている 配線. だから、どのくらいの影響が直角になります 配線 信号伝送する? 原則的に, 直角ルーティングは送電線の線幅を変えるでしょう, インピーダンスの不連続性を引き起こす.事実上, 直角角度ルーティング, でもコーナー, 鋭い角度ルーティングはインピーダンス変化を引き起こすかもしれません. 直角の影響 配線 信号は主に3つの局面に反映されている。一つは、コーナーが伝送線路の容量性負荷と等価であることである, 上昇時間を遅くするもう一つは、インピーダンス不連続が信号反射を引き起こすことである第三は、直角チップが生成されることである. 

伝送線路の直角に起因する寄生容量は、上記式において、C＝61 W（ER）1／2／Z 0の式で計算することができる。また、Z 0は伝送線路の特性インピーダンスである。例えば、4ミリ秒の50オーム伝送線（＜r＝4.3）の場合、直角によってもたらされるキャパシタンスは約0.0101 pFであり、次いで、これによって生じる立ち上がり時間の変化を推定することができる

このことから、直角配線による静電容量効果が極めて小さいことがわかる。直角トレースの線幅が増加すると、そこでインピーダンスが減少し、ある特定の信号反射現象が生じる。伝送線路の章で述べたインピーダンス計算式に従って線幅が増加した後の等価インピーダンスを計算し，その計算式に従って反射係数を計算した。一般的に、直角配線によるインピーダンス変化は7 %〜20 %であり、最大反射率は約0.1である。また、伝送線路のインピーダンスは、W／2ラインの長さにおいて最小に変化し、W／2の時間後に通常のインピーダンスに戻ることがわかる。全体のインピーダンス変化時間は非常に短く、しばしば10 ps以内である。一般的な信号伝送では、高速で小さな変化がほとんど無視できる。

多くの人がこの角度の配線の理解を持っており，先端は電磁波を送受信し易く，emiを生成するのが簡単であると考えている。これは、多くの人々が直角線配線が発送されることができないと思う理由の1つにもなりました。しかし，多くの実際のテスト結果は，直角のトレースが直線より明白なemiを生成しないことを示している。おそらく、現在の楽器の性能とテストレベルは、テストの精度を制限しますが、少なくともそれは問題を示しています。直角配線の放射線は、装置自体の測定誤差よりも既に小さい。

一般に、直角ルートは想像されるほどひどいものではありません。少なくともGHz以下のアプリケーションでは、キャパシタンス、反射、恵美などのいかなる影響も、TDR試験にほとんど反映されない。高速PCB設計技術者の焦点はレイアウト，電源／グラウンド設計，配線設計にあるべきである。ビアホールと他の局面もちろん、直角配線の影響はあまり深刻ではないが、将来的に直角配線を使用することはできない。詳細に注意を払うことは、すべての優れたエンジニアが持っている必要があります基本的な品質です。さらに、デジタル回路の急速な発展に伴い、技術者が対処する信号周波数も増加し続け、10 GHz以上のRF設計分野において、これらの小さな直角は高速問題の焦点になるかもしれない。

差動配線

差動信号（Differential signal）は高速にますます広く応用されている回路設計. 回路の中で最も重要な信号は、しばしば差動構造で設計される. 何がそんなに人気があるの? その良いパフォーマンスを確実にする方法 プリント配線板設計? これら2.つの質問, 討論の次の部分に進む. 差動信号とは? 素人の言葉で, 駆動端は、つの等しいおよび反転信号を送る, そして、受信端は、つの電圧の差を比較することによって、論理状態またはを判定する. 差動信号を運ぶ一対のトレースを差動トレースと呼ぶ.

通常のシングルエンド信号トレースと比較して、差動信号は以下の3つの態様において最も明白な利点を有する。

1.強い干渉干渉能力は、2つの差動トレース間の結合が非常に良好であるので、外部からの雑音干渉があるとき、それらは同時に2つのラインにほぼ連結される。そして、受信端は2つのシグナルの差について気にするだけである。したがって、外部コモンモードノイズを完全にキャンセルすることができる。

2.効果的にemiを抑制することができる。同じ理由で、2つの信号の逆極性のために、それらによって放射される電磁界は、相殺することができる。より緊密なカップリング、より少ない電磁エネルギーは外の世界に放出されます。

3.タイミングポジショニングは正確です。差動信号のスイッチ変化は、2つの信号の交点に位置しているので、通常のシングルエンド信号とは異なり、高しきい値電圧及び低いしきい値電圧に依存しているので、プロセス及び温度により影響を受けず、タイミングの誤差を低減することができる。また、低振幅信号を有する回路にも適している。

現在流行のLVD（低電圧微分 シグナリング）とは、このような小振幅差分シグナリング技術を指す。PCBの場合エンジニア, 最も重要なのは、これらの利点の違いを確実にする方法です 配線 完全に利用できる 配線. おそらく、接触している誰でも レイアウト 微分の一般的な要件を理解する 配線, それで, 等しい長さと等しい距離. 等しい長さは、2つの差動信号が常に反対の極性を維持し、コモンモード成分を減らすためである。等距離は主に両者の差分インピーダンスが一致し、減少することを保証するためである反射. 「できるだけ近い」というのは、時々 配線. しかし、これらの規則はすべて機械的に適用されない, そして、多くのエンジニアは、高速差動信号伝送の本質をまだ理解していないようです. 以下のいくつかの一般的な誤解に焦点を当てます プリント配線板差動信号設計.

誤解1:差動信号が帰還経路として接地面を必要としない、または、差動トレースが互いに対する帰還経路を提供すると考える。この誤解の理由は、表面現象によって混乱したり、高速信号伝送のメカニズムが十分に深くないことである。受信端部の構造からは、トランジスタQ 3，Q 4のエミッタ電流が等しく対向しており、グランドでの電流が正確に相殺される（I 1＝0）ので、差動回路は同様のグラウンドバウンスや他の可能な存在に対しては電源とグランドプレーンのノイズ信号に対して鈍感である。グランドプレーンのパーシャルリターンキャンセルは、差動回路が信号戻り経路として参照面を使用しないことを意味しない。実際には、信号帰還解析において、差動配線と通常のシングルエンド配線のメカニズムは同じであり、すなわち、最小のインダクタンスを有するループに沿って高周波信号が常にリフローされるため、グランドとのカップリングに加えて、差動線も相互結合を有する。どの種類のカップリングが強いか、どちらが主要なリターンパスになります。

インPCB回路設計,差動トレース間の結合は一般に小さい, しばしば結合度の10 - 20 %を計算するだけです, そして、より多くは地面へのカップリングです, したがって、差動トレースの主なリターンパスは、接地面に依然として存在する. . 地面に不連続性がある場合, 差動トレース間の結合は、基準面のない領域の主復帰経路を提供する. 基準面の不連続性が差動トレースに及ぼす影響は、通常のシングルエンドトレースと同じではない, それは、まだ、差動信号の品質を減らして、EMI, 可能な限り避けるべき. また、差動トレースの下の基準面を除去して、差動伝送におけるコモンモード信号の一部を抑圧することもできる, しかし、このアプローチは理論上望ましくない. インピーダンス制御法? コモンモード信号の接地インピーダンスループを提供しない, EMI放射線は必然的に起こる, そして、この練習は、より有害です.

誤解2:同じ間隔を保つことは、線長. 実際にはPCBレイアウト,それはしばしば、同時に設計の要件を満たすことができない. ピン分布などの要因の存在により, ヴィアス, and 配線 space, 線長整合の目的を達成するために適切な巻線を使用しなければならない, しかし、結果は、差動対のいくつかの領域が並列であるはずがないということでなければなりません. この時点で何をすべきか? どの選択? 結論を出す前に, 以下のシミュレーション結果を見てみましょう. 上記のシミュレーション結果から, スキーム1とスキーム2の波形はほぼ一致していることが分かる, それで to say, 不等間隔による衝撃は最小である. 比較で, 線長の不一致は、タイミングに対してずっと大きな影響を与える. (（第3案）). 理論解析から, 矛盾した間隔は、差動インピーダンスを変化させる, 差動対自体の間の結合が重要でないので, インピーダンス変化範囲も非常に小さい, 通常10 %以内, これは1つのパス. 穴による反射は信号伝送に重大な影響を与えない. 一度線長が一致しない, タイミングオフセットに加えて, 差動信号にコモンモード成分が導入される, これは、信号の品質を減らし、EMIを増加させる. これは、デザインの最も重要なルールと言えるPCB差動器配線 が一致する線長, その他の規則は、設計要件や実用的な用途に応じて柔軟に扱うことができる.

誤解3:差動配線は非常に近いと思う。微分トレースを閉じることは、ノイズに対する耐性を向上させることができるだけでなく、外部の世界への電磁干渉を相殺するために磁場の反対極性を十分に利用することができるそれらの結合を強化すること以上の何もない。このアプローチはほとんどの場合非常に有益ですが、それは絶対ではありません。我々が彼らが外部干渉から完全に遮蔽されることを確実とすることができるならば、我々はもはや互いとの強いカップリングを通して反干渉を成し遂げる必要はありません。EMI抑制の目的。どのように、我々は微分痕跡の良い隔離と遮蔽を確実にすることができますか？他の信号トレースとの間隔を増やすことは最も基本的な方法の一つです。電磁界エネルギーは距離の二乗で減少する。一般的に、線間隔がライン幅の4倍を超えると、それらの干渉は極めて弱い。基本的に無視できます。加えて、グランドプレーンを通しての絶縁も、良好な遮蔽役割を果たすことができる。この構造は、高周波（10 g）のICパッケージPCBの設計でしばしば使用される。これはCPW構造と呼ばれ、厳密な差動インピーダンスを確保することができる。コントロール( 2 z 0 )スパン.差動トレースは、異なる信号層でも動作することができるが、このアプローチは一般に、推奨されない。なぜなら、異なる層によって生成されるインピーダンスおよびビアの違いは、差動モード伝送の効果を破壊し、コモンモードノイズを導入するからである。さらに、隣接する2つの層が緊密に結合されていない場合、それはノイズに抵抗するために差動トレースの能力を減少させるが、周囲のトレースから適切な距離を維持することができれば、クロストークは問題ではない。一般的な周波数（GHz以下）では、EMIは深刻な問題ではありません。実験では、差動トレースから500ミリメートル離れた距離における放射エネルギーの減衰は、3 ccの距離で60 dBに達し、FCCの電磁放射基準を満たすのに十分であるので、設計者は、差動線結合が不十分であることに起因する電磁不等式を心配する必要はない。