高速 PCB レイアウトにおける信号反射の抑制方法

電子科学と技術の今後の発展に伴い、IC チップによって構成される電子システムは、大規模、小型、高速に向かって急速に発展しています。同時に、電子システムの体積の縮小は回路の配線密度の増大につながり、信号周波数は常に上昇し、信号のエッジターンオーバー時間が短くなるという問題も生じます。信号の相互接続遅延が信号ターンオーバー時間より 10% 大きい場合、ボード上の信号リードは伝送線路の影響を示し、信号の反射やクロストークなどの一連の問題がますます顕在化します。高速化問題の出現は、ハードウェア設計に大きな課題をもたらし、ロジックの観点から正しいと見なされる設計が不適切に処理されない場合、設計全体が失敗することになります。そのため、高速回線の問題をいかに解決するかが、システムの成功を左右する重要な要素の 1 つになっています。

熟考の原則とその影響

• リフレクションの原則

反射の直接的な理由は、端末での信号エネルギーの不完全な吸収につながる伝送ラインのインピーダンスの非互換性にあります。反射の問題は、単一ネットワークの信号パスとリターン パスの物理的特性に関連する、単一ネットワークの信号品質を反映しています。通常、PCB ルーティングの物理的特性は、主にルーティング材料、ルーティング幅、ルーティング厚さ、他のルーティング プレーンとプレーン間の距離、隣接する材料の誘電率など、伝送ラインに大きな影響を与えます。信号が単一のネットワークに沿って伝送されている場合、相互接続ラインの過渡的なインピーダンス変化が発生します。信号が感じる相互接続インピーダンスが変わらなければ、無歪みが維持されます。信号が感じる配線インピーダンスが変化し続けると、変化点で反射が生じて歪みが発生します。反射信号は信号の放射端に送信され、エネルギーのダウンサイジングで縮小するまで再び反射されます。最後に、信号の電圧と電流が安定します。

•反射の計算

信号が伝送線路に沿って前方に伝送されると、過渡インピーダンスが常に感じられます。信号が感じるインピーダンスが一定であれば、正常に前方に伝送されます。感じたインピーダンスが変化する限り、どんな原因があっても反射は必ず発生します。反射量を測定する重要な指標は、反射電圧と元の信号電圧との比を示す反射係数です。反射係数は次の式に従って定義できます .

この式では、Z₁ Z₀ の間、変更後のインピーダンスを指します 変更前のインピーダンス。 PCB配線の特性インピーダンスが50Ωだとします。伝送過程で 150Ω の抵抗に遭遇すると、反射係数は (150-50)/(150+50)=1/2 (この場合、寄生容量とインダクタンスの影響は考慮されません)抵抗器を理想的な純粋な抵抗器として）。この結果は、元の信号のエネルギーの半分が送信元端子に戻ってくることを示しています。送信信号の電圧が 5V の場合、反射電圧は 2.5V です。

•反射の影響

1)。反射による信号の歪み

リードが正しく終端されていないと、駆動側からの信号パルスが受信端子で反射されます。反射信号が非常に強い場合、積み上げられた波形がロジック条件を変更し、予期しない影響が発生して、信号の輪郭が歪む可能性があります。歪みが顕在化すると、設計上の不具合など、多くのエラーが発生する可能性があります。一方、歪みのある信号はノイズに対してより敏感であり、設計の失敗も引き起こします。

2)。反射によるオーバーシュートとアンダーシュート

オーバーシュートとは、最初のピーク値または谷値が電圧を超えることを指します。立ち上がりエッジでは、最初のピーク値が最高電圧を超えることを指し、立ち下がりエッジでは、最初の谷値が最低電圧を超えることを指します。過度のオーバーシュートは、保護ダイオードを破壊し、早期故障につながる可能性があります。アンダーシュートとは、次の谷値またはピーク値が誤ったクロック信号を生成する可能性があるという事実を指し、システムの誤読および誤書き込み操作につながります.

3)。振動

振動も反射による症状です。オーバーシュートと同じ性質で、オーバーシュートとアンダーシュートを繰り返すことをクロックサークル内の発振と呼びます。これは、反射から生成された余分なエネルギーが回路内で時間内に吸収されないという事実の結果です.

反射抑制方法

反射を引き起こす主な要素には、ルーティングの幾何学的形状 (幅、長さ、ターンの角度)、同じネットワーク ルーティング プレーンの変換、コネクタを介した伝送、電源とグランド間の不連続性、不適切なトポロジ構造、およびネットワーク エンドの非互換性が含まれます。主な抑制方法は次の部分で紹介されます。

• システム頻度のエスカレーション

信号と伝送線路が接続される前に伝送線路の反射が安定状態に達するように、可能な状況では信号エッジの変換率が減少します。一方では、設計規則を満たす必要があります。一方、速度の遅い成分は、異なる種類の信号の混合を避けるためにピックアップする必要があります。

• 信号処理の最適化

タイム シーケンシングに関して厳しい要求があるため、高速の問題を引き起こす可能性のあるコンポーネントとノードを事前に決定する必要があります。コンポーネントのレイアウトとルーティングに関するあらゆる種類の要件を調整する必要があり、シグナル インテグリティの設計指標が最終的に制御されます。主な処理方法は次のとおりです。
1)。スルーホールの寄生パラメータを減らすために、比較的薄いPCB基板が適用される。
2)。レイヤーの数は適切に配置する必要があります。中間層を十分に利用してシールドを設定し、隣接する接地をより適切に実装する必要があります。これにより、寄生インダクタンスが効果的に減少し、信号の伝送距離が短縮され、信号間のクロストークが大幅にエスカレートされます。
3) PCB 上の信号線の幾何学的形状は、巻数を減らし、配線のインピーダンス不連続点を最小限に抑えて制御する必要があります。特に高周波回路での配線には、完全な直線を適用する必要があります。ターンが必要な場合は、45°の折れ線またはアークを適用すると、高周波信号の外部放射および高周波信号間の結合が減少します。
4)。不要なスルーホールを減らすために、重要な信号線の引き回しは同一平面内に配置する必要がある。
5)。プレーンの完全性を確保して、信号ラインに低インピーダンスのリフロー パスを提供する必要があります。これにより、コモンモードインピーダンスカップリングとコモンモードスイッチノイズを低減し、電源システムに関するシグナルインテグリティの問題を低減または解消することを目的としています。
6)正しいルーティング トポロジ構造の適用。

配線のトポロジー構造とは、信号線の配線順序と構造を指します。実際の回路では、単一の駆動源が複数の負荷を駆動し、駆動源と負荷が構造のトポロジーに従っている状況が常に存在します。トポロジー構造が異なれば、信号に対する影響も明らかに異なります。通常、PCB ルーティングには 2 種類の基本的なトポロジ構造、つまりデイジー チェーンと開始形状トポロジが適用されます。これを下の図 1 に示します。

を。デイジー チェーン

ルーティングは駆動端末から始まり、順次各受信端末に到着します。信号特性を変更するために直列抵抗を適用する場合、直列抵抗の位置は駆動端子の近くに配置する必要があります。高調波干渉制御に関しては、デイジー チェーンが最適なルーティング効果を備えています。ただし、このタイプのルーティングは、ルーティング可能性が最も低く、100% 未満です。実際の設計では、デイジー チェーンの分岐長はできるだけ短くする必要があります。このトポロジ構造の配線スペースは小さく、終端との互換性のために単一の抵抗を適用できます。さらに、このタイプのルーティング構造は、異なる信号受信端子で信号受信を同期させません。

b.星型トポロジー

このような配線は、クロック信号の非同期化を効果的に回避できますが、分岐ごとに終端抵抗が必要になるという欠点があります。終端抵抗の抵抗値は、インライン特性インピーダンスと互換性がある必要があります。異なる信号が受信端末で同時に必要とされるシステムの場合、スター型トポロジーが最適です。

• 終了方法

信号伝送経路の特性インピーダンスは一定に維持する必要があります。つまり、反射係数は 0 です。これは、伝送経路での反射がないことを意味します。この状況は、インピーダンス互換性と呼ばれます。このとき、信号はアイデアグランドを端子に送信します。通常、伝送線路の長さは条件に適合する必要があります .

この不等式で、L は伝送線路の長さを表します。 t_r ソース端末信号の立ち上がり時間を指します。 t_pd1 送電線の単位長さごとの負荷伝達遅延をいいます。反射が遠端に到達する前に統合レベル転送が行われる場合、終端整合技術を適用する必要があります。伝送線路の端子接続の原則には、次のようなものがあります。負荷反射係数またはソース反射係数のいずれかがゼロの場合、反射は除去されます。通常、2 つの戦略が適用されます。ソース インピーダンスは伝送ライン インピーダンスと互換性があります。つまり、ソース ターミネーションです。一方、負荷インピーダンスは伝送ライン インピーダンスと互換性があります。つまり、エンド ターミネーションです。

1)。ソース終了

ソース終端は、主にソース端に近い位置で伝送線路に直列抵抗を差し込むことによって実装される直列終端方法です。直列抵抗と駆動端子の抵抗値の和が伝送線路の抵抗値と等しくなるようにします。直列終端の原理は、図 2 に示すように、負荷端子からの反射電圧を除去することで、伝送線路の 2 次反射を停止することです。

2)。終了の終了

端末終端の主な原理は、インピーダンス整合を実現するために、負荷端子に隣接する位置にプルアップまたはプルダウン抵抗を追加することにあります。図 3 に示すように、端部終端は一般に、単一抵抗並列終端、RC 終端、テブナン終端、およびショットキー ダイオード終端に分けることができます。

単一抵抗並列終端の抵抗値は、伝送線路のインピーダンスに等しくなります。テブナン終端の 2 つの抵抗器の値は、次の式に従う必要があります:Z₀ =R₁ R₂ /(R₁ +R₂ ）。 RC 終端の静電容量の値は次の式に従います:C=3T/Z₀ ここで、T は信号の立ち上がり時間を表し、Z₀ は 伝送線路のインピーダンスを指します。

システム設計の観点から、並列終端は、他の 3 つの終端方法と比較してノイズ、EMI、および RFI を最も低減できるため、最初に選択する必要があります。実際の状況に応じて、適切な終端方法を選択し、必要に応じてシミュレーション設計を実施する必要があります。

結論

高速 PCB 設計では、合理的なレイアウトとルーティング、不要なターンと貫通ビアの回避、インピーダンスの連続性、統合された信号基準面、および優れた接地が成功の前提条件となります。設計と信号の完全性を最適化し、より高い電磁適合性を得るには、設計シミュレーション検証を実装する必要があります。設計者が設計上の欠陥に時間内に対処し、PCB 設計の欠点を補うのに役立ちます。

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