高速PCB設計における信号インテグリティ確保

信号インテグリティ

高速PCBレイアウト・ガイドラインにおける主要な問題の1つは信号インテグリティです。PCBユニットでの信号インテグリティの損失は長年の継続的な懸念事項であり、プリント基板の製造、販売、購入時に信号インテグリティPCBレイアウトの考慮事項を念頭に置くことが重要です。

信号インテグリティの問題とプリント基板

周波数

低周波数では、信号インテグリティに関する大きな問題は経験しないはずです。しかし、信号速度の増加に伴い、より高い周波数が得られ、これがシステムのアナログとデジタルの両方の特性に影響を与える可能性があります。より高い周波数では、反射、グラウンド・バウンス、クロストーク、リンギングを経験する可能性があり、これらは信号のインテグリティを深刻に損なう可能性があります。

より高い周波数が予想される場合、基板設計におけるI/Oシグナリングへの伝送線路効果を考慮する必要があります。

速度

速度と周波数の関係は当然念頭に置く必要があります。低速は低周波数と少ない信号伝送問題を意味し、高速は高周波数とそれに伴う問題を意味します。

長さ

伝送と信号インテグリティに関して考慮すべきもう1つの問題は、伝送媒体の長さです。伝送媒体が長いほど、何らかのタイプの信号損失が発生する可能性が高まります。

幸い、これらとほとんどの他の信号インテグリティ問題は、品質設計と、プリント基板設計時にいくつかの基本的なレイアウト・ガイドラインを念頭に置くことで対抗できます。

主要な信号インテグリティPCBレイアウト考慮事項

高速信号が最大効率で伝播できるよう伝送線路を設計する最良の方法について、広範な研究が行われてきました。信号インテグリティやその他の伝送問題の潜在的な問題を減らすため、PCBサプライヤーが強力な設計の基板を提供することを確認することが重要です。

以下は、テキサス・インスツルメンツなど多くの情報源によって公開されているガイドラインの一部で、クロック信号などの高速信号とそのルーティングを扱い、設計者に重要な整合性のレビューを提供します。多くのものが伝送線路に影響を与えるため、EMI問題が発生する可能性があります。これらの問題を減らすには、良いPCB設計が重要です。いくつかのシンプルな設計ルールで、PCB設計者はこれらの問題を最小限に抑えられます。

PCBに取り組む際、設計者はいくつかの基本的な質問から始めるべきです：

• センシティブな信号があり、それらがストリップラインを必要とするか、マイクロストリップで十分か？
• 周波数はどのくらい高く、システムはどのくらい高速になれるか？
• シンクとソースの入出力での電気仕様は？
• いくつの異なる電源電圧があり、それぞれ独自の電源プレーンが必要か？
• トレースの最小幅、間隔、高さと層間の最小距離は？
• 少なくとも2つの独立した機能グループ間の相互接続があるか？
• ビア要件は？ブラインドおよび/または埋め込みビアは可能か？

プリント基板構築の考慮事項

高速回路基板では、埋め込みグランドと電源プレーンを持つ多層構造にするべきです。デバイスのグランドと電源接続を短く保ち、伝送長とエラーの可能性を減らすため、ソリッド銅プレーンが非常に有用です。グランド・プレーンは高速信号の低インダクタンス・リターン・パスを提供します。

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PCB信号インテグリティのヒント

効率的なプリント基板設計に関して念頭に置くべきいくつかのその他のヒント：

• 直角： トレースの直角は避けてください。その領域の容量を増加させ、インピーダンス変化と反射を招きます。45度角がより良く、丸みを帯びた曲げが理想的です。
• ビア： ビアはルーティングに不可欠ですが、インダクタンスと容量を追加し、反射を招きます。またトレース長を増加させるため、控えめに使用し、差動トレースでのビアは避けてください。
• 信号分離： 高速信号と低速信号を互いに分離してください。デジタルとアナログ信号も分離してください。クロストークを最小限に抑えるため、信号を90度でルーティングしてください。

PCBラミネート選定

もう1つの重要な考慮事項はラミネートです。FR4 PCBラミネートはコスト・パフォーマンスに優れるため一般的な選択ですが、より高速ではデジタル信号のインテグリティに影響を与える可能性があります。

より高い周波数では、Rogers RO4350のような高速ラミネートを検討すべきです。これらのラミネートはより高い周波数に適した特性を持ち、設計目標達成を容易にします。欠点は、このタイプのラミネートがかなり高コストであることです。

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