PCBクロストーク完全解説：原因、影響、効果的な対策

現実を直視しましょう。PCBクロストークは、ハイスピードPCBを扱う平均的なエンジニアが直面する巨大な問題です。

近年、基板がよりコンパクトになっているため、PCB組み立て前にクロストークを分析することがより重要になっています。しかし、クロストークの概念に不慣れな場合、対策は少しトリッキーかもしれません。

この記事では、クロストークとは何か、防止に必要なことを紹介します。また、クロストークのさまざまな種類についても詳しく説明します。

準備はいいですか？ 始めましょう！

PCBにおけるクロストークとは

PCBクロストークは、トレース間の望ましくないエネルギー結合です。物理的に接触していなくても、あるトレースの信号パルスが別のトレースを上書きしてしまいます。通常、並列トレースを正しくスペースしていないときに発生します。

設計が最小スペース要件を満たしていると主張するかもしれませんが、電磁結合を防ぐには十分でない場合があります。

PCB上の2本の平行トレースを考えてみてください。一方のトレースの振幅が大きい場合、もう一方の振幅の小さいトレースに影響を与える可能性があります。その結果、弱い方のトレースの信号が自分の信号を伝送する代わりに、強い方の信号をコピーし始めます。これがクロストーク発生の瞬間です。

実際には、相互インダクタンスにより強いトレースから弱いトレースへ電流が移動します。次に、相互容量から生成されるコンデンサが電流を類似させ、回路の信号インテグリティに影響を与える可能性があります。

多くの設計者は、クロストークは同一層上の平行線から生じると信じています。しかし、異なる層上の隣接線でも発生する可能性があります。

さらに、クロストークの制御や防止はトリッキーであり、主に検出されないまま潜んでいる場合にそうなります。設計の初期段階で対処しないと、PCBの機能が低下します。

PCB上でクロストークがどのように発生するか

回路でクロストークが発生する通常の2つの方法は、共通インピーダンス結合と電磁界結合です。共通インピーダンス結合は分析が容易で、さまざまな信号が1つのリターンパスを共有する場合にのみ発生します。

一方、電磁界結合はより複雑で、誘導性と容量性の2つのサブディビジョンがあります。

容量性結合

平行トレースは、誘電体で分離されたハイスピードPCBのコンデンサ平行板です。強いトレースと弱いトレースの間の電界をコンデンサと見なします。

ここでコンデンサ電圧に変化があると、電界が変化し変位電流が生成されます。この変位電流が容量性結合電流を引き起こし、クロストークにつながります。この効果を寄生容量と呼びます。

誘導性結合

誘導性結合は、弱いトレースの周りを回る磁界リングの数に依存します。強いトレースの磁界がより脆弱なラインを取り囲み、その伝導電流を変化させます。

これが起こると、ファラデーの電磁誘導の法則に従って強いラインが電圧を誘導します。誘導電圧がクロストークの形で電流を伝送します。

ブロードサイド結合

ブロードサイド結合は、平行トレースが隣接層に近接して走るときに発生します。また、これらの隣接信号層を少量のコア厚で分離している場合に発生しやすくなります。通常、0.1ミリメートル（4ミル）程度で、同じ層または隣接層上の2トレースをスペースするにはほぼ不十分です。

クロストークの種類

さまざまなクロストークタイプを、伝播方向、測定ゾーン、定量化に基づいて分類できます。詳しく見ていきましょう。

伝播方向による分類

この分類では、順方向クロストークと逆方向クロストークの2種類があります。

順方向クロストークでは、より脆弱なトレースがコピーされた電流を強い信号の方向に伝送します。逆に、逆方向クロストークではコピーされた信号が逆方向に伝送されます。

伝播方向に基づくクロストークの式は以下の通りです。

測定ゾーンによる分類

この分類でも2種類のクロストークがあります。

• ファーエンドクロストーク（FEXT）：弱いトレースの受信側での干渉を指します。
• ニアエンドクロストーク（NEXT）：弱いトレースのドライバ側でのノイズを指します。

また、これらのクロストークタイプはトレース上のどこでも発生し得ます。シングルエンドでも差動導体でも関係ありません。

定量化による分類

ここでは3種類のクロストークがあります。

1. まず、パワーサムFEXT（PS-FEXT）：ファーエンドクロストークの絶対的影響を指します。
2. 次に、パワーサムNEXT（PS-NEXT）：ニアエンドクロストークの相対的影響を指します。
3. 3つ目に、パワーサムイコールレベルクロストーク（PS-ELFEXT）：PS-NEXTとPS-FEXTの加算を指します。

エイリアンクロストーク

このクロストークは他のバリエーションより複雑です。除去が難しく、シールドでも十分な保護が得られません。異なる信号が弱い信号を破損させるときに発生します。

クロストークの原因

PCBクロストークを引き起こす要因には以下があります。

• 伝播速度の差異がクロストークの原因となることがあります。しかし、伝播遅延とトレース長のマッチングで緩和可能です。
• データレートの上昇もクロストークを引き起こします。高データレートの基板は高い立ち上がり時間を持ちます。ファラデーの法則によれば、立ち上がり時間が高いとクロストークが増加します。
• スタブビアもクロストークを生成する要因です。反射とリンギングを生み出し、クロストークを引き起こします。
• 基板サイズ：大きな基板は長いトレースを必要とします。しかし、長いトレースはアンテナのように振る舞うためクロストークを引き起こす可能性があります。

PCBでのクロストーク低減方法

ハイスピードPCBではクロストークを完全に回避することはできません。しかし、無視できるレベルまで低減することは可能です。このタスクに使用できるいくつかの方法を紹介します。

1. ソリッドリファレンスプレーンのみを使用する

ソリッドリファレンスプレーンは、あふれる磁界と電界を吸収できます。したがって、他の信号に広がって破損させることはありません。

2. バックドリルビアを使用する

ビアスタブは信号インテグリティを損ないクロストークを引き起こす可能性があるため避けてください。代わりにバックドリルビアを採用してください。

3. クロストークをチェックし制限する

基板のクロストークを測定し、150mVを超えないようにしてください。また、信号立ち上がり時間の調整は避けてください。クロストークを増加させ、制限値を超える可能性があります。

4. 差動ペア配線を採用する

タイトに結合された差動配線を使用するとクロストークを低減できます。なぜなら、等価結合がないため、差動ペアはコモンモードノイズを受け入れず、クロストークを緩和できるからです。

5. 高周波信号を分離する

高周波信号を他の信号の近くに配置しないでください。分離することでクロストークの可能性を低減できます。

6. 奇数モードと偶数モードの伝送を正しく除去する

3抵抗ネットワークやT終端を使用して、偶数モードと奇数モードの伝送を効果的にキャンセルできます。

7. 短いトレースを活用する

単純に言えば、トレースが長いほどクロストークの可能性は高まります。しかし、トレースを短く保つことで結合を低減し、クロストークを緩和できます。

8. 非同期信号を分離する

非同期信号を常に高周波信号から遠ざけてください。電源ラインに近づけて配置することでクロストークの可能性を低減できます。

9. 平行トレース走行を減らす

長いトレース（500ミル以上）は相互インダクタンスを増加させ、クロストークを引き起こします。

10. ガードトレースを活用する

ガードトレースを使用して伝送線路間のクロストークを緩和できます。ただし、これらのトレースはトリッキーで配線を複雑にします。

11. 直交配線を使用する

隣接信号層で作業している場合、直交配線を試してください。層間の容量性結合を低減するのに役立ちます。

12. トレースを適切に分離する

すべてのトレースを正しくスペースするために3Wルールを使用してください。このルールを守らないと、相互容量が増加しクロストークにつながります。しかし、3Wルールを使用するとクロストークを70%最小限に抑えられます。

注：10Wルールを使用すると98%のクロストーク低減が可能です。

最後に

クロストークはハイスピードPCBの避けられない問題の一つです。残念ながら、基板から完全に除去することは不可能ですが、信号インテグリティと回路性能を安全に保つレベルまで低減することは可能です。

クロストークは、平行または隣接トレース間の意図しない結合の結果です。しかし、ラインを正しくスペースすることで結合の可能性を最小限に抑えられます。

クロストーク低減にはさまざまな方法があるため、回路設計に適したものを必ず使用してください。

ご質問がありましたら、お気軽にお問い合わせください。