PCB クロストーク:その内容と対処方法
それに直面しよう。 PCB クロストークは、平均的なエンジニアが高速 PCB で直面する大きな問題です。
最近では、基板がよりコンパクトになり、PCB を組み立てる前にクロストークを解析することがより重要になっています。ただし、クロストークの概念に慣れていない場合は、対処するのが少し難しいかもしれません.
この記事では、クロストークとは何か、またそれを防ぐために必要なことを説明します。また、さまざまなタイプのクロストークについても詳しく説明します。
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PCB のクロストークとは?
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、トレースの信号パルスが別のトレースを上書きします。通常、並列トレースの間隔が正しくない場合に発生します。
PCBトレース
設計が最小間隔要件を守っ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不十分かもしれません。
したがって、PCB 上の 2 つの平行なトレースについて考えてみてください。 1 つのトレースの振幅が大きい場合、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、弱いトレースの信号がコピーを開始し、強い信号が送信されなくなります。そのときにクロストークが発生します。
実際には、相互インダクタンスにより、電流が強いトレースから弱いトレースに移動します。次に、相互容量から作成されたコンデンサによって電流が類似し、回路のシグナル 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、クロストークは同じ層の平行線が原因であると考えています。ただし、異なるレイヤーの隣接する行でも発生する可能性があります。
さらに、主にクロストークが検出されない場合、クロストークの制御または防止は難しい場合があります。また、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発生する仕組み
PCB の手検査
通常、回路内でクロストークが発生する原因には、共通インピーダンス結合または電磁結合の 2 つがあります。共通インピーダンス結合は解析が容易で、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 つの下位区分があります。
容量結合
パラレル トレースは、誘電体によって分離された高速 PCB のコンデンサの平行プレートです。強いトレースと弱いトレースの間の電界は、コンデンサと呼ばれるものです。
ここで、コンデンサの電圧が変化すると、電界が変化し、変位電流が発生します。この変位電流によって容量結合電流が発生し、クロストークが発生します。この効果を寄生容量と呼びます。
誘導結合
誘導結合は、弱いトレースの周りを回転する磁場リングの数に依存します。より強いトレースの磁場は、より脆弱なラインを取り囲み、その伝送電流を変化させます。
これが発生すると、ファラデーの誘導の法則に従って、より強い線に電圧が誘導されます。誘導電圧は、クロストークの形で電流を伝達するものです。
ブロードサイド カップリング
ブロードサイド カップリングは、平行なトレースが隣接する層の近くにあるときに発生します。さらに、これらの隣接する信号層を分離するコアの厚みが小さい場合に発生する可能性が高くなります。通常、これは 0.1 ミリメートル (4 ミル) であり、同じ層または隣接する層の 2 つのトレースの間隔をあけるには十分ではありません。
クロストークの種類
信号伝送に影響するクロストーク
さまざまなクロストークのタイプを、伝播方向、測定ゾーン、および定量化に分類できます。詳しく見てみましょう。
伝搬方向に基づく
この分類では、前方クロストークと後方クロストークの 2 つのクロストーク タイプがあります。
順方向クロストークの場合、より脆弱なトレースは、コピーされた電流をより強い信号の方向に送信します。反対に、後方クロストークは、コピー信号が反対方向に送信されることを意味します。
伝播方向に基づくクロストークの公式は次のとおりです。
測定ゾーンに基づく
この分類にも 2 つのクロストーク タイプがあります。それらには以下が含まれます:
- ファーエンド クロストーク (FEXT):弱いトレースのレシーバー側での干渉を指します。
- 近端クロストーク (NEXT):弱いトレースのドライバー側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、トレースのどこでも発生する可能性があります。したがって、シングルエンドまたはデュアル コンダクターであるかどうかは問題ではありません。
定量化に基づく
ここでは、以下を含む 3 つのクロストーク タイプがあります。
- まず、Power-sum-FEXT (PS-FEXT):遠端クロストークの絶対的な影響を指します。
- 2 番目に、Power-sum-NEXT (PS-NEXT):近端クロストークの相対的な影響を指します。
- 第 3 のパワー サム イコール レベル クロストーク (PS-ELFEXT):PS-NEXT と PS-FEXT の追加を指します。
エイリアン クロストーク
このクロストークは、他のバリアントよりも複雑です。排除するのは難しく、シールドは十分な保護を提供しません。異なる信号が弱い信号を破損するときに発生します.
クロストークの原因
クロストークの測定
PCB クロストークの原因となる要因は次のとおりです。
- 交差は伝播速度の違いの結果である可能性があります。ただし、伝播遅延とトレース長の一致によって軽減できます。
- データ レートの増加も、クロストークを引き起こす可能性があります。データ レートが高いボードは、立ち上がり時間も長くなります。また、ファラデーの法則によれば、立ち上がり時間が長くなるとクロストークが増加します。
- スタブ PCB ビアは、クロストークを発生させるもう 1 つの要因です。反射とリンギングが発生し、クロストークが発生します。
- 基板サイズ:基板が大きいほど、より長い配線が必要になります。ただし、トレースが長くなると、アンテナのように機能するため、クロストークが発生する可能性があります。
PCB のクロストークを減らす方法
高速基板
高速 PCB でのクロストークを常に回避できるとは限りません。しかし、あなたはそれを取るに足らないレベルまで減らすことができます。このタスクに使用できるいくつかの方法を次に示します。
1.ソリッド基準面のみを使用してください。
固体基準面は、オーバーフローする磁場と電場を吸収できます。したがって、拡散して他のシグナルを破壊することはありません。
2.バックドリル ビアの使用
ビア付き PCB
信号の完全性を低下させ、クロストークを引き起こす可能性があるため、サブサブ経由の使用は避けてください。代わりに、バック ドリル ビアを使用してください。
3.クロストークのチェックと制限
ボードのクロストークを測定し、150mV を超えないことを確認します。また、信号の立ち上がり時間を調整しないでください。クロストークが増加し、限界を超える可能性があります。
4.差動ペア ルーティングに進む
密結合差動配線を使用すると、クロストークを減らすのに役立ちます。どのように？等結合がないため、差動ペアはコモン モード ノイズを受け入れず、クロストークが軽減されます。
5.高周波信号の分離
PCB で作業する男性
高周波信号を他の信号の近くに配置しないでください。それらを分離すると、クロストークの可能性を減らすのに役立ちます.
6.伝送の奇数モードと偶数モードを正しく排除
3 つの抵抗ネットワークまたは T 終端を使用して、偶数および奇数の伝送モードを効果的にキャンセルできます。
7.短いトレースを利用する
トレース付き PCB
つまり、トレースが長いほど、クロストークの可能性が高くなります。ただし、トレースを短く保つことで、カップリングを減らし、クロストークを軽減することができます。
8.個別の非同期シグナル
非同期信号は常に高周波信号から遠ざけてください。クロストークの可能性を減らすために、電源ラインの近くに配置してみてください。
9.並列トレース実行を減らす
より長いトレース (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 トレースを利用する
ガード トレースを使用して、伝送ライン間のクロストークを軽減できます。ただし、これらのトレースは扱いにくく、ルーティングが複雑になります。
11.直交ルーティングを使用する
隣接する信号レイヤーで作業している場合は、それらを直交してルーティングしてみてください。層間の容量結合を減らすのに役立ちます.
12.痕跡を分けておく
間隔の広いトレース
3W ルールを使用して、すべてのトレースを正しく配置します。このルールを守らないと、相互容量が増加し、クロストークが発生します。しかし、3W 法則を使用すると、クロストークを 70% 最小限に抑えることができます。
注:10w ルールを使用すると、クロストークを 98% 削減できます。
最後の言葉
PCB
クロストークは、高速 PCB の避けられない問題の 1 つです。残念ながら、基板から除去することは不可能ですが、シグナル インテグリティと回路性能を安全に保つレベルまで減らすことはできます。
クロストークは、平行または隣接するトレース間の意図しない結合の結果です。ただし、行間を正しく配置することで結合の可能性を最小限に抑えることができます。
クロストークを減らすにはさまざまな方法があるので、回路設計に適した方法を使用してください。
ご不明な点がございましたら、お気軽にお問い合わせください。
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