PCB 設計に関する重要な質問への簡単な回答

Q1:PCB (プリント回路基板) 材料の選び方

A1:PCB 材料は、設計要求、量産、およびコストのバランスに基づいて完全に選択する必要があります。設計要求には、高速 PCB 設計時に真剣に考慮すべき電気的要素が含まれます。さらに、誘電率と誘電損失は、周波数と一致するかどうかを考慮する必要があります。

Q2:高周波干渉を避けるには?

A2:高周波干渉を克服するための主要な原則は、クロストークを可能な限り減らすことです。これは、高速信号とアナログ信号の間の距離を広げるか、アナログ信号の横にグランド ガードまたはシャント トレースを装備することによって達成できます。さらに、アナログ グラウンド上のデジタル グラウンドによって引き起こされるノイズ干渉を慎重に考慮する必要があります。

Q3:差動信号を運ぶトレースを配置する方法は?

A3:差動信号の設計を行うトレースに関しては、2 つの点に注意する必要があります。一方では、2 つの線の長さは同じでなければなりません。一方、2 つの線の間隔は平行を維持する必要があります。

Q4:出力端子にクロック信号線が 1 本しかない場合、差動信号を運ぶトレースをどのように配置しますか?

A4:差動信号配置を運ぶトレースの前提は、信号源と受信側の両方が差動信号であることです。したがって、差動ルーティングは、出力端が 1 つしかないクロック信号では機能しません。

Q5:受信側の差動ペア間に整合抵抗を追加できますか?

A5:通常、受信側の差動ペア間に整合抵抗が追加され、その値は差動インピーダンスの値と等しくなります。その結果、信号品質が向上します。

Q6:差動ペアのトレースを互いに近づけて平行にする必要があるのはなぜですか?

A6:差動ペア トレースは、適切に近接して平行にする必要があります。差動ペア トレース間の距離は、差動ペア設計に関する重要な参照パラメータである差動インピーダンスによって決まります。

Q7:高速信号の手動ルーティングと自動ルーティングの間の競合を解決するにはどうすればよいですか?

A7:現在、ほとんどの自動ルーターは、拘束条件を設定することで、ワイヤの実行方法とスルー ホールの数を制御できます。 EDA各社は、配線の引き回し方法や制約条件の設定などで大きく異なります。自動ルーティングの難しさは、ワイヤの走行能力と密接に関係しています。したがって、この問題は、配線能力の高いルーターを選択することで解決できます。

Q8:高速 PCB 設計では、信号層の空白領域を銅でコーティングできます。接地と電源供給の複数の信号層に銅をどのように配置する必要がありますか?

A8:一般的に、銅メッキはほとんど空白部分でグランドに接続されています。銅被覆は特性インピーダンスを少し下げるため、銅被覆と信号ライン間の距離は厳密に設計する必要があります。一方、他の層の特性インピーダンスは影響を受けません。

Q9:電源プレーンの特性インピーダンスは、マイクロ ストリップ ライン モデルで計算できますか?電源プレーンとグランド プレーン間の信号にマイクロ ストリップ ライン モデルを使用できますか?

A9:はい。特性インピーダンス計算の手順では、電源プレーンとグランド プレーンの両方を基準プレーンと見なすことができます。

Q10:高密度 PCB の自動化によって生成されたテスト ポイントは、大量生産のテスト要求を満たすことができますか?

A10:テストポイントの規定がテストマシンの要求に適合するかどうかはケースバイケースです。また、配線が密集しすぎてテストポイントの規制が厳しい場合、ラインの各セグメントにテストポイントを配置する方法がない場合があります。もちろん、手動の方法を使用してテスト ポイントを補完することもできます。

Q11:テストポイントの追加は高速信号の品質に影響しますか?

A11:テストポイントの追加方法や信号の走行速度などは場合によります。基本的に、テスト ポイントの追加は、線に追加するか、セグメントを引き出すことによって取得されます。どちらの方法も多かれ少なかれ高速信号に影響を与える可能性があり、その影響範囲は信号の周波数速度とエッジ レートに関連しています。

Q12:複数の PCB がシステムに接続されている場合、各 PCB のグランド ラインはどのように接続すればよいですか?

A12:Kirchoff の電流法則に基づいて、電力または信号がボード A からボード B に送信されると、同等量の電流がグランド プレーンからボード A に返され、グランド プレーンの電流はインピーダンスが低い経路で逆流します。最低。したがって、グラウンドのインピーダンスとノイズの両方を低減できるように、電源または信号の相互接続の各インターフェイスで、グラウンド プレーンに寄与するピンの数を少なくしすぎてはなりません。さらに、電流ループ全体、特に電流が最大の部分を分析し、グランドプレーンまたはグランドラインの接続を調整して、電流を制御し、他の敏感な信号への影響を減らす必要があります.

Q13:差動信号線の途中にグランド線を追加することはできますか?

A13:差動信号ライン原理の最大の意義は、フラックスキャンセルやノイズ耐性など、差動信号ライン間の相互結合による利点にあるため、基本的に差動信号ライン間にグランドラインを追加することはできません。それらの間にグラウンド線が追加されます。

Q14:適切な PCB とカバーの接地点を選択する原則は何ですか?

A14:原理は、シャーシ グランドを利用して電流を返すための低インピーダンスのパスを提供し、この電流のリターンのパスを制御することです。たとえば、ねじは通常、高周波コンポーネントまたはクロック ジェネレーターの近くで使用して、PCB のグランド プレーンをシャーシ グランドに接続し、電流ループ領域全体を可能な限り減らす、つまり電磁干渉を減らすことができます。

Q15:PCB デバッグはどこから始めればよいですか?

A15:デジタル回路に関しては、次のことを順番に行う必要があります。まず、設計要件を平均的に達成するために、すべての電力値を確認する必要があります。次に、すべてのクロック信号周波数が正常に動作し、エッジに単調でない問題がないことを確認する必要があります。第 3 に、標準要件を満たすためにリセット信号を確認する必要があります。上記のことが確認された場合、チップは最初のサイクルで信号を送信する必要があります。次に、システム実行プロトコルとバス プロトコルに基づいてデバッグが実行されます。

Q16:ボード面積が固定された高速高密度 PCB の設計には、どのように設計するのが最適ですか?

A16:高速高密度 PCB 設計のプロセスでは、クロストーク干渉はタイミングとシグナル インテグリティに大きく影響するため、特に注意する必要があります。いくつかの設計ソリューションが提供されます。まず、配線特性インピーダンスの連続性と整合性を制御する必要があります。次に、間隔に注意する必要があります。間隔は通常、線幅の 2 倍です。第三に、適切な終了方法を選択する必要があります。第 4 に、隣接するレイヤーのルーティングは、異なる方向に実装する必要があります。第 5 に、ブラインド/埋め込みビアを使用して配線領域を増やすことができます。さらに、タイミングと信号の完全性への影響を減らすために、差動終端とコモンモード終端を維持する必要があります。

Q17:通常、LC 回路はアナログ電源でフィルタ波に適用されます。 LC が RC よりも優れたパフォーマンスを発揮することがあるのはなぜですか?

A17:LC と RC の比較は、周波数帯域とインダクタンスが適切に選択されているかどうかという仮定に基づいている必要があります。インダクタンスのリアクタンスはインダクタンスと周波数に相関するため、電力のノイズ周波数が低すぎてインダクタンスが十分に高くない場合、LC は RC よりも性能が低下します。ただし、RC の欠点の 1 つは、抵抗自体が低効率でエネルギーを消費するという事実にあります。

Q18:コストのプレッシャーなしに EMC 要件を達成するための最適な方法は何ですか?

A18:PCB 基板は通常、シールド ストレスを強化するために層数が増え、高周波高調波成分を止めるために使用されるフェライト ビーズやチョークなどのいくつかの部品が用意されているため、EMC によりコストが高くなります。さらに、EMC の要求を満たすために、他のシステムの他のシールド構造を使用する必要があります。まず、信号によって生成される高周波部分を減らすために、スルーレートの低いコンポーネントをできるだけ多く適用する必要があります。第二に、高周波コンポーネントを外部コネクタの近くに配置しないでください。第 3 に、高速信号のインピーダンス整合、配線層、およびリターン電流経路は、高周波の反射と放射を削減するように慎重に設計する必要があります。第 4 に、電源プレーンとグランド プレーンのノイズを低減するために、電源ピンに十分なデカップリング コンデンサを配置する必要があります。第 5 に、外部コネクタ近くのグランドはグランド プレーンから切り離すことができ、コネクタ グランドはシャーシ グランドの近くにある必要があります。

Q19:PCB ボードに複数のデジタル/アナログ モジュールがある場合、通常の解決策はデジタル/アナログ モジュールを分割することです。なぜですか?

A19:デジタルモジュールとアナログモジュールを分ける理由は、通常、高電位と低電位の切り替え時に電源とグランドにノイズが発生し、ノイズの程度が信号速度と電流量に関係するためです。アナログとデジタルのモジュールが分離されておらず、デジタル モジュールで発生するノイズが大きく、アナログ部分の回路が類似している場合、アナログ信号とデジタル信号が交差しなくても、アナログ信号はノイズの影響を受けます。

Q20:高速 PCB 設計に関しては、インピーダンス整合をどのように実装する必要がありますか?

A20:高速 PCB 設計に関する限り、インピーダンス マッチングは主要な考慮事項の 1 つです。インピーダンスはルーティングとの絶対的な関係を特徴としています。たとえば、特性インピーダンスは、マイクロストリップまたはストリップライン/ダブル ストリップライン層と基準層の間の間隔、配線幅、PCB 材料などを含むいくつかの要素によって決定されます。この問題の本質的な解決策は、インピーダンスの不連続ができるだけ発生しないようにすることです。

Q21:高速 PCB 設計の過程で、EMC/EMI を考慮してどのような対策を講じる必要がありますか?

A21:一般的に言えば、EMI/EMC 設計は放射と伝導の両方の側面から考慮する必要があります。前者は周波数が高い部分（30MHz以上）に属し、後者は周波数が低い部分（30MHz未満）に属します。したがって、高周波部分と低周波部分の両方に注意する必要があります。優れた EMI/EMC 設計は、コンポーネントの配置、PCB スタックアップ、ルーティング、コンポーネントの選択などから開始する必要があります。これらの側面を考慮しないと、コストが上昇する可能性があります。たとえば、クロック ジェネレータは外部コネクタにできるだけ近づけないでください。さらに、PCB とシャーシの間の接続ポイントを適切に選択する必要があります。

Q22:ルーティング トポロジとは何ですか?

A22:ルーティング トポロジは、ルーティング順序とも呼ばれ、複数のターミネータを持つネットワークに関するルーティングの順序を指します。

Q23:シグナル インテグリティを向上させるには、ルーティング トポロジをどのように調整する必要がありますか?

A23:このタイプのネットワーク信号は非常に複雑であるため、異なる方向、異なるレベル、異なる種類の信号に基づいてトポロジーが異なります。したがって、どのタイプの信号が信号品質にとって有益であるかを判断することは困難です。

Q24:銅コーティングの理由は何ですか?

A24:通常、銅コーティングにはいくつかの理由があります。まず、大規模なグランドまたは電源の銅コーティングはシールド効果を持ち、たとえば PGND などの特別なグランドは保護の役割を果たすことができます。第二に、電気めっきの高性能を確保するか、ラミネーションが変形するのを防ぐために、配線を少なくして PCB 基板に銅をコーティングする必要があります。第 3 に、銅コーティングはシグナル インテグリティの要件に由来します。高周波デジタル信号に完全なリターン パスを提供し、DC ネットワーク ルーティングを削減する必要があります。さらに、放熱も考慮する必要があります。

Q25:リターン電流とは?

A25:高速デジタル信号が流れているため、信号は PCB 伝送ラインに沿ってドライバーからキャリアに流れ、グランドまたは電源に沿った最短経路を通ってドライバー端子に戻ります。グランドまたは電源での戻り信号は、戻り電流と呼ばれます。

Q26:端末の種類は何種類ありますか?

A26:ターミナル、マッチングとも呼ばれますが、通常ソースマッチングとターミナルマッチングに分類されます。前者は直列抵抗マッチングを指し、後者は並列マッチングを指します。プルアップ抵抗、プルダウン抵抗、ダベナン マッチング、AC マッチング、ショットキー ダイオード マッチングなど、多くの方法が利用可能です。

Q27:一致する型を決定できる要素は何ですか?

A27:マッチングタイプは通常、BUFFER の特性、トポロジー、レベル分類、判定タイプによって決まります。さらに、信号のデューティ サイクルとシステムのエネルギー消費も考慮する必要があります。

Q28:製造工場からリリースされる前に、PCB に対してどのような検査を行う必要がありますか?

A28:ほとんどの PCB メーカーは、すべての回路が正しく接続されていることを確認するために、工場出荷前に PCB のオン/オフ テストを実施しています。これまで、一部の先進メーカーは、X 線検査を実施して、エッチングやラミネート加工の障害を検出していました。 SMT アセンブリを通過する製品に関しては、通常、ICT が適用されます。これには、PCB 設計段階での ICT テスト ポイントの設定が必要です。問題が発生するとすぐに、特殊なタイプの X 線検査も使用できます。

Q29:2 枚の PCB ボードで構成された回路の場合、それらは同じグランドを共有する必要がありますか?

A29:1 つの回路に複数の電源を適用することは現実的ではないため、2 枚の PCB ボードで構成される回路は通常、同じグランドを共有する必要があります。もちろん、条件が許せば、さまざまな力を使用することもできます。結局、干渉を減らすのに役立ちます.

Q30:DSP と PLD を含むシステムでは、ESD をどのように考慮する必要がありますか?

A30:通常のシステムとしては、人体に直接触れる部分を第一に考え、回路や構造物に適切な保護を施す必要があります。 ESD がシステムにもたらす影響の程度は、通常、さまざまな状況に応じて決定されます。乾燥した環境では、特に敏感なシステムでは、ESD が悪化します。大規模なシステムでは ESD への明らかな影響はありませんが、さらに注意を払う必要があります。

Q31:4 層 PCB 設計の場合、両面の銅コーティングはどの面にすべきですか?

A31:銅コーティングについては、シールド、熱放散、補強、および PCB 製造の要求などの側面を考慮する必要があります。したがって、主な理由を考慮する必要があります。たとえば、高速 PCB 設計に関しては、シールドを最も考慮する必要があります。表面接地は EMC にとって有益であり、孤立した島の場合は銅コーティングを完全に行う必要があります。一般的に、表面の部品に配線が多すぎると、銅箔を完全に保つことが難しくなります。したがって、多くの表面コンポーネントまたは多くのルーティングを備えたボードは、銅でコーティングしないことをお勧めします。

Q32:クロック ルーティングのプロセスで、両側にグランド シールドを追加する必要がありますか?

A32:ボードのクロストークや EMI に依存します。シールドアース線が適切に処理されていないと、逆に悪影響をもたらします。

Q33:異なる周波数の信号のクロック ルーティングの戦略は何ですか?

A33:クロック ラインのルーティングに関しては、最初にシグナル インテグリティ解析を実行し、ルーティングの原則を操作する必要があります。次に、原則に基づいてルーティングを実装します。

役立つリソース
• 高品質の PCB を設計する方法
• 知っておくべき重要な PCB 設計ルール
• 一般的に見られる PCB 設計の問題
• プロセスで起こりうる問題と解決策PCB 設計の概要
• SMT 製造に影響を与える PCB 設計要素