回路基板の設計においては、PCBシグナルインテグリティ、つまりシステム内の信号の品質とその有効性に高いレベルの注意が払われます。シグナルインテグリティが低いと、データエラー、電磁干渉、さらにはシステム障害を引き起こす可能性があります。しかし、デバイスの高速化と小型化が進むにつれて、シグナルインテグリティの問題は最適化が非常に困難になっています。この記事では、PCBシグナルインテグリティに影響を与える主要な要因を探り、設計プロセスにおいてシグナルインテグリティを向上させるためのヒントを紹介します。まずは、PCB設計におけるシグナルインテグリティとは、実際には何を意味するのかを理解することが大切です。
PCB におけるシグナル インテグリティとは何ですか?
プリント基板におけるシグナルインテグリティとは、PCB基板を介して送受信される電気信号の品質を指します。これには、電圧、時間、波形など、様々な電気的特性を信号源から送信先まで維持する信号能力が含まれます。シグナルインテグリティは、データの正確な伝送と回路の正常な動作を保証するため、非常に重要です。これは、高速設計や大規模な信号パス、ネットワーク、またはシステムにおいて特に重要であり、信号品質のわずかな低下もシステム性能に著しく影響を及ぼします。
PCBの信号品質に影響を与える主な要因
- トレースインピーダンス
インピーダンスが変化すると信号が反射して減衰する可能性があるため、インピーダンスはトレース全体にわたって一定である必要があります。トレース幅や間隔などの他のパラメータも、信号の歪みを避けるために均一に制御する必要があります。
- クロストーク
クロストークは、隣接するトレースまたは近くのトレース上の信号が互いに結合し、データ破損を引き起こす可能性のある電磁干渉の一種です。クロストークの深刻度は、並行して走るトレースの長さ、トレース間の距離、PCB全体のレイアウトなどの要因によって異なります。
- 信号反射
反射は、配線のインピーダンスと負荷または信号源のインピーダンスが異なる場合に発生し、信号に歪みが生じます。このような不一致は、通常、異なるインピーダンスによって発生します。 トレース幅、誘電率、または信号経路の突然の変化などです。
- 電磁干渉（EMI）
侵入ノイズは、外部発生源からのEMIによってもPCB信号に侵入します。特にループ領域が大きい場合やシールドが不十分な場合、外部の電磁場がPCBの配線に結合することがあります。
- パワーインテグリティ
信号品質に関しては、安定した電源供給が不可欠です。なぜなら、電力が変動すると、生成される信号や電磁場が乱れる可能性があるからです。電気信号の電源供給に異常があると、ノイズが発生したり、高速データライン上で目的の信号が歪んだりする可能性があります。
- PCB材質
誘電率と 損失接線 PCB材料 信号速度と減衰レベルに影響を与えます。しかし、材料特性の変動は、特に高周波用途において問題となります。
- トレース長と配線
差動ペアやその他の高速信号のトレース長が等しい場合、信号は受信機に同時に到達し、スキューを最小限に抑えることができます。トレース長が異なっていたり、鋭角だったりすると、反射の問題や信号劣化が生じる可能性があります。
PCBの信号品質を向上させる設計のヒント
信号に歪みがまったくないことを保証することは不可能ですが、いくつかの PCB 設計のヒントは、潜在的な信号歪みを最小限に抑え、PCB 内の信号整合性を向上させるのに役立ちます。
適切なレイヤースタックアップ
信号層はグランドプレーンに近接して配置する必要があります。これは、インピーダンスの管理とクロストークの防止に役立ちます。一般的に、高速信号は干渉信号からの分離を確保するため、グランドプレーン間の内層に配置する必要があります。
参考文献： PCBスタックアップ設計ガイドライン
トレースルーティングテクニック
トレース長は信号反射を引き起こすため、長すぎないように注意しましょう。また、急カーブも避けましょう。45度カーブではなく、比較的滑らかなカーブ、できれば90度カーブの方が信号への影響が少ないため、滑らかなカーブの方が適しています。また、差動ペアはインピーダンスを維持し、ノイズを低減するために、一定の間隔で配線する必要があります。
接地とデカップリング
強固なグラウンドプレーンは、電磁干渉（EMI）を低減し、信号に安定した基準電圧を供給するために不可欠です。電源ピンの近くにコンデンサを配置することで、適切なデカップリングを実現し、電源ラインのノイズを「ブロック」し、信号伝送品質を向上させることができます。グラウンド接続は低インピーダンスで、高速信号に十分なリターンパスを確保する必要があります。
制御されたインピーダンス
確保 制御されたインピーダンス 重要な信号トレースの最適化は、信号品質の維持に役立ちます。これには、必要なインピーダンスに応じて、トレース幅、間隔、誘電体の厚さを計算・維持することが含まれます。製造前にインピーダンスの潜在的な問題を発見するために、インピーダンス検証用のシミュレーションツールを活用することをお勧めします。
クロストークを最小限に抑える
クロストークを最小限に抑えるには、特に高速信号が関係する箇所では、信号トレース間に十分な距離を置く必要があります。信号層を分離するためにグラウンドプレーンまたは電源プレーンを使用し、高速ライン間にガードトレース（グラウンドに接続されたトレース）を配置して、さらに高速ライン間の分離を強化することを検討してください。
ビアの使用
高速信号経路ではビアの使用を最小限に抑えることが推奨されます。ビアはインダクタンスを増加させ、反射を引き起こすためです。ビアが必要な場合は、 バックドリル インピーダンスの影響を減らすために、ビアバレルの無効なセグメントを削除します。
PCB 信号の整合性をテストする方法は?
PCB の信号整合性をテストする方法は、信号の状態を測定して回路内の最初の状態と同じくらい良好であることを確認するさまざまなツールと方法を使用することです。TDR は主にインピーダンスの不連続性による反射を識別できますが、VNA は信号伝送パラメータとインピーダンスを決定するのに役立ちます。アイ ダイアグラムは複数の信号サイクルの重なりに基づいて信号の品質を説明するため、オシロスコープ測定で信号整合性を評価することもできます。さらに、フロントエンド段階とバックエンド段階でよく使用されるツールには、SPICE や HyperLynx などのシミュレーション ツールがあり、これらを使用すると、レイアウト前/レイアウト後の検証が可能になり、物理テストの前に信号整合性の問題が発生する可能性を予測できます。連携して機能するこれらのツールは、エンジニアが PCB の障害を特定して修正を行うのを支援し、ボードの信頼性を保証します。
