PCB設計において信号の整合性が潜在的な問題となるのはいつですか? また、どのように対処すればよいですか?高速PCB設計における信号の整合性が重要な理由を説明します。
ジェレミー・クック
PCB設計者のためのシグナル インテグリティ
マイクロコントローラ が、単純なオン/オフ切り替え、I2CやSPIなどのプロトコル、または WS2812B LED の制御パルスを介して他のデバイスに信号を渡す場合、通常は1と0を表すバイナリ パルスで渡されます。しかし現実には、エレクトロニクスの世界では純粋なバイナリ形式で動作するものは何もありません。受信デバイスはあいまいさに対処するために、特定の範囲を超える信号を高い信号として扱い、特定の程度を下回る信号を低い信号として扱うように設計されているため、これが問題になる場合とそうでない場合があります。
この一貫性のない動作は、特にアイ ダイアグラムを介して信号を表示するように設定されている場合に、 オシロスコープで確認できます。曖昧さは、送信デバイスでの信号の発生源と受信場所との間の信号経路を悪化させるだけです。ゆっくり変化する信号では、効果は実質的に存在しません。たとえば、 LED を1秒に1回点滅させたり、ミリ秒単位で制御パルスを送信したりします。
信号速度がメガヘルツ範囲に達した場合や立ち上がり時間が非常に速い場合は、信号の整合性を考慮する必要があります。
シグナルインテグリティのためのPCB設計という広範なテーマを1つの記事で完全に網羅することはできません。ただし、この記事では、簡単な紹介として、高速ボードを設計する際に考慮する必要があるいくつかの基本的な概念について概説します。
データの整合性は設計上の潜在的な問題ですか?
まず、信号の周期がどんどん高くなるにつれて、 配線 は単なる純粋な導体としてではなく、電磁気送信機としても機能し、近くの配線で拾われる可能性のあるスプリアス信号を放出するということを考慮してください。これは純粋な周期周波数だけでなく、立ち上がり時間、つまり信号が1つの状態から別の状態へ遷移するのにかかる時間にも関係します。
目安としては、立ち上がり時間が1ナノ秒 (ns) 未満の信号、またはクロック周波数が100 MHzを超える信号を扱う場合は、PCBで潜在的な信号劣化を考慮する必要があるかもしれません。PCBの場合、トレースが長くなるほど干渉の可能性が高くなるため、以下に示すように、できるだけ短くすることが最善です。
信号の完全性: 短く、まっすぐで、均一
信号整合性の第一のルールは、信号パスをできるだけ短くすることです。1ns/100MHzは目安としては良いですが、実際の干渉値はトレースの長さと電気信号の波長に関係します。伝送距離が波長の1/10未満であれば、問題はないはずです。
ここでの信号速度は、 ½ 光の速度、つまり1.5 x 10^8メートル/秒と近似できるため、ヘルツ単位の周波数 (サイクル/秒とも呼ばれます) で割ると、メートル単位の波長が得られます。100 MHzの信号波長は、1.5 x 10^8メートル/秒を100,000,000サイクル/秒で割った値で、1.5メートル/サイクル、つまり1.5メートルの波長になります。この値の10分の1は15センチメートルとなり、トレースの長さとしては長いですが、確かに考えられます。トレースを大幅に短く保つと、100 MHz以上でも問題が発生しない可能性があります。
スペクトルの反対側では、米国海軍の極低周波プロジェクトを考えてみましょう。このプロジェクトでは、長さ14マイルと28マイルの アンテナ を使用して、水中の潜水艦との通信用に30 ～ 300 Hzの電波を生成しました。言い換えれば、この極端なアンテナ構成では、定められた経験則の周波数のわずか100万分の1で (膨大な電力を消費しますが)、数千マイル離れた海底船舶に信号を送ることができる電波を生成できます。
トレース長の問題に加えて、送信機から受信機までの信号パスにおけるインピーダンスの変化により、信号自体に干渉する反射が発生する可能性があります。一定のインピーダンスを維持するために、信号トレースの幅は均一にする必要があります。可能な場合はビアを避けてください。伝送ラインと負荷間のインピーダンスの不整合を考慮し、必要に応じて修正する必要があり、並列に 抵抗器 が必要になる可能性があります。
もちろん、PCB上のビアを完全に回避することはできない可能性があり、そうすると必然的に必要以上に長いトレースが必要になります。PCB設計に伴うトレードオフを考慮すると、ボードの機能をシミュレートして潜在的な高周波効果を分析することをお勧めします。これにより、実際に製造される前にPCBのエラーを検出できるため、開発コストを大幅に節約できる可能性があります。
グランドプレーン…それともリターンパス?
グランドプレーン、つまり電流リターンパスは、十分な量の銅被覆で形成され、忘れ去られるものと考えるかもしれません。高速PCB設計の場合、たとえ銅の連続領域であっても、グランド プレーンを (理想的には) 並列に動作し、信号トレースをたどる一連のリターン パスとして考える方が適切です。戻り電流は信号パスに可能な限り沿って流れ、高速時のインピーダンスを最小限に抑えます。
多くの設計では、異なるグランドプレーンを接続するためにステッチングビアの使用を検討する必要があります。これにより、ノイズの多い信号ラインの周囲に絶縁ファラデーケージを形成し、戻り経路を可能な限り短く保つことができます。
デカップリングコンデンサ
信号の整合性とは多少関係ありませんが、供給されるDC電源は変動し、5Vまたは3.3Vの一定の値になることはめったにないことを考慮してください。クリーンな電力が利用できない場合、マイクロコントローラや、隣接するLEDに順次信号を渡すアドレス指定可能なWS2812B LEDなどの信号ソースの動作が最適とは言えなくなる可能性があります。信号をクリーンアップするには、 デカップリング コンデンサを使用します。
誘電体はPCBの層を分離するため、電源プレーンとグランドプレーンが2層構成のどちらかの側に配置されていれば、これが コンデンサ としても機能することに注意してください。残念ながら、標準的な1.6mm/.063インチの2層ボードでは、1平方インチあたり17.1ピコファラッド (pF) の静電容量しか得られず、最近私が取り組んでいる適度なサイズの8.36インチ2ボードでは143pFしか得られません。実際のところ、典型的なデカップリング コンデンサの容量は100ナノファラッド (nF) で、ボード全体が銅で覆われている場合に自然に得られる容量のおよそ700倍になります。少しでも役に立つとは思いますが、規模が大違いです。
高速データ整合性のトレードオフ
高周波設計の課題を考えると、すべてのデバイスが極めて高い周波数を使用するわけではないことは理解できます。多くの場合、USBキーボードとマウスの場合、比較的遅いデータ転送速度でも十分許容できます。さまざまなRFの煩わしさを回避できる可能性がある場合は、設計プロセスの早い段階で速度のトレードオフを考慮する必要があります。必要に応じて、よく考えられた高周波PCBは美しいものですが、これらの問題を完全に回避する構成にも利点があります。