高速 PCB 設計におけるクロストークの解析と制御

現在、ますます高度化する半導体技術により、トランジスタのサイズがますます小さくなり、デバイスの信号ジャンプエッジがますます高速になり、高速デジタルの分野で信号の完全性と電磁両立性の問題がますます深刻になっています。回路システム設計。シグナルインテグリティの問題には、主に反射、時間遅延、リンギング、信号のオーバーシュートとアンダーシュート、信号間のクロストークなどの伝送ラインの影響が含まれます。その中で、信号クロストークは最も複雑で、多くの要因、複雑な計算、および制御が困難です。したがって、今日の電子製品の設計には、従来の設計環境、設計プロセス、および設計方法とは異なる、新しいアイデア、プロセス、方法、および技術が緊急に必要とされています。

EDA テクノロジは、高速 PCB および回路基板レベルシステム用の一連の設計および解析ツールと方法論を開発しました。これらの技術は、静的タイミング解析、シグナルインテグリティ解析、EMI/EMC 設計、グランドバウンス反射解析、電力解析、高速ルーターなど、高速回路設計と解析のすべての側面をカバーしています。同時に、シグナルインテグリティ検証と Sig '' '' n-Off、デザインスペース検出、相互接続計画、電気的ルール制約の相互接続合成、およびエキスパートシステムやその他の技術的方法も含まれており、これらも可能になります。シグナルインテグリティの問題を効率的かつ適切に解決します。シグナルインテグリティの解析と設計は、高速 PCB ボードレベルおよびシステムレベルの解析と設計の最も重要な手段です。ハードウェア回路設計においてますます重要な役割を果たしています。ここでは、シグナルインテグリティにおけるシグナルクロストークについて説明します。

PCB

擾乱申請の解決策

信号間の電磁界が相互に一致することによって発生する望ましくないノイズ電圧信号は、信号クロストークと呼ばれます。クロストークが一定の値を超えると、回路の誤動作を引き起こし、システムが正常に動作しなくなる可能性があります。クロストークの問題は、次の側面から解決できます。

a. 可能であれば、信号エッジの変換レートを下げる

一般に、デバイスを選択するときは、設計仕様を満たしながら可能な限り低速のデバイスを選択する必要があり、異なるタイプの信号を混在させて使用することは避ける必要があります。これは、高速に変換された信号が、低速に変換された信号にクロストークする可能性があるためです。

b. シールド対策を採用

高速信号にパケットグランドを提供することは、クロストークの問題を解決する効果的な方法です。しかし、パッケージランドは配線量の増加につながり、本来限られた配線エリアが密集してしまいます。さらに、アース線シールドの期待される目的を達成するためには、アース線上のアース点間の距離が重要であり、これは通常、信号変化の長さの 2 倍未満です。同時に、グランド線も信号の分布容量を増加させ、伝送ラインのインピーダンスを増加させ、信号エッジを遅くします。

c. レイヤーと配線を合理的に設定する

配線層と配線間隔を合理的に設定し、並列信号の長さを短くし、信号層とプレーン層の間隔を短くし、信号線の間隔を広げ、平行信号線の長さを短くします（臨界長の範囲内）。

クロストークを効果的に低減できます。

d. さまざまなルーティング層をセットアップする

また、レートの異なる信号に対して異なる配線層を設定し、プレーン層を適度に設定することで、クロストークを解決するのも良い方法です。

e.インピーダンス整合

伝送ラインの近端または遠端のインピーダンスが伝送ラインのインピーダンスと一致する場合、クロストークの大きさも大幅に低減できます。

クロストーク解析の目的は、PCB 実装におけるクロストークの問題を迅速に発見、特定、解決することです。一般的なシミュレーションツールと環境シミュレーション解析は、PCB 配線環境に依存しません。配線後、クロストーク解析を行い、クロストーク解析レポートを取得します。新しい配線ルールを導き出し、再配線し、分析と修正を行います。このデザインは頻繁に繰り返されます。

シミュレーション解析により、実際のクロストークの結果は異なり、大きなギャップがあることがわかります。したがって、優れたツールは、クロストークを分析するだけでなく、配線にクロストークルールを適用する必要があります。さらに、一般的な配線ツールは物理的なルールによってのみ駆動され、クロストーク制御のための配線は、線幅、線間隔、および最大平行配線長などの物理的なルールを設定することによってのみ制約できます。シグナルインテグリティ解析と設計ツールセット ICX を使用することで、電気的ルールに基づいたルーティングの真の感覚をサポートできます。そのシミュレーション解析とルーティングは、1 つの環境で完了することができます。シミュレーション中に電気的ルールと物理的ルールを設定し、配線中にオーバーシュートやクロストークなどのシグナルインテグリティ要素を自動的に計算し、計算結果に従って配線を自動的に修正できます。配線速度は速く、実際の電気的性能要件を本当に満たしています。

クロストーク制御のシグナルインテグリティ設計

高速 PCB デザインルールは、一般に、物理ルールと電気ルールの 2 つのタイプに分けられます。いわゆる物理的ルールとは、設計エンジニアによって指定された物理的寸法に基づく特定の設計ルールを指します。たとえば、線幅 4Mi1、線間間隔 4Mi1、平行配線長 4Mi1 などです。電気的ルールとは、電気的特性または電気的性能に関連する設計ルールを指します。たとえば、配線遅延は 1ns から 2ns の間で制御され、PCB 上のクロストークの総量は 70mV 未満であるなどです。

物理的ルールと電気的ルールの定義により、高速ルーターをさらに探索できます。現在、市場に出回っている物理ルール（物理ルール駆動型）に基づく高速ルーターには、AutoActive RE ルーター、CCT ルーター、B1azeRouter ルーター、Router Editor ルーターがあります。実際、これらのルーターはすべて物理的なルール駆動の自動ルーターです。つまり、設計エンジニアによって指定された物理的なサイズの要件のみを自動的に満たすことができます。高速電気の物理的な寸法の要件に直接従うわけではありません。、高速電気規則によって直接駆動されません。

電気的ルールによって直接駆動される高速ルーターは、高速設計信号の完全性を確保するために非常に重要です。設計エンジニアは常に最初に電気的ルールを取得し、設計仕様も電気的ルールです。言い換えれば、私たちの設計は最終的に物理的なルールではなく、電気的なルールを満たす必要があります。最終的な物理設計の実装は、設計の電気規則要件を満たすために最も重要です。物理的なルールは、コンポーネントメーカーまたは設計エンジニア自身が作成した電気的なルールを変換したものにすぎません。このような変換は、常に同等で 1 対 1 であることが期待されます。これはそうではありません。

LVDS チップを例として、高速 (最大 777.76Mbps) および長距離 (部屋まで) のデータ伝送を完了すると、LVDS 技術の信号振幅は 3500 であるため、一般的な設計仕様では常に総クロストークが要求されます。信号ライン上の値は、信号振幅の 20% 以下である必要があります。つまり、最大総クロストークは 350mV X20%=700 であり、これは電気的な規則です。 20% の割合は LVDS のノイズ耐性に依存します。リファレンスマニュアルから取得できます。

IS_ シンセサイザーの場合、設計エンジニアが LVDS 信号線のクロストーク値を指定する限り、配線は自動的に調整および改良され、電気的性能要件が確実に満たされるようになります。配線プロセス中、設計エンジニアは、周囲のすべての信号ラインが LVDS 信号に与える影響を自動的に考慮します。物理的なルールによって駆動されるルーターの場合、最初にいくつかの仮説的な分析と検討が必要です。設計エンジニアは常に、信号間のクロストークは、パラレル信号間のパラレルラインの長さにのみ依存すると考えています。したがって、高速回路設計のフロントエンド環境でいくつかの仮説的な分析を行うことができます。たとえば、平行線の長さを 2.5 ミルと仮定して、それらの間のクロストークを分析できます。この値は、 70mV である必要がありますが、結論に従って、並列ルーティングの長さをさらに調整できます。並列配線の長さが 7mi1 などの特定の値である場合、信号間のクロストークは基本的に 70mV であり、設計エンジニアは、差動線路ペアの並列配線の長さが 7mi1 以内に制御されている限り、そのような電気的特性要件を満たすことができます (信号クロストーク値は 70mV 以内に制御されます)。したがって、設計エンジニアは、実際の物理的な PCB のレイアウトとルーティング中に高速 PCB 設計の物理的なルールを取得しており、従来の高速ルーターは、そのような物理的なサイズの要件を満たすことができることを保証できます。

2 つの問題があります。まず、ルールの変換が同じではありません。まず、信号間のクロストークは、並列信号間の経路の長さだけでなく、信号の流れ方向、平行線分の位置、一致の有無などの要因によっても決まります。これらの要因は、実際に物理的に実装する前に予測するのが難しいか、完全に考慮することが不可能な場合さえあります。したがって、このような変換の後、これらの物理的ルールを満たしながら元の電気的ルールを満たすことができることを保証することはできません。これは、これらの高速配線デバイスがルールを満たしている場合でも、PCB システムがまだ正常に機能しない重要な理由の 1 つです。第二に、これらのルールが変換されるときに同時に複数の影響を考慮することはほとんど不可能です。たとえば、信号のクロストークを考慮する場合、関連するすべての信号線の影響を同時に考慮することは困難です。これらの 2 つの側面により、高速で非常に複雑な PCB システムの設計において、物理的ルールに基づく高速 PCB ルーターは大きな問題を抱え、電気的ルールによって駆動される高速 PCB ルーターはこれらの問題をより適切に解決できることがわかります。概要

高速 PCB ボードレベルおよびシステムレベルの設計は、複雑なプロセスです。シグナルクロストークを含むシグナルインテグリティの問題は、設計コンセプト、設計アイデア、設計プロセス、および設計手段に変化をもたらします。高速システム設計において問題を迅速に発見・解決し、新たな設計において問題の発生を誘導することが、今日の高速システム設計の主流となっています。