PCB レイアウト初心者が差動信号を理解する方法

差動信号とは一般的に言えば、ドライバーは2つの等価信号と反転信号を送信し、レシーバーは2つの電圧の差を比較して論理状態が「0」か「1」かを判断します。差動信号を伝送するラインのペアは、差動ラインと呼ばれます。差動ラインインピーダンスを計算する方法は? USB D+D - などのさまざまな差動信号のインピーダンスは異なり、差動ラインインピーダンスは 90 オーム、1394 の差動ラインインピーダンスは 110 オームです。最初に仕様または関連情報を参照することをお勧めします。 Polar の si9000 など、多くのインピーダンス計算ツールがあります。差動インピーダンスに影響を与える要因には、線路幅、差動線路間隔、誘電率、および誘電体の厚さ (差動線路と基準面の間の誘電体の厚さ) があります。一般に、差動インピーダンスは、差動ラインの間隔とライン幅を調整することによって制御されます。ボードを作成するとき、メーカーはインピーダンスを制御する必要があるラインについても説明する必要があります。差動信号は、数値を使用して 2 つの物理量の差を表します。厳密に言えば、すべての電圧信号は差動信号です。これは、1 つの電圧が別の電圧に対してのみ相対的であるためです。一部のシステムでは、システムグランドが電圧基準点として使用されます。「グランド」が電圧測定基準として使用される場合、この信号計画はシングルエンドと呼ばれます。この用語を使用するのは、信号が 1 つの導体の電圧で表されるためです。

PCB board

PCB レイアウトエンジニアにとって最も重要なことは、これらの差動配線の利点を実際の配線で十分に活用できるようにすることです。 Layout と接触したことがある人なら誰でも、差動配線の一般的な要件を理解できるでしょう。基板の設計は「等長・等距離」です。長さが等しいとは、2 つの差動信号が常に反対の極性を維持し、同相成分を減らすことです。アイソメトリックは主に、差動インピーダンスの一貫性を確保し、反射を減らすために使用されます。「可能な限り近づける」という原則は、差動配線の要件の 1 つになることがあります。差動配線は異なる信号層で実行することもできますが、異なる層によって生成されるインピーダンスとビアの違いが差動モード伝送の効果を破壊し、コモンモードノイズを導入するため、通常は推奨されません。また、隣接する 2 つの層が密結合されていないと、差動配線の耐ノイズ能力が低下します。ただし、差動配線とその周囲の配線との距離が適切であれば、クロストークは問題になりません。通常の周波数 (GHz 未満) では、EMI は深刻な問題にはなりません。実験によると、距離が 500 ミルのディファレンシャルラインの放射エネルギー減衰は 3 メートル離れた場所で 60dB に達し、FCC の電磁放射基準を満たすのに十分です。したがって、設計者は、差動ラインの結合が不十分なために生じる電磁的不適合についてあまり心配する必要はありません。ただし、これらすべてのルールをコピーするのは難しくありません。多くのエンジニアは、高速差動信号伝送の性質を理解していないようです。以下は、PCB ボードの差動信号設計におけるいくつかの一般的な間違いに焦点を当てています。

差動配線は互いに近接している必要があります。差動配線を閉じる目的は、それらの結合を強化することです。これにより、ノイズに対する耐性が向上するだけでなく、磁場の反対極性を最大限に活用して、外界への電磁干渉を相殺できます。このアプローチはほとんどの場合非常に有益ですが、絶対的なものではありません。それらが外部干渉から完全にシールドされていることを確認できれば、相互の強い結合による干渉防止と EMI 抑制の目的を達成する必要はありません。差動配線の絶縁とシールドを確実にするにはどうすればよいでしょうか? ラインと他の信号の間の距離を広げることは、最も基本的な方法の 1 つです。電磁界のエネルギーは距離に比例して減少し、2 乗の関係にあります。一般に、ライン間の距離がライン幅の 4 倍を超えると、ライン間の干渉は非常に弱くなり、無視できるようになります。さらに、グランドプレーンの絶縁も非常に優れたシールドの役割を果たします。この構造は、高周波 (10G 以上) の IC パッケージ PCB の設計でよく使用されます。これは CPW 構造と呼ばれ、厳密な差動インピーダンス制御 (2Z0) を確保できます。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB レイアウトの初心者が差動信号を理解する方法を紹介しています。