高速プリント基板の設計手法を学ぶ

キーワード: エクスプレスプリント基板、高速プリント基板

毎年、信頼性の高い高速プリント基板と高速デジタル回路への需要は増加しています。電源やマイクロプロセッサなど他の多くのコンポーネントとともに、デジタルプリント基板回路はコンパクトに実装されています。これらのコンポーネントは容易に1 GHzを超える周波数で動作します。本稿では、このような問題と、問題を回避するためにプリント基板を設計する際に従うべき方法に焦点を当てます。

高速プリント基板の用途

スマートフォン、コンピュータなどの計算機器の心臓部は高速プリント基板です。これらの機器は複雑な性質を持っています。したがって、エクスプレスプリント基板は非常に信頼性が高く堅牢です。IoT、航空宇宙、通信の分野では、高速回路の用途が拡大しています。高速回路の基板レイアウトを設計する際には、アプリケーションの重要性を念頭に置きながら、従うべき考慮事項を理解することが不可欠です。

高速プリント基板の設計上の考慮事項

高速プリント基板の設計において、低消費電力環境で高速動作を実現するための主要な手法として、以下が考慮されています。

• フロアプランニングにおける全コンポーネントの配置
• 電源ネットワークからの基板上ノイズの最小化
• 最適化とクロック選択
• 信号反射の低減
• 信号トレース間のクロストークの最小化
• 適切な線路終端とインピーダンス整合
• 環境からの自己結合とEMIに対するシステムの最適化

高速プリント基板の基板材料選定

材料の誘電正接と誘電率が基板材料の選択を決定します。電磁波が通過する際に材料から失われるエネルギーが誘電正接です。誘電正接が高いほど、失われるエネルギーは多くなります。

• グランドプレーン設計

プリント基板におけるグランドプレーンは、浮遊容量の最小化、放熱、シールド、共通基準電圧の提供に役立ちます。低インピーダンス経路では、回路内の電流は低くなりがちです。非常に高い周波数では、急速に立ち上がる信号エッジがグランドプレーンに結合します。これによりグランドプレーン内に電流スパイクが発生します。この電流スパイクはプリント基板のアナログ性能を損なわせます。さらに、入力浮遊容量が増加するため、グランドプレーンが下部にあることで高速オペアンプに影響が及びます。これらの状態を避けるために、グランドプレーン、アナログデバイス、デジタルデバイスの間には適切な距離が保たれます。

• マイクロストリップ設計

単一のグランドプレーン上の信号トレースの挙動はマイクロストリップ線路のレイアウトに類似し、2つのグランドプレーン間の信号トレースはストリップ線路のレイアウトと同様に動作します。

高速プリント基板のフロアプランニング

寄生容量、寄生抵抗、寄生インダクタンスにより、リード線や接続線を通過する際に、フロアパッキングとプランニングは通信遅延、ノイズ、周波数応答、エッジレートに大きな影響を与えます。回路図設計とともに、ボードレベル設計、パッケージング設計、シリコン設計を行う必要があります。回路をフロアプランするために、物理的な実装前にソフトウェアシミュレーションを使用できます。設計者は、コンポーネントの配置と信号配線に関する仕様を最初から行うことで、設計が意図した通りに機能することを確実にできます。これにより、再作業時間とコストが削減されます。したがって、製品のサイクルタイムが最小化されます。

高速プリント基板の電源とクロック設計

プリント基板回路において、オンボードの低周波ノイズの主な発生源は電源です。並列コンデンサを使用して電源プレーンをグラウンドプレーンに接続することで、高速システムにおける電源インテグリティを確保できます。異なる値の並列コンデンサにより、広い周波数帯域にわたって低いACインピーダンスが確保されます。アナログデバイスとデジタルデバイスには、ノイズ結合を低減するために別々の電源プレーンを使用する必要があります。プリント基板レイアウト上のすべての信号が適切なタイミングで到達するようにするには、クロック信号に関連してクロック選択が重要です。

高速プリント基板のEMI最適化

周囲の他の電子機器からの相互結合や自己結合により、EMIが発生してデバイスに影響を与えることがあります。特定の技術を用いた高速回路では、EMIを最適化できます。

• マッチングと配線

終端処理がされていない、またはインピーダンスが整合していない信号トレースは反射を誘発する可能性があります。これにより、信号が発信元に戻るリンギングが発生します。これは一種の自己EMIです。適切なマッチングにより、信号リンギングの除去が確保されます。適切な配線により、自己結合EMIが低減されます。

• EMIフィルタとシールド

プリント基板でのシールドは、細長いグラウンドプレーンを使用して行われます。グラウンドプレーンの導電表面における表皮効果により、回路内の信号を乱す外部EMIが低減されます。周囲のEMIノイズをフィルタリングした後、それをグラウンドに結合するために、EMIフィルタが実装されます。簡単なデカップリングコンデンサ構成をEMIフィルタとして使用できます。

高速プリント基板の信号インテグリティ

プリント基板内には、アナログおよびデジタルのさまざまな周波数の信号が混在しています。これらの信号は、結合やノイズに敏感です。信号インテグリティを確保するには、マッチング、インピーダンス、シールド、配線に適切な注意を払う必要があります。

• 配線

配線時に守らなければならない特定のガイドラインは以下の通りです。

• 高周波クロックトレースは、可能な限り直線的に配線します。不連続による信号損失を避けるために曲げが必要な場合は、直角曲げよりも円弧曲げが推奨されます。
• クロック信号の終端処理。これにより反射が低減されます。
• 敏感な信号トレースには高いアイソレーションが必要です。そのため、それらは別々の層に配線する必要があります。
• インダクタンスを増加させインピーダンス不整合を引き起こす可能性があるため、複数のビアは避けられます。
• インピーダンスマッチング

受信機と送信機間のインピーダンスマッチングは、信号の完全性に直接的な影響を与えます。適切に整合されていないラインは、信号損失や信号反射を生み出します。負荷のインピーダンスとトレースのインピーダンスは、ソースのインピーダンスと等しくなければなりません。伝送ラインの適切な終端処理により、信号インテグリティとマッチングが確保されます。

結論

高速プリント基板設計では、物理レイアウトのプロセスを開始する前に、すべてを計画することが不可欠です。良好なレイアウトの基盤は、優れた回路図です。プリント基板設計において、インピーダンスマッチング、配線、電源配置、信号インテグリティなどの要素は、考慮すべき重要な事項です。効率的な実装と設計により、プリント基板の堅牢性と信頼性が向上します。