シングルエンド信号と差動信号の PCB 配線規則

「遅い」または「速い」信号の区別は恣意的なようで、尋ねる人によって異なる場合があります。関連するトピックは、PCB 配線が電気的に「短い」か「長い」かです。このトピックでは、同じように多くの違いが見られる場合があります。 PCB で低速信号または高速信号のどちらをルーティングする場合でも、回路基板が期待どおりに機能するように、いくつかの PCB ルーティング規則に従う必要があります。

コンポーネント間の信号のルーティングを開始する前に、設計ルールを確認し、信号規格を満たすように調整する必要があります。 PCB に信号をルーティングする前に、次の重要な PCB ルーティングルールを設定する必要があります。

シングルエンド信号の PCB 配線規則

PCB 配線規則について注意すべき最も重要なことは、配線規格が必ずしも「低速」または「高速」として定義されているわけではないということです。この違いは、PCB 設計者によって大幅に作成および継続され、信号の立ち上がり時間が非常に高速 (1 ns 未満) になったときのシグナルインテグリティの問題が主な原因です。そのため、デザインルールを設定する際には、処理する信号が低速か高速かに関係なく、信号規格の制約を理解することが特に重要です。

必要なデザインルールを見つける最初の場所は、信号規格のドキュメントです。ほとんどの標準ドキュメントはオンラインで無料で入手できます。より多くのデザインを作成するにつれて、これらの標準に精通し、デザインに設定されているルールを知ることができます。シングルエンド信号の多くの規格に適用される最も一般的な PCB 配線規則のいくつかは次のとおりです。

合わせた長さ。ソース同期クロックを使用したバス標準またはパラレルデータルーティングの場合、特定の許容範囲内でグループ内のすべてのネットワークの長さを一致させる必要があります。ルーティング時には、ネットワークに長さ調整構造を追加することでこれを実現します。

移行を通じて。一部の規格では、過剰な損失、反射、およびその他の寄生効果を防ぐために、スルーホールトランジションの数を制限することを推奨しています。

最大長。信号の過度の減衰を防ぐために、特定の損失正接値に対してネットの最大長が指定される場合があります。低損失ラミネートを使用している場合は、損失角度の正接値の違いに応じて長さを延長できます。

circuit board

クリアランス。トレースは、ネットワークに属さない他のオブジェクト (パッド、コンポーネント、プレーンなど) から分離しておく必要があります。これにより、製造可能性が確保され、不要な寄生現象が減少し、高電圧設計で ESD 保護が提供されます。

幅とインピーダンス。これら 2 つの量は相互に関連しており、高速設計でインピーダンスを制御するために使用されます。 PCB 配線ルールとしてインピーダンスと配線幅を指定する方法を学びます。

同じ PCB ルーティングルールをネットワークのグループに割り当てる必要がある場合 (シングルエンド信号グループでは非常に一般的)、グループ内のすべてのネットワークをネットワークカテゴリに割り当てるのが最も速い方法です。 PCB エディタウィンドウの design → Class オプション (下記参照) からこの機能にアクセスできます。ネットをカテゴリに割り当てた後、PCB rules and Constraints Editor を使用して、デザインルールを個々のネットまたはネットワークカテゴリに割り当てることができます。

特定の信号規格には適用されない可能性のあるその他の PCB ルーティングルールも、設計が適切に行われるようにするために使用されます。ルーティングトポロジとルーティングレイヤーの制限は、主な 2 つの例です。 BGA フットプリントを持つコンポーネントなど、より高度なデザインの場合、デザインルールを使用してファンアウトポリシーを構成できます。次のセクションに示すように、差動ペアを処理するには、独自の一連のデザインルールが必要です。

差動ペアのルーティング規則

低速信号と高速信号を差動ペアとしてルーティングできるため、差動ペアはユニークです。信号が高速であるか低速であるかにかかわらず、差動ペアは、通常シングルエンド信号に適用されるいくつかの設計規則に従う必要があります。差動ペアについて考慮すべき 4 つの重要なデザインルールは次のとおりです。

インピーダンス許容差。配線の長さが臨界長よりも短い場合でも、信号規格で特に指定されていない限り、サブラインを噛んで差動ペアのインピーダンス曲線を作成することをお勧めします。その他の幾何学的制約は、差動ペアに沿った許容インピーダンス変動に依存します。

最大デカップリング長。これは、最長距離は、差動ペアの両側が結合されていない状態 (つまり、距離が離れている) であることを示しています。非結合部分はインピーダンスの不連続のように見えるため、これは重要です。したがって、十分に短くする必要があります。

長さ合わせ。差動信号は 2 つの信号の差を取得することによって読み取られるため、2 つの信号が同時に受信機に到達する必要があることに注意してください。信号が高速なほど、長さの一致許容誤差を小さくする必要があります。

最大クリア長。シングルエンド信号と同様に、差動信号規格には最大長制限がある場合があります。例としてCANバスを取り上げます。これが遅い標準であっても、最大リンク長 (PCB ルーティング + ケーブル) は、システムで使用するデータレートによって異なります。

PCB Rules and Constraints Editor の Routing → Differential Pair Routing エリアで、上記の最初の 2 点のデザインルールを設定できます。残りの 2 点は「高速」領域で解決できます。

高速差動ペアを使用している場合は、上記で説明したその他の標準的な高速設計ルールを差動ペアに適用できます。最も簡単な方法は、関連する差動ペアを差動ペアネットワークカテゴリに割り当ててから、各デザインルールによって制御されるカテゴリを選択することです。

シングルエンドネットワークと同様に、PCB ルーティングルールの設定を開始する前に、信号規格に関するドキュメントをお読みください。ここでは、差動信号規格の関連するデザインルール情報を見つけることができます (通常、規格の「物理層」セクションにあります)。差動ペアのルーティングを開始する前に、インピーダンス曲線を作成する方法、ネットワークを差動ペアネットワークカテゴリに割り当てる方法、およびこれらのカテゴリの設計ルールを設定する方法を学習してください。

これらの PCB ルーティングルールを割り当てるには、設計ルールをシングルエンドネットワークおよび差動ペアに追加する場合と同じ手順に従います。 PCB 処理および PCB 組立工場は、単端子信号および差動信号の PCB 配線規則を説明します。