制御インピーダンスを持つPCB上でのインタラクティブ配線
デバイスのスイッチング速度が上昇するにつれて、制御インピーダンス配線はデジタル設計者にとって注目の話題となっています。この記事では、Altium Designerのシグナルインテグリティ分析エンジンを使用してコンポーネントのインピーダンスをマッチングし、PCBエディターの制御インピーダンス配線機能について説明します。
エンジニアリングの世界ではよく言われる言葉があります - デジタル設計で働く電子エンジニアには、シグナルインテグリティの問題を経験した人と、そのうち経験する人の二種類しかいないと。数年前までは、シグナルインテグリティは専門家のための用語で、高速設計でのみ対処する必要がありました。しかし、これらの高速設計でのデバイススイッチング速度はもはや特別なものではなく、実際には急速に標準になりつつあります。集積回路技術の向上によりトランジスタのサイズが小さくなると、それらがスイッチする速度が上がります。そして、このスイッチング速度がデジタル信号の整合性に影響を与えるのです。
幸いなことに、良い設計原則に従い、制御インピーダンス基板として設計を実装することで、多くの潜在的な信号整合性の問題を回避することができます。これを達成するには特定の設計ツールの能力が必要です - リンギングや反射の問題を潜在的に持つネットを検出できる分析ツールと、設計者が正しい配線インピーダンスを達成できるようにする基板設計ツールが必要です。Altium Designerはこれらの能力を持っています。
この記事では、何が信号整合性の問題を引き起こすのか、そしてあなたの基板がそれらの問題に悩まされる可能性があるかどうかを理解するのに役立ちます。また、潜在的なSI問題を最小限に抑えるために採用する必要がある2つの設計アプローチ - コンポーネントのインピーダンスのマッチングと制御インピーダンス配線についても議論します。
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制御インピーダンス配線は必要ですか？
制御インピーダンス配線を気にする必要があるのでしょうか？
理想的な状況では、コンポーネントの出力ピンから出るエネルギー全てがPCB上の接続されたトラックに結合され、PCBの配線を通じて他端の負荷入力ピンまで流れ、その負荷によって吸収されます。もし全てのエネルギーが負荷によって吸収されない場合、残ったエネルギーはPCBの配線に反射して、ソースの出力ピンまで戻ることがあります。この反射エネルギーは元の信号と相互作用し、エネルギーの極性に応じてそれに加算されたり減算されたりして、リンギングを引き起こすことがあります。リンギングが十分に大きい場合、信号の整合性に影響を与え、予測不可能で誤った回路動作を引き起こすことになります。
これが発生するかどうかをどうやって知ることができるのでしょうか？ソースピンがエッジ遷移を完了させ、その信号がロードピンに到達する前に、反射エネルギーの影響を受ける条件が存在します。SI（信号整合性）の問題が発生する可能性があるかどうかを判断するためによく使われる経験則が「1/3立ち上がり時間」ルールです。このルールによると、トレースが立ち上がり時間の1/3よりも長い場合、反射（リンギング）が発生する可能性があります。ソースピンの立ち上がり時間が1ナノ秒である場合、0.33ナノ秒（FR4で約2インチ）よりも長いルートは、伝送線とみなされ、信号整合性の問題の候補となります。このような立ち上がり時間を持つデバイスを使用し、このような長さの配線を行うことがわかっている場合、PCB上で信号整合性の問題が発生する可能性が高いです。
インピーダンスをどのように制御するか
では、ソースと負荷の間でエネルギーが行き来して反射されるこの状況をどのように避けるかというと、インピーダンスをマッチングすることによって避けます。インピーダンスマッチングは、すべてのエネルギーがソースから配線に、そして配線から負荷に結合されることを保証します。インピーダンスに関してボードを配線することは、制御インピーダンス配線と呼ばれ、別の言い方をすると、インピーダンスが管理されたボードは制御インピーダンスPCBと呼ばれます。
インピーダンスマッチングを達成するには、2つの異なる要素があります。1つ目はコンポーネントのマッチング、2つ目は必要なインピーダンスを得るためにボードを配線することです。
コンポーネントのインピーダンスマッチング
配線だけでは制御インピーダンスPCBを達成することはできません。まず、コンポーネントのインピーダンスを確認し、必要に応じてマッチングする必要があります。
理想的には、設計キャプチャフェーズで潜在的な信号整合性の問題を抱える可能性のあるネットを検出し、ボード設計プロセスが始まる前に追加の終端部品を含めることができます。そして、出力ピンが低インピーダンスで入力ピンが高インピーダンスであるため、インピーダンスマッチングを達成するために設計に終端部品を追加する必要がある可能性が高いです。
Altium Designerでは、回路図キャプチャ段階で設計に対して信号整合性分析を実行できます。もし(Toolsメニュー)を実行すると、平均トラックインピーダンスとルート長を提供し、供給ネットを定義するよう求められます。これが完了すると、設計を分析し、下記のようにSignal Integrityパネルで潜在的な問題ネットを特定できます。
設計キャプチャ中に潜在的な信号整合性の問題をテストする。
このパネルから、選択したネットに対して反射解析を実行できます。また、可能な終端設定と値で実験することもできます。上記の画像に示されている信号整合性パネルの終端領域にはSerial Resオプションが有効になっていることに注意してください。その直下のパネルのセクションには、シリーズ終端抵抗器が表示されており、ここで反射解析に使用される最小および最大シリーズ終端抵抗値を定義します。
以下の画像は、リンギングを示すネットの2つのグラフを示しています。最初のものは終端なしのネットで、2番目のものは理論的なシリーズ終端抵抗がソースピンに含まれています。
反射解析は10回実施され、理論上の終端抵抗は25オームから150オームまで段階的に変化しました。10回のパスはグラフの右側にリストされており、各々をクリックするとその結果が強調表示され、理論上の終端抵抗値が右下に表示されます。このネットにおいては、38.89オームの直列終端抵抗が右の画像で選択されたグラフを生成します。F1キーを任意のパネル上で押すと、そのパネルの機能の使用方法に関する詳細情報が表示されます。
左のグラフは信号整合性の問題が発生する可能性があるネットを示しており、右のグラフは理論上の直列終端抵抗約40オームが追加された同じネットを示しています。
配線インピーダンスを決定するものは何か？
制御インピーダンスPCBを実現するための第二の部分は、トラックが定義されたインピーダンスを持つようにボードを配線することです。シグナル配線のインピーダンスに影響を与える要因には、PCBの製造に使用される物質の物理的寸法と特性が含まれます。 以下に、Altium Designerが配線インピーダンスを計算するために使用する2つの式を示します。適切な式は、ルートが片側にのみ平面層を持つ場合（マイクロストリップと呼ばれる）、または両側に平面層を持つ場合（ストリップラインと呼ばれる）に応じて選択されます。平面層が信号層に隣接していない場合は、最も近い平面層が計算に使用されることに注意してください。また、オフセットストリップライン構成はサポートされていないことにも注意してください。
マイクロストリップ特性インピーダンスの式
Zo=(87/√(Er+1.41))*LN(5.98*TraceToPlaneDistance/(0.8*TraceWidth + TraceHeight))
ストリップラインの特性インピーダンスの公式
Zo=(60/√(Er))*LN((1.9*PlaneToPlaneDistance)/(0.8*TraceWidth + TraceHeight))
式からわかるように、銅と絶縁体（誘電体）の厚さ、配線幅、そしてErはすべてインピーダンスに影響を与えます。Erは誘電体材料の誘電率であり、PCB製造で最も一般的に使用される標準的なガラスエポキシ誘電体（FR-4）では、4から5の範囲で最大20%まで変動することがあります。ポリイミドやテフロンなど、より安定した誘電体材料もあります。
各レイヤーの配線幅の計算
式からわかるように、配線インピーダンスに影響を与える多くの相互関連する値があります。さらに複雑にすることに、ボードデザイナーとしては、最も適切な配線幅/クリアランスを選択し、プロジェクトの予算に合わせてレイヤー数を最小限に抑えるなど、通常のトレードオフを考慮する必要があります。
理想的には、達成すべきインピーダンスが指定されているはずで、通常は40から90オームの範囲です。指定されたインピーダンスを達成するために各レイヤーの配線幅を計算する必要がある代わりに、Altium Designerではインピーダンスを指定することができ、これを達成するために各レイヤーで必要な配線幅を計算します。
これを行うには、配線幅の設計ルールを設定する際に、PCB Rules and Constraintエディタで特性インピーダンス駆動幅オプションを有効にし、必要な最小/推奨/最大インピーダンスを入力します。これらは自動的に各信号層の幅に変換されます。下の画像に示すように、6層（4信号+2プレーン）の例があります。
特性インピーダンス駆動幅オプションを有効にして、幅をインピーダンスとして指定します。
ボードを配線し、レイヤーを変更する際、Altium Designerは指定されたインピーダンスを達成するために必要なサイズにトラック幅を自動的に調整します。このインタラクティブな制御インピーダンス配線は、制御インピーダンスPCBを設計する作業を大幅に簡素化します。
内蔵インピーダンス計算機は、ビアの影響を考慮しておらず、一つの信号層から次の信号層への損失のない伝達を仮定しています。さらに、単一エンド構造（差動ではない）のみを考慮し、ターゲットネットの配線幅を全層ベースで決定します。
レイヤースタックアップの定義
インピーダンスを制御するための基本的な要件は、電源プレーンを含めることです。これらのプレーンは、ボードスタックアップを通じて分散されるべきであり、理想的には、各信号層に隣接する少なくとも一つのプレーンが配置されています。隣接するプレーンは、ここでは説明されない理由により、そのプレーンによって分配されるDC電圧に関係なく、各信号のリターンパスを提供します。
平面を流れるリターンパス電流は、シグナル層のルートと同じ物理的な経路をたどろうとするため、重要な配線の下にパワープレーンの分割やブローアウトなどの不連続性を導入することは常に避けるべきです。
シグナル層とプレーン層の適切な順序を選択するだけでなく、各層の材料特性も定義する必要があります。これには以下が含まれます：
- 銅の厚さ
- 誘電体の厚さ
- 誘電率
これらの値と配線幅は、最終的なインピーダンスにすべて影響します。必要なインピーダンスを達成するには、これらの値をすべて調整するプロセスになります。銅と誘電体の厚さの可能な値も限られている可能性があることに注意してください。これは、PCB製造業者から入手可能な材料によって決定されます。
たとえば、信号層には0.7mil（1/2 oz）、プレーン層には1.4mil（1 oz）の銅厚が一般的に使用されます。しかし、スタックアップが、マルチレイヤープロセスで使用される元の薄いパネルの一方の側に信号層とプレーン層が一組となっている場合、それらは同じ銅厚を持つ必要があるか、製造中にめっきで厚くする必要があります。 
6層スタックアップの図。内部の信号層がプレーン層とペアになっていることに注目してください。図の吹き出しで示されています。
理想的には、すべての信号層に0.7milの厚さを使用していれば、下の画像に示されているような配線の厚さが得られたでしょう。注目すべきは、好ましいサイズのトラックがほぼ7milに非常に近いことで、配線プロセスを簡単にします。
0.7mil厚の信号層を使用して70オームのインピーダンスを達成するために必要な配線幅。
しかし、製造プロセスがMidLayer1と2をそれぞれのプレーン層とペアにするために1.4mil厚の銅を使用することを要求する場合、下の画像に示されている配線幅を使用して70オームのインピーダンスを達成する必要があります。この場合、好ましい配線幅の範囲はまだ受け入れられますが、これを念頭に置く必要があります。
銅の厚さと同様に、コアの厚さも、多層プロセスで使用されるレイヤーペアパネルの厚さによって定義されるため、特定の増分でのみ利用可能になります。プリプレグの厚さについては、おそらくもっと自由度が高いでしょう。そして、最終的な全体のボードの厚さも、現実的な値でなければなりません（典型的には約62ミルです）。
このシンプルな例から、利用可能な材料と望ましいインピーダンスから最終的なボードのスタックアップと配線幅に至るまでのプロセスがあることがわかります。
1.4mil厚の銅内部信号層を使用して70オームのインピーダンスを達成するために必要な配線幅。
配線されたボードのシグナルインテグリティのテスト
設計キャプチャ中に想定された配線長と配線インピーダンスを使用してネットをテストしたのと同じように、配線が完了したら、基板上でこのプロセスを繰り返して、潜在的なインピーダンスの不一致や反射問題をチェックする必要があります。PCBエディタのToolsメニューからSignal Integrityコマンドを起動します。PCBはプロジェクトの一部であるため、Altium Designerは今、レイヤースタックマネージャで定義された材料の特性と寸法、および基板上のルートの実際の幅を使用して、シグナルインテグリティテストに使用するインピーダンスを計算します。
指定されたインピーダンスの達成
正しいインピーダンスを達成するために行う反復的な寸法調整プロセスを超えて、製造されたPCB上で達成される最終的なインピーダンスに影響を与える他の要因があります。これには、PCBに使用される誘電体材料の一貫性と安定性、およびエッチングプロセスの一貫性と品質が含まれます。制御インピーダンスPCBが必要な場合は、PCB製造業者とこのことを話し合うべきです。一部の製造業者は、希望するスタックアップを提供すれば、トラックの幾何学についてアドバイスできる場合があります。多くの場合、彼らは製造する各パネルにインピーダンステストクーポンを含めることができます - これはボード上で実際に達成されたインピーダンスを測定するために使用できます。
追加の読み物とリソース
この記事は、信号整合性と制御インピーダンスPCB設計のトピックについての導入を提供します。さらに学びたい場合は、以下のリンクから、認識された業界の専門家によって開発されたリソースにアクセスできます。