差動ペア配線

親記事： 配線

差動信号システムとは、信号が密接に結合された一対のキャリアを介して送信されるシステムで、一方のキャリアが信号を運び、もう一方が等しく反対の信号を運びます。差動信号は、信号源のグラウンドを負荷のグラウンドにうまく接続できない状況に対応するために開発されました。差動信号は、電子製品に存在する最も一般的な干渉アーティファクトであるコモンモード電気ノイズを打ち消します。差動信号のもう一つの大きな利点は、信号ペアから発生する電磁干渉（EMI）を最小限に抑えることができることです。

差動ペアPCB配線は、プリント基板上で差動（等しく反対の）信号を運ぶことができるバランスの取れた伝送システムを作成するために使用される設計技術です。通常、この差動配線は外部の差動伝送システム、例えばコネクターやケーブルに接続されます。

重要な点として、ねじれたペアの差動ケーブルで達成される結合比が99%以上である場合でも、差動ペア配線で達成される結合は通常50%未満であることに注意する必要があります。現在の専門家の意見では、PCB配線のタスクは特定の差動インピーダンスを達成しようとするのではなく、外部のケーブリングからターゲットコンポーネントに差動信号が良好な状態で到着することを確実にすることに焦点を当てるべきだとされています。

業界で著名な高速PCB設計の専門家であるLee Ritcheyによると、成功した差動信号伝送には以下が必要です：

• 受信側の差動ケーブルインピーダンスの半分に各配線信号のインピーダンスを設定する。
• 2つの信号線がそれぞれ受信側で自身の特性インピーダンスで適切に終端されていること。
• 2本の線は、設計に使用されるロジックファミリーと回路の周波数の許容範囲内で等しい長さであるべきです。タイミングを保持することに焦点を当て、設計のスキューバジェットを満たすのに十分近い長さに合わせます。例えば、高速USBの場合、長さの不一致は150ミルを超えてはならず、DDR2クロックは25ミル以内に合わせる必要があります。
• 2つの信号を並行して配線する利点を利用して、等しい長さの良質な配線を実現します。必要に応じて、障害物を避けるために分離して配線することは許容されます。
• 信号インピーダンスが維持される限り、レイヤーの変更は許容されます。

回路図上での差動ペアの定義 Copy Link Copied

差動ペアは、ペア内の各ネットにDifferential Pair directive（Place » Directives）を配置することで回路図上で定義されます。ネットペアは、ネットラベルの接尾辞が_Nおよび_Pである必要があります。ペアネットのそれぞれに差動ペアディレクティブを配置すると、そのネットにパラメータが適用され、NameはDifferentialPair、ValueはTrueというパラメータになります。

差動ペアの定義は、設計同期中にPCBに転送されます。

複数のペアを識別するためのブランケットディレクティブの使用

定義するペアの数が多い場合、Blanket directiveを配置するという別のアプローチもあります。これにより、ブランケットの下にある複数のネットにディレクティブを適用できます（ソフトウェアは、ブランケットの境界内にあるネットラベルのホットスポットを持つネットを検出します）。その後、ブランケットは下の画像に示されているように、単一の差動ペアディレクティブによってタグ付けされます。

この画像には、含まれるネットを差動ペアメンバーとして定義するよう指示するだけでなく（差動ペア指示の存在によって）、すべての含まれるネットをネットクラスRocketIOのメンバーに、ペアを差動ペアクラスROCKET_IO_LINESのメンバーにするよう指示し、さらにDifferential Pair Routing ruleを作成するようにも指示していることが示されています。同じ差動ペア指示にネットクラスが指定されているため、PCBエディタにデザインを転送するとき、このルールはRocketIOネットクラスを対象としてスコープされます。

自動PCBルール作成機能は、作成された差動ペアクラスに差動ペア配線ルールを割り当てることをサポートしていません。しかし、差動ペアディレクティブにネットクラスが含まれている場合、ネットを自動的にネットクラスに割り当てることはサポートしています。これが行われると、PCBエディタ内に単一の差動ペア配線ルールが作成され、このネットクラスを対象とします。その後、ルールを編集して、代わりに差動ペアクラスを対象とすることができます。ネットクラスが含まれていない場合は、ブランケットの下にあるすべての差動ペアごとに個別の差動ペア配線ルールが作成されます。

ブランケットを使用して、複数のネットを差動ペアメンバーとして設定し、これらのネットのネットクラスを作成し、差動ペア配線のpcdesignルールを適用することができます。

差動ペアをPCBエディタに転送する

回路図でネットに差動ペアディレクティブを配置している場合、デフォルトのプロジェクトオプション設定により、PCB上に差動ペアメンバーが作成されます。PCBプロジェクトのオプションダイアログで使用される以下のオプションを設定することで、これを構成できます：

• Comparatorタブ - Extra Differential Pairs（その後、異なる差動ペアが後続の更新をチェックし、デザインルールを作成/変更している場合はルールオプション）

• ECO Generationタブ - Add Differential Pair（その後、差動ペアの変更が後続の更新をチェックし、デザインルールを作成/変更している場合はルールオプション）

• Class Generationタブ - Generate Net Classes（PCB差動ペア配線ルールの範囲を指定するために使用するネットクラスも作成している場合）

PCB上での差動ペアの表示と管理 Copy Link Copied

差動ペアの定義は、PCBパネルでDifferential Pairs Editorに設定されているところで閲覧および管理されます。下の画像は、差動ペアクラスROCKET_IO_LINESに属するペアを示しています。ペアV_RX0が強調表示されており、このペアのネットはV_RX0_NとV_RX0_Pです。各メンバーネット名の隣に表示される-および+は、ペアの正または負のメンバーであるかを示すシステムフラグです。

差動ペアは差動ペアエディタで表示および管理できます。
Differential Pair Classes領域を右クリックして新しいクラスを作成します。

PCB上での差動ペアの定義 Copy Link Copied

差動ペアは、回路図上だけでなく、PCBエディタ内でも定義することができます。PCBエディタで差動ペアオブジェクトを作成するには、Differential Pairs EditorモードのPCBパネルのDifferential Pairs領域にあるAddボタンをクリックします。表示されるDifferential Pairダイアログで、プラス側とマイナス側の既存のネットを選択し、ペアに名前を付けてからOKをクリックします。PCBエディタで定義されている場合、任意の2つのネットを差動ペアのメンバーとして選択できることに注意してください。

名前付きネットから迅速にペアを作成します。

差動ペアクラスの定義

設計ルールで対象とする必要がある差動ペアが複数ある場合がよくあります。この状況では、差動ペアのクラスを定義し、それらを論理的なグループにクラスタリングできます。クラスはObject Class Explorerダイアログ（Design » Classes）で定義されます。

差動ペアクラスを作成して、ペアに適用される設計ルールの作成プロセスを簡素化します。

xSignalsを差動ペアと共に使用する

メイン記事： xSignalsを用いた高速信号経路の定義

差動ペアにシリーズ部品が信号経路上にある場合、xSignalsを作成することが便利です。xSignalは、二つのノード間の設計者が定義した信号経路です。これらは同じネット内の二つのノードであることも、異なるネットの二つのノードであることもあります。xSignalを使用すると、シリーズ部品の両側にあるネットを含むように信号経路を定義できます。xSignalsの経路長計算には、xSignalsモードのPCBパネルでxSignalが選択されたときに表示される細い線によって示されるように、シリーズ部品を通る経路の長さが含まれます。

これらの差動ペアはxSignalsとして定義されており、ルート長には直列コンポーネントが含まれます。

適用可能な設計ルール Copy Link Copied

差動ペアをインタラクティブに配線するには、以下の2つの設計ルールを作成し、設定してください。PCB Rules and Constraints Editorダイアログ（Design » Rules)）で行います。

• Differential Pairs Routin - ペア内のネットの配線幅、ペア内のネット間の隔たり（ギャップ）、および全体の非結合長（ギャップがMax Gap設定よりも広い場合にペアが非結合になる）を定義します。このルールの範囲を差動ペアである対象オブジェクトに設定します。例えば、IsDifferentialPair や InDifferentialPairClass('All Differential Pairs')です。Min/Preferred/Max Gap設定は配線中に使用できますが、設計ルールチェック中には使用できないことに注意してください。設計ルールチェック中には、ペア内のネット間の距離は、下記のハイライトボックスで説明されているように、適用される電気的クリアランス設計ルールによってテストされます。

• 電気的クリアランス - 任意のネット、同じネット、または異なるネット上の任意の2つのプリミティブオブジェクト（例：パッド間、トラック-パッド）間の最小クリアランスを定義します。このルールの範囲を、差動ペアのメンバーであるオブジェクトを対象として設定し、例えば、InDifferentialPairとして、以下に示すようにダイアログの制約領域で適切なオブジェクトタイプを選択します。

 

設計ルールの範囲設定

設計ルールの範囲は、ルールを適用したいオブジェクトのセットを定義します。差動ペアはオブジェクトであるため、次の例のようなクエリを使用できます：

• InAnyDifferentialPair - 任意の差動ペア内のオブジェクトです。

• InDifferentialPair('D_V_TX1') - 名前がD_V_TX1である差動ペアの両方のネットを対象とします。

• InDifferentialPairClass('ROCKET_IO_LINES') - ROCKET_IO_LINESと呼ばれる差動ペアクラスに属するすべてのペアのすべてのネットを対象とします。

• (IsDifferentialPair And (Name = 'D_V_TX1')) - 名前がD_V_TX1である差動ペアオブジェクトを対象とします。

• (IsDifferentialPair And (Name Like 'D*')) - 名前がDで始まるすべての差動ペアオブジェクトを対象とします。

差動ペアルールウィザードを使用してルールを定義する

PCBパネルのNets領域の下にあるRule Wizardボタンをクリックして、Differential Pairs EditorモードでDifferential Pair Rule Wizardを開き、必要な設計ルールを設定するプロセスを案内します。作成されるルールの範囲は、Rule Wizardボタンをクリックしたときに選択されたものに依存することに注意してください。1つのペアが選択されていた場合、ルールはそのペアのネットを対象としますが、差動ペアクラスが選択されていた場合、ルールはそのクラスのネットとすべてのペアを対象とします。

差動ペアの配線 Copy Link Copied

関連記事： インタラクティブ配線

差動ペアはペアとして配線されます。つまり、2つのネットを同時に配線します。Interactive Differential Pair Routingをルートメニューから選択して、差動ペアを配線します。ペアのネットの1つを選択するように求められます。どちらかをクリックして配線を開始します。下のビデオは、差動ペアが配線されている様子を示しています。

差動ペア配線中には、以下の機能を実行できます：

• Shift+R を押して、競合解決配線モード（迂回、押し込み、抱きつきと押し込み、最初の障害物で停止、障害物を無視）を切り替えます
• Shift+Spacebar を押して、利用可能なコーナースタイル（45度コーナー、コーナー内の45度アーク、90度コーナー、コーナー内の90度アーク）を切り替えます
• 3 を押して、可能な差動ペア配線幅（ユーザー選択、ルール最小、ルール推奨、ルール最大）を切り替えます
• Shift+6 を押して、可能な差動ペアギャップ（ルール最小、ルール推奨、ルール最大）を切り替えます
• レイヤーを切り替えてビアを挿入するには：数値キーパッドの * キーを押すか、Ctrl+Shift+Wheel Scroll のショートカット組み合わせを使用します。その後
  • 4 を押して、可能なビアサイズ（ユーザー選択、ルール最小、ルール推奨、ルール最大）を切り替えます
  • 5 を押して、レイヤー変更時の可能なビアパターンを切り替えます
  • 6 を押して、可能なビアスタックを切り替えるか、8 を押して選択するリストを表示します（インタラクティブ配線中に配置されるビアを制御する方法について詳しくはこちら）
• Shift+F1 を押して、利用可能なコマンド内ショートカットをすべて表示します
• コーナー内アークモードでは、"," キーを押して最大アーク半径を減らし、"." キーを押して最大アーク半径を増やします。アークサイズはカーソルを動かすことでインタラクティブに変更できます。この設定は、配線時にステータスバーに表示される最大許容アーク半径を定義します。

配線の品質を向上させる

メイン記事： ポストルートのグロッシングとリトレーシング

PCBエディタには、既存の配線の品質を向上させるための強力なツールが含まれています。これらのツールはグロッシングとリトレーシングとして知られており、どちらもRouteメニューで利用可能です。

• Gloss - トレースのジオメトリを改善することに焦点を当て、コーナーの数を減らし、全体のルート長を短縮しようとします。グロスは既存のトレース幅と差動ペアのギャップを保持します。グロッシングは、PreferencesダイアログのPCB - Interactive Routingページで設定された現在のGloss Effort (Routed)設定を適用します ( 画像を表示)。

• Retrace - 全体のジオメトリが満足であると仮定し、代わりに配線が設計ルールを満たしているかを検証します。グロスが既存のトレース幅とペアギャップを保持するのに対し、リトレースはそれらを好ましいものに変更します。差動ペア配線設計ルールが変更され、その変更を既存の配線に適用する必要がある場合に、活用できるツールです。

前のセクションのアニメーション、差動ペアの配線には、Gloss Effort (Routed)をStrongに設定した簡単なデモンストレーションが含まれています。

配線を選択するための戦略

選択は、既存の配線を扱うを含む、設計プロセスのすべての領域での核となる活動です。グロスをかける前でも、いくつかの配線を削除したい場合でも、まず配線を選択する必要があります。

内部を選択するか、触れているものを選択する

PCBエディタでは、選択は選択矩形内部のオブジェクト、または選択矩形に接触しているオブジェクトのいずれかになります。これは、選択矩形を描くときにマウスを動かす方向によって制御されます：

	内側を選択 - 左から右へ青い四角形をドラッグして、選択範囲内に完全に収まるすべての表示されている、ロックされていないオブジェクトを選択します。
	接触を選択 - 右から左へ緑の四角形をドラッグして、選択範囲に触れるすべての表示されている、ロックされていないオブジェクトを選択します。

選択範囲の拡張

一般的な状況として、接触している多数のオブジェクトを選択する必要がある場合があります。例えば、配線されたネットのトラックセグメントや、未配線ネットの接続線などです。平行に走るトラックセグメントのセットをSelect Touchingする技術を使って選択するのは比較的簡単ですが、ルート全体を対話的に選択するのは難しい場合があります。

これは、一つまたは複数のトラックセグメントを選択し、接触しているトラックセグメントを含めて選択範囲を拡張することで簡単に実現できます。Tabキーを使用して、以下のビデオで示されているように行います。

配線選択技術のデモンストレーション

選択技術のデモンストレーション。

差動ペア配線のインタラクティブな変更

メイン記事： 配線の変更

配線中には、既存の配線を変更する必要がある多くの場合があります。例えば、パッドの出口に満足できない場合、それらを再形成したいと思うかもしれません（下のビデオで示されているように）。既存の配線をクリックしてドラッグするドラフティングタイプのアプローチを使用して変更することができますが、単に再配線する方が簡単な場合があります。

これを行うには、Route » Interactive Differential Pair Routing コマンドを選択し、既存の配線上の任意の場所をクリックします。新しいパスを配線し、必要に応じて既存の配線に戻ってきます。これにより、古いパスと新しいパスでループが作成されます。右クリックまたは Esc を押して配線を終了すると、冗長なセグメントが自動的に削除されます。これには、冗長なビアも含まれます。差動ペア配線は、シングルネット配線とは少し異なります。シングルネット配線は、最後のセグメントを中空（先読みセグメント）に設定できます。このセグメントは、クリックしたときに配置されません。差動ペア配線には、先読みセグメントが含まれていないため、クリックすると表示されているすべてのセグメントが配置されます。冗長なセグメントがないようにカーソルを位置づけてください。

トラックセグメントを手動でドラッグして差動ペアを調整している場合、一方のペアメンバーをもう一方で押し出すか、それぞれを独立してドラッグすることができます。

ループ除去機能を使用して、差動ペアを新しい経路に沿ってインタラクティブに再配線します。古い配線ループは自動的に削除されます。また、一方のルートをドラッグして他方を押し出すことにより、ペアを変更することもできます。

利用可能なクリアランスの表示

配線中に、なぜその隙間を通過できないのかと悩んだことはありませんか？このようなフラストレーションは、特に差動ペア配線を行う際によく発生します。Altium Designerには、動的なクリアランス境界の表示と呼ばれる機能が含まれており、これを利用すると、既存のオブジェクト + 適用可能なクリアランスルールによって定義された禁止クリアランスエリアが、ローカルビューイングサークル内でシェーディングされたポリゴンとして表示されます。下のビデオで示されています。この機能をオン/オフするには、Ctrl+Wを押します。

差動ペア配線中にクリアランスの境界を動的に表示します。

表示エリアは、現在のカーソル位置の周囲の領域に制限することも、画面全体にすることもできます。これは、Preferences ダイアログの PCB Editor - Interactive Routing ページの Reduce Clearance Display Area サブオプションで制御されます。

差動ペアの長さの一致 Copy Link Copied

差動ペアは、固有のノイズ耐性と、信号の高品質なリターンパスを提供する課題を簡素化するという事実のため、高速設計でよく使用されます。しかし、単線信号と同様に、信号タイミング要件を満たすために、その長さを管理する必要があります。

差動ペアの配線中に、ペア内の2つのネットのそれぞれの長さがステータスバーに表示され、ヘッズアップディスプレイ（Shift+H でオン/オフを切り替え）にも表示されます。ペアの配線を終了したときに、PCB パネルに表示される長さの値が更新されます。

ペア内の各ネットの現在のルート長は、ヘッズアップディスプレイに表示されます（オン/オフを切り替えるにはShift+H）。

一致した長さと長さの設計ルール

長さと一致した長さの設計ルールは、フライトタイムとスキューのタイミング要件が満たされるように定義することができます。これらのルールは、設計ルールチェック（DRC）中だけでなく、インタラクティブな長さ調整中にも使用されます。

一致した長さの設計ルールは、ルールの範囲によって対象とされる最長のペアを検出し、そのペアのAverage Lengthの値を参照として使用して、他の対象ペアが定義されたルールの許容誤差内であることを確認します。このAverage Lengthの値は、PCBパネルのDifferential Pairs Editorモードで表示されます。

ペア内およびペア間の設計ルール

ペア間、および各ペア内で一致した長さの要件がある可能性が高いです。

これを管理するには、適切な一致した長さの設計ルールを作成します：

1. ペア間（ペアを横切って）適用される一致した長さの設計ルールを定義します（Group Matched Lengthsオプションを選択することで達成）。下の画像に示されているように、必要なペア（またはxSignals）にルールを適用する範囲を指定します。

差動ペア間、またはこの例ではxSignals間の長さ要件を定義するためのマッチング長ルールを作成します。

2. ペア内で適用される別のマッチング長さ設計ルールを定義します（Within Differential Pair Lengthオプションを選択することで達成）。このルールは、各ペア内の2つのネットの長さが許容範囲内であることを保証します。このルールは、下記に示すように、差動ペアを対象とするWhere the Object Matches設定を使用してスコープを指定します。このルールは、ペア間のルールよりも高い優先度を必要があります。

ペア内の長さ要件を定義するための2番目のマッチング長さルールを作成します。

差動ペアの長さ調整

メイン記事： 長さ調整

ペアの長さ、および各ペア内のネットは、2つの長さ調整コマンドを使用して調整されます。長さを調整するには：

1. Route メニューの Interactive Diff Pair Length Tuning コマンドを使用すると、差動ペアの長さを正確に調整できます。長さ調整中には、アコーディオンスタイルとサイズをインタラクティブに調整するためのショートカットを使用するか、Tabを押してDifferential Pair Length Tuningモードでプロパティパネルを開くことができます。パネルでは、目標長さが定義されます：

   • 適用可能な長さおよび/またはマッチした長さの設計ルールから

   • ユーザーが選択した配線された差動ペアから

   • Target Lengthフィールドに手動で値を入力

2. ペア内のネットを調整するには、Route メニューの Interactive Length Tuning コマンドを使用します。ペア内でより長いネットを調整しようとすると、Target Length Shorter than Old Length というメッセージが表示されます。

まず差動ペアの長さを調整し、次にペア内の短いネットの長さを調整します。

長さ調整とアコーディオンの修正のデモンストレーション

このビデオでは、xSignalの長さに基づいて他のペアと比較してペアの長さを調整するために、長さ調整アコーディオンを追加する様子が示されています。各ペアの短い方が、そのペアの長い方と比較して長さ調整されます。その後、ペアを対話的に移動および再形成する方法、アコーディオンを削除する方法、配置中にショートカットを使用して新しいアコーディオンを形成する方法が示されます。

差動ペアの長さは、長さ調整アコーディオンを追加することで調整できます。アコーディオンは、移動、形状変更、削除が可能なオブジェクトです。

参照 Copy Link Copied

• インタラクティブ・配線

• 長さ調整

• 制御インピーダンス・配線

• 配線の変更

• Altium Designerにおける高速設計

• xSignalsを用いた高速信号パスの定義