導入: ほとんどのエンジニアが決して聞かない質問
の世界で 高速PCB設計, インピーダンス制御 それは誰もが話す話題です, まだ本当にマスターしている人はほとんどいません. すべてのレイアウト エンジニアは、信号経路における予期せぬインピーダンスの不連続は悪い知らせであることを知っています。. 私たちは皆、私たちのことを望んでいます 高速PCB 安定した状態を維持するためのリンク, 最初から最後まで一定のインピーダンス — 50 シングルエンドのオームまたは 100 差動配線のオーム差動.
しかし、現実は決してそれほど単純ではありません. 完全な高速信号パスにはトレースだけでなくビアも含まれます, コネクタ, ケーブル, ACカップリングコンデンサ, BGAはんだボール, およびその他の構造物. これらはそれぞれ、潜在的なインピーダンスの不連続を引き起こします。. 一方で, 最適化に多大な労力を費やしています. 一方で, 不連続性が高速リンクのパフォーマンスにある程度の影響を与えることは避けられないことを受け入れなければなりません。.
しかし、ほとんどのエンジニアがこれまで真剣に考えたことのない疑問が 1 つあります。:
リンクにインピーダンスの低い点が必要な場合, そしてそれをどこに置くかはあなたが選ぶことができます - あなたならどこに置きますか?
送信機の近く? 受信機に近い? ちょうど真ん中? それは違いをもたらしますか?
今日, 25Gbps リンクからのシミュレーション データを使用して、この質問に答えます。.
1. インピーダンス不連続の物理的性質
シミュレーションに入る前に, インピーダンスの不連続性が信号品質を劣化させる理由を理解する必要がある.
伝送線路の特性インピーダンスは、単位長さあたりのインダクタンスとキャパシタンスによって決まります。:
どこL は単位長さあたりのインダクタンス、C 単位長さあたりの静電容量です. 信号が伝送線路に沿ってインピーダンス変化に遭遇したとき, 信号エネルギーの一部がソースに反射して戻ります。. 反射係数は次の式で与えられます。:
どこzL は負荷インピーダンス、z0 は特性インピーダンスです. いつzL≠z0, C≠ 0, そして反射が起こる.
マイクロストリップ構造の場合, 特性インピーダンスはIPC-2141規格に準拠しています。:
ここで、ε*r* は基板材料の誘電率です。, H は誘電体の厚さです, そしてw トレース幅です. トレース幅の変更, 基準面の不連続性, または、誘電率の変化により瞬間的なインピーダンスが直接変化します。.
IPC-2251によると, デザインが入ります “高速” 信号の立ち上がり時間が十分に短いため、伝送線路を集中定数要素ではなく分布定数要素として扱う必要がある場合の領域. IPC-2251 はさらに、配線長が臨界長 (通常、立ち上がり時間中の信号の伝播距離の 10 分の 1) を超える場合、制御されたインピーダンス設計が必須になると述べています。. 25Gbpsの場合, 通常、信号の立ち上がり時間の範囲は次のとおりです。 20 に 30 ピコ秒, そして臨界長はほんの約です 3 に 5 ミリメートル. これは、ほぼすべてのトレースに慎重なインピーダンス管理が必要であることを意味します。.
IPC-2141 では、高速 PCB チャネル全体のインピーダンス偏差を以下の範囲内に維持する必要があると指定しています。 5%, 重要なチャネルでは、 3% それ以上の. しかし, IPC-2141A は、現実の設計においてインピーダンスの不連続性を完全に排除することは非現実的であることも認めています - ビア, コネクタ, パッドは本質的に寄生容量とインダクタンスを導入します。.
2. シミュレーションのセットアップ: 5 インチ 25Gbps リンク
インピーダンスの低点をどこに置くかという質問に答えるには, 5インチを作りました (約 127 mm) 25Gbpsで動作する高速伝送リンク.
ベースラインケース: 私たちはまず、インピーダンスの不連続性のない理想的なリンクを確立しました。リンク全体は完全な 100 オームの差動伝送ラインでした。. アクティブモデルを送信機チップと受信機チップに割り当てました. 送信機は 25Gbps PRBS を送信しました (擬似ランダムバイナリシーケンス) 5 インチリンクを介して受信機にパターンを送信.
シミュレーション結果: ベースラインのアイ ダイアグラムでは、目の高さが次のように示されています。 360 mV. この番号は覚えておいてください。この番号は私たちの番号として機能します。 “満点” 後続のすべての比較の参照.
テストケース: 次に、固定インピーダンスの低点をリンクに導入しました。 (ビアまたはコネクタによるインピーダンス低下のシミュレーション). この最低点を 4 つの異なる位置に配置しました: 1 インチ, 2 インチ, 3 インチ, そして 4 送信機から数インチ. 他のすべてのリンクパラメータは同一のままです.
3. シミュレーション結果: 立場の差がすごい
4 つのポジションのシミュレーション結果を以下に要約します。:
| インピーダンス低点位置 | 受信機の目の高さ |
|---|---|
| 最低点なし (ベースライン) | 360 mV |
| 1 送信機からインチ | 186 mV |
| 2 送信機からインチ | 249 mV |
| 3 送信機からインチ | 271 mV |
| 4 送信機からインチ | 298 mV |
データの解釈:
- 1-インチ位置: 目の高さが下がった 360 mVから 186 mV—a48.3% 削減. 信号はマージンの半分近くを失いました.
- 2-インチ位置: 目の高さは元に戻りました 249 mV—a33.9% 改善 1インチのケースの上に.
- 3-インチ位置: 到達した目の高さ 271 mV—a45.7% 改善 1インチのケースの上に.
- 4-インチ位置: 到達した目の高さ 298 mV—a60.2% 改善 1インチのケースの上に, そして1.6 回 最悪の場合の配置の目の高さ.
同じインピーダンスの低点, リンクに沿ってさまざまな位置に配置される, 大幅に異なるアイ ダイアグラム結果が生成されました. この結果はおそらくほとんどのエンジニアの直感を超えています.
4. なぜこれが起こるのか? 物理的なメカニズム
同じインピーダンスの不連続性が、送信機の近くに設置された場合と受信機の近くに設置された場合で、これほど異なる影響を引き起こすのはなぜですか? いくつかの物理的メカニズムが働いている:
1. 多重反射重ね合わせ
信号がインピーダンスの低点に遭遇したとき, そのエネルギーの一部が送信機に向かって反射します。. この反射波は戻ってきます, 送信機で再び反射します, その後、前方に伝播して後続の信号シンボルと重ね合わせます. インピーダンスの低点が送信機に近い場合, 往復遅延が短い, 反射波はすぐに次のデータ ビットと重なります。, 深刻なシンボル間干渉を引き起こす (ISI). IPC-2251 シグナルインテグリティガイドラインに準拠, リターンロスは以下に抑える必要があります -20 dB で反射の影響を最小限に抑える.
2. 信号減衰の累積
信号が伝送線路に沿って伝播するとき, 両方の導体損失に悩まされます (表皮効果) 誘電損失と. 表皮深さは次の式で与えられます。:
ここで、ωは角周波数です, μは透磁率です, σは導電率です. ギガヘルツ周波数で, 表皮深さはわずか数マイクロメートル, 導体損失が大幅に増加します. インピーダンスの不連続点に到達するまでに信号が伝わる時間が長くなるほど、, すでに失われているエネルギーが多ければ多いほど— そして、反射して干渉を引き起こすエネルギーが少なくなります。.
これが、インピーダンスの低い点が送信機から遠くに配置される理由です。 (さらに信号の減衰が発生した後) アイダイアグラムへの影響は小さくなります。断絶自体は変わらない; 到着する信号の量が少ないだけです “強さ” 左.
3. 立ち上がり時間と反射の時間的重なり
信号の立ち上がり時間が短いほど, 反射波が時間領域で主信号と重なる可能性が高くなります。. 25Gbpsの場合, 単位間隔 (ui) だけです 40 ピコ秒. 反射遅延があると、同じシンボルまたは隣接するシンボル内で干渉が発生する可能性があります。. インピーダンスの低点が送信機に近い場合, 反射波はすぐに戻ってきて、後続のシンボルとより激しく重なり合います。.
5. デザインへの影響: インピーダンスの不連続部をどこに配置する必要がありますか?
上記のシミュレーション結果と物理解析に基づく, 次の設計ガイドラインを導き出すことができます:
原理 1: 不連続性を解消できない場合, できるだけ受信機の近くに設置してください.
シミュレーション データは、25 Gbps リンクでインピーダンスの不連続点をトランスミッターの近くからレシーバーの近くに移動すると、アイハイトを改善できることを明確に示しています。 186 mVから 298 mV— パフォーマンスギャップ 60% 同じインピーダンスの低点に対して, 純粋に配置に基づいて.
原理 2: 送信機付近のインピーダンスの連続性を優先する.
送信機の近くの領域は、信号が最も多くのエネルギーを持つ場所です。. ここでインピーダンスが不連続になると、最も破壊的な可能性を伴う反射が発生します。. したがって, インピーダンスの不連続性を引き起こす可能性のあるコンポーネント — BGA パッドなど, ビア, AC カップリング コンデンサ - 送信機からできるだけ遠くに配置する必要があります。. あるいは, トランスミッタ近くのビアにバックドリルを適用し、アンチパッド寸法を最適化します。.
原理 3: シミュレーションを使用して配置をガイドする.
データレートやリンク長が異なると、インピーダンス不連続の最適な位置が異なる場合があります。. 設計段階で, HyperLynx などの SI シミュレーション ツールを使用してパラメータ スイープを実行し、さまざまな配置オプションのアイ マージンを定量的に評価します。. データを意思決定の指針にしましょう.
原理 4: リンク全体のインピーダンスプロファイルに注意してください.
IPC-2141 は、インピーダンス制御が単に目標値を満たすことだけではなく、信号経路全体に沿って瞬間的なインピーダンスの連続性を維持することであることを強調しています。. TDR を使用する (時間領域反射率測定法) のインピーダンスプロファイリングを実行するには プリント基板 すべての不連続箇所とその大きさを特定します. 特性インピーダンスのテスト手順については、IPC-TM-650 2.5.5.7a に従ってください。.
6. 結論
インピーダンスの不連続は、高速 PCB 設計において避けられない現実です。. しかし、私たちのシミュレーション実験が示したように、: 同じインピーダンスの低点, リンクに沿ってさまざまな位置に配置される, ～の範囲の影響を与える可能性があります “壊滅的な” に “許容できる” — そして、それらの結果の違いによって、25Gbps プロジェクトが最初のスピンで成功するか、それとも 3 回のボード リビジョンが必要になるかが決まります。.
次回ビアを配置する必要があるとき, コネクタ, または高速PCBレイアウトのコンデンサ, さらに5分かけて自分に問いかけてください: このインピーダンスの不連続は本当に正しい位置にあるのでしょうか??
もちろん, 理想的なシナリオは常にインピーダンスの不連続性がまったくない. しかし現実の世界では, いつ “完璧” 達成不可能です, “正しい位置を選択する” 可能な限り最善の解決策です.
プリント基板のインピーダンス制御用, シグナルインテグリティシミュレーション, および高速PCB設計および製造サービス, 無料の設計レビューについては、当社の技術チームにお問い合わせください。 (無料の DFM レビュー) およびインピーダンス制御の見積もり. ワンストップでご提供いたします プリント基板 シミュレーションから量産までのソリューション.
データソース:
- IPC-2141A高速制御インピーダンス回路基板の設計ガイド, IPC — エレクトロニクス産業をつなぐ協会
- IPC-2251高速電子回路のパッケージングのための設計ガイド, IPC — エレクトロニクス産業をつなぐ協会
- IPC-TM-650 2.5.5.7a特性インピーダンスの試験方法, IPC — エレクトロニクス産業をつなぐ協会
- この記事のシミュレーション データは、PRBS パターンを使用した 25 Gbps アクティブ リンク シミュレーション モデルに基づいています。, 5-インチFR-4伝送ライン, 100-オームの差動インピーダンス.
