ブログ

Apr 05, 2024

より良いハイを実現するための 5 つのヒント

ケリー・チャイカ | 2023 年 5 月 25 日 高速回路設計は、エレクトロニクス設計の最も基本的でありながらも難しい分野の 1 つです。 高速回路は現在、USB などの規格として一般的に使用されており、

ケリー・チャイカ | 2023 年 5 月 25 日

高速回路設計は、エレクトロニクス設計の最も基本的でありながらも難しい分野の 1 つです。 USB、HDMI、PCIe などの規格では、ほとんどのプロの電気エンジニアが高速の世界を深く掘り下げる必要があるため、現在では高速回路が一般的に使用されています。 将来に目を向けると、全体的にクロック周波数が増加する傾向が見られます。これは、高速信号がさらに一般的になることを意味します。 あなたが今日のエレクトロニクス設計者であれば、高速化を避けることはできません。

高速信号により、余分な複雑さと独特の技術的課題が生じ、ハードウェアの設計が簡単ではなくなります。 これらの技術的考慮事項の 1 つは、回路設計の独特であまり知られていない領域であるインピーダンス整合です。 この寄稿では、インピーダンス整合の基本を説明し、高速回路設計が意図したとおりに機能することを保証するための 5 つのヒントを共有します。

高速回路の設計方法を理解するには、まず伝送線路理論を検討する必要があります。

電気回路内のすべての導体には、寄生容量、インダクタンス、抵抗の寄与を総合した特性インピーダンスがあります。 ほとんどの低速システムでは、インダクタンスとキャパシタンスの影響が周波数に応じて変化するため、これらの寄生要素の影響は無視できます。 ただし、周波数が十分に高くなり始めると、これらの寄生成分は無視できなくなり、伝送線路の影響が発生します。

具体的には、信号の波長が導体の物理的な長さに匹敵する場合にこれが起こります。 あるいは、相互接続の長さ (インチ) が信号の立ち上がり時間 (ナノ秒) の 2 倍より長い場合、伝送線路の影響が関係します。

伝送線路の影響を受ける回路は、一般に Z0 で示される特性インピーダンスによって特徴付けられます。これは、線路の形状によって決まる伝送線路の動作を数学的に抽象化したものです。 高速回路では、負荷 (またはソース) のインピーダンスと回線の特性インピーダンスの間に不整合があると、回路で信号の反射が発生するため、特性インピーダンスが重要になります。 言い換えれば、負荷 (またはソース) のインピーダンスが回線の特性インピーダンスと正確に等しくない場合、信号エネルギーの一部が回線に沿って反射されます。 信号反射の割合は、式 (Zl-Z0/Zl+Z0) で定義されます。

反射は、伝送ラインに沿って信号の歪みや定在波パターンを引き起こすため、回路のパフォーマンスに極めて悪影響を及ぼします。 信号が歪むと、その完全性が損なわれ、信号品質が低下し、バス上のデータが破損する可能性があります。 伝送線路の影響に細心の注意を払わないと、高速回路が完全に機能しなくなる可能性があります。

高速回路における信号反射の影響を軽減するには、設計全体を通じて信号が遭遇するインピーダンスを制御する必要があります。

インピーダンス マッチング、またはインピーダンス コントロールは、信号の反射が最小限に抑えられるように PCB 配線を選択的に設計するプリント基板 (PCB) 設計の手法です。

ほとんどの場合、信号のターゲット インピーダンスは、プロトコルとそのプロトコルを実装する部品によって定義されます。 たとえば、USB では一般に 90 オームのターゲット差動インピーダンスが必要ですが、多くの標準シングルエンド プロトコルではターゲットとして 50 オームが指定されています。

設計者は、トレースの形状を慎重に選択し、その寸法を基板の材料特性に合わせることで、トレースのインピーダンスを制御できます。 ここでの主な幾何学的変数は、トレースの幅、厚さ、グランドプレーンまでの距離であり、これらはすべて信号のインピーダンスに直接影響します。 他の材料ベースの変数には、誘電率などの基板特性が含まれます。 実際には、これらの値は、多くの場合 PCB 設計ツールの外部にある PCB 計算機を使用して決定されます。