PCB高速信号回路設計における3つの配線手法

プリント基板（PCB）の設計は電気技術者の業務に不可欠であり、完璧なPCBを設計することは決して容易ではありません。完璧なPCBは、部品選定および配置の合理性だけでなく、高い信号伝導性にもとづいています。本論文では、PCBの高速信号回路設計における配線技術に関する知識を紹介・提示し、皆様のエンジニアリング業務にいくらかの助けとなることを目的とします。

多層基板に基づくPCB配線

PCB を設計する際、ほとんどのエンジニアは多層基板を用いて高周波信号の配線を完了させたいと考えます。PCB の中核としての役割に加え、この種の多層基板は回路干渉を低減することも可能であり、これはそのような問題に直面したエンジニアにとって主要な対処方法の一つです。多層基板の利用に基づいて PCB 上に高速信号回路を設計する場合、エンジニアは層数を合理的に決定することで基板サイズを縮小し、中間層をシールド設定に最大限活用して近接グラウンドを実現する必要があります。これらにより、寄生インダクタンスを効果的に低減し、信号伝送長を短縮し、信号間のクロストーク干渉を減少させることなどが可能になります。これらすべての手法は、高速信号回路の信頼性向上に非常に有益です。

多層基板を用いてPCB信号伝送の信頼性を高める上記の方法とは別に、同一材料を使用した場合、4層基板で発生するノイズは2層基板よりも20dB低いという権威あるデータも示されています。リードの屈曲については、曲がりが少なければ少ないほど望ましく、可能であれば直線配線を用いるのが最適です。どうしても屈曲が必要な場合は、45度の折れ線またはアーク状の配線を用いることで、高速信号から外部への放射や相互結合を抑え、放射および反射の両方を低減することができます。

高速回路における部品間のリードピンを可能な限り短くする

PCBの高速信号回路の設計および配線の過程において、エンジニアは高速回路内の部品間のリードピンをできるだけ短くする必要があります。リードが長くなるほど分布インダクタンスおよび分布容量が大きくなり、それによって高速回路内で反射や発振が生じるためです。

高速回路においては、部品間のリードピンを短くすることに加え、PCB配線の過程では、各高速回路上の部品リードピン間におけるリード層間の切り替えも短くしなければならない。これは、部品接続の過程で使用されるスルーホールの数を可能な限り少なくすべきであることを意味する。一般的に、1つのスルーホールは約0.5pFの分布容量をもたらし、これは明らかに回路遅延の増大を招く。一方、その過程において高速回路配線においては、信号線の短距離並列配線によって誘発される相互干渉を十分に考慮する必要があります。並列配線を回避できない場合は、並列信号線の背面に大きなグランド面を設けて干渉を低減します。隣接する2つの層では、配線方向を必ず直交させなければなりません。

特に重要な信号ラインまたは局所部分の周囲のグラウンド

PCB配線設計の過程において、特に重要な信号線や局所部分には、エンジニアによってグラウンドガード（グラウンドでの囲い込み）を用いることが推奨される。保護対象となる信号線を中央に配置し、その周囲に保護用のグラウンド線を追加して配線することで、クロック信号や高速アナログ信号など、干渉を受けにくくしたい信号の配線が行われる。これは、あらゆる種類の信号配線がループを形成してはならず、グラウンド線も同様にループを形成してはならないためである。しかし、もしループ状の配線回路が形成されると、システム内に大きな干渉が発生する。信号線をグラウンド線で囲む配線方式の利点は、配線過程においてループの発生を効果的に回避できる点にある。各集積回路ブロックの近くには、1個または複数個の高周波デカップリングコンデンサを配置することが推奨される。アナロググラウンド線またはデジタルグラウンド線を共通グラウンドに接続する際には、高周波チョーク回路を用いるべきである。一部の高速信号線には特別な処理が必要となる。例えば、差動信号は同一層上に配置し、可能な限り近接した平行配線とする必要がある。差動信号線の間に他の信号を挿入してはならず、またそれぞれの長さは同一でなければならない。

上記の方法に加えて、PCB の信号配線を設計する際、エンジニアは高速信号配線の分岐やスタブの形成を避けるようにすべきです。高周波信号配線が表層に配置されると比較的大きな電磁放射が発生し得るため、高周波信号配線は電源線とグラウンド線の間に配置する必要があります。こうすることで、電源層およびボトム層による電磁吸収により、発生する放射を大幅に低減することができます。

もちろん、実際のプロジェクトにおいては、理論が実践に先行することは決してありません。ここでは、PCB配線設計に関する私の経験をいくつか共有したいと思います。まず、もしあなたがそのPCBの唯一の配線設計者ではない場合は、他の配線担当者の設計を確認するための十分な時間を確保してください。少しの予防は、多くの手直しよりはるかに有効です。配線担当者が自分の考えを理解してくれると期待するのは愚かな考えです。配線設計の初期段階では、あなたの助言と指示が最も重要です。提供できる情報が多ければ多いほど、また設計に深く関与すればするほど、より良いPCBを得ることができます。ここで有効な方法を一つ挙げます。PCB設計エンジニアに対して暫定的な完了ポイントを設定し、そのステップに厳密に従って配線作業が進むようにするのです。この方法は、配線が軌道から外れないようにするクローズドループのようなものであり、その結果、手戻りの可能性を最小限に抑えることができます。

その場合、配線エンジニアに提供すべき指示には次の内容が含まれます：回路機能の簡潔な説明、入力および出力位置にラベルを付けたPCBのスケッチ。PCB層厚さ、層数、各シグナル層およびグランドプレーンの詳細情報など；各層が必要とする信号の種類；重要な部品の配置場所に関する要件；バイパス部品の具体的な配置場所；プリント配線の重要性；インピーダンス制御が必要なプリント配線を含む回路の重要性；マッチング長が必要な回路；部品のサイズ；間隔または密着が必要なプリント配線、回路または部品；表面または裏面に実装される部品の種類。

役立つリソース
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