PCBでリンギングが発生する理由と、その解決方法

Digital signal output on an oscilloscope.

 

最初の電気工学ラボで、スイッチの出力をデバウンスするための回路を作りました。オシロスコープの画面で、最初のガタガタした信号とその後のデバウンスされた出力を見たのを覚えています。生活の中でこんなに害のないものが、そんなに面倒になるなんて、心の底から不安に感じました。それが、信号ノイズやアーチファクトに対する苦しみの始まりにすぎないことを、1年生の私が知らなかったのは、幸運でした。リンギングは、製品性能について特にイライラさせられる効果の1つです。

 

リンギングとは何か?

PCBや他の電子システムでは、リンギングとは、オシロスコープで見ると池の上のさざ波のように振動する電圧出力または電流出力のことです。その振動は、電源オンやスイッチ切り替えなど、入力信号の突然の変化に対する反応です。

 

多くの場合、振動によって出力信号は、上限と下限の両方で許容範囲を外れ、徐々に滑らかになります。振動が許容範囲内に収まるのにかかる時間を、整定時間と呼びます。

 

出力信号の独特の形のため、リンギングを時々「リップル」と呼びます。ただし、普通、リップルは、ACスイッチト電源を使用し、電源が、適切にまたは十分にAC波形を抑制しない場合の出力を特に指します。

 

リンギングの原因は?

リンギングの源は、電源の他に、トレースが「長い」か短いかによって異なります。一般的な目安では、デジタル回路で、(負荷までと戻りの)ラウンドトリップ伝搬時間が、信号立ち上がり時間と同等の場合、トレースは「長い」と考えられます。ストリップラインまたはマイクロストリップの作業をしている場合、少し複雑になるので、経路長および、リンギングなどの伝送路効果を最小化する出発点としてGlen Dashのページを推奨します。

 

長いトレースと短いトレースに戻ります。トレースが短い場合、リンギングの原因は、寄生インダクタンスや寄生容量です。パルスまたは入力の突然の変動によって、寄生コンポーネントが、その固有振動数で共振し、出力にリンギング効果が現れます。長いトレースでは、リンギングの原因は、インピーダンスのミスマッチによる信号反射である可能性がより高くなります。

 

Testing PCB signal outputs.

信号ノイズで、大学生の私は過度に不安を感じましたが、業界に入れば、信号ノイズが、破滅的結末をもたらす場合もあります。

 

 

リンギングがシステムにどう影響するのか?

ノイズの多いオシロスコープのために実存の危機に苦しむ、ということがなければ、素晴らしいことです。セラピーの費用がずっと少なくてすみます。それでも、リンギングは、あなたの人生や製品設計にネガティブな影響を及ぼす可能性があります。

 

EMIの増加: リンギングは、ノイズや干渉を生成する可能性があり、また、しばしば生成します。そのEMIは、基板に拡散または伝導し、さまざまな性能問題の原因となります。

 

電流フローの増加: リンギングによって、回路を流れる電流が増えます。それによって、製品が消費する電力が増える(バッテリー寿命が短くなる)だけでなく、基板のコンポーネントに想定外の熱が加わります。すると、コンポーネントの機能が低下し寿命が短くなる場合があります。

 

性能の低下: リンギングによって、電流や熱の増加による性能低下が蓄積し、さまざま指標で性能が低下します。整定時間のために出力に遅延が発生するので、回路の応答性が低下します。出力の分解能も、大きく悪化します。

 

 

デジタル回路ではリンギングは特に有害です。説明した問題が全て発生する上に、しきい値はずっと低くなります。これに電源レールノイズが加わると、エラーやデータ破損が発生する可能性があります。

 

可聴フィードバック: リンギングの特殊なケースが、音声や動画の用途で発生します。リップルが可聴範囲で発生し、出力で聞こえます。また、動画表示でも目に見えるアーチファクトが発生します。

 

Sound card and jacks.

音声や動画の用途では、リンギングが出力の音に影響する場合があります

 

 

リンギングをどう防ぐか?

リンギングは、システム性能に不愉快な影響から悲惨な影響までを及ぼす可能性があります。設計を最適化すると、性能や出力に大きな差が生じます。最初に、寄生インダクタンスと寄生容量を減らす必要があります。特に、基板の電源ステージコンポーネントのまわりで、ノード長を最短化してください。また、インピーダンスマッチングを使用して、信号反射を最小化する必要があります。インピーダンスマッチングは、用途によって異なります。さまざまな用途に関する具体的なアドバイスについては、Texas Instrumentsの技術記事から始められることを推奨します。

 

既存のプログラムで、干渉が発生しそうな場所がないか全てチェックするのは不可能ですが、優れたプログラムがあれば、作業負担の多くを軽減できます。それによって、基板の全てのパラメーターを最適化する際、設計をもぐらたたき的に修正するのではなく、最も重要な課題に対処できる余裕が生まれます。Altiumでは、Altium Designerなど、非常に優れたPCBソフトウェアを開発し、そういったエラーチェックの労力の多くを削減するツールを提供しています。これによって、ノイズが多い回路の哲学的な意味を熟考する時間ができます。あるいは、くじけずに毎日を生きていくことができます。

リンギングに関するご質問は、Altiumの専門家までお問い合わせください

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