本記事ではクロストークの対策方法についてまとめます。回路/基板/パターン設計をするうえで、クロストークなどのノイズ対策を考慮することは必要事項となります。本記事の内容を実践し、クロストークの対策を行いましょう。
クロストークとは？
隣接する配線間で意図しない経路を通じて隣接信号へ結合する“干渉ノイズ”になります。
隣接信号に影響を与える配線と影響を受ける配線とで信号の方向が逆の場合は『近端クロストーク(NEXT)』、
信号の方向が同じ場合は『遠端クロストーク(FEXT)』と呼ばれています。
近端クロストークの場合は影響を与える信号の立上り・立下りと同極性に影響を受ける信号も立上り・立下ります。
遠端クロストークの場合は影響を与える信号の立上り・立下りと逆極性に影響を受ける信号が立上り・立下ります。
クロストークの発生原因
クロストークは主に以下の3種類の結合によって生じる自身の回路内部で発生するノイズです。
1. 電界結合（容量性結合）
- 配線間に存在する寄生容量が原因(配線間はある意味コンデンサと言える。これを静電容量で表したもの)になる
- 主に高速信号ライン(クロックやデジタル信号ライン)で発生しやすい
- 寄生容量Cが大きいほど電荷(ノイズ)が移動しやすい
- コンデンサの静電容量Cは以下の式で表せられるため、隣接する配線パターンの長さや面積に応じてノイズが移りやすくなり、パターン間距離が近いほどノイズが移りやすくなる。また、基板や空気による誘電率でもノイズの移りやすさが変化する
\(\C＝ε\frac{S}{d}\)
※ε：基板や空気の誘電率。
※S：配線パターンの隣接している長さや太さによる面積
※d：配線パターン間の距離
2.磁界結合（誘導性結合）
- 配線を流れる電流の変化di/dtが激しいほどノイズが移りやすくなります。
- 配線のループ面積が大きい(リターンパスが遠い)場合にもノイズが移りやすくなります。
- 隣接する配線間が並走しているほどノイズが移りやすくなります。
3.伝導結合（共通インピーダンス結合）
被害線と加害線の電流が同じリターン（GNDや電源）を通ると、そのリターンのインピーダンス（完全に0ではない）により、加害線の電流変動による電圧降下が被害線にもそのまま乗る現象。
- デジタルとアナログ回路で同じ電源・GNDを共有しているとノイズが移りやすくなります。
- GNDプレーンが分割されているとノイズが移りやすくなります。
- 電源リターンが細い/長いとノイズが移りやすくなります。
- ICの電源ピンデカップリングが不足しているノイズが移りやすくなります。
- 細いビアでしかGNDに落ちていない場合にノイズが移りやすくなります。
回路設計時のクロストーク対策
1.クロックや信号の立ち上がりが遅いICを選定する
立ち上がりや立下りの電流変化di/dtが激しいほどノイズが移りやすくなるため、クロックや信号の立ち上がり周波数やドライブ能力(電流駆動能力)が弱いものや対応周波数が低い(入力から出力までの遅延時間が長い)デバイスを選定するようにしましょう。
PCBレイアウト設計時のクロストーク対策
1.パターン間にGND層を挟む（GNDガーディング）
イメージ的にはうるさい線と敏感な線の間に身代りの線を入れてあげるイメージです。
こうしてあげることでうるさい線から発する電界・磁界を身代りの線が引き受けてくれるので、
結果的に敏感な線に受ける影響を軽減できます。
※実務でのコツ
2本の信号線の間にGND配線を通し、さらにその両端をしっかり基板のGNDベタにビアで落としてあげましょう。
できれば途中にも数mm〜数十mmピッチでビアを並べるのがベスト
「ガード配線を流れるノイズの戻り道」もきちんと近くに作るイメージで、GNDベタとセットで設計する。
2.配線長を短くする
クロストークは隣接する信号線が並走している長さによって増えてしまいます。
長い配線はノイズを出しやすく、ノイズを受けやすいためです。
※実務でのコツ
実務では最初から関連する部品たちは近づけて配置してから配線を引っ張るようにしましょう。
3.パターン配線間の距離を遠くする
イメージ的にはうるさい線から敏感な線を物理的に離しましょうという話です。
距離が出来ると電界結合(寄生容量)や磁界結合(相互インダクタンス)が減るため、結果クロストークが減ります。
※具体的な配線幅のコツ
パターン間の距離を3W～5W空けましょう。1Wは現在のパターン間の距離になります。1W＝0.15mmが多いです。
4.信号線とGNDをくっつけて並走させる
信号線とGNDの配線ループが大きいほど磁界をばらまくアンテナになり、周囲の配線に磁界結合し、誘導性クロストークが増えます。そのため、信号層のすぐ裏や近くにGND層を連続して並走してあげることで磁界の発生が弱くなり、周囲への影響が小さくなります。
どうしてもGNDを避けて回る必要がある場合は、近くにGNDビアを追加することで戻りの電流の通り道を作ってあげましょう。
また、インピーダンス結合的な考え方では、より電荷が移りやすい箇所(インピーダンスが低い場所)を作ることで高周波では電流はインピーダンスが小さい所を流れたがるため、GNDに電荷を逃がすことが出来ます。
※GNDを引く際のコツ
- できるだけGNDベタを広く敷く（細切れの島にならないように）
- 必要なところだけクリアランスで抜き、GNDは途切れさせない→ どうしても途切れるなら、GNDビアで別のGND面と繋いでおく。
※注意：設計時にやってはいけないこと
1.バイパスコンデンサを配線に入れないこと
デバイスからデバイスへのノイズ流入を防ぐため、バイパスコンデンサを入れてしまうと、パスコン→GND→パスコン→別のパターン配線へ容量結合を起こすため、次はクロストークが発生しやすくなってしまいます。
2.両面基板は表と裏で配線を並走させないこと
クロストークは上記で述べたとおり、隣接する配線パターンの隣接する長さによって、配線間寄生容量Cの値が大きくなり、ノイズが移りやすくなる。これは基板の表と裏でも同様のため、両面基板設計時は表と裏でパターンを並走させないようにしましょう。
まとめ
本記事ではクロストークの対策方法についてまとめさせていただきました。回路が適切な動作をするためにノイズの対策は欠かせません。クロストークなどのノイズ対策に本記事が役立てばと思います。ここまで読んでいただき誠にありがとうございました。
参考文献
