クロストーク：単独ではどちらのペアも問題なかった

事例：単独ではどちらのペアもきれいだった

同じコネクタ上の二つの高速ペアで、それぞれに低容量の保護アレイを実装しています。各ペアを単独で立ち上げて測定しました。どちらもアイマスクをマージン付きで通り、ESD 認証も全ピンで合格です。

そして両方のペアを同時に動かしたところ、片方にビットエラーが出始めました。

重要なのは起きなかったことのほうです。何も壊れていません。発熱もありません。交換の必要もなく、リトレインでリンクは自分で戻りました。破壊された部品はリトレインでは回復しません。

これは信号の問題であって保護の故障ではない

この二つは早い段階で切り分ける価値があります。ひとまとめに調査されがちですが、直す場所がまったく違うからです。

• ESD の問題は素子で直します。部品を替える、あるいはコネクタとの位置関係を変えれば、クランプの振る舞いが変わります。
• クロストークの問題は配置で直します。素子が助けにも足枷にもなるのはピンがどこにあるかという一点だけで、クランプ仕様をどう変えても答えは動きません。

ですから答えるべき問いは「保護が十分か」ではありません。この線に載っている保護部品が一方のペアをもう一方へ運んでいないか、運んでいるなら静かなペアに実際どれだけのノイズを乗せているかです。

クロストークとは

スイッチングしている線が、隣の静かな線へエネルギーを押し込みます。経路は二つあり、常に両方存在します。

• 電界は相互容量を通じて結合します。二本の導体が小さなコンデンサを作り、一方の電圧変化がもう一方へ電流を流し込みます。
• 磁界は相互インダクタンスを通じて結合します。一方の線の電流変化がもう一方のループに磁束を鎖交させ、電圧を誘起します。

どちらの経路も線と線の接続を必要としません。これは口に出して言う価値があります。接続を探すあらゆる検査がなぜ通ってしまうのかを説明するからです。導通試験もネットリスト確認も目視検査も、すべて合格します。見つけるべきものが存在せず、それでも結合は起きています。

どれだけ結合するか、そしてなぜ世代ごとに悪化するのか

一本の式がほとんどを担っています。容量結合の経路では、静かな線に乗るノイズは次のとおりです。

V_n = C_m × dV/dt × Z₀/2

電圧変化率は振幅を立ち上がり時間で割ったものなので、結合ノイズは立ち上がり時間の逆数に比例します。エッジが半分になれば結合ノイズは倍になります。

だから同じ基板が世代をまたぐと悪化するのに、見た目には何も変わっていないのです。同じ間隔、同じ層構成、同じ保護部品、すべて同じ。変わったのはエッジだけで、ノイズはそれと一緒に来ました。200 ps のエッジで十分だったマージンは、50 ps では四分の一になります。

この事例の形も同じ理由で説明できます。単独ならアグレッサがいないので問題ありません。両方動いた瞬間、一方がもう一方のアグレッサになります。

保護部品はここにどう関わるのか

保護素子は高速線に対してまったく別の二つのことをしており、その二つは絶えず取り違えられています。

1. 線に容量を足します。どの保護素子も信号に並列に入るコンデンサです。これが負荷で、挿入損失と鈍ったエッジとして、その線だけに現れます。
2. ピンがペア同士の近さを決めます。パッケージが二つのペアをどれだけ近づけて通すか、その間に何かあるかを決めます。これが結合で、もう一方のペアにノイズとして現れます。

原因が違えば直し方も違います。容量を下げれば負荷は直りますが、結合にはまったく効きません。結合を直せるのは配置だけです。

このノートから持ち帰る価値があるのはこの一文です。保護部品を容量だけで比べたなら、半分しか比べていません。

効果その一、負荷：容量の代償

伝送線路上の並列コンデンサの挿入損失は素直に計算でき、5 GHz での数値は知っておく価値があります。低いほうは思ったより小さく、高いほうは思ったより大きいからです。

• 0.18 pF で約 0.09 dB
• 0.28 pF で約 0.21 dB
• 0.45 pF で約 0.51 dB
• 1.0 pF で約 2.09 dB

ここから二つ読み取れます。一つ目、0.45 pF から 1 pF は小さな一歩ではなく損失は四倍で、二倍ではありません。損失が容量より速く増えるからです。二つ目、低いほうの差は本当に小さく、0.18 pF と 0.28 pF の違いは 0.1 dB にも満たず、マージンを削っている犯人であることはまずありません。

このモデルは当て推量ではありません。0.45 pF について 5 GHz で 0.51 dB と予測し、それは実際の 12 Gbps リンクで測定して PZ0303P-F10 のデータシートに掲載している数値そのものです。

効果その二、配置：グラウンドピンがどこにあるか

ペア内部の結合はペアそのものです。差動ペアはそのためにあり、問題ではありません。問題はペアとペアの間の結合で、保護部品はまさに二つのペアが最も近づかざるをえない場所に座っています。

PZ0303P-F10 は十ピンの DFN2510-10L です。下段の並びはチャネル 1、チャネル 2、グラウンド、チャネル 3、チャネル 4 なので、ピン 3 がペア A とペア B のちょうど間に入ります。

より効くのは反対側です。上段は 10、9、8、7、6 で、ピン 8 もグラウンドであり、ピン 3 の真向かいにあります。つまりペアの間にグラウンドピンが一本あるのではなく、上下両段の同じ位置がグラウンドであり、二つのペアがすれ違うまさにその地点でパッケージを横断するグラウンド銅の壁になっています。

グラウンドピンが本当に働くのはここです。互いに話してはいけない二つのネットの間に立ち、結合した電界に隣のペアへ進む代わりに終端する場所を与えるからです。

当社なら何を使うか

1. ペアが二つあるなら PZ0303P-F10。4 チャネルなので両方のペアが一つの部品に入り、上下両段のグラウンドピンが間に立ちます。0.45 pF、動作電圧 3.3 V、8/20 µs で 6.0 A、ダイナミック抵抗 0.21 オーム、接触 ±16 kV、気中 ±21 kV、DFN2510-10L。
2. ペアが一つで、容量がページ上で最も厳しい数値なら PZ0302A-F7。2 チャネルで標準 0.18 pF、最大 0.28 pF、動作電圧 3.3 V、6.5 A、接触 ±18 kV、気中 ±21 kV、DFN1610-6L。

これらの数値の書き方について一言。当社は標準値だけでなく最大容量を公表します。標準値は分布の真ん中であり、あなたの最悪の基板は標準の部品では作られていません。最大値で設計してください。そして競合のデータシートが標準値しか出していないなら、二つを比べる前にそれを尋ねる価値があります。

きちんと答えるために必要なもの

二つの効果はどちらも基板を引く前に紙の上で数値にできますが、データシートに載っているのは片方だけです。容量はすでに分かっています。結合はあなたの配置次第なので、四つ必要です。

1. ラインレート。挿入損失曲線のどこに座っているかが決まります。
2. エッジレート。結合を実際に駆動しているのはこちらで、ラインレートから想像するより速いのが普通です。
3. ペア間ピッチ。二つのペアがどれだけ離れ、どれだけの長さ並走するか。
4. 層構成。リファレンス面がどれだけ近いかが、電界がどれだけ局所に留まり隣まで届かないかを決めます。

この四つがあれば、負荷と結合を意見ではなく数値としてお渡しでき、どちらが実際にマージンを削っているかをお伝えできます。犯人にされているほうでないことは珍しくありません。