【失敗事例】画像処理基板で、ブロックノイズ！原因はクロストーク！

この記事では、高速シリアルインターフェース SerDes ICを搭載した画像処理基板で、映像に「ブロックノイズ」が出た原因とノイズ対策事例を紹介しています。

原因は、信号パターン同士がお互いに干渉しあう「クロストーク」でした。

対策として、SerDes ICのプリエンファシスの設定変更と、基板パターンのGND強化を行いました。

ノイズ対策の一つの事例として参考になれば幸いです。

【症状】受信映像にブロックノイズが出る！

トラブルが出た製品は、映像機器です。

映像送信と映像受信の2つの動作モードがあります。映像信号の伝送レートは、数Gbpsです。

受信動作のみだと、ブロックノイズは出ず受信映像はキレイですが、送信と受信の両方を同時動作させると、受信映像にブロックノイズが出てしまいます。発生頻度は 100%でした。

原因は、「クロストーク」でした。クロストークって、目には見えないから非常に厄介です！

質問する人

「クロストーク」ってなに？

「クロストーク」とは、2本の配線パターン間の距離が近く、すぐ隣同士で配線されている場合、片方の信号が変化すると、その影響を受けて隣の信号波形も変化してしまう現象のことです。

今回の事例のクロストークは、「近端」です。

↓ 下記２つの要因がかさなって、送信信号の変動が受信信号へ伝わってしまい、その影響が受信映像にブロックノイズとして出てしまいました。

「プリエンファシス」の信号レベルが強すぎた。

受信信号は、基板外部から長いケーブルを経由してようやく基板に到達しているので、ケーブルの損失で信号が劣化している状態です。
この弱くなった状態に加えて、受信信号パターンの隣で並走している送信信号は、プリエンファシスがON設定で振幅が大きく強調されていました。

送信信号の「プリエンファシス」の鋭い立ち上りが、基板上の寄生成分（インダクタンス・容量）を伝わって隣の受信信号にもれてまったと考えられます。

弱くなった受信信号には、強烈すぎたようです。

送信・受信信号パターンに、「GNDガードリング」が無かった。

基板パターンを確認すると、数Gbpsの高速信号にもかかわらず、送信信号と受信信号のパターンにGNDガードがありませんでした。
また、2つのパターン同士が物理的にかなり近い距離で配線されていました。

回路図上ではお互いにつながっていない送信・受信パターンですが、基板上では、GNDガードもない状態でお互い近寄っていたので、パターン同士が基板上の目に見えない寄生成分（インダクタンス・容量）でつながっていたと考えられます。
送信信号の鋭い立ち上り・立ち下りが受信信号に乗っかってきて、結果、受信波形が乱れてしまいました。

対策は、大きく2点です。

回路構成や部品配置などの違いで、すべての基板で対策効果があるとは言えませんが、一つの事例として参考になれば幸いです。

↓ 下図が、基板パターン変更前・後のイメージ図です。

■ 基板パターン変更”前”（クロストーク対策前）

■ 基板パターン変更”後”（クロストーク対策後）

【基板パターン】クロストーク対策

高速信号パターンは、GNDでガードすること。
GNDガードには、GNDビアをこまめに打つこと（GNDガードをぎりぎりまで低インピーダンスにするため）。
今回の基板では、2つの信号パターン同士の間隔を、コネクタ位置の制約で十分なキョリを離せなかったので、GNDガードをしっかり強化した。
送信信号と受信信号パターン間のベタGNDに、オモテ面のみスリットを入れてGND分離する（内層はベタGND）。

このように、プリント基板の「パターンの引き方」によっては、「クロストーク」というトラブルが起きる場合があります。

情報を提供する人

「パターンの引き方」を知っておけば、基板の性能・特性を格段にUPできます！

なぜなら、「パターンの引き方」は基板の完成度に直結しているからです。

以下は、「パターンの引き方」を知って実機トラブルを減らすことができた、回路設計者 Aさんの話です。

回路設計者 Aさんの例

Aさんは、「回路図は正しいのに、なぜか基板が期待したとおりに動かない・・・。」と悩んでいました。

そんなAさんですが、プリント基板の「パターンの引き方」を知って実機トラブルを減らすことに成功。

以下リンクで、Aさんがパターンの知識を身につけた方法を紹介しています。

また、「良いパターン」と「悪いパターン」の違いはわかったけど、どうしてそう引くのか、「理屈もきっちりおさえたい！」という方に、以下のリンクでおすすめの本を紹介しています。こちらもどうぞご覧ください。

開発する人

実機評価でわかったこと。

プリエンファシスは、プリント基板の損失で閉じたアイパターンを大きく開いてくれるメリットもあるけど、逆に、ノイズ発生源となってしまうデメリット（副作用）もある。
プリエンファシスを製品で使うときは、メリットとデメリットを考慮しながら製品規格値を満たすようにプリエンファシスの設定を最適化していく必要がある。
プリント基板のパターン設計では、高速信号の両側をGNDでしっかりガードし、クロストーク低減策を盛り込んだ設計をすること。