差動ペアルーティング

差動信号方式とは、密結合した一対の伝送路を介して信号を伝送する方式で、一方が信号を、もう一方が振幅は等しく極性が反対の信号を伝送します。差動信号方式は、信号源のロジック基準グランドを負荷側のロジック基準グランドに十分に接続できない状況に対応するために開発されました。差動信号方式の利点は、電子製品で最も一般的な干渉要因であるコモンモード電気ノイズに対して、原理的に耐性があることです。また、信号ペアから発生する電磁干渉（EMI）を最小限に抑えられるという利点もあります。

PCBの差動ペア配線

PCBの差動ペア配線は、プリント基板上で差動信号（振幅が等しく極性が反対の信号）を伝送できる平衡伝送システムを構築するための設計手法です。通常、この差動配線は、コネクタやケーブルなどの外部の差動伝送システムに接続されます。

ツイストペア差動ケーブルでは結合率が99%を超える場合がある一方、差動ペア配線で得られる結合率は通常50%未満である点に注意が必要です。現在の専門家の見解では、PCB配線の目的は、単に特定の差動インピーダンスを実現することではなく、外部ケーブルから伝わってくる差動信号を良好な状態で対象コンポーネントに到達させることに重点を置くべきとされています。

高速PCB設計の専門家として業界で知られるLee Ritchey氏によると、差動信号を適切に伝送するには、次の条件を満たす必要があります。

• 各信号配線のインピーダンスを、接続される差動ケーブルのインピーダンスの半分に設定すること。

• 2本の信号線をそれぞれ、受信端でその特性インピーダンスに適合するように正しく終端すること。

• 設計で使用するロジックファミリと回路周波数の許容範囲内で、2本の信号線の長さを等しくすること。最も重視すべきなのはタイミングの維持です。 設計のスキュー許容値を満たすように配線長を一致させてください。たとえば、USB 3.xでは、 配線長の差を10 mil以下にする必要があります。

• 2本の信号を並べて配線する利点を活かし、長さの揃った高品質な配線を実現すること。必要に応じて、障害物を迂回するために2本を離して配線してもかまいません。

• 信号のインピーダンスが維持されていれば、 配線層を変更してもかまいません。

回路図設計時の差動ペアの定義

回路図設計時に差動ペアを定義する方法は、プロジェクトの設計制約をどのように設定するかによって異なります。Altium Designerでは、2つの方法がサポートされています。 1つ目は、PCBエディタでPCB設計ルールとして制約を定義する方法です。 2つ目は、 スプレッドシート形式のインターフェースであるConstraint Managerを使用する方法で、回路図設計の段階から多くの制約を定義できます。

回路図シートでの差動ペアの定義

PCB設計ルールを使用する方法では、ほとんどの制約をPCB設計時に定義する必要があります。ただし、差動ペアの定義を含む主要な制約は、回路図設計ディレクティブを配置することで、回路図設計時に定義できます。

差動ペアは、ネット名と差動ペアディレクティブを組み合わせて、回路図シート上で直接定義できます。

回路図での差動ペアディレクティブの使用（）
Identify pairs through net names,	Altium Designerで差動ペアに属するネットを識別するには、2つの要素が必要です。 1つ目は、 共通のネット名にペアを識別する標準のサフィックスを付けるネット命名規則です（例：DRV1_L & DRV1_H）。サフィックスの組み合わせは、Options for ProjectダイアログのOptionsタブで宣言する必要があります（）。
then identify each pair side using Differential Pair directives	差動ペアをグラフィカルに定義するための2つ目の要素は、 ペアの各ネットにDifferential Pairディレクティブを配置することです（）。
Transfer the Differential Pairs to the PCB	設計をPCBエディタに転送すると（Design » Update PCB）、回路図の差動ペアが検出され、PCB上に定義されます（）。なお、Options for PCB Projectダイアログのコンパレータ、ECO生成、クラス生成の各タブの設定は、 差動ペアの転送に影響します。詳細については、PCBプロジェクトのオプションを参照してください。

Constraint Managerでの差動ペアの定義

設計でConstraint Managerを使用する場合も、ペア内のネットは共通の名前とペア識別用のサフィックスによって識別されますが、差動ペアディレクティブは不要です。Constraint Manager では、論理的なxNetsの定義もサポートされています。 xNet（拡張ネット）は、抵抗やコンデンサなどの直列終端用の受動部品をまたぐ、連続したインテリジェントな信号経路を定義する機能です。部品を含め、ドライバからレシーバまでの経路全体を1つの論理ネットとして扱い、配線長のマッチングと制約管理を行います。

この例では、各信号のドライバからレシーバまでの経路全体に対してxNetを定義し、これらのxNetから差動ペアを作成しています。

Constraint Managerでの差動ペアの定義
Identify pairs through net names	共通のネット名にペアを識別する標準のサフィックスを付けて、 差動ペア内のネットを識別します（例：DRV1_L & DRV1_H）。サフィックスの組み合わせは、Options for ProjectダイアログのOptionsタブで宣言する必要があります（）。
Where the constraints are defined	制約は、回路図エディタとは別のエディタであるConstraint Managerで作成および編集され、専用の制約ファイルに保存されます。 詳細については、Constraint Managerを参照してください。
Keeping the constraints and schematic in sync	制約は回路図とは別に保存されるため、Constraint Managerで行った変更を回路図に反映し、PCBと同期できるようにするには、まず変更を保存する必要があります。回路図で行った設計変更は、Refreshボタンをクリックして（）、Constraint Managerにインポートします。
If the design still includes Differential Pair directives	Constraint Managerを使用する場合、グラフィカルな差動ペアディレクティブは不要です。Refreshの実行時に差動ペアディレクティブが検出されると、差動ペア制約に変換され、以降はConstraint Managerで管理・編集されます。この状態の変化は、シンボルの色が変わり、小さな文字 cが追加されることで回路図に反映されます（）。変換後、これらの設定はConstraint Managerで管理されます。詳しくは、回路図からのディレクティブのインポートをご覧ください。
Identify pairs using the Constraint Manager	Constraint Managerでは、右クリック » Differential Pairs » Create Differential Pairs from Nets コマンドを選択すると（）、ネット名と接尾辞に基づいて差動ペアを作成できます。詳しくは、Constraint Managerでの差動ペアの定義をご覧ください。
Create an xNet to define the entire signal	xNet（拡張ネット）は、抵抗やコンデンサーなどの直列終端用の受動部品をまたぐ、連続したインテリジェントな信号経路を定義する機能です。xNetは、ドライバーからレシーバーまでの経路全体を、部品も含めて1つの論理ネットとして扱い、長さのマッチングや制約管理を行います。詳しくは、Constraint ManagerでのxNetの定義をご覧ください。
Create xSignals to control the net topology	必要に応じて、ネットトポロジーをxSignalとして定義・保存し、PCBに同期することもできます。詳しくは、Constraint ManagerでのxSignalの定義をご覧ください。
Transferring the Differential Pairs to the PCB	Options for PCB Projectダイアログの関連設定が有効になっている場合（デフォルトで有効）、設計の同期時に差動ペア（およびxNetとxSignal）がPCBに転送されます。詳しくは、PCBプロジェクトのオプションをご覧ください。

詳しくはこちら： Constraint Managerを使用した設計要件の定義

詳しくはこちら： クラスの操作

PCB上の差動ペアの表示と管理

PCBパネルでの差動ペアの操作
Manually creating a new pair	PCBエディターで新しい差動ペアオブジェクトを直接手動作成するには、PCBパネルのDifferential Pair領域にあるAddボタンをクリックします（）。Differential Pairダイアログが開いたら（）、正側と負側それぞれに既存のネットを選択し、ペアに名前を付けてOKをクリックします。選択肢として表示されるのは使用可能なネットのみで、既存の差動ペアの一部としてすでに定義されているネットは表示されません。
Edit a pair definition	既存のペアを編集するには、PCBパネルのDifferential Pair領域で名前をダブルクリックするか、名前を選択してEditボタンをクリックします（）。
Delete a pair	既存の差動ペアを削除するには、そのエントリを選択してパネルの Delete ボタンをクリックします（）。
Creating pairs from the design nets	一貫した命名規則を持つネット（共通の接頭辞と、TX0_PおよびTX0_Nなどの一貫した正側/負側の接尾辞を持つネット）をペアにする場合は、Create Differential Pairs From Netsダイアログ（）を使用できます。PCBパネルのCreate From Netsボタン（）をクリックしてダイアログを開きます。ダイアログ上部のフィルター設定に一致する既存のネットがすべて自動的に表示されます。フィルター設定を調整し、必要に応じて差動ペアクラスを割り当てます。提案されたペアのうち不要なものは、Createチェックボックスをオフにします。
Creating pairs using the wizard	Rule Wizardボタン（）をクリックすると、Differential Pair Rule Wizardが起動します。このウィザードについては、このページの後半で説明しています。
Create a differential pair class in the panel	新しい差動ペアクラスを作成するには、パネルのDifferential Pair Classes領域で右クリックし、コンテキストメニューからAdd Classを選択します（）。Edit<ObjectKind>Classダイアログが開き、クラス名の入力やメンバーの追加を行えます。
Edit a differential pair class	既存のクラスをダブルクリックするとEdit<ObjectKind>Classダイアログが開き、名前の編集やメンバーの追加・削除を行えます。
Manage classes in the Object Class Explorer	差動ペアクラスを含むすべてのクラスを管理・編集するには、Design » Classes コマンドを選択してObject Class Explorerダイアログを開きます（）。詳しくは、PCBエディターでのクラスの定義をご覧ください。

設計制約

Altium Designerでは、設計内に配置されたオブジェクトのプロパティは設計制約によって制御されます。 制約は、配線幅や差動ペア配線時のペア間ギャップなど、作成ツールの動作を指定するために使用されます。また、デザインルール検証時には、配置されたオブジェクトが設計要件を満たしていることを確認するためにも使用されます。

前述のとおり、設計制約はConstraint ManagerまたはPCBデザインルールとして定義します。これらの手法では、制約の作成と管理に異なるアプローチを使用しますが、Constraint ManagerとPCBルールで使用できる制約の種類は同じです。また、設計制約を適用すべきオブジェクトに対象を絞るための基本的な仕組みも同じです。

Altium Designerは、ユーザーインターフェースの背後で、クエリシステムによって駆動されるフィルタリングエンジンを使用し、設計制約を適用するオブジェクトを特定します。クエリシステムは、IsComponent('U1')やInAnyDifferentialPairなどのクエリ関数を使用してオブジェクトを識別します。必要なオブジェクトを対象とするクエリを作成するプロセスを、設計制約のsetting the scopeと呼びます。制約の適用範囲を設定する多くの箇所では、ドロップダウンリストからオプションを選択すると、PCBエディターが適切なクエリに変換します。all nets (except pairs) under this BGAなど、より具体的な制約の場合は、適切なクエリ関数を使用してクエリを構築する必要があります（例： WithinRoom('RoomDefinition_BGA') and Not InAnyDifferentialPair）。 

ルールベースのプロジェクトでは、下の3枚目のスライドに示すように、制約のObject Matchesの適用範囲をCustom Queryに切り替えることで（PCB Rules and Constraint Editor内）、任意の制約のクエリを確認できます。Constraint Manager-ベースのプロジェクトでは、PCBエディターからConstraint Managerを開き、All Rulesに切り替えると、制約の背後にあるクエリが表示されます（）。

クエリ言語について詳しくはこちらをご覧ください。

設計制約の適用範囲の設定

デザインルールの適用範囲は、そのルールを適用するオブジェクトの集合を定義します。差動ペアはオブジェクトであるため、次の例のようなクエリを使用できます。

使用可能なPCBクエリ関数について詳しくはこちらをご覧ください。

差動ペア配線制約

差動ペア配線の主な目的は、ペア内の各ネットを推奨幅で配線しながら、推奨ギャップを維持することです。以下の画像は、すべての差動ペアに対してこの設定を行う例です。1枚目ではConstraint Managerを、2枚目ではPCB Rules and Constraints Editorを使用しています。幅とギャップは数値で定義します。 また、以下に示すように、Layer Stack Managerで差動ペアのインピーダンスプロファイルを定義し、そのプロファイルを制約で選択することもできます。このページでは、制約の主な要素をまとめています。制約の詳細については、以下のリンクをご覧ください。

差動ペアの制約設定
Measurement units	単位のデフォルトは基板の単位です。Ctrl+Qショートカットを使用すると、現在表示しているダイアログ／編集ウィンドウで、ヤード・ポンド法とメートル法を切り替えられます。Constraint Managerでは、Toolsメニューからも単位を切り替えられます。
Routing width	最小幅、推奨幅、最大幅を数値で入力します。 インタラクティブ差動ペア配線中に3ショートカットを使用すると、これらの設定を順に切り替えられます。現在の状態は、ステータスバーとヘッドアップディスプレイに表示されます。
Gap between nets in the pair	最小ギャップ、推奨ギャップ、最大ギャップを数値で入力します。インタラクティブ差動ペア配線中にShift+6ショートカットを使用すると、これらの設定を順に切り替えられます。現在の状態は、ステータスバーとヘッドアップディスプレイに表示されます。
How the Gap is checked	推奨ギャップの値は、インタラクティブ差動ペア配線ツールが配線中にトラックセグメントを配置する際に使用されます。ただし、all電気オブジェクト間の距離は、適用されるクリアランス制約によってチェックされます。Design Rulesダイアログでは、これは別個の設計制約（）として設定します。Constraint Managerでは、差動ペア配線のプロパティと同じグリッド内でクリアランスを定義できます（）。
Settings based on an Impedance profile	この方法を使用するには、Layer Stack Managerでインピーダンスプロファイルを設定しておく必要があります。インピーダンスプロファイルが定義されている場合は、Constraint Manager（上の1枚目の画像）またはルールダイアログ（上の2枚目の画像）でプロファイルを選択できます。 インピーダンスプロファイルの設定について詳しくはこちらをご覧ください。

差動ペア配線制約について詳しくはこちらをご覧ください。

Differential Pair Wizardを使用した制約の定義

PCBエディターで差動ペア配線制約を作成する場合は、手動で設定するだけでなく、次のツールも使用できます。 Differential Pair Rule Wizard 差動ペア配線制約と等長制約を追加して設定する手順を確認できます。 Rule Wizardボタン（）をクリックしてウィザードを起動します。

Differential Pair Rule Wizardに従ってルールを定義します。

作成される制約の適用範囲は、ウィザードを起動する前にPCBパネルで選択されている差動ペアによって、次のように決まります。

制約の適用範囲
Select the All Diff Pair class（）	All Differential Pairsクラスが選択されている場合、各ルールの適用範囲はAllになります。
Select one Diff Pair class（）	特定の差動ペアクラスが選択されている場合、各ルールの適用範囲はInDifferentialPairClass('ClassName')になります。
Select one Diff Pair （）	パネルで1つの差動ペアが選択されている場合、各ルールの適用範囲はInDifferentialPair ('PairName')になります。
Select multiple Diff Pairs （）	パネルで複数の差動ペアが選択されている場合、 各ペアオブジェクトに対して個別の適用範囲エントリが作成され、それぞれがOr 演算子で区切られます。 たとえば、個別に選択された差動ペアオブジェクト D_ETH_O.TXとD_ETH_O.RXを対象とする配線幅ルールの適用範囲は、次のようになります。 InDifferentialPair('D_ETH_O.TX') Or InDifferentialPair('D_ETH_O.RX')

なお、差動ペア内のネットと、そのペアに属さないother電気オブジェクトとのクリアランスは、該当するClearanceルールによって監視されます。

差動ペアの配線

差動ペアはペアとして配線します。つまり、2つのネットを同時に配線します。差動ペアを配線するには、RouteメニューまたはActive BarからInteractive Differential Pair Routingを選択します。ペア内のいずれかのネットを選択するよう求められるので、 どちらかのネットをクリックして配線を開始します。システムがもう一方の配線も自動的に選択するため、ペアの正側と負側のどちらを選択してもかまいません。以下の動画では、差動ペア配線の簡単な操作例を紹介します。

差動ペアの配線中には、次の操作を実行できます。

 

 

 

 

 

差動ペアの配線
Configuring the router	配線中にインタラクティブ差動ペア配線の設定を変更するには、Tabを押してProperties パネルを表示します。配線が一時停止し、カーソルが配線操作から解放され、パネル内のオプションを変更できるようになります。 ボタンをクリックするか、 Escを押すと、配線に戻ります。 Propertiesパネルには4つのセクションがあります。詳細については、次のリンクを参照してください： 差動ペア情報、 プロパティ、 インタラクティブ配線オプション、ルール。
How the routing reacts to existing objects	これは、Conflict Resolution Mode の現在の設定（迂回、押しのけ、沿わせて押しのけ、最初の障害物で停止、障害物を無視）によって決まります。現在の競合解決モードは、配線中またはスライド中に、ステータスバー （）、ヘッドアップディスプレイ （）、および Properties パネルに表示されます。 Shift+Rを押すと、使用可能な競合解決配線モードを順に切り替えられます。 詳細については、インタラクティブ配線中の競合解決モードを参照してください。
The shape of the corners	差動ペアのインタラクティブ配線では、コーナーを構成するトラックと円弧によって形成される形状を corner styleと呼びます。斜めのコーナーが最も一般的ですが、円弧を配置して作成する曲線のコーナーもよく使用されます。コーナースタイルは5種類あり、そのうち4種類にはコーナー方向のサブモードもあります。 配線中に Shift+Spacebar を押すと、コーナースタイルを順に切り替えられます。現在のスタイルは、ステータスバー（） とヘッドアップディスプレイに表示されます。 または、 Tab を押して Properties パネルを開き、そこでコーナースタイルを変更することもできます （）。  Spacebar を押すと、コーナーの方向が切り替わります。 any angleコーナースタイルでペアを配線する際に、Shiftを押し続けると、接線円弧を使用して差動ペアを配線できます。これにより、既存の曲線に沿うように配線形状を調整できます。 arc in cornerモードでは、, キーを押すと最大円弧半径が小さくなり、. キーを押すと最大円弧半径が大きくなります（Shiftを押し続けると変更量が10倍になります）。円弧のサイズは、カーソルを動かしてインタラクティブに変更することもできます。この設定は許容される最大円弧半径を定義し、配線中はステータスバーに表示されます。
Controlling the routing width and pair gap	差動ペアのインタラクティブ配線中には、次の操作が可能です。 3を押すと、使用可能な 配線幅（User Choice、Rule Min、Rule Preferred、Rule Max）を順に切り替えられます。現在の選択は、ステータスバーとヘッドアップディスプレイに表示されます。 Shift+6を押すと、使用可能な ギャップ（User Choice、Rule Min、Rule Preferred、Rule Max）を順に切り替えられます。現在の選択は、ステータスバーとヘッドアップディスプレイに表示されます。
Placing the hatched track segments	マウスを左クリックすると、候補として表示されている（ハッチングされた）トラック／円弧セグメントがすべて配置されます。
Unwind the placed routing	Backspaceキーを押すと、最後に配置した頂点が削除されます。
Switch layers and insert a via pair	配線中にレイヤーを変更するには、Ctrl+Shift+Wheel Scrollのショートカットキーの組み合わせを使用するか、テンキーの*キーを押してから、次の操作を行います（ ）。 4を押すと、使用可能なビアサイズ（X-Y平面）がUser Choice、Rule Min、Rule Preferred、Rule Maxの間で切り替わります。現在の選択内容は、ステータスバーとヘッドアップディスプレイに表示されます。 5を押すと、レイヤー変更時のビアパターンがstaggeredとperpendicularの間で切り替わります。また、カーソルを動かしてパターンを切り替えることもできます。 6を押すと、使用可能なビアスタック（Z平面でのビアのスパン）が順に切り替わります。8を押すと、選択用のリストが表示されます（インタラクティブ配線中に配置するビアの制御について詳しくはこちら）。
Displaying the available clearance	なぜその隙間に配線を通せないのか疑問に思ったことはありませんか？ このような場合は、配線中にCtrl+Wを押して、クリアランス境界の動的表示を有効にします。既存のオブジェクトと適用されるクリアランスルールによって定義される進入禁止領域が、塗りつぶされたポリゴンとして表示されます（）。Ctrl+Wを押すと、この機能を再び無効にできます。
Panel – Differential Pair Information	配線中の差動ペアの名前と、差動ペアクラス（そのペアがクラスに属している場合）を表示します。また、ペア内の各ネットの信号長と遅延も表示され、この情報は配線中にクリックするたびに更新されます。パネル内の青いテキストはリンクです。配線中にパネルへアクセスするには、Tabを押します（）。 差動ペアのパネル情報について詳しくはこちら。
Panel – Properties	差動ペアの配線中は、PropertiesパネルのRouting Propertiesセクションで配線オブジェクトのプロパティを編集できます。 差動ペアのプロパティパネルの情報について詳しくはこちら。
Panel – Interactive Routing Options	差動ペアの配線オプションパネルの情報について詳しくはこちら。
Panel – Rules	配線中のペアに適用される配線幅と配線ビアスタイルの設計制約を表示します（）。 差動ペアのルールパネルの情報について詳しくはこちら。
Get help on shortcuts	Shift+F1を押すと、コマンド実行中に使用できるすべてのショートカットが表示されます。

差動ペア配線のインタラクティブな変更

配線中には、既存の配線の一部を変更する必要が何度も生じます。トラックセグメントやビアをクリックしてドラッグする、作図のような操作で配線を変更できます。この操作を interactive sliding と呼びます。 スライド中にペアを構成するメンバーを認識するために、coupling という概念が使用されます。スライド中は、Properties パネルにインタラクティブスライドのコントロールが表示されます（）。スライド中、インタラクティブ配線エンジンは、適用される設計制約に従いながら配線の品質を維持しようとします。スライド処理に影響する主な機能には、routing conflict resolution mode（障害物への対応）、gloss strength（結果を整える処理の強度）、hugging（障害物にどの程度密着して配線を回り込ませるか、およびコーナーの形成方法）があります。

差動ペアの経路を配線し直す方が簡単な場合もあります。 インタラクティブ配線エンジンは、Loop Removal という機能でこれをサポートしています。 この機能はインタラクティブ配線のプロセスを監視し、既存の経路と並行して新しい経路が配線されたことを検出すると、古い冗長なセグメントを自動的に除去します。差動ペアの経路を配線し直すには、Route » Interactive Differential Pair Routing コマンドを選択し、既存の配線上の任意の場所をクリックして新しい経路を配線した後、必要な位置で既存の配線に再接続します。ソフトウェアは古い経路と新しい経路の間に形成されたループを識別し、右クリックするか Esc を押して配線を終了すると、不要なビアを含む冗長なセグメントを自動的に除去します。

再配線とスライドを組み合わせて、既存の差動ペア配線を変更します。

詳細については、既存の配線の変更を参照してください。

差動ペアの配線長調整とアコーディオンの変更

差動ペアの配線長調整には、2つの側面があります。1つは、グループ内の各ペアの長さを調整してすべてのペアを同じ長さにすることです。もう1つは、各ペア内の短い方のネットの長さを調整することで、この処理をphase matchingと呼びます。 

差動ペアの配線長を調整するには、対象となる差動ペアのグループに対して、次の制約を作成します。

• 配線長の一致要件between pairsを定義するmatched lengths constraint。あるペアの長さを別のペアの長さと比較して検証するには、Group Matched Lengthsオプションを有効にします。

• within-pairの配線長一致要件を定義する2つ目の matched lengths constraint。ペアの一方の配線長をもう一方の配線長と比較して検証するには、制約のWithin Differential Pair Lengthオプションを有効にします。

ペア同士の配線長を調整した後、各ペア内の配線長を調整するデモンストレーション。

この動画では、配線長調整用のアコーディオンを追加して、ペアの配線長をほかのペアに合わせて調整する方法（xSignalの長さに基づく）を紹介します。次に、各ペアの短い方の配線長を、そのペアの長い方に合わせて調整します。さらに、ペアをインタラクティブに移動して形状を変更する方法、調整用アコーディオンを削除する方法、ショートカットを使用して配置中に新しいアコーディオンの形状を整える方法を紹介します。

詳細については、差動ペアの配線長調整を参照してください。