プリント基板の小型化と高速化が進むにつれ、インピーダンス制御はシグナルインテグリティ（信号整合性）の管理に不可欠となっています。GHz帯で動作する回路では、100MHzを超える信号であってもトレースインピーダンスの影響を受け、解析が困難なエラーが発生する可能性があります。幸いなことに、インピーダンス制御により、PCB設計者はこれらの影響を考慮することができます。高速設計では、基板のインピーダンスを制御することで、必要な性能を確保できます。このガイドでは、PCBインピーダンス制御とは何か、そしてPCB設計で目標インピーダンスを達成する方法について説明します。まずは、PCBインピーダンス制御の意味を理解することから始めましょう。
PCB インピーダンス制御とは何ですか?
PCBインピーダンス制御とは、プリント回路基板上のトレースの特性インピーダンスを目標設計インピーダンスに整合させることです。これは、以下の点を注意深く制御することで行われます。 PCBトレース 寸法、間隔、配線を最適化することで、特定の自然インピーダンスを持つトレースを作成できます。インピーダンス制御により、MHz、GHz、さらにはそれ以上の高周波領域で問題となるオーバーシュート、リンギング、クロストークといった信号反射や整合性の問題を防止できます。トレースインピーダンスを50Ωや75Ωなどの目標値に合わせることで、PCB全体でクリーンな信号伝送を確保できます。今日の高速デジタルおよびアナログ回路では、インピーダンス管理が回路性能の最適化に不可欠です。
インピーダンス制御の重要性
効果的なインピーダンス制御は、信号の歪みを最小限に抑え、PCBの動作速度と信頼性を向上させます。RF通信、電気通信、高速アナログビデオなどの特定の高周波アプリケーションでは、PCBトレース上で特定の目標インピーダンスを維持することが不可欠です。
信号がPCBトレースを伝送される際、異なるポイントにおけるインピーダンス不整合が有害な反射を引き起こす可能性があります。これらの反射は逆方向に伝わり、元の信号の完全性を損ないます。インピーダンス不整合が大きいほど、歪みは深刻になります。
インピーダンス制御は、トレース寸法と配線を慎重に調整することで、PCB全体のインピーダンスを整合させます。このインピーダンス整合により反射が低減され、信号の劣化を防ぎます。トレースが長い場合や信号周波数が高い場合は、明瞭性を維持するために、より厳密なインピーダンス制御が必要です。
適切なレイアウトを設計することで、PCB設計者はインピーダンス整合と信号整合性を向上させることができます。綿密なインピーダンス制御により、PCBは今日の高速電子機器においてGHz帯の周波数においても堅牢な動作を実現します。
PCB インピーダンス制御に影響を与える要因は何ですか?
いくつかの重要な設計要素が PCB のトレースのインピーダンスに影響を与えるため、効果的なインピーダンス制御のために考慮する必要があります。
- トレース幅
銅配線の幅は、インピーダンス制御において重要な要素です。配線幅が広いほどインピーダンスは低くなり、配線幅が狭いほどインピーダンスは高くなります。インピーダンスを維持するためには、配線は全長にわたって均一な幅を維持する必要があります。配線幅のばらつきは、インピーダンスの均一性を損ないます。
- 銅の厚さ
銅が厚くなると導電性が向上するため、インピーダンスは低下します。しかし、銅が厚すぎるとエッチングやめっきが難しくなります。ほとんどのPCBでは1～2オンスの銅が使用されており、製造工程においてインピーダンスを制御するのに適した厚さを実現しています。
- 誘電体の厚さ
トレースとリファレンスプレーン間の誘電体の厚さもインピーダンスに影響を与えます。誘電体が厚いとインピーダンスは上昇しますが、直線的ではありません。誘電体の厚さが100%増加しても、インピーダンスは20～25%しか上昇しません。誘電体が薄い場合は、わずかな変化でも大きな差が生じるため、より厳密な管理が必要です。
- 誘電率
当学校区の 誘電率（Dk） 絶縁基材の材質は、PCBにおける信号の伝播に影響を与えます。高周波数域でのインピーダンス制御には、誘電率が3未満の安定した材料が最適です。FR-4のように誘電率が高い材料は、インピーダンス制御が不安定になる可能性があります。
目標インピーダンス制御を達成する方法
プリント基板を設計する場合、特に高周波や低消費電力の用途では、インピーダンスを制御することが適切な機能にとって重要です。 高速 PCB類PCB 設計者が使用できるテクニックをいくつか紹介します。
制御インピーダンス信号を明確に示す
プリント基板を設計する際には、どの信号にインピーダンス制御が必要かを明確に示すことが賢明です。これは、各部品の信号クラスと対応するインピーダンスを規定した部品データシートを添付することで実現できます。また、各信号トレースの配線層や、異なる信号を伝送するトレース間の間隔に関する規則についても留意する必要があります。
適切な伝送線の選択
高周波アプリケーション用の PCB を作成する場合、適切な伝送線路構造を選択することが重要です。
マイクロストリップラインは、信号トレースをグランドプレーン上の外層に配置します。このコスト効率の高い手法は、アンテナやフィルタなどのマイクロ波回路に適しています。
ストリップラインは、グランドプレーン間のトレースを囲む 多層PCBこれにより、より厳密なインピーダンス制御とクロストークの低減が可能になりますが、より複雑な製造が必要になります。
マイクロストリップとストリップライン技術のトレードオフを比較検討することで、設計者は伝送線路の選択を最適化できます。マイクロストリップラインは標準的なPCBプロセスを活用しますが、ストリップラインは厳密なインピーダンス制御が重要な場合に優れた性能を発揮します。
PCB上のトレースとコンポーネントの適切な間隔
プリント基板をレイアウトする際には、トレースと部品の間に適切な間隔を設けることが重要です。これにより、高周波信号を伝送するマイクロストリップ伝送線路に主に影響を及ぼすクロストークを最小限に抑えることができます。
一般的なルールとして、インピーダンス制御されたトレースは、PCB上の他のトレースから線幅の2～3倍（2Ω～3Ω）以上の間隔を空ける必要があります。非常に高い周波数の信号を扱う回路の場合は、絶縁性を高めるために間隔を少なくとも5Ωに広げてください。また、インピーダンス制御されたトレースと他の種類のトレースや部品との間には、最低30ミル（約XNUMXmm）の距離を確保してください。
適切な間隔はインピーダンスの整合性を確保し、トレース間の結合を低減します。間隔が狭いトレースや他のトレースの近くを通るトレースは、 PCBコンポーネント パフォーマンスに悪影響を与える可能性があります。間隔のガイドラインに従うことで、信号の整合性を維持し、クロストークなどの問題を回避できます。
信号整合性のためのトレース長のマッチング
プリント基板上でトレースを配線する際には、関連する信号を伝送するトレースの長さを一致させることが重要です。これは特に高速信号の場合に重要です。
トレースが異なる地点から発生している場合、短いトレースに蛇行セクションを挿入して全体の長さを揃えることができます。これは、グループ内のすべてのトレースが、送信元から送信先まで同じ物理的な長さになるようにするためです。長さを揃えることで、トレースの長さの違いによって異なるタイミングで到着することによるタイミングスキューの問題を回避できます。高速信号では、トレース長のわずかな差でも問題が発生する可能性があります。
インピーダンス制御されたトレースにおける容量の影響の最小化
インピーダンス制御されたトレースを配線する際は、トレース間に容量性部品を配置しないことをお勧めします。コンデンサなどの部品は、インピーダンスの不連続性を引き起こし、信号の整合性を損なう可能性があります。
コンデンサを使用する必要がある場合は、関連するすべてのトレースにわたって対称に配置する必要があります。これにより、トレース間の容量負荷の均一化と信号伝播の均一化が実現します。
コンデンサの配置が非対称だと、インピーダンスの不整合や信号間のスキューが発生する可能性があります。容量の影響で、一部のトレースが他のトレースよりもフィルタリングされたり、速度が低下したりすることがあります。
閉じた言葉
高速PCB設計におけるシグナルインテグリティ（信号品質）を確保するには、適切なインピーダンス制御が不可欠です。インピーダンスに影響を与える要因を理解し、バランス配線、配線長の整合、適切な部品配置といった技術を活用することで、PCB設計者は基板全体で目標インピーダンスを実現できます。
MOKO Technologyでは、製造するすべてのPCBにおいてインピーダンス制御を徹底しています。当社のチームはインピーダンス要件を徹底的に検証し、各設計の目標インピーダンスを達成するためにプロセスを調整します。様々なアプリケーションでの経験に基づき、お客様のインピーダンス制御目標の達成に役立つ推奨事項をご提供いたします。 お問い合わせ 高速回路における信号の完全性と堅牢なパフォーマンスに重点を置いた当社の製造能力について詳しくご覧ください。
