インピーダンス制御とは何か、および PCB でインピーダンス制御を実行する方法

現代の電子機器の設計において、PCB は重要な役割を果たしています。 PCB の性能は、電子システム全体の安定性、信頼性、伝送効率に直接影響します。 中でも、インピーダンス制御は PCB 設計の重要な部分です。 最新のデジタル回路は信号伝送時間が短縮され、クロック レートが向上しているため、PCB トレースはもはや単純な接続ではなく、伝送ラインになっています。 PCB インピーダンス制御とは、信号伝送の品質と安定性を確保するために、PCB 上の信号の伝送速度とインピーダンス整合を制御することを指します。

実際の状況では、デジタル限界速度が 1ns より高い場合、またはアナログ周波数が 300MHz を超える場合には、トレース インピーダンスを制御する必要があります。 PCB トレースの重要なパラメータの 1 つは、その特性インピーダンス (つまり、波が信号伝送ラインに沿って伝送されるときの電圧と電流の比) です。 PCB 上のワイヤの特性インピーダンスは、PCB 設計の重要な指標です。 特に高周波 PCB 設計では、ワイヤの特性インピーダンスがデバイスまたは信号の必要な特性インピーダンスと一致しているかどうかを考慮する必要があります。 これには、インピーダンス制御とインピーダンス整合という 2 つの概念が含まれます。 この記事では、インピーダンス制御とスタック設計の問題に焦点を当てます。

PCB の導体ではさまざまな信号が伝送されます。 伝送速度を向上させるには、周波数を上げる必要があります。 回路自体のインピーダンス値はエッチング、層の厚さ、配線幅などの要因により変化し、信号の歪みを引き起こします。 したがって、高速PCB上の導体のインピーダンス値を一定の範囲内に制御する必要があります。これを「インピーダンス制御」と呼びます。

PCB トレースのインピーダンスは、その誘導性および容量性インダクタンス、抵抗、および導電率によって決まります。 PCB配線のインピーダンスに影響を与える要因には、主に銅線の幅と厚さ、媒体の誘電率と厚さ、はんだパッドの厚さ、アース線の経路、配線周囲の配線などが含まれます。 PCB インピーダンスの範囲は 25 ～ 120 オームです。

実際には、PCB 伝送線は通常、ワイヤ トレース、1 つ以上の基準層、および絶縁材料で構成されます。 トレースと層は制御インピーダンスを構成します。 PCB は多層構造を採用することが多く、インピーダンス制御もさまざまな方法で構築できます。 ただし、使用する方法に関係なく、インピーダンス値は絶縁材料の物理的構造と電子的特性によって決まります。

マイクロストリップは、片面のみが基準面を持つ伝送線路を指すワイヤのストリップです。 上面と側面は空気にさらされ（またはコーティングされ）、電源層またはグランド層を基準として絶縁定数 Er PCB の表面に配置されます。 次の図に示すように:

注: 実際の PCB 製造では、PCB 工場は通常、PCB の表面に緑色のインクの層をコーティングします。 したがって、実際のインピーダンス計算では、通常、表面マイクロストリップ線路には次の図に示すモデルが使用されます。

ストリップラインは、次の図に示すように、2 つの基準面の間に配置されたワイヤのストリップです。 H1 と H2 で表される誘電体の誘電率は異なっていてもよい。

上記の 2 つのケースは、マイクロストリップとストリップラインの典型的なデモンストレーションにすぎず、通常は組み込み IoT インテリジェント ハードウェアやその他のシステムの学習に使用されます。 コーティングされたマイクロストリップなど、PCB の特定の積層構造に関連する特定のタイプのマイクロストリップとストリップラインが多数あります。

特性インピーダンスの計算に使用される方程式には、通常、境界要素解析などのフィールド解決法を使用する複雑な数学的計算が必要です。 したがって、専用のインピーダンス計算ソフトウェア SI9000 を使用すれば、特性インピーダンスのパラメーターを制御するだけで済みます。

絶縁層の誘電率 Er、配線幅 W1、W2（台形）、配線厚 T、絶縁層厚 H

W – 設計線幅

A – エッチング損失 (上の表を参照)

ラインの上部と下部の幅が一致しない理由は、PCB の製造プロセス中に腐食が上部から下部に発生し、腐食されたラインの形状が台形になるためです。

線の太さ T とこの層の銅の厚さの間には、次のような対応関係があります。

* ソルダーマスクの厚さのインピーダンスへの影響は小さいため、0.5mil の一定値であると仮定します。

これらのパラメータを制御することで、インピーダンス制御を実現できます。 Anwei の底部 PCB を例として、インピーダンス制御の手順と SI9000 の使用方法を説明します。

2 番目の層はグランド プレーン、5 番目の層は電源プレーン、残りの層は信号層です。

説明: 中間層間の誘電体は FR-4 で、誘電率は 4.2 です。 上下の層は空気と直接触れる裸層であり、空気の誘電率は1です。

PCB 設計者は、PCB の階層構造を最大限に利用して、インピーダンス制御を実現できます。 異なる信号層を異なる層位置に配置することにより、層間容量とインダクタンスを効果的に制御できます。 一般的に、反射とクロストークの影響を軽減するために、内側の層には高インピーダンスの材料が使用され、外側の層には低インピーダンスの材料が使用されます。

差動信号伝送ラインは、より優れた耐干渉能力を提供し、クロストークのリスクを低減します。 差動信号伝送ラインは、電圧が反対でサイズが等しい一対の平行ワイヤであり、より優れた信号整合性と耐干渉性を実現します。 差動信号伝送線路のインピーダンスは、通常、線路の間隔、幅、およびグランドプレーンの選択によって制御されます。

PCB の線幅、間隔、レイアウトなどの幾何学的パラメータを使用してインピーダンスを制御することもできます。 一般的なマイクロストリップ ラインの場合、線幅を太くし、間隔を大きくするとインピーダンスが低下する可能性があります。 同軸線の場合、内側の線の直径が小さくなり、外側の線の半径が大きくなると、インピーダンスが増加する可能性があります。 配線形状の選択には、特定のインピーダンス要件と信号周波数に基づいた最適化が必要です。

PCB 材料の誘電率もインピーダンスに影響します。 安定した誘電特性を持つ材料を選択することは、インピーダンス制御の一部です。 高周波および高速アプリケーションでは、FR-4 (ガラス繊維強化ボード)、PTFE (ポリテトラフルオロエチレン)、RF (高周波) ラミネートなどの材料が一般的に使用されます。

PCB 設計前に、シミュレーションおよび設計ツールを使用すると、設計者がインピーダンスを迅速かつ正確に検証し、最適化するのに役立ちます。 これらのツールは、回路の動作、信号伝送損失、電磁相互作用をシミュレートして、最適な PCB 設計パラメーターを決定できます。 一般的なシミュレーション ツールには、CST Studio Suite、HyperLynx、ADS などがあります。

PCB インピーダンス制御は、高速デジタルおよびアナログ回路において重要な役割を果たします。 合理的な階層設計、差動信号伝送線路の使用、配線形状の制御、適切な PCB 材料の選択、シミュレーションおよび設計ツールの使用を通じて、正確なインピーダンス制御を達成することができ、それにより回路性能と信号の完全性が向上します。