PCBインピーダンス制御：高周波回路のシグナルインテグリティを確保します。　

　インピーダンスは、交流電流が印加されたときの電気回路の抵抗を測定します。これは、高周波における電気回路の静電容量とインダクタンスの組み合わせです。インピーダンスは、抵抗と同様にオーム単位で測定されます。インピーダンスが異なると、反射や減衰が発生し、信号が劣化します。

　高周波アナログまたはデジタル回路の場合、PCB上で伝搬する信号を損傷から保護することが不可欠です。実際、100MHzを超える信号はトレースインピーダンスの影響を受け、これを適切に考慮しないと、特に解析が困難な予期せぬ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、設計者やPCBメーカーはこの現象を管理することができます。

インピーダンス制御と信号マッチングとは何ですか？

　インピーダンス制御は、PCBトレースの寸法と位置を基板材料の特性と一致させることで、伝送段階で信号はノイズがなく、減衰しないようにします。 そのため、プリント回路基板（PCB）トレースは、もはや単純なポイントツーポイント接続として扱うことはできません。 トレースは伝送ラインと見なす必要があり、信号の整合性への影響を低減または排除するために、インピーダンスマッチングが必要になります。優れた設計手法とアプローチに従うことで、多くの潜在的なシグナルインテグリティの問題を回避または軽減することができます。

　そこでこの記事では、インピーダンス制御の重要性、シグナルインテグリティの問題の原因、そしてそれを回避する方法について説明します。

伝送線路のインピーダンスを決定する要因：

一般的に、トレースインピーダンスは25～125オームの範囲であり、以下の要因に依存します。

●誘電率の実数部：誘電体の厚さはインピーダンスに正比例します。誘電体が厚いほど、インピーダンスは高くなります。

●損失タンジェントと分散：PCB設計の損失タンジェントは、信号が通過する際に熱として発生する誘電体材料のエネルギー損失を測定します。これは、特に高周波で信号の整合性に影響を及ぼし、信号の減衰を引き起こします。低損失タンジェント材料は、信号劣化を低減するために、高速およびRF設計に適しています。

●トレースと近くの基準面との距離：2つのトレース間の距離はインピーダンスに反比例します。適切な間隔は、制御されたインピーダンスを維持し、高速およびRF回路で信号の整合性を確保するために重要です。  

●銅トレースの厚さと粗さ：銅箔の厚さはインピーダンスに反比例します。銅が厚いほど、インピーダンスは低くなります。銅の厚さは、パターン電気めっきまたは適切な厚さの基材銅箔を選択することで制御できます。  

●トレース幅： トレース幅はインピーダンスに反比例します。トレース幅が細いほどインピーダンスが高くなり、トレース幅が広いほどインピーダンスが低くなります。より良いインピーダンス制御のためには、トレース幅を+/-10%の許容範囲内で制御する必要があります。トレース幅の精度を確保するために、エッチングのアンダーカット、リソグラフィ誤差、パターン転写誤差に基づいてフォトマスクでエンジニアリング補正を行います。

　したがって、ボード設計者は、高周波信号の場合、トレースとスタックアップを選択して、特定の許容誤差で目標インピーダンス値を達成できるようにする必要があります。最先端の電子CAD設計ツールは、これを自動的に計算します。

なぜインピーダンスマッチングが必要なのですか？

　PCBトレースの機能は、ドライバデバイスから受信デバイスに信号電力を転送することです。 電力はトレースの長さ全体に伝播する必要があります。 しかし、最大信号電力は、PCBのインピーダンスが一致している場合にのみ達成できます。最大電力伝達定理によれば、2つのデバイスのインピーダンスが一致している場合、デバイス全体で最大電力の流れを記録することができます。PCBレイアウトの段階で特別な注意を払わないと、高周波信号はドライバーからレシーバーに伝搬する際に確実に劣化します。

　回路のクロック速度が回路が高速で動作するかどうかを決定するというのは誤解です。 しかし、高速信号は、クロック信号の立ち上がり/立ち下がり時間、つまり信号がある状態から別の状態（論理0と論理1）にどれだけ速く変化するかに関係しています。

PCBトレースインピーダンスの計算方法は？

　前述したように、PCBトレースインピーダンスの決定には多くの要因が関係しています。PCB設計の伝送線路にはいくつかの異なる式が存在する可能性があるため、オープンソースソフトウェアでインピーダンスマッチングの正確な値を取得することは容易ではありません。最善の方法は、メーカーに連絡し、校正済みのインピーダンス計算ツールでインピーダンスを計算することです。

　JLCPCBインピーダンス計算ツールは、JLCPCBが提供するオンラインリソースで、設計者がPCBトレースのインピーダンスを計算するのに役立ちます。このツールは、制御されたインピーダンスが信号の整合性を維持するために重要な高周波回路の設計に不可欠です。

主な特徴

1.トレースタイプの選択： マイクロストリップ、ストリップライン、差動ペアから選択できます。

2.入力パラメータ： トレース幅、トレース厚さ、誘電率、トレースと基準面間の距離を入力します。

3.即時計算: このツールは、入力パラメータに基づいて特性インピーダンスをリアルタイムで計算します。4.材料特性：これにより、誘電率とインピーダンスに影響を与えるさまざまなPCB材料を選択することができます。

　伝送線路の種類（マイクロストリップまたはストリップラインなど）を選択し、PCB材料の誘電率を入力します。トレース幅、厚さ、基準面までの距離を入力します。このツールはインピーダンス値を計算して表示します。このツールは、PCB設計でインピーダンスが必要な仕様と一致していることを確認するために、特に高速またはRF回路で広く使用されています。JLCPCBインピーダンス計算機は、当社のウェブサイトからアクセスできます。

インピーダンス制御方法は、PCBでどのような計算を行いますか？

　トレースが長いほど、または周波数が高いほど、インピーダンスへの適応が必要です。この段階で厳密さを欠くと、電子デバイスや回路のスイッチング時間が長くなり、予期しないエラーが発生する可能性があります。制御されていないインピーダンスは、コンポーネントが回路に実装されると分析が困難になります。コンポーネントは、配置によって許容誤差容量が異なります。インピーダンス制御方法は、信号速度に基づいて臨界長計算を行います。

　これが、PCB設計の初期段階でトレースインピーダンスと許容誤差を確認する必要がある理由です。設計者は、メーカーと緊密に連携して、コンポーネントの値のコンプライアンスを確保する必要があります。

インピーダンスマッチングを実現するには？

　適切に制御されたインピーダンスは、PCBの経路に沿ったすべてのポイントでトレースインピーダンスが一定であることを意味します。 つまり、トレースが移動するたびに層が変わっても、インピーダンスはソースから宛先まで部品全体で同じでなければなりません。

　考慮すべき重要な設計基準がいくつかあります。EMIに関連する反射に関連する問題の多くは、優れたPCB設計技術によって防ぐことができることを覚えておいてください。

1) 低誘電率材料：

　従来は一般的にFR4が指定されていましたが、高速設計では適切なラミネートを使用することが重要です。低誘電率(Dk)の材料を使用することが望ましく、好ましいです。これにより、最高の信号性能が保証されるだけでなく、信号歪みや信号位相ジッタも最小限に抑えられます。 したがって、アプリケーションに最適な材料を選択し、製造ノートに明記する必要があります。

2) 信号帰還経路：

　各信号経路の下に信号リターン・パスを供給できる電源プレーンを含めることは、インピーダンスを制御するための重要なステップです。不連続性（重要なルーティングの下の電源プレーンでの分割や爆発など）を回避することで、プレーンを流れるリターンパス電流は、信号層の経路と同じ物理的経路をたどるようにします。

3) レイヤースタックアップ：

　レイヤースタックアップとは、信号層、グランドプレーン、電源プレーン、誘電体材料を含むPCB上のさまざまな層の配置を指します。スタックアップは、インピーダンスマッチングに重要な信号トレースのインピーダンスを制御する上で重要な役割を果たします。 適切な層配置が鍵となります。信号層は通常、インピーダンスの安定化と制御に役立つように、基準面（グランドまたは電源面）に隣接して配置されます。

　マイクロストリップやストリップラインなどの制御されたインピーダンストレースは、トレース幅、レイヤースタックアップ、および誘電特性を調整することで、正確なインピーダンス制御を行うように設計されています。

次の点に注意してください：

●トレースラインは可能な限り短くし、可能な限り長さを短くする必要があります。

●デカップリングコンデンサの選択と必要な数量、ルーティングループ。

●ルーティングスタブや不連続性による信号品質の低下を避ける必要があります。

●差動ペアルーティングの場合、信号ペアの長さが同じであることを確認してください。

●接地基準面と電流リターン経路を接地してください。

●部品のパッケージング不良によるインダクタンス。

●ENIGの代わりに表面仕上げとしてイマージョンシルバーを使用することを検討してください。ENIGのニッケル含有量は損失が非常に大きく、スキン効果のため、高速設計には適していません。

インピーダンス制御の検証

　PCBが製造された後、テストクーポンを使用してインピーダンス制御を検証できます（テストクーポンは、PCB製造プロセスの品質をテストするために使用されるPCBです。テストクーポンは通常、PCBと同じパネルにエッジに製造され、適切なレイヤーアライメント、電気的接続、および断面を保証します）。次に、時間領域反射計（TDR）を使用してインピーダンスをテストできます。 次に、PCBで特性インピーダンスが達成されたかどうかを示すレポートが生成されます。

　電子機器の全体的な性能とEMC動作は、回路設計とレイアウトの幾何学だけでなく、配電ネットワークによっても決まります。

結論

　実際のPCBレイアウトで経験するインピーダンス信号は、回路図から計算された理想的な値とは大きく異なる場合があります。 その主な理由は、基板の存在と基板のトレースレイアウトです。 これにより、望ましいインピーダンスレベルから逸脱するクロストークなどの結果が生じます。回路が高周波でスイッチングする場合、リンギングなどの電力インテグリティの問題が発生する可能性があります。高周波では、電源ネットワークのインピーダンスも最適な容量性動作から逸脱し、シグナル・インテグリティとパワー・インテグリティに問題が発生する可能性があります。

　インピーダンス不整合の原因要因を理解し、インピーダンス問題を軽減または排除できる設計手法に関する知識を習得することで、PCB設計者は真に設計されたソリューションを作成することができます。信頼性と性能の高いプリント回路基板に製造できる堅牢な設計です。