PCB設計における信号反射とインピーダンス制御の理解：重要な技術とツール　

信号がある地点から別の地点にデジタル伝送されるたびに、信号線の状態が変化します。信号の状態の変化は、回路を通過する際の電磁波として説明できます。信号の反射は、電磁波がある媒体から別の媒体への境界に出会うときに起こります。波が境界に出会うとき、エネルギーの一部は信号に伝達され、一部は反射されます。このプロセスは、エネルギーが回路に吸収されるか、環境に散逸するまで無限に続きます。

電気技術者にとって、この境界が発生する媒体は、通常、電気インピーダンスで説明されます。 つまり、境界はインピーダンスが変化する点です。

PCB設計では、反射は、電気信号がトレースに沿って移動する際にインピーダンスの不一致に遭遇したときに発生します。この不一致により、信号の一部がソース方向に反射します。反射は、特に高速デジタルまたはRF回路において、歪み、ノイズ、データエラーなどのシグナルインテグリティの問題を引き起こす可能性があります。

なぜ反射ノイズが問題になるのか？

信号線の反射により、経路に余分なエネルギーが蓄積され、信号にノイズの問題が発生します。反射ノイズは信号を予測不可能な値に押し上げ、決定的な信号の全体的な形状をランダムな信号に変化させます。エンジニアの仕事は、インピーダンスマッチングによって反射信号の量を最小化し、送信信号の量を最大化することです。 そのため、余分なエネルギーは蓄積され、ノイズが信号を覆い隠す前に消散します。

反射されたパルスのエネルギーが次のパルスが生成される前に消散しない場合、エネルギーが蓄積され、重畳と呼ばれる現象が追加されます。反射後の波の位相と振幅が元の信号と一致すると、定常波が形成されます。定常波が伝送線路に形成されると、信号経路に大量のノイズが流入します。幸いなことに、信号は抵抗素子を通過すると減衰します。 したがって、単純な直列抵抗器は、この寄生効果を低減するのに役立ちます。この記事の後半で、ノイズを低減するいくつかの方法についてさらに説明します。

デジタル信号のノイズ分析

フーリエ定理は、デジタル波が調和的に関連する正弦波および/または余弦波の分解された成分の形で表現できることを示しています。十分に小さな立ち上がり/立ち下がり時間があれば、単一のパルスは数十個の小さな振幅の波を含むことができます。

下の画像では、ロジック状態をローからハイに切り替える減衰していないデジタル信号を見ることができます。実用的な関心のある信号の場合、波形を一連の正弦波に分解することができます。上の図からわかるように、実際のデジタル信号は帯域幅が大きく、そのエネルギーの任意の部分が回路内で共振を発生させる可能性があります。これは、共振を計算しやすい非常に狭い帯域幅を持つRF信号とは対照的です。

回路のインピーダンス：

抵抗器、インダクタ、コンデンサがある回路では、回路内の電流の流れを妨げる等価抵抗の総和をインピーダンスと呼びます。インピーダンスは、抵抗と反応性の要素で構成されています。抵抗器は回路のエネルギーを熱として放散します。回路から回収可能なエネルギーは、導体、インダクタ、コンデンサを透過し、それを取り巻く電磁界に存在します。

インピーダンスは一般的に「Z」記号で表され、実数部分を抵抗と呼び、虚数部分をリアクタンスと呼ぶ複素数です。容量性リアクタンスは回路でコンデンサが交流に与えるインピーダンスを指し、誘導性リアクタンスはインダクタが交流に与えるインピーダンスを指します。交流に対する容量性および誘導性リアクタンスによって発生する結合インピーダンスをインピーダンスといいます。インピーダンスの単位はオームです。

PCB設計におけるインピーダンス制御とは？

高速回路は最大数GHzの周波数で動作します。このため、高周波回路はノイズの影響を受けやすく、特別な設計手順が必要です。回路基板自体はプロセスパラメータが異なる場合があり、インピーダンスの変化につながり、信号の歪みを引き起こす可能性があります。 したがって、高速回路基板の導体の場合、インピーダンス値は特定の範囲内で制御する必要があり、これは「インピーダンス制御」と呼ばれます。PCB設計者は、通常、高速デジタルアプリケーション、高速信号処理、高品質のアナログビデオ（DDR、USB、SSD、ギガビットイーサネットなど）に使用されるPCBにインピーダンス制御を実装する必要があります。

高周波では、回路の動作は、フリンジキャパシタンスやインダクタンスなどの寄生効果により変化します。PCB信号トレースは伝送線路のように振る舞い、信号トレースに沿ったすべてのポイントにインピーダンスがあります。 その結果、元の信号は歪み、送信側で送信されることを意図したものが受信側に到達するまで変化する可能性があります。 したがって、歪みのない信号伝送を実現するには、PCB信号トレースは一貫したインピーダンスを維持する必要があります。 これは、PCBトレースルーティングの信号整合性を改善するための最初のステップです。

PCB設計におけるインピーダンスの計算方法：

伝送線のインピーダンスは、設計用のレイヤースタックアップが作成されたときに決定されます。次のボードレイヤープロパティを変更する機能を使用すると、ルーティング中にインピーダンス、損失、および伝搬遅延を制御することができます。PCBスタックアップを設計する場合、設計者は層配置と層厚を設定し、PCBの材料を選択する必要があります。 これらの決定が行われると、設計者は、必要なPCB伝送線路インピーダンスに到達するために必要なPCBトレース幅を決定する必要があります。

PCB伝送線路計算機は一般的で、無損失インピーダンス、無損失伝搬遅延、またはDC抵抗などの単純なものを計算するために必要なツールを提供します。これらの量は知っておいて損はありませんが、設計の全体像を示すものではありません。 オンライン計算機は、特に伝送線の分散や粗さなどの基本的な現象を考慮できないため、インピーダンス計算に使用すると誤った結果が得られることが知られています。

オンライン計算機は通常、ワデル方程式を使用して伝送線路のインピーダンスを数値的に決定します。より単純な計算機は、精度の低いIPC-2141方程式を使用します。オンラインや多くの設計アプリケーションで見られるPCB伝送線路計算機は、これらの計算で損失タンジェントや分散を考慮しないため、正確なインピーダンス値を取得するために使用することはできません。 したがって、このような作業には、より正確なユーティリティが必要です。

伝送線路のインピーダンスを決定する原因：

インピーダンスに影響を与える要因は、次のようないくつかの要因によって決まります。

●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が高くなります。

●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、リソグラフィーの誤差、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。

反射ノイズを低減する方法：

設計における反射ノイズを管理するために使用できる方法はいくつかあります。以下は、利用可能ないくつかの手法の概要です。

1) トレースのインピーダンスを計算します。

トレースがエレメント、ビア、またはコンポーネントパッドを通過した後、トレースは一定のインピーダンスを維持します。一定のインピーダンスを維持するには、トレースのインピーダンスを計算できる必要があります。PCBプログラムでこれを行うことができますが、オンラインツールを使用することもできます。トレースとスペース幅を決定し、パスに沿って維持します。

2）トレース間の一貫性

差動ペアまたはシングルエンドトレースで一定のインピーダンスを維持するには、一定のトレース幅、一定の間隔、および他のすべての導体からの一定の分離を維持する必要があります。インピーダンス制御ペアをランダムなトレースに配線すると、インピーダンスが変化し、反射点が発生します。

3) 反射点の低減

最初から反射点の発生を減らす方法を検討することもできます。

4) 基板エッジのビアに注目してください。

ビアは高速回路設計者にとって問題になる可能性があります。ビアが信号トレースを越えて未使用の層に伸びると、回路のインピーダンスが突然変化します。ボードエッジのトランジションでは、トレースがビアを離れ（～50～150オーム）、空気に入る（～377オーム）ため、インピーダンスの不一致が発生します。これにより、その場所に反射点が発生し、信号が著しく劣化する可能性があります。

5) ビアをバックドリルする

解決策は、ビアを「バックドリル」して、PCBメーカーが使用していない外層のビアをボードから取り除くことです。バックドリルビアは、ロジック遷移を大幅に改善します。

既定の反射ノイズを軽減します：

もう一つの重要な技術は、立ち上がり/立ち下がり時間が速い駆動信号源の近くにダンピング抵抗を直列に使用することです。 これはスナビング抵抗とも呼ばれ、発生した信号の反射は、抵抗を通過するたびに急速に減衰します。これは通常、駆動信号源（クロック源、GPIOなど）の近くに配置された100Ω未満の抵抗です。一般的な考え方は、信号が過度のオーバーシュートやリンギングを起こすことなく、適切なロジックレベルまで一度上昇する減衰回路を作成することです。

設計における反射ルールの計算

インピーダンスと反射を特性化するために使用されるパラメータは主に3つあります。

1) 電圧反射係数(VRC)

2) 電圧定在波比(VSWR)

3) 反射損失計算機(RL)

電圧反射係数(Γ)計算機：

これは、反射波の振幅と接合部で入射する波の比率です。反射係数は記号γで表します。反射係数の大きさは、回線の長さには依存せず、負荷インピーダンスと伝送回線のインピーダンスにのみ依存します。

特性インピーダンスZo(オーム)と負荷インピーダンスZL(オーム)の値を入力して反射係数(Γ)を計算するオンライン計算機があります。この値は-1(短絡負荷)から+1(開放負荷)まで変化し、マッチングインピーダンス負荷の場合は0になります。

どこ、

V- = Vにおける反射波の振幅

V+ = Vにおける入射波の振幅

この効果に関係する3つの要素は以下の通りです。インピーダンス変化の大きさ、信号の立ち上がり時間、狭いラインでの信号遅延です。

VSWR計算機:

VSWR(電圧定在波比)は、RF電力が負荷にどれだけ効率的に送信されるかを測定するものです。 VSWRは、システムにどれだけ多くの信号が反射されるかを測定するものです。 これは、送信波と反射波の比率です。 VSWRが高いほど、伝送線路の効率と反射エネルギーが低いことを示します。1から（プラス）無限大まで変化します。

反射損失(RL) 計算機:

反射損失は、負荷で失われ、反射によってシステムに戻ってこない電力の量です。 これはdBで表されます。反射損失が高いほど、負荷でより多くの電力が失われます。これは絶対反射係数のdB値です。 この損失値は、100%反射の場合は0になり、理想的な接続の場合は無限大になります。

反射損失計算機（VRCを使用）：

反射 損失 電卓（VRCを使用）：

JLCPCB インピーダンス計算ツール:

PCB設計の伝送線路にはいくつかの異なる式がある可能性があるため、この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。 最良の方法は、メーカーに連絡して、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ウェブサイトからアクセスできます。