PCB信号減衰とは何か：距離とともに信号が弱まる仕組みとその対策

主なポイント

• 主な原因：信号の減衰は主に表皮効果（導体損失）と基板のエネルギー吸収（誘電体損失）によって引き起こされます。
  
  
• 軽減方法：より広いトレース、低損失材料、インピーダンス制御、およびビアスタブの除去によって損失を低減します。
  
  
• JLCPCBのソリューション：JLCPCBはRogers高周波積層板、High-TG FR4、精密インピーダンス制御、およびバックドリルを提供し、信号完全性を保護します。

信号がソースからPCB導体を通って負荷に伝わる際、トレース抵抗と誘電体損失により信号が減衰し、エネルギー損失が発生します。信号減衰は、高速信号が回路基板を伝わる際に最も一般的に使用される用語です。これは、信号完全性の問題につながる信号劣化の主要な要因の一つです。通常、表皮効果などの現象により、より高い周波数でより大きな減衰が見られます。

減衰係数は、信号がどれだけの距離を伝わり、十分なデータビットや情報を提供できるかを決定します。これは、送信信号の振幅が周波数とともにどのように減少するかに基づいて、さまざまな伝送媒体を定量化します。それは次式で与えられます：

信号減衰（α）は、単位長さあたりのデシベル（dB/インチまたはdB/cm）で定量的に定義されます。デシベル単位の全減衰は次式で計算されます：

減衰（dB）= -10 log₁₀ (P_out/P_in) = -20 log₁₀ (V_out/V_in)
ここで、P_inとV_inは入力電力と電圧を表し、P_outとV_ouは負荷における出力電力と電圧を表します。

減衰とは？意味と定義

減衰とは、信号が媒体を伝わる際に信号の振幅が減少することです。減衰は、伝送損失、反射、または吸収によって引き起こされる可能性があります。電気システムにおいて、減衰とは電線やその他の伝送線路に沿って流れる際の電圧の減少です。減衰したシステムは、劣化したシステムとも呼ばれます。

減衰はデシベル（dB）で表され、出力対入力の電力または強度の比率を表します。減衰値は、妨害のない完全な伝送の場合はゼロデシベルから、極めて大きな負の数まで範囲があります。0 dBの減衰を持つ完全な減衰器は、伝送線路に沿って無限のタップを持ちます。

減衰制御のためのPCB基板材料の選択

レイアウトの最適化は重要ですが、適切なPCB基板材料の選択は、高周波における誘電体損失を制御するための主要な決定事項です。誘電体吸収は信号周波数に比例して増加するため、高速設計には低損失積層板が不可欠です。

設計者が信号減衰を軽減できるよう、JLCPCBは標準FR-4から高周波RF積層板まで、さまざまな基材を提供しています。以下の表は、JLCPCBがサポートする一般的なPCB基板の主要な誘電特性と減衰特性を比較したものです：

信号またはケーブルの減衰の原因

信号またはケーブルの減衰について話すとき、送信機と受信機間の信号劣化について話しています。信号損失は、ケーブル品質に影響を与える多くの変数によって引き起こされる可能性があります。例えば：

• 製造不良の光ファイバー（不良コネクタと不適切なスプライス）
• ケーブルの過度な曲げ。これにより信号反射が発生します。
• より高い信号波長での動作。
• 送信機と受信機間の長い信号ケーブル配線（減衰は信号ケーブル長に比例して増加します）。

減衰率を改善するための防止策

PCBレイアウトにおける減衰を最小化するための実践的戦略（JLCPCB DFMベストプラクティス）
信号減衰は、以下のPCBレイアウトおよび製造技術を使用して軽減できます：

1. トレース形状とインピーダンス制御の最適化：スペースが許す場所でより広い信号トレースを設計し、表面積を増やして表皮効果抵抗を低減します。JLCPCBのインピーダンス制御サービス（±10%または±5%の精度）を活用して、一貫した50 Ωシングルエンドまたは100 Ω差動インピーダンスを確保し、反射損失を回避します。

2. 低Df積層板の選択：3 GHzを超える信号を伝送するラインには、標準FR-4からHigh-TG FR-4またはRogers RO4350B/RO4003Cにアップグレードします。

3. ビアスタブの最小化（バックドリル）：未使用のビアスタブは共振反射を引き起こし、特定の周波数ノッチで信号を深刻に減衰させます。6 Gbps以上で動作する高速ビアには、JLCPCB バックドリル（制御深度ドリル）を指定してください。

4. トレースを短く直接的に保つ：不要な配線長や層遷移を避けます。

信号減衰の計算方法

信号減衰は、伝送媒体の単位長さあたりのデシベル（dB）で推定されます。電力と電圧の観点から計算できます。

フェージングの可能性を避けるために、複数の信号が送信され、少なくとも1つが最終目的地である受信機に到達するようにします。しかし、これらの余分な信号を送信する必要があるため、このアプローチはネットワーク全体の速度を低下させます。減衰が低いほど、伝送媒体の効率が高くなります。減衰が高いほど、信号損失が大きく、受信機側の振幅が減少します。

信号がワイヤーを伝わる際に減衰する理由

信号の振幅は、トレース抵抗と回路基板誘電体の散逸率によって歪められます。この効果は、信号がトレース表面に沿って伝播する傾向があるため、高周波でより顕著になります。減衰は信号の立ち上がり時間を遅くし、データエラーの可能性を増加させます。

プリント回路基板における信号減衰は、3つの主要な成分で構成されています：

1. 導体損失と表皮効果（Ac）

DCおよび低周波では、電流密度はトレース断面全体で均一です。周波数が増加すると、自己インダクタンスにより電流が導体の外面付近に集中します（表皮深さ、δ）。表皮深さは次式で計算されます：

δ = √(ρ / (π · f · μ))

表皮深さが減少すると、実効断面積が縮小し、AC抵抗が増加して高周波で重大な信号減衰を引き起こします。

2. 誘電体損失（Ad）

信号トレースと基準プレーン間の誘電体基板は、交流電界にさらされるとエネルギーを熱として散逸します。誘電体減衰は周波数（f）に比例して増加し、損失正接（tanδまたはDf）に直接比例します：

Ad ≈ 2.3 · f · √(εr) · tanδ  [dB/インチ]

高周波PCB設計には、JLCPCBで入手可能なRogers RO4350Bなどの超低Df材料が必要です。

3. 銅表面粗さ損失（Ar）

表皮深さが銅表面プロファイル高さ（Rz）より小さい高周波では、信号電流は粗い銅プロファイルの輪郭に沿って流れることを余儀なくされます。これにより実効経路が長くなり、抵抗損失が劇的に増加します。JLCPCBは高周波 スタックアップに制御された銅箔プロファイル（例：Very Low Profile - VLP銅）を採用し、粗さに起因する減衰を最小化しています。

PCBにおける信号減衰の原因は何か？

信号範囲が増加するにつれて、減衰も増加します。低いトレース幅などの要因

また、クロストークも信号減衰に関与しています。以下にリストされたいくつかの要因が信号減衰の原因です：

伝送周波数：波長が短いほど、電波の減衰が大きくなります。そのような信号は2.4GHzまたは5GHzの電磁波を介して送信されます。電磁波は高周波で短波長です。したがって、無線信号は大きな減衰があり、長距離を伝送できません。

導体材料に関連する抵抗損失：銅などの伝送線路の製造に使用される導電材料は、銅トレースを伝わる信号の減衰を引き起こす抵抗損失をもたらします。

誘電体材料に関連する損失：誘電体損失は、伝送線路間に挟まれた誘電体材料の損失によってもたらされます。この誘電体損失は基板にコンダクタンス（逆抵抗とも呼ばれる）を生成し、伝播する信号エネルギーの一部を吸収して信号減衰を引き起こします。

銅表面粗さ：PCB上の銅表面粗さも信号伝播に対する抵抗として作用します。粗い銅トレースは、銅表面のトポグラフィが信号を上下に移動させるため、抵抗を増加させます。表面スパイクもキャパシタンスを増加させます。滑らかな銅はこの問題の解決策ですが、より高価です。

信号減衰を低減する他の方法

信号減衰は、以下の技術を使用して軽減できます：

リピーターの使用：受信信号が弱い場合、リピーターを使用して減衰を低減しながら元の信号を再生します。また、信号の範囲を拡張し、障害なくより長い距離を伝送できるようにします。

増幅器の使用：受信信号が弱い場合、増幅器を使用してその振幅を増加させます。これは、信号全体を再生するリピーターとは異なります。

適切な材料の選択：低損失誘電体材料と低抵抗トレースを慎重に選択することで、信号減衰を最小化できます。

プログラマブル差動出力電圧（VOD）設定の使用：プログラマブルVODは、ドライブ強度がラインインピーダンスとトレース長に同期されることを保証します。ドライバでVODを増加させると、受信機での信号が強化されます。

プリエンファシス：増幅器を使用して信号強度を増加させることは、減衰制御の唯一の解決策ではありません。関連する信号ノイズとジッターも増幅するためです。プリエンファシスは、最初に送信されるシンボルのレベルを増加させることにより、信号の高周波成分のみを強化します。後続のシンボルレベルが同じレベルで送信される場合、それらは変更されません。例えば、信号が3つのシンボルに対してハイレベルを送信する場合、最初のシンボルのみが強調されます。次の2つのシンボルは通常のレベルで送信されます。

より良い信号完全性のための設計のヒント：

• アンテナをソースの近くに配置します。
• 異なる材料を一緒に配線することで導電性を向上させます。
• 信号を妨害するものがないことを確認します。
• アンテナを金属物体から遠ざけて配置します。
• 必要に応じて、より強い信号のためにパワーアンプを使用します。
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PCB信号減衰に関するFAQ

Q: 高速PCBにおける信号減衰の主な原因は何ですか？

信号減衰は主に表皮効果による導体損失と基板散逸による誘電体損失によって引き起こされます。高周波では、電流がトレース表面に集中して抵抗が増加し、基板材料が信号エネルギーを熱として吸収します。

Q: 銅表面粗さは信号減衰にどのように影響しますか？

高周波では、電流は薄い表面層に沿って流れます。銅表面が粗い場合、電流は不均一な輪郭に沿って流れ、トレース経路を実効的に長くし、抵抗と信号損失を増加させます。低粗さ銅箔を使用することでこの損失を低減できます。

Q: 標準FR4からRogers積層板にいつアップグレードすべきですか？

3～5 GHz以上で動作する高速またはRF設計では、標準FR4は長いトレースで過度の信号損失を引き起こします。Rogers材料にアップグレードすることで誘電体損失が大幅に低減され、敏感なアプリケーションの信号完全性が維持されます。

Q: ビアスタブとは何ですか？また、バックドリルはどのように減衰を低減しますか？

ビアスタブは、めっきスルーホールの未使用部分です。オープンラインのように作用し、特定の周波数で信号を減衰させる反射を生成します。バックドリルはこの未使用スタブを除去して反射を排除し、信号品質を向上させます。

Q: JLCPCBはエンジニアがPCB信号減衰を最小化するのをどのように支援しますか？

JLCPCBは、精密インピーダンス制御、RogersやHigh-TG FR4などの高度な高周波基板、最適化された層スタックアップ、およびバックドリルサービスを提供し、トレース損失と反射を低減します。

結論：

信号減衰への対処には、材料特性、トレース形状、および正確な製造のバランスを取る包括的なアプローチが必要です。低 D_f基板を活用し、インピーダンスを制御し、バックドリルなどの高度な製造オプションを利用することで、エンジニアは高速信号完全性を確保できます。JLCPCBは、Rogers積層板、精密インピーダンス制御、高度なスタックアップを含む堅牢な高周波製造能力を提供し、設計者が高速PCBレイアウトを高性能で低損失のハードウェアに変換するのを支援します。