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インピーダンス制御とは何か、PCB上でインピーダンス制御を実行する方法
2020年4月8日
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。現代のデジタル回路は信号伝送時間が短く、クロックレートが高いため、PCB上の配線はもはや単なる接続ではなく、伝送線路となっています。PCBインピーダンス制御とは、PCB上の信号の伝送速度とインピーダンス整合を制御し、信号伝送の品質と安定性を確保することを指します。
実用上、デジタル伝送速度が1nsを超える場合、またはアナログ伝送周波数が300MHzを超える場合、配線インピーダンスを制御する必要があります。PCB配線の重要なパラメータの一つは特性インピーダンス（信号伝送線路を伝わる際の電圧と電流の比）です。PCB上の配線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、配線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つの概念が関係します。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。
インピーダンス制御
PCBの導体には様々な信号が伝送されています。伝送速度を向上させるには、伝送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、層厚、配線幅などの要因によって変化し、信号歪みを引き起こします。そのため、高速PCB上の導体のインピーダンス値は一定の範囲内に制御する必要があり、これを「インピーダンス制御」と呼びます。
PCB配線のインピーダンスは、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主な要因には、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、配線周辺の配線などがあります。PCBインピーダンスの範囲は25～120オームです。
実際には、PCB伝送線路は通常、配線パターン、1層以上の基準層、および絶縁材料で構成されます。配線パターンと基準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様々な方法で構築できます。しかし、どのような方法を用いるにせよ、インピーダンス値はその物理的構造と絶縁材料の電気的特性によって決まります。
信号トレースの幅と厚さ
トレース両側のコアまたは充填済み材料の高さ
トレースとボード層の構成
コア材および充填材の絶縁定数
PCB 伝送ラインには、マイクロストリップとストリップラインという 2 つの主な形式があります。
マイクロストリップとは、片面のみに基準面を持つ伝送線路を指す細長いワイヤのことです。上面と側面は空気に露出（またはコーティング）されており、電源層またはグランド層を基準として、絶縁定数ErのPCB表面に配置されています。下図に示すように、
注：実際のPCB製造では、PCB工場では通常、PCBの表面に緑色のインク層を塗布します。そのため、実際のインピーダンス計算では、表面マイクロストリップ線路には通常、次の図に示すモデルが使用されます。
ストリップラインとは、次の図に示すように、2つの基準面の間に配置された細長い電線です。H1とH2で表される誘電体の誘電率は異なる場合があります。
上記の2つの事例は、マイクロストリップとストリップラインの典型的な例に過ぎません。これらは通常、組み込みIoTインテリジェントハードウェアなどのシステムの学習に使用されます。マイクロストリップとストリップラインには、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多くの特殊なタイプがあります。
特性インピーダンスの計算式は、通常、境界要素解析を含む場の解法を用いた複雑な数学的計算を必要とします。そのため、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）、配線厚さT、絶縁層厚さH。
W1 と W2 の説明:
ここで、W=W1、W1=W2
W – 設計された線幅
A – エッチングロス（上記の表を参照）
ラインの上部と下部の幅が一定でない理由は、PCB の製造プロセス中に腐食が上部から下部に向かって発生し、腐食したラインが台形の形状になるためです。
線の太さ T とこの層の銅の厚さの間には、次の関係があります。
| 銅の厚さ | ||
| ベース銅厚 | 内層用 | 外層用 |
| Hオンス | 0.6百万 | 180万 |
| 1オンス | 120万 | 250万 |
| 2オンス | 240万 | 360万 |
はんだマスクの厚さ:
* ソルダーマスクの厚さがインピーダンスに与える影響は小さいため、0.5mil の一定値であると想定されます。
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の下部PCBを例に、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。
下部 PCB の積み重ねは次の図に示されています。
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。
各層の厚さは以下の表の通りです。
| レイヤー名 | タイプ | 材料 | 思考力 | クラス |
| 表面 | 空気 | |||
| トップ | 導体 | 銅 | 0.5オンス | ルーティング |
| 誘電 | FR-4 | 380万 | ||
| L2インナー | 導体 | 銅 | 1オンス | 飛行機 |
| 誘電 | FR-4 | 5.910MIL | ||
| L3インナー | 導体 | 銅 | 1オンス | ルーティング |
| 誘電 | FR-4 | 33.08MIL | ||
| L4インナー | 導体 | 銅 | 1オンス | ルーティング |
| 誘電 | FR-4 | 5.910MIL | ||
| L5インナー | 導体 | 銅 | 1オンス | 飛行機 |
| 誘電 | FR-4 | 380万 | ||
| 底 | 導体 | 銅 | 0.5オンス | ルーティング |
| 表面 | 空気 |
説明: 中間層間の誘電体は FR-4 で、誘電率は 4.2 です。最上層と最下層は空気と直接接触する裸の層で、空気の誘電率は 1 です。
インピーダンス制御を実現するための一般的な方法は次のとおりです。
1. PCB階層設計に基づく：
PCB設計者は、PCBの階層構造を最大限に活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に配置することで、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、内層には高インピーダンス材料を使用し、外層には低インピーダンス材料を使用することで、反射やクロストークの影響を低減します。
2. 差動信号伝送ラインを使用する:
差動信号伝送線路は、優れた耐干渉性とクロストークリスクの低減を実現します。差動信号伝送線路は、電圧が逆で線幅が等しい2本の平行線で構成されており、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、線路間隔、線幅、およびグランドプレーンの選択によって制御されます。
3. 配線形状を制御する:
PCBの線幅、間隔、レイアウトといった形状パラメータもインピーダンスの制御に利用できます。一般的なマイクロストリップ線路では、線幅を太くし、間隔を広くすることでインピーダンスを低減できます。同軸線路では、内径を小さくし、外径を大きくすることでインピーダンスを増大させることができます。配線形状の選択は、特定のインピーダンス要件と信号周波数に基づいて最適化する必要があります。
4. PCB材料の選択：
PCB材料の誘電率もインピーダンスに影響を与えます。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環です。高周波および高速アプリケーションでは、FR-4（ガラス繊維強化基板）、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、RF（無線周波数）ラミネートなどの材料が一般的に使用されます。
5. シミュレーションおよび設計ツールを使用する:
PCB設計に先立ち、シミュレーションおよび設計ツールを活用することで、設計者はインピーダンスを迅速かつ正確に検証し、最適化することができます。これらのツールは、回路の挙動、信号伝送損失、電磁相互作用をシミュレーションし、最適なPCB設計パラメータを決定することができます。一般的なシミュレーションツールとしては、CST Studio Suite、HyperLynx、ADSなどが挙げられます。
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、そしてシミュレーションおよび設計ツールの活用により、高精度なインピーダンス制御を実現し、回路性能と信号整合性を向上させることができます。
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