PCB技術 - PCBLayoutでは,インピーダンス設計の重要性への認識

インピーダンスは何ですか。

電気学では、PCB回路中の電流に対する阻害作用をインピーダンスとよく呼びます。インピーダンスの単位はオームで、よく「Z」で表され、複数です。公式は下記です。

Z= R i( ωL–1/(ωC))

具体的には、インピーダンスは、抵抗(実部)とリアクタンス(虚部)の2つの部分に分けられます。

ここで、リアクタンスは、コンデンサ容量による電流障害をコンデンサリアクタンスと呼び、インダクタンスによる電流障害をインダクタンスリアクタンスと呼びます。

インピーダンスマッチングの理想モデル

多くの無線周波数エンジニアは、「信号源」から「負荷」への信号またはエネルギーの効率的な伝送を実現することを目的として、インピーダンスマッチングの問題に直面したことがあります。

その理想モデルはもちろんSource端の出力インピーダンスが50オーム、伝送路のインピーダンスが50オーム、Load端の入力インピーダンスも50オームで、全部で50オームという数値が最も理想です。しかしながら、実際には、Source端のインピーダンスは50 ohmではなく、負荷側インピーダンスも50 ohmではなく、この場合、いくつかのインピーダンスマッチング回路が必要となります。マッチング回路はインダクタンスとコンデンサからなり、この場合、RF性能を最大達成するために、コンデンサとインダクタンスを用いてインピーダンスマッチング回路のデバッグを行う必要があります。

インピーダンスマッチングの方法

インピーダンスマッチングの方法につきましては、主に2つあります。1つはインピーダンス力の変化,もう一つは伝送路の調整です。

インピーダンス力を変えることは、コンデンサ、インダクタンスと負荷の直列並列によって負荷インピーダンス値を調整し、sourceと負荷インピーダンスのマッチングを達成します。

調整伝送路はsourceと負荷間の距離を長くし、コンデンサとインダクタンスを合わせてインピーダンス力をゼロに調整します。

このとき信号は送信されず、エネルギーは負荷によって吸収されます。

高速PCB配線では、一般的にデジタル信号の引き廻しインピーダンスを50オームに設計しています。同軸ケーブルベースバンド50オーム、ナローバンド75オーム、ツイストペアケーブル(差分)85-100オームが一般的に規定されています。

電気信号の測定で、リンが問題に遭遇したことがよくあります。実際の回路では、リンが現象を低減および抑制するために、以下のいくつかの方法が用いられます。

（1）直列抵抗。大きな抵抗を有する伝送路や適切な減衰抵抗を人為的に直列に接続することで、パルスの振幅を低減し、りんが現象の程度を低減する目的を達成することができます。しかし、伝達抵抗の数値が大きすぎると、パルス振幅が減少しすぎるだけでなく、パルスの先端に遅延を生じさせます。従って、直列に挿入される減衰抵抗値は適切であり、無感抵抗を選択し、抵抗の接続位置は受信端に近づくべきです。

（2）引き出し線のインダクタンスを低減する。線路及び伝送線の引き出し線のインダクタンスを低減する方法は基本的な方法で、総じて以下の原則があります。

①リード線の長さをできるだけ短くする。

②リード線を太くする或いは印刷銅箔の幅を広くする。

➂信号の伝送距離を小さくする。

リード線のインダクタンスの小さい電子素子を採用し、特に先端の急なパルス信号を伝送する際にこれらの問題に注意しなければなりません。

(3)負荷回路の等価インダクタンスと等価コンデンサは同様に送信端に影響を及ぼし、パルス波形にリンガ現象等を発生させることができるので、負荷回路の等価インダクタンスとコンデンサをできるだけ小さくすべきです。特に負荷回路の接地線が長すぎると、形成されるGNDインダクタンスと雑散コンデンサがかなり大きく、その影響は無視できません。

（4）論理デジタル回路における信号線は、プルアップ抵抗および交流端末負荷を増加させることができます。プルアップ抵抗のアクセスは、信号の論理ハイレベルを5 Vにプルアップすることができます。AC端末負荷回路のアクセスは、支流駆動能力に影響を及ぼさず、信号線の負荷も増加しないが、高周波リンガ現象は効果的に抑制されます。

上記の内容はPCBLayoutでは,インピーダンス設計の重要性を簡単に説明致します｡何か役立てば光栄です。

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