高周波PCB技術 - PCB板インピーダンス板とは

一、プリント基板のインピーダンス特性：

信号の伝送理論によると、信号は時間、距離変数の関数であるため、信号の配線上のすべての部分が変化する可能性がある。したがって、配線の交流インピーダンス、すなわち電圧の変化と電流の変化の比を決定することは、伝送路の特性インピーダンス（Characteristic Impedance）である：伝送路の特性インピーダンスは信号配線自体の特性としか関連していない。実際の回路では、ワイヤ自体の抵抗値はシステムの分布インピーダンスよりも小さく、高周波回路では、特性インピーダンスは主にワイヤの単位分布容量と単位分布インダクタンスによる分布インピーダンスに依存する。理想的な伝送路の特性インピーダンスは、配線の単位分布容量と単位分布インダクタンスにのみ依存する。

二、プリント基板の特性インピーダンスの計算：

信号の立ち上がりエッジ時間と信号が受信側に伝送されるのに要する時間の比例関係は、信号配線が伝送路とみなされるか否かを決定する。具体的な比例関係は、PCBボード上のワイヤ配線長がl/bより大きければ、信号間の接続ワイヤを伝送線と見なすことができるという式によって説明することができる。信号等価インピーダンス計算式から分かるように、伝送路のインピーダンスは以下の式で表すことができる：高周波（数十メガヘルツから数百メガヘルツ）の場合、wL>>Rを満たす（もちろん信号周波数が109 Hzより大きい範囲では、信号の皮膚効果を考慮して、この関係を注意深く研究する必要がある）。では、決定された伝送路については、その特性インピーダンスは定数である。信号の反射現象は、信号の駆動端と伝送路の特性インピーダンスと受信端のインピーダンスが一致しないことによるものである。CMOS回路にとって、信号の駆動端の出力インピーダンスは数十オームと比較的小さい。一方、受信側の入力インピーダンスは比較的大きい。

三、プリント基板の特性インピーダンス制御：

プリント基板上のリード線の特性インピーダンスは回路設計の重要な指標であり、特に高周波回路のPCB設計では、リード線の特性インピーダンスとデバイスや信号に要求される特性インピーダンスが一致しているか、一致しているかどうかを考慮しなければならない。したがって、PCB設計の信頼性設計には2つの概念があることに注意しなければならない。

四、プリント基板のインピーダンス制御：

配線板中の導体には各種の信号伝達があり、その伝送速度を高めるためにはその周波数を高めなければならない。配線自体がエッチング、積層厚さ、配線幅などの要素によって異なると、インピーダンス値が変化し、信号が歪む。したがって、高速回路基板上の導体では、そのインピーダンス値はある範囲内に制御され、「インピーダンス制御」と呼ばれる。PCBの引き廻し線のインピーダンスに影響する要素は主に銅線の幅、銅線の厚さ、誘電体の誘電率、誘電体の厚さ、パッドの厚さ、アース線の経路、引き廻し線周辺の引き廻しなどである。したがって、PCBを設計する際には、基板上の引き廻しのインピーダンスを制御しなければならず、信号の反射やその他の電磁干渉や信号完全性の問題をできるだけ回避し、PCB基板の実際の使用の安定性を保証することができない。PCBボード上のマイクロストリップ線とストリップ線インピーダンスの計算方法は、対応する経験式を参照することができる。

五、プリント基板のインピーダンス整合：

回路基板では、信号伝送がある場合には、電源の放出端から、エネルギー損失の場合には、受容端にスムーズに伝送され、受容端は反射することなく完全に吸収されることが望ましい。このような伝送を達成するには、ライン内のインピーダンスと放出端内部のインピーダンスが等しくなければ「インピーダンス整合」と呼ばれない。高速PCB回路を設計する場合、インピーダンス整合は設計の要素の1つである。インピーダンス値と引き廻し方式との関係がある。たとえば、表面レイヤ（Microstrip）を歩くか、内部レイヤ（Stripline/Double Stripline）を歩くか、参照する電源レイヤまたは地層からの距離、引き廻し幅、PCBマテリアルなどは引き廻しの特性インピーダンス値に影響します。つまり、配線後にインピーダンス値を決定することができると同時に、PCBメーカーによって生産された特性インピーダンスにもわずかな差がある。一般的なシミュレーションソフトウェアは、回線モデルや使用する数学的アルゴリズムの制限により、インピーダンス不連続の配線状況を考慮することができません。この場合、回路図には直列抵抗などの端子（Temninators）しか予約できず、引き廻しインピーダンス不連続の効果を緩和することができます。本当に根本的に問題を解決する方法は、配線時にインピーダンスの不連続の発生をできるだけ避けることに注意することです。