高度なエレクトロニクスへの需要の高まりは、回路基板の機能と性能における革新を牽引しています。回路設計者は、現在、より高速な信号速度を扱うことが日常となっています。かつては時折課題となっていた高速信号は、プリント基板レイアウトの標準となりつつあります。高速信号をスムーズに伝送するには、設計者が基板上の配線パターンの配線に関するベストプラクティスを理解する必要があります。もはや、見た目やコストのみを基準に配線パターンを決定することはできません。今や最優先事項は、信号の整合性を確保し、性能の問題を最小限に抑えるための最適な配線経路を構築することです。これを実現するには、設計者はPCB伝送線路に関する知識を習得する必要があります。このブログでは、使用される伝送線路の種類、その重要性、そして推奨されるレイアウト手法について紹介します。
PCB 伝送線路とは何ですか?
プリント基板伝送線路は、回路基板上の送信機と受信機の間で信号を伝送します。伝送線路は、信号トレースとリターンパス（通常はグランドプレーン）の2つの導体で構成されています。これらの導体は誘電体層によって分離されています。高周波交流電流は伝送線路上で波動伝播を示します。重要な特性として、線路の長さに沿った各点でインピーダンスが存在します。さらに、線路の寸法が変化しない限り、このインピーダンスは一定に保たれます。このようなトレースは、制御インピーダンス伝送線路と呼ばれます。不均一なインピーダンスは、信号の反射や歪みにつながります。したがって、高周波においては、トレースのインピーダンスを制御することで信号の挙動を予測することができます。
PCB伝送ラインの種類
プリント回路基板を設計する場合、エンジニアは基板全体で信号を伝送するために、主に次の 3 つのオプションを検討する必要があります。
- PCBマイクロストリップ
マイクロストリップ伝送線路は、信号搬送路として機能する単一の導体トレースから構成され、基準グランドプレーン上に配線されます。この基準グランドプレーンは、通常、伝送線路の外側の層のいずれかに配置されます。 PCBスタックアップ、 信号トレースの直下にリターンパスを提供します。マイクロストリップは、アクセスの容易さから外層に沿って配線されるのが一般的ですが、基板の内層に埋め込むことも可能です。内部マイクロストリップの基準面は、隣接する外層に配置されます。マイクロストリップは、シングルエンド信号の配線を簡素化し、高密度トレース設計を可能にし、表面実装部品への適合性も向上させます。
- PCBストリップライン
ストリップライン伝送線路は、基板の誘電体層内に含まれる2つの基準グランドプレーンの間に、配線された導電性トレースを挟むことで構成されます。この構成により、信号キャリアの上下両方にリターン電流パスが確保されます。2つのプレーンによるシールド効果により、ストリップラインはマイクロストリップラインと比較して電磁干渉に対する自然な耐性を備えています。ストリップラインは優れた汎用性を備えており、トレースを基準プレーンに近づけて性能を調整したり、複数のトレースを基準プレーン間に並列に配線したりできます。また、基準プレーンが大きいため、信号伝送品質も向上します。ストリップラインはマイクロストリップラインに比べて製造工程が複雑ですが、優れた高速信号伝送を実現します。
- コプレーナ伝送線路
コプレーナ伝送線路は、信号トレースとリターンパスを同じPCB層に配置します。中央の信号トレースの両側に2つの幅広のグランドプレーンが配置され、導体間には間隔が設けられています。すべてのコプレーナ要素は基板の誘電体材料上を配線されます。トレース、グランドプレーン、そしてプレーン幅間の間隔を正確に制御することが、優れた性能を実現するために不可欠です。 目標インピーダンスを達成します。 コプレーナ線路は、マイクロストリップ線路やストリップ線路に比べて使用頻度は低いですが、インピーダンス調整が容易で、ビア穴あけが不要などの利点があります。また、露出しているため、測定時のプロービングも容易です。しかし、コプレーナ線路は製造公差が厳しく、シールドプレーンがない場合にはEMIの影響を受けやすいという欠点があります。
PCBにおける伝送線路の重要性
電子機器や回路のスイッチング速度と周波数が高速化するにつれ、PCBレイアウトにおいて伝送線路の影響を考慮することが不可欠になっています。マイクロ波周波数がギガヘルツ領域に達すると、トレースはもはや単なる点と点の間の接続として扱うことはできなくなります。むしろ、電気伝搬の法則により、トレース形状のインピーダンスに基づいて信号が反射したりリンギングしたりすることが求められます。これらの影響を制御できないと、信号の歪み、電磁干渉、そして回路動作の信頼性の低下につながります。目標とする特性インピーダンスを達成するために寸法と間隔を制御した伝送線路を適切に実装することで、PCB設計者は信号源から負荷まで信号を完璧に伝送することができます。マイクロストリップ、ストリップライン、コプレーナ構造など、伝送線路に関する専門知識は、信号劣化を防ぎながら最先端技術の実現に役立ちます。今日の小型化と周波数の継続的な上昇というトレンドにおいて、PCB伝送線路の理解は、高速で複雑な設計を行うための基本的なスキルとなります。 高周波回路基板.
伝送線路設計のヒント
伝送線路においては、トレース長全体にわたって特性インピーダンスを制御することが最も重要です。これが不十分だと、高周波領域で信号反射が乱れ、データ伝送に支障をきたします。設計者は目標インピーダンスを達成するために線幅を調整することで、高精度な相互接続を実現します。オンライン計算機、計算機内蔵のCADツール、あるいはPCBメーカーからのアドバイスを活用することで、正確なインピーダンス目標を容易に達成できます。 IPC-2581 また促進する。
インピーダンス制御されたトレースを確立したら、追加の設計手法によってレイアウトを最適化します。
配線の混雑を避ける – 配線を狭いスペースから遠ざけることで、インピーダンスの不連続性を防ぎます。配線の断線や断線は、リターン電流の経路を乱す可能性があります。
1 つのレイヤーを使用する – 主に 1 つのレイヤーを使用して垂直遷移を最小限に抑え、インピーダンス制御とリファレンス プレーンへのアクセスを容易にします。
ビアの追加 – レイヤー間の転送が避けられない場合は、リターンパスを維持するグランド参照として、トレースの横にビアを配置します。
ペアを一緒に保つ – 信号を歪める可能性のあるビアなどの障害物を回避しながら、ラインの長さを一致させるために差動ペアを同じパスで一緒に配線します。
本質的に、インピーダンス制御された伝送線路は、高周波で純粋な信号を供給するために、綿密な計画とレイアウトを必要とします。配線前に、目標インピーダンスに合わせてトレース形状と間隔を正確に設計するためのリソースは数多く存在します。計算後は、一貫性と連続性を確保した配線を実装するために細心の注意を払う必要があります。今日の信号速度はマイクロ波領域に達しており、インピーダンス整合された伝送線路の原理に関する専門知識は、PCB設計において非常に重要なスキルセットとなっています。インピーダンス制御されたトレースを習得し、不連続性を軽減することで、高周波信号を確実に配線することが可能になります。
最後に、伝送線路の基礎を理解することは、プリント回路設計者にとって大きな力となります。配線長全体にわたるインピーダンス制御は極めて重要であり、不連続性は信号の整合性を損ないます。目標インピーダンスに合わせて物理的な寸法を計算することで、均一な相互接続が高速データを確実に伝送できるようになります。
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