PCBニュース - プリント基板配線幅変化の影響

プリント基板の配線では、配線スペースが限られているため、トレースがある領域を通過する際に、より細いラインを使用せざるを得ないという状況がよく発生する。この領域を通過した後は、元の幅に戻る。トレース幅が変わるとインピーダンスが変化するため、反射が起こり、信号に影響を与える。では、どのような状況であればこの影響を無視でき、どのような状況であればその影響を考慮しなければならないのだろうか。

この効果には、インピーダンスの変化の度合い、信号の立ち上がり時間、狭い線路上での信号の遅れの3つの要素が関係する。

まずインピーダンス変化の大きさを論じた。多くの回路の設計は、反射係数が電圧振幅の5 %未満であることを必要とする（これは信号のノイズ収支に関連している）。

インピーダンスの近似的な変化率の要件は計算される。ご存知のように、プリント基板上のインピーダンスの典型的な指数は±10 %で、これが根本原因です。

一度だけインピーダンス変化が発生した場合、例えば線幅が8ミルから6ミルまで変化した後、6 ミルの幅が維持される。急激な変化時の信号反射ノイズが電圧振幅の5 %を超えないというノイズ予算の要求を達成するためには、インピーダンス変化は10 %未満でなければならない。これは時々難しい。FR 4ボード上のマイクロストリップラインのケースを例に取りましょう。線幅が8ミルの場合、ラインと基準面の厚さは4ミルであり、特性インピーダンスは46.5オームである。線幅が6 ミルに変化した後、特性インピーダンスは54.2オームとなり、インピーダンス変化率は20 %に達する。反射信号の振幅は基準を超えなければならない。信号への影響についても、信号の立ち上がり時間と、駆動端から反射点までの信号遅延に関係する。しかし、少なくともこれは潜在的な問題点です。幸いにも、このときのインピーダンス整合終了によって問題を解決できる。

インピーダンスが2回変化すると、例えば、ライン幅が8ミルから6ミルに変化した後、2 CMを引いた後に8ミリに戻る。それから、2 CM長および6ミルの広いラインの両端に反射がある。インピーダンスが大きくなり正反射が発生するとインピーダンスが小さくなり、負の反射が生じる。つの反射の間隔が十分短い場合、2つの反射は互いに相殺することができ、それによって衝撃を低減することができる。伝送信号が1 Vであると仮定すると、0.2 Vが第1の正則反射で反射され、1.2 Vが前方に送信され続け、−0.2×1.2＝0.24 Vが第2の反射で反射される。6 ミル線の長さが非常に短く，2つの反射がほぼ同時に起こると仮定すると，全反射電圧は0.04 vであり，雑音収支要件の5 %以下である。したがって、この反射が信号に影響を及ぼし、どれだけ影響を及ぼすのかは、インピーダンス変化と信号立ち上がり時間の時間遅延に関係する。研究および実験は、インピーダンス変化における時間遅延が信号立ち上がり時間の20 %未満である限り、反射信号は問題を生じないことを示す。信号立ち上がり時間が1 NSの場合、インピーダンス変化時の時間遅延は1.2インチに相当する0.2 NS以下であり、反射は問題を生じない。すなわち、本実施例では、6ミル幅のトレースの長さが3 cm未満であれば問題はない。

PCB基板トレースの幅が変化すると、実際の状況に応じて慎重に分析する必要があります。注意を払うには3つのパラメータがあります：インピーダンス変化はどれだけ大きいのか、信号の立ち上がり時間はどのくらいであり、どのくらいの長さが線幅変化のネック部分です。上記の方法により概算して一定のマージンを適切に残す。できれば首の長さを減らしてください。

実際のPCB加工では、パラメータは理論ほど正確ではないことを指摘しておく。理論は設計の指針にはなりますが、模倣や独断はできません。結局のところ、これは実学なのである。見積もりは実際の状況に合わせて適宜修正し、設計に適用しています。経験が浅いと感じたら、まずは保守的に、そして製造コストに応じて適切に調整する。

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