PCBニュース - 特性インピーダンス入門

近年, 高速設計の分野においてますます重要な課題は、制御インピーダンスを有する回路基板の設計およびその上の配線の特性インピーダンスである PCBボード. しかし, 電子設計技師, これはまた、最も混乱し、直感的な問題です. 多くの電子設計エンジニアさえ、これについて等しく混乱します. この情報は特性インピーダンスへの簡潔で直感的な導入を与える, あなたが送電線の最も基本的な品質を理解するのを援助することを望んでいます.

伝送線路とは?

伝送線路とはある長さの導体は伝送線路を構成する。導体の1つは信号伝搬路となり、他方の導体は信号帰還経路を構成する（ここでは、信号帰還経路については、実際には全ての人が理解しているグランドであるが、説明の便宜上、概念としての時間を忘れてしまう）。多層回路基板設計において、各PCB相互接続線は伝送線路の導体を構成し、伝送線路は隣接する基準平面を伝送線路の第2の導体又は信号の戻り経路として使用する。どのようなPCBの配線ラインは良い伝送ラインですか？一般的に、同一のPCB配線において、特性インピーダンスがどこでも一貫している場合、この伝送線路は高品質の伝送線路となる。どのような回路基板を制御インピーダンス回路基板と呼ぶのか。制御インピーダンス回路基板は、PCB上の全ての伝送線路の特性インピーダンスが、統一された目標仕様を満たすことを意味する。通常、全ての伝送線路の特性インピーダンスは25〜70アンペアであることを意味する。

信号の観点から

特性インピーダンスを考慮する最も効果的な方法は、伝送線路に沿って伝搬するときに信号自体がどのように見えるかを調べることである。この問題を解決するために、伝送線路がマイクロストリップ型であると仮定し、伝送線路が伝送線路に沿って伝搬するときの伝送線路の断面が一致しているとする。

伝送線路に振幅1 Vのステップ信号を付加する。ステップ信号は、1 Vバッテリであり、フロントエンドで接続され、信号線とリターンパスとの間に接続される。電池がオンになった瞬間に、信号電圧波形は、通常、約6インチ／nsの速度で（例えば、信号が約1 cm／sの電子伝搬速度に近いよりも速いので、ここではさらなる説明はない）、速度の光で誘電体内を移動する。もちろん、ここでの信号には従来の定義がある。信号は信号線と戻り経路との間の電圧差として定義され、伝送路上の任意の点と隣接する信号戻り経路との間の電圧差を測定することによって常に得られる。

信号は、6インチ／nsの速度で伝送線路に沿って前方に送信される。どのような状況は、送信中に信号の出会いは？最初の10 psの時間間隔では、信号は伝送線に沿って0.06インチの距離を移動した。ロック時間がこの瞬間であると仮定して、送電線で何が起こるかについて考えてください。この移動距離において、信号の伝送は、伝送路のこの区間と対応する隣接する信号戻りチャネルとの間の1 Vの振幅を有する安定した一定信号を確立する。これは、この安定した電圧を確立するために、伝送線路および対応するリターンパスのこのセクションに余分な正電荷および余分の負電荷が蓄積されたことを意味する。それは、2つの導体間の安定した1 V電圧信号を確立して、維持するこれらの告訴の差である。そして、導線間の安定した電圧信号は2つの導体間の静電容量を確定する。

この時点で信号波面の後方の伝送線上の伝送線セグメントは、伝播する信号があることを知らないので、信号線と戻り経路との間の電圧は、依然としてゼロに維持される。次の10 psの時間間隔では、信号は伝送線に沿って一定の距離を移動する。伝播し続けるシグナルの結果として、1 Vの伝送ラインは、0.06の長さおよび対応するシグナルリターンパスを有する他の伝送ライン・セグメントの間で確定される。信号電圧。これを行うためには、一定量の正電荷を信号線に注入しなければならず、負帰還電荷を信号帰還経路に注入しなければならない。伝送線に沿った信号伝搬の0.06インチごとに、より多くの正電荷が信号線に注入され、より多くの負電荷が信号戻り経路に注入される。10 psの時間間隔ごとに、伝送線路の別のセクションが1 Vに充電され、信号は伝送線の方向に沿って伝搬し続ける。

これらの料金はどこから来るのですか。答えは、信号源から、我々はステップ信号を提供し、伝送線のフロントエンドに接続するために使用するバッテリーです。信号が伝送線路上を伝播するとき、信号は、それが伝播する伝送線セグメントを連続的に充電し、信号が伝送されるところでは、信号線と戻り経路との間に1 Vの電圧が確立され維持されることを保証する。10 psの時間間隔ごとに、信号は伝送線路上で一定の距離を移動し、電力システムから一定量の電荷量ΔQを引き出す。電池は一定の信号電流を形成するために一定時間の充電量ΔQを周期的に与えている。正の電流は、バッテリから信号線に流れ、同時に、同じ大きさの負電流が信号戻り経路を流れる。

信号戻り経路を流れる負電流は、信号線に流れる正電流と全く同じである。さらに、信号波面の位置では、信号線と信号戻り経路によって形成されたキャパシタを介してAC電流が流れ、信号ループが完成する。

伝送線路特性インピーダンス

電池の観点から、設計者が電池のリード線を送電線の先端に接続すると、常に電池から流出する電流の一定値があり、電圧信号は安定したままである。何人かの人々は、どんな種類の電子構成要素がそのような振舞いを持っているかを尋ねるかもしれませんか？定電圧信号を加算すると、一定の電流値が維持される。

電池に関しては、伝送線に沿って前方に信号が伝播すると、10 psの時間間隔ごとに、0.06インチの新しい伝送線路セグメントが1 Vに充電されるように加えられる。電池から得られる新たに増加した電荷は、安定したバッテリが維持されることを確実にする。電流は電池から一定の電流を流し、伝送線路は抵抗と等価であり、抵抗は一定である。送電線のサージインピーダンスと呼ぶ。

同様に、信号が伝送線に沿って前方に伝搬するとき、特定の距離を移動するたびに、信号は常に信号線の電気的環境をプローブし、信号がさらに前方に伝搬するときにインピーダンスを決定しようとする。信号が伝送線路に加えられ、伝送線路に沿って伝搬されると、信号自体は、10 psの時間間隔で伝搬する伝送線路の長さを充電するためにどれだけの電流が必要かを調べ、伝送線路部分のこの部分を1 Vに充電する。これは分析したい瞬間インピーダンス値です。

バッテリ自体の観点から、信号が一定速度で伝送線路の方向に伝搬し、伝送線路が一様な断面を有すると仮定すると、信号は固定長（例えば、信号が10 psの時間間隔で伝播する距離）を伝搬する。それから、あなたは送電線のこのセクションが同じ信号電圧に充電されることを確実とするためにバッテリーから同じ量の量を得る必要があります。信号が一定の距離を伝播するたびに、同じ電流がバッテリから得られ、信号電圧は一貫して保たれる。信号伝搬過程では、伝送線路上の全ての瞬間インピーダンスは同じである。

伝送線路に沿った信号伝搬の過程において、伝送線路上至る所で一貫した信号伝播速度があり、単位長さ当たりのキャパシタンスも同じであるならば、信号は常に伝搬プロセス中に完全に一貫した瞬間インピーダンスを見る。インピーダンスは伝送線路全体で一定であるため、伝送線路の特性インピーダンスと呼ばれる特定の伝送線路の特性や特性を表す特定の名称を与える。特性インピーダンスは、信号が伝送線に沿って伝搬するとき、信号によって見られる瞬間インピーダンス値を意味する。信号が伝送線路に沿って伝搬している間、信号によって見られる特性インピーダンスが常に同じままである場合、そのような伝送ラインは、制御インピーダンス伝送線と呼ばれる。

伝送線路の特性インピーダンスは設計上最も重要な因子である

伝送線路の瞬時インピーダンスまたは特性インピーダンスは信号品質に影響する最も重要な要因である。隣接する信号伝播間隔間のインピーダンスが信号伝搬の間、同じままであるならば、シグナルは非常にスムーズに前方へ伝播することができます、そして、状況は非常に単純になります。隣接する信号伝搬間隔またはインピーダンス変化の間に差がある場合、信号中のエネルギーの一部が反射され、信号伝送の連続性も破壊される。

最良の信号品質を保証するために、信号相互接続設計の目標は、伝送中の信号によって見られるインピーダンスができるだけ一定のままであることを保証することである。主に伝送線路の特性インピーダンスを一定に保つことを指す。したがって，制御されたインピーダンスを持つpcbボードの設計と製造はますます重要になる。指長、端子整合、デイジーチェーン接続または分岐接続などを最小化するような他の設計トリックに関しては、すべてが一貫した瞬間インピーダンスを見ることができることを保証することである。

特性インピーダンスの計算

上記の簡単なモデルから、特性インピーダンスの値、すなわち信号の送信中に見られる瞬間インピーダンスの値を推測することができる。各伝搬間隔における信号によって見られるインピーダンスZはインピーダンスの基本的な定義と一致する

z = v / i

ここで、電圧Vとは、伝送線路に付加される信号電圧を、電流Iは、各時間間隔ΔTにおいて、電池から得られる総充電量ΔQを指す

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伝送線路に流入する電荷（最終的に信号源からの電荷）は、信号伝搬プロセスにおいて新たに追加された信号線と戻り経路との間に形成されたキャパシタンスΔCを電圧Vに充電するために使用される

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伝送線路の単位長さ当たりの容量値CLと伝送線路上を伝搬する信号の速度Uとにより、伝搬過程における信号の一定距離に起因する静電容量を関連付けることができる。同時に、信号が進む距離は、時間間隔τtに掛けられる速度Uである

△C = （CL U）

これらの方程式を組み合わせて瞬時インピーダンスを求めることができる。

Z＝V／I＝V／（△Q／△T）＝V／（V≧C／□T）＝V／（V−CL U−□T／□T）＝1／（CL−U）

瞬時インピーダンスは単位伝送線路長あたりの容量値と信号伝送速度に関係することがわかる。これは、伝送線路の特性インピーダンスとして人工的に定義することもできる。実際のインピーダンスZから特性インピーダンスを区別するために、特性インピーダンスに添字0が特に付加される。以上の導出から信号伝送線路の特性インピーダンスを求めた。

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伝送線路の単位長当たりの容量値と伝送線路上の信号伝搬速度が一定であれば、伝送線路はその長さが一定の特性インピーダンスを有する。このような伝送線路を制御インピーダンス伝送線路と呼ぶ。

上記の簡単な説明から、静電容量に関するいくつかの直感的な知識が、特性インピーダンスの新たに発見された直感的な知識と接続できることが分かる。すなわち、PCBの信号配線を広くすれば、伝送線路の単位長さ当たりの容量値が大きくなり、伝送線路の特性インピーダンスが低下する。

興味ある話題

送電線の特性インピーダンスについてのいくつかの紛らわしい記述はしばしば聞くことができる。以上の解析によれば、信号源を伝送路に接続した後、伝送線路の特性インピーダンスの特定値、例えば50Ωを見ることができる。しかし、あなたが同じ3フィートのRG 58ケーブルにオームメーターを接続するならば、測定されたインピーダンスは無限です。

この問題の答えは、伝送線路のフロントエンドから見たインピーダンス値が時間とともに変化することである。ケーブルインピーダンスを測定するための時間が信号がケーブルの前後にかかる時間に匹敵するのに十分短い場合、ケーブルのサージインピーダンスまたはケーブルの特性インピーダンスを測定することができる。しかし、十分な時間を待つ場合は、エネルギーの一部が反映され、測定器によって検出されます。このとき、インピーダンス変化を検出することができる。通常、このプロセスでは、インピーダンス値までインピーダンスが前後に変化する。安定した状態に到達する：ケーブルの端が開放されている場合、最終的なインピーダンス値は無限であり、ケーブルの端が短絡されている場合、最終的なインピーダンス値はゼロである。

3フィート長のRG 58ケーブルでは、3 ns以下の時間間隔でインピーダンス測定プロセスを完了しなければならない。これはタイムドメインリフレクトメーター( TDR )が行うことです。TDRは伝送線路の動的インピーダンスを測定することができる。3フィートのRG 58ケーブルのインピーダンスを測定するのに1 Sを要するならば、信号はこの時間間隔の間、何百万回も反射されて、インピーダンスの値の大きな変化から完全に異なるかもしれません。

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