PCB技術 - PCB基板、50オーム

PCB基板、50オーム

PCB基板図面を設計する際に、PCBインピーダンスに接触したばかりの人にとって、多くのエンジニアがこの問題を抱えています。回路基板の一般的なシングルエンド配線が40オームや60オームではなく、デフォルトで50オームで制御されるのはなぜですか。簡単そうに見えて答えにくい質問です。この記事を書く前に、回路基板のインピーダンスに関する多くの情報を調べました。

なぜ答えにくいのですか。信号完全性の問題自体がトレードオフの問題であるため、業界で最も有名な言葉は「これは…にかかっている」ということです。これは標準的な答えのない問題です。今日は、この問題のすべての答えを簡単な方法でまとめます。こちらもご紹介です。私は多くの人が自分の立場からもっと関連する要素をまとめてほしいと思っています。

1.50オームには歴史的なつながりがある。これは標準ケーブルから始めなければなりません。現代の電子技術の大部分は軍隊から来ており、徐々に軍隊が民間に転じていることはよく知られている。マイクロ波応用の最初の段階、すなわち第二次世界大戦中、インピーダンスの選択は使用の必要性に完全に依存していた。技術の進歩に伴い、経済性と利便性の間でバランスをとるためには、インピーダンス基準を与える必要がある。米国で最も一般的なカテーテルは、既存のロッドと水道管を介して接続されている。51.5オームは非常に一般的であるが、使用されるアダプタ／コンバータは50オーム〜51.5オームである、これは陸軍と海軍が連合して解決したものだ。これらの問題に対して、JANという組織、つまり後にMILが専門に開発したDESCが設立された。総合的に考えた結果、最終的に50オームを選択し、特殊なカテーテルを製造し、各種ケーブルに変換した。標準当時、ヨーロッパの基準は60オームだった。やがてHPなどの業界を主導する会社の影響で、ヨーロッパ人も変更を余儀なくされたため、50オームは最終的に業界標準となった。これは慣例となっており、各種ケーブルに接続されたPCBは最終的にインピーダンス整合の50オームインピーダンス基準を満たす必要がある。

第二に、回路基板生産の実現の観点から見ると、50オームの方が実現しやすい。前のインピーダンス計算式から分かるように、低すぎるPCB回路基板のインピーダンスは、現在の高密度板の空間的な面でより満足しにくい、より広い線幅とより薄い誘電体（またはより大きな誘電率）を必要とする、インピーダンスが高すぎると、EMIやクロストークの抑制に不利な、より薄い線幅とより厚い誘電体（またはより小さな誘電率）も必要になります。同時に、量産の角度から見ると、多層板の加工信頼性は相対的に劣る、一般的な材料の環境下では、50オームの通常の線幅と誘電体厚さ（4 ml-6 mil）が設計要件を満たしており（インピーダンス計算は下図のように）、処理が容易であり、徐々にデフォルトの選択になるのも不思議ではない。

PCB基板インピーダンス計算

第三に、損失の観点から見ると、基礎物理学によれば、50オームインピーダンスの表皮効果損失が最小であることが証明されている（Howard Johnson博士の回復から）。一般に、ケーブルの表皮効果損失L（デシベル単位）は、全表皮効果抵抗R（単位長さ）を特性インピーダンスZ 0で割ったものに比例する。全表皮効果抵抗Rは、遮蔽層と中間導体の抵抗の和である。シールド層の表皮効果抵抗は、高周波でその直径d 2に反比例する。同軸ケーブルの内部導体の表皮効果抵抗は、高周波では直径d 1に反比例する。したがって、総直列抵抗Rは（1／d 2＋1／d 1）に比例する。これらの因子を組み合わせて、隔離材料のd 2と対応する誘電率Erを与えて、以下の式を用いて表皮効果損失を最小化することができる。

基板計算式

定数項（/60）*（1/d 2）を数式3から分離し、有効項（1+d 2/d 1）/ln（d 2 d 1））を用いて最小点を決定した。式3の最小点は、Erおよび固定値d 2とは関係なく、d 2/d 1のみによって制御されていることをよく見る。d 2/d 1をパラメータとして、Lのグラフを描きます。d 2/d 1=3.5911の場合、最小値が得られます。固体ポリエチレンの誘電率を2.25、d 2/d 1＝3.5911と仮定すると、特性インピーダンスは51.1オームである。大昔、無線技師は便宜上、同軸ケーブルの最適な値としてこの値を50オームに近似した。これは50オーム前後でLが最小であることを証明している。

最後に、電気性能の観点から、総合的に考えると、50オームの優位性もトレードオフである。純粋にPCBトレースの性能から見ると、低インピーダンスの方が良い。所定の線幅を有する伝送路では、平面からの距離が近いほど、対応するEMIが減少し、クロストークも減少し、容量性負荷の影響を受けにくい。影響しかし、完全な経路の観点から見ると、最も重要な要素の1つ、すなわちチップの駆動能力を考慮する必要がある。初期には、ほとんどのチップはPCB回路基板のインピーダンスが50オーム未満の伝送路を駆動できず、インピーダンスがより高い伝送路を実現した。これは不便なので、トレードオフスキームとして50オームインピーダンスを使用します。

以上のように、50オームは業界のデフォルト値として固有の利点があり、総合的に考慮した折衷案でもあるが、50オームを使用しなければならないという意味ではない。多くの場合、これはマッチングに依存します。75オームなどのインターフェースは、依然として遠隔通信の標準である。一部のケーブルとアンテナは75オームを使用している。この場合、整合したPCBラインインピーダンスが必要となる。また、チップの駆動能力を高めることで伝送路のインピーダンスを低下させ、EMIやクロストークをより良く抑制する特殊なチップもある。例えば、ほとんどのインテルチップはインピーダンスを37オーム、42オーム以下に制御する必要があります。私はここで繰り返さない。