PCB技術 - PCBインピーダンスを制御する方法

PCBインピーダンスを制御することはPCB信号の切り替え速度の絶えずの向上であり、今日のPCB設計者はPCBトレースのインピーダンスを理解し、制御する必要がある。現代のデジタル回路のより短い信号伝送時間とより高いクロックレートに対応して、PCBトレースは単なる接続ではなく、伝送路である。

PCBインピーダンスを制御する方法

実際には、デジタル限界速度が1 ns以上、またはアナログ周波数が300 Mhzを超える場合、トレースインピーダンスを制御する必要があります。PCBトレースの重要なパラメータの1つは、その特性インピーダンス（すなわち、信号伝送路に沿って波が伝送されるときの電圧対電流の比率）である。プリント基板上のワイヤの特性インピーダンスは基板設計の重要な指標である。特に、高周波回路のPCB設計では、ワイヤの特性インピーダンスがデバイスや信号に必要な特性インピーダンスと一致しているかどうか、およびそれらが一致しているかどうかを考慮する必要があります。これは2つの概念に関連している：インピーダンス制御とインピーダンス整合。本文は主にインピーダンス制御と積層設計問題を討論する。

PCBインピーダンス制御（eImpedance Controling）により、回路基板内の導体が各種信号を伝送する。その伝送速度を高めるためには、その周波数を上げる必要があります。回路自体がエッチングされ、積層厚さ、ワイヤ幅などの要素に影響されると、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のインピーダンス値は一定の範囲内に制御されるべきであり、これが「インピーダンス制御」である。

PCBトレースのインピーダンスは、そのインダクタンスと容量インダクタンス、抵抗と導電性によって決定される。PCBトレースインピーダンスに影響する主な要素は、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、およびワイヤ周りの配線である。PCBインピーダンスの範囲は25〜120オームである。

実際には、PCB伝送路は、一般に、ワイヤトレース、1つまたは複数の参照層、および絶縁材料から構成される。トレースとプレート層は制御インピーダンスを構成する。PCBは通常多層構造を採用し、制御インピーダンスも様々な方法で構築することができる。しかし、どのような方法を使用しても、インピーダンス値はその物理構造と絶縁材料の電気的特性によって決定される：

信号トレースの幅と厚さ

トレースの両側のコアまたは予備充填材の高さ

トレースとレイヤの配置

コアとプレフィル材の絶縁定数

PCB伝送路には主に2つの形式がある：マイクロストリップ線とストリップ線。

制御PCBインピーダンスマイクロストリップ：

マイクロストリップ線とは、片側だけ参照平面がある伝送線のことです。上部と側面は、絶縁定数Er回路基板の表面に配置された空気中に暴露される（コーティングすることもできる）。電源平面または接地平面が参照です。次のようになります。

注：実際のPCB製造では、IPCB工場は通常、PCB表面に緑色の油を塗っています。したがって、実際のインピーダンス計算では、通常、下図に示すモデルを使用して表面マイクロストリップ線を計算します。

制御PCBインピーダンスストリップライン：

リボンワイヤは、2つの参照平面の間に配置されたリボンワイヤです。下図に示すように、H 1とH 2で表される誘電体の誘電率は異なっていてもよい。

以上の2つの例は、マイクロストリップラインとストリップラインの典型的なデモにすぎない。特定のPCB積層板構造に関連するコーティングされたマイクロストリップワイヤなど、特定のマイクロストリップワイヤとストリップワイヤの多くのタイプがあります。

特性インピーダンスを計算するための方程式は複雑な数学計算を必要とし、通常は境界要素分析を含むフィールドソルバ方法を使用するため、専用インピーダンス計算ソフトウェアSI 9000を使用して、私たちが必要とするのは特性インピーダンスを制御するパラメータ：

絶縁層の誘電率Er、トレース幅W 1、W 2（台形）、トレース厚さT、絶縁層厚さH。

プリプレグ/絶縁層コアの概念：

PP（プリプレグ）は、ガラス繊維とエポキシ樹脂からなる誘電体材料である。コアは実際にはPP型媒体であるが、その両面は銅箔で覆われているが、PPはない。多層板を作製する際には、通常COREとPPを組み合わせて使用し、COREとCOREはPPで接着する。

PCB積層板の設計上の注意事項：

（1）反り問題

PCB積層板の設計は対称であるべきである、すなわち各層の誘電体厚と各層の銅厚は対称である。6層板を例にとると、TOP-GNDとBOTTOM-POWERの誘電体厚は銅厚と同じで、GND-L 2はBOTTOM-POWERと同じである。L 3−POWERの誘電体厚は銅の厚さと同じである。積層中に反りは発生しない。

（2）信号層は隣接する基準平面と密接に結合しなければならない（すなわち、信号層と隣接する銅層との間の誘電体厚は小さいべきである）、電源銅と接地銅は緊密に結合しなければならない。

（3）非常に高速な場合は、信号層を隔離するために追加の接地層を追加することができますが、複数の電源層を隔離しないことをお勧めします。これにより、不必要なノイズ干渉を引き起こす可能性があります。

（4）典型的な積層設計層の分布は次の表の通りである：

（5）階層配置の一般原則：

素子表面（第2層）の底部は接地面であり、素子遮蔽層と最上層配線の基準面を提供する。

すべての信号層はできるだけ地表面に近い、

2つの信号層が直接隣接することをできるだけ避ける、

主電源はできるだけ主電源に近づけてください。

積層構造の対称性を考慮する。

マザーボードの階層レイアウトでは、既存のマザーボードでは、並列した長距離配線を制御することは困難です。50 MHZ以上の板段動作周波数に対して

（50 MHZ以下の場合、適切に緩和）、配置原則を提案する：

部品表面と溶接表面は完全な接地平面（シールド）である、

隣接する平行配線層がない、

すべての信号層はできるだけ地表面に近い、

キー信号は地面に隣接しており、仕切り板を通っていない。

IPCBプラントは、顧客に2〜70層制御PCBインピーダンスシミュレーション設計を提供することができる。