PCB伝送路は少なくとも2本の電線を含み、1本は信号のために、もう1本は経路を返すために使用される。複雑な回路基板ネットワークは、より簡単な伝送路構造の組み合わせである。PCB設計の観点から見ると、これらの構造(マイクロストリップ、リボンワイヤ、コプレーナ)を理解することは、設計者とメーカーの両方にとってメリットがあります。
送電線の損失はいくらですか。
伝送路構造は異なる損失機構を有する。PCB伝送路の総損失を挿入損失(δ±t)と呼ぶ。これは導体損失(δc)、誘電損失(δd)、放射損失(δr)及び漏洩損失(δl)の総和である。
島±t=島±c+島±d+島±r+島±l
PCBは非常に高い体積抵抗を持っているので、漏洩の影響は無視できます。放射損失は無線周波数放射による回路エネルギー損失である。この損失は周波数、誘電率(Dk)及び厚さに依存する。特定の伝送路では、損失はより高い周波数ではるかに高くなります。同じ回路では、より薄い基板とより高いDk値を使用すると、放射損失が小さくなります。
この記事では、損失正接/散逸因子を用いて測定した信号トレース抵抗による導体損失(μc)とPCB誘電体による誘電損失(μd)に関連する伝送路損失のみを議論します。
δ±t=δ±c+δ±d
特性インピーダンスと損失機構
以前のPCB伝送路シリーズでは、伝送路の特性インピーダンス(周波数に関係なく信号に見られるインピーダンス)を提供していました。
R=単位長さ当たりの線路導体抵抗(pul)
L=線路導体回路のインダクタンス
G=信号経路とリターン経路との間のコンダクタンス(誘電体のため)pul
C=信号経路とリターン経路との間の容量pul(誘電体のDkとともに増加する)
均一な伝送路では、R、L、G、Cは各点で同じであるため、Zcは伝送路上の各点で同じ値を持っている。
線路に沿って伝搬する周波数f(π=2πf)の正弦波信号に対して、異なる点と時間の電圧と電流の表現は次の式によって与えられる:
ここで、δ±とδ²はPCB伝送路損失の実部と虚部であり、以下の式により与えられる:
私たちが興味を持っている周波数では、R<<πLとG<<πC、したがって:
また:PCB伝送路の損失は:
これは、PCB伝送路の損失を単位長さ当たりの伝搬遅延で伝搬し、回線伝搬時に減衰することを意味する。
長さlの伝送路の信号減衰係数は、
減衰または信号損失係数は通常dBで表される。
したがって、dB損失は線路長に比例する。したがって、上記を単位長さ当たりのdB損失として表すことができます。
通常はマイナス記号を省略し、信号強度(dB)から常に減算されるdB損失であることを覚えておきましょう。
上記は、伝送路の単位長さ当たりの総挿入損失とも呼ばれ、次のように書かれています。
現在、損失のR/Z 0成分はR(単位長さ当たりの抵抗)に比例しており、これは導体損失と呼ばれ、伝送路を形成する導体の抵抗に起因する。GZ 0部分の損失は誘電材料のコンダクタンスGに比例し、誘電損失と呼ばれ、「alfa」dで表される。
ここで、Rは導体の1インチ当たりの抵抗である。
現在、PCB伝送路には信号トレースとリターンパスという2つの導体があります。
通常、戻り経路は平坦な表面であるが、戻り電流は平坦な表面上に不均一に分布している--大部分の電流は信号トレース幅の3倍のストライプに集中しており、信号トレースの下にあることを証明することができる。
PCB伝送路における信号トレース抵抗
信号トレースの全断面積は信号電流に平等に関与していますか?答えは、信号の周波数によって異なります。
約1 MHzという非常に低い周波数では、導体全体が信号電流に関与していると仮定することができるので、Rsigは信号トレースの「α」C抵抗と同じ、すなわち:
π=銅抵抗率、単位はOm−インチPCB伝送路損失
W=トレース幅、単位はインチ(例:5ミル、または0.005インチトレース50オーム)
T=トレースの厚さ、単位はインチ(通常は189オンス~10オンス、すなわち0.007インチ~0.0014インチ)
たとえば、幅5 milのトレースの場合:
私たちの目的のために、周波数fの交流抵抗に興味があります。ここで、表皮効果が画面に入りました。表皮効果により、周波数fの電流は一定の深さにしか拡散せず、導体の表皮深さと呼ばれる
上から見ると、4 MHzでは表皮の深さは1オンスの銅の厚さに等しく、15 MHzでは189オンスの銅の厚さに等しい。15 MHz以上では、信号電流の深さは0.7ミル未満であり、周波数が増加するにつれて減少し続けている。
ここで注目しているのは高周波挙動であるため、興味のある周波数における表皮深さよりもTが大きいと安全に仮定することができるので、Tではなく信号抵抗公式に表皮深さを使用します。だから私たちは今、
私たちはμ'ではなく2μ'を使用しています。電流は導体のすべての周辺を使用しているので、技術的には2 Wは2(W+T)で代用できます。
戻り信号は、信号トレースに最も近い表面に沿って厚さδ´で伝播するだけであり、その抵抗は、
導体−誘電体界面での銅表面粗さにより導体損失が増加する
回路基板では、「銅導体-誘電体界面」は決して滑らかではないことを知っておくことが重要です(滑らかであれば、銅導体は誘電体表面から容易にはがれます)。基板上の導体のはく離強度を高めるために歯状構造に粗面化されています。